渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解的研究

程海濤，申獻雙

(1.衡水學(xué)院 化工學(xué)院，河北 衡水053000； 2.衡水學(xué)院 美術(shù)學(xué)院，河北 衡水053000)

大豆粕是大豆榨油后的副產(chǎn)物，蛋白質(zhì)含量豐富，有45%左右[1-3]。大豆蛋白具有兩親性結(jié)構(gòu)，即具有疏水基團和親水基團，但由于蛋白質(zhì)本身高級結(jié)構(gòu)的束縛無法表現(xiàn)出優(yōu)良的表面活性，同時水溶解性差，在水中溶解度較低，提高大豆蛋白水溶解性必須利用外界物理、化學(xué)能量破壞蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)。

機械研磨利用相應(yīng)介質(zhì)的機械摩擦產(chǎn)生相應(yīng)機械剪切力，可破壞大豆蛋白的高級結(jié)構(gòu)，解放大豆蛋白的親水基團，提高水溶解性。

渦流空化是水力空化的一種，是利用渦輪泵裝置在水介質(zhì)中產(chǎn)生空化作用，利用空化作用的能量破壞大豆蛋白的高級結(jié)構(gòu)[4-6]，使蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量降低，把親水基團暴露出來，從而提高大豆粕蛋白的水溶解性。

本文利用渦流空化-機械研磨協(xié)同強化裝置[7-10]，強化大豆粕蛋白的水溶解性。利用單因素實驗和響應(yīng)面實驗優(yōu)化了水力空化壓力、水力空化時間、水力空化溫度、料液比等因素，確定了最優(yōu)工藝條件，并測定了最優(yōu)工藝條件下所得大豆粕蛋白水溶液的表面活性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

大豆粕，市售；月桂酸鉀(AR)、十二烷基硫酸鈉(AR)、NaOH(AR)、鹽酸(AR)，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

E-201-C型pH計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；DT-102型全自動界面張力儀，淄博華坤電子儀器有限公司；SZ-93型自動雙重純水整流器，上海亞榮生化儀器廠；FA22048型電子分析天平，上海精科天美科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解

渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解裝置如圖1所示。將粉碎過100目篩的大豆粕，按照一定料液比加入到協(xié)同強化設(shè)備反應(yīng)器7中，啟動設(shè)備1渦流泵，水力空化壓力由閥門9控制，同時啟動研磨攪拌裝置，在一定轉(zhuǎn)速下，處理一定時間后取樣，靜置24 h，取上清液進行分析。

注：1.渦流泵；2.循環(huán)泵；3.壓力表；4.溫度表；5.加料槽；6.攪拌器；7.反應(yīng)器；8.熱水儲槽；9.截止閥；10.球閥；11.加料槽；12.pH計；13.閥門；14.研磨材料。

圖1 渦流空化-機械研磨協(xié)同強化設(shè)備

1.2.2 蛋白質(zhì)含量測定

以牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)福林-酚比色法[11]測定。

1.2.3 產(chǎn)物表面活性性能測定

表面張力：利用DT-102型全自動界面張力儀測定。

乳化性能[12-13]：利用高速乳化設(shè)備在一定時間內(nèi)充分乳化產(chǎn)物與油水混合物，通過具塞量筒確定乳化層和非乳化層體積，計算乳化層體積占總體積(乳化層和非乳化層體積之和)的比例，確定乳化性。放置120 min后計算乳化層占總體積的比例，測得乳化穩(wěn)定性。

起泡性能[14]：利用高剪切混合乳化機將一定體積的上清液攪拌一定時間，利用具塞量筒測定泡沫體積和溶液體積，計算泡沫體積占總體積(泡沫體積與溶液體積之和)的比例，確定起泡性。放置30 min 計算泡沫體積占總體積的比例，測得泡沫穩(wěn)定性。

潤濕性能：按參考文獻[15]進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解工藝單因素實驗

2.1.1 水力空化壓力對溶解度的影響

在料液比1.5∶100、水力空化溫度40℃、水力空化時間50 min、機械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min、機械研磨時間30 min條件下，研究水力空化壓力對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 水力空化壓力對溶解度的影響

由圖2可知，不同水力空化壓力對于大豆粕蛋白的溶解度有顯著影響。隨著水力空化壓力的增大,大豆粕蛋白溶解度由1.473 mg/mL增加到最大值1.610 mg/mL，溶解度最大值所對應(yīng)的水力空化壓力為0.35 MPa，水力空化壓力繼續(xù)增大溶解度有所下降。主要原因是空化效應(yīng)隨水力空化壓力增大逐步提高，大豆粕蛋白質(zhì)分子中被解離的親水基團增多，溶解度逐步升高，但是空化壓力過高會產(chǎn)生超空化現(xiàn)象，空化效應(yīng)會降低，溶解度也隨之降低。

2.1.2 水力空化時間對溶解度的影響

在料液比1.5∶100、水力空化溫度40℃、水力空化壓力0.35 MPa、機械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min、機械研磨時間30 min條件下，研究水力空化時間對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 水力空化時間對溶解度的影響

由圖3可見，大豆粕蛋白溶解度隨水力空化時間延長呈先增大后降低趨勢，原因在于水力空化效應(yīng)隨水力空化時間的延長而增大，使得溶解度增加，水力空化時間繼續(xù)延長，水力空化效應(yīng)除了破壞大豆粕蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)增大溶解度外，同時會降低分子間作用力使得溶解的大豆粕蛋白聚集造成溶解度下降。

2.1.3 水力空化溫度對溶解度的影響

在料液比1.5∶100、水力空化時間60 min、水力空化壓力0.35 MPa、機械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min、機械研磨時間30 min條件下，研究水力空化溫度對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 水力空化溫度對溶解度的影響

由圖4可見，水力空化溫度在40℃時大豆粕蛋白溶解度最大，這是因為水力空化效應(yīng)隨溫度升高逐步增大，從而更大限度地破壞了大豆粕蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，增大了溶解度。但是，隨溫度繼續(xù)升高會使得溶解的大豆粕蛋白質(zhì)分子相互靠近的概率增大，引起溶解的大豆粕蛋白質(zhì)再次聚集，造成溶解度下降。

2.1.4 料液比對溶解度的影響

在水力空化時間60 min、水力空化溫度40℃、水力空化壓力0.35 MPa、機械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min、機械研磨時間30 min條件下，研究料液比對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 料液比對溶解度的影響

由圖5可見，大豆粕蛋白溶解度隨料液比的增加呈先增大后降低趨勢，料液比過大，大豆粕蛋白質(zhì)分子聚集體和溶解的大豆粕蛋白質(zhì)達到平衡，溶解度不會繼續(xù)增大，反而會有所降低。

2.1.5 機械研磨轉(zhuǎn)速對溶解度的影響

在水力空化時間60 min、水力空化溫度40℃、水力空化壓力0.35 MPa、料液比1.5∶100、機械研磨時間30 min條件下，研究機械研磨轉(zhuǎn)速對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 機械研磨轉(zhuǎn)速對溶解度的影響

由圖6可知，大豆粕蛋白溶解度隨機械研磨轉(zhuǎn)速增加逐步增大，當(dāng)機械研磨轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時溶解度達到最大，機械研磨轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大溶解度變化不大。研磨材料的碰撞摩擦?xí)茐拇蠖蛊傻鞍踪|(zhì)分子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速越大程度越深，分子鏈變得越短從而暴露更多的親水基團和疏水基團，溶解度逐步增大，但是溶解度達到一定程度后，溶液中可溶性大豆粕蛋白質(zhì)分子基團的相互吸引作用占據(jù)主導(dǎo)地位，一部分可溶性大豆粕蛋白質(zhì)分子產(chǎn)生聚集，形成動態(tài)平衡，溶解度趨于穩(wěn)定。

2.1.6 機械研磨時間對溶解度的影響

在水力空化時間60 min、水力空化溫度40℃、水力空化壓力0.35 MPa、料液比1.5∶100、機械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，研究機械研磨時間對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果見圖7。由圖7可見，隨著機械研磨時間的延長大豆粕蛋白的溶解度逐步增大，當(dāng)機械研磨時間為30 min時溶解度最大，繼續(xù)延長機械研磨時間溶解度不再繼續(xù)增加，主要原因是隨著機械研磨時間延長大豆粕蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)破壞程度逐步加大，溶解度持續(xù)增加，但是達到一定程度后，溶解的大豆粕蛋白質(zhì)分子與未溶解的大豆粕蛋白質(zhì)分子形成動態(tài)平衡，再延長機械研磨時間溶解度也無明顯增加趨勢，同時會造成溶液內(nèi)部局部溫度過高，溶解度有所下降。

圖7 機械研磨時間對溶解度的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解工藝

2.2.1 響應(yīng)面實驗

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，確定機械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min，機械研磨時間30 min，以大豆粕蛋白溶解度(Y)為響應(yīng)值，水力空化壓力(X1)、水力空化時間(X2)、水力空化溫度(X3)、料液比(X4)為因素，根據(jù) Box-Behnken 實驗設(shè)計原理，通過SAS軟件對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，確定最佳工藝條件。響應(yīng)面實驗因素水平見表1，響應(yīng)面實驗設(shè)計和結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面實驗因素水平

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計和結(jié)果

續(xù)表2

實驗號X1X2X3X4Y/(mg/mL)140-1101.3961501-101.4181601101.34717-10-101.29918-10101.3441910-101.3792010101.406210-10-11.315220-1011.40823010-11.4502401011.4492500001.6192600001.6162700001.620

2.2.2 回歸方程的確定

表3 方差分析

注：回歸方程R2=99.74%。

由表3可見，回歸方程R2為99.74%，說明模型計算值和實驗值擬合度高，模型確定的方程預(yù)測渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解度最大值是可信的。4個因素對大豆粕蛋白溶解度的影響程度為X2>X1>X4>X3，因素之間的交互影響X1X3不顯著，其余項影響均顯著。

2.2.3 響應(yīng)面實驗優(yōu)化工藝條件及驗證實驗

通過對響應(yīng)面實驗優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)模型進行最大值計算，求得X1為0.36 MPa、X2為65 min、X3為43℃、X4為1.8∶100時，溶解度最大值為1.623 mg/mL。在最優(yōu)條件下進行3次驗證實驗，溶解度分別為1.623、1.625、1.624 mg/mL，平均值為1.624 mg/mL，與響應(yīng)面優(yōu)化模型計算得到的最大值相差很小，證明得到的響應(yīng)面優(yōu)化模型是可信的。與未經(jīng)渦流空化-機械研磨協(xié)同強化處理的大豆粕相比，蛋白溶解度由0.780 mg/mL 提高到1.624mg/mL，提高幅度達108%。

2.3 產(chǎn)物表面活性性能

對產(chǎn)物(水溶性大豆粕蛋白溶液)與月桂酸鉀、十二烷基硫酸鈉的表面活性性能進行了對比，結(jié)果見表4。由表4可見，水溶性大豆粕蛋白水溶液表面活性性能各方面接近月桂酸鉀和十二烷基硫酸鈉，說明渦流空化-機械研磨對于解離束縛大豆粕兩親性基團是有效的。

表4 產(chǎn)物表面活性性能

3 結(jié) 論

本研究以影響渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解工藝的單因素實驗為基礎(chǔ)，利用SAS軟件，根據(jù) Box-Behnken的實驗設(shè)計原理，利用響應(yīng)面優(yōu)化渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解工藝條件。得到的渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解最優(yōu)工藝條件為：水力空化壓力0.36 MPa，水力空化時間65 min，水力空化溫度43℃，料液比1.8∶100，機械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min，機械研磨時間30 min。在最優(yōu)條件下，大豆粕蛋白溶解度為1.624 mg/mL。渦流空化-機械研磨協(xié)同強化大豆粕蛋白溶解獲得的水溶性大豆粕蛋白溶液具有一定表面活性。