撞擊-噴射流空化強化大豆粕蛋白溶解的研究

程海濤，申獻雙

(1.衡水學院 化工學院，河北 衡水 053000； 2.衡水學院 美術學院，河北 衡水 053000)

大豆粕作為大豆榨油后的主要副產物，富含蛋白質，是天然蛋白質來源之一。大豆粕蛋白由于受蛋白質結構的束縛，水溶性不好，溶解度不高。雖然蛋白質具有兩親結構，是天然表面活性劑，但同樣受其結構的束縛，兩親性結構無法暴露出來，表面活性較差。為提高大豆粕蛋白溶解性以及水溶性大豆粕蛋白表面活性，需要破除蛋白質束縛結構[1-3]。目前破除蛋白質束縛結構的方法主要有物理法與化學法，物理法主要是機械研磨，化學法主要利用化學試劑與大豆粕蛋白中活性基團反應，兩種方法前者改善效果不佳，后者需使用大量有機試劑，工藝不夠環保。

水力空化是一種新穎的化學強化型技術，可產生局部瞬態高溫(～1 000 K)、高壓(～101 324 kPa)和高速微噴射，以及各種極復雜的物理化學效應[4-5]。撞擊流空化與噴射流空化是水力空化的兩種形式。撞擊流空化的觀點由Elperin[6]首次提出，液體在撞擊點的動量、流動方式都發生了巨大變化，形成強大的微混合效應，增加了分子碰撞的可能性。壓力波動會改變分子的能量和分布，使一部分分子獲得更多能量[6-9]。噴射流空化特點是，由于噴射流空化部件的流動面積的變化，引起液體流動壓力的變化而形成空化效應。當液體通過噴射流空化裝置的收縮部時，液體壓力等于或低于液體的蒸汽壓，從而形成空化腔。隨著壓力的進一步降低，空腔繼續增長，并在最低壓力下達到最大尺寸，隨后，當液體射流膨脹并降低流速時，壓力恢復，導致早期形成的空化腔坍塌。

將撞擊流與噴射流空化裝置串聯，使得撞擊-噴射流空化形成協同耦合效果。而協同效果對于大豆粕蛋白結構改變提高其溶解性的研究尚未見報道。本研究基于噴射流空化和撞擊流空化的特征，將噴射流空化和撞擊流空化耦合技術用于本研究中以加強大豆粕蛋白溶解，利用單因素實驗和響應面實驗優化了撞擊-噴射流空化壓力、撞擊-噴射流空化時間、撞擊-噴射流空化溫度、撞擊-噴射流空化裝置結構、料液比等影響大豆粕蛋白溶解度因素，確定了最優工藝條件，同時測定了最優工藝條件下水溶性大豆粕蛋白溶液的表面活性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

大豆粕，市售；NaOH(AR)、鹽酸(AR)、月桂酸鉀(AR)、十二烷基硫酸鈉(AR)，天津市大茂化學試劑廠；具塞量筒(100 mL)，衡水瑞豐化玻儀器有限公司。

E-201-C型pH計，上海精密科學儀器有限公司；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，上海精科天美科學儀器有限公司；100LK型高剪切混合乳化頭，上海威宇機電制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 撞擊-噴射流空化協同強化大豆粕蛋白溶解工藝

撞擊-噴射流空化協同強化大豆粕蛋白溶解裝置如圖1所示。將粉碎過100目篩的大豆粕粉，按照一定料液比加入到協同強化裝置反應器7中，啟動設備1渦流泵，水力空化壓力由閥門9控制，水流經過14撞擊流水力空化裝置，產生撞擊流水力空化效應，流經15噴射流水力空化裝置，產生噴射流水力空化效應。利用8熱水儲槽進行恒溫處理，處理一定時間后取樣，靜置取上清液進行分析。

注：1.渦輪泵；2.循環泵；3.壓力表；4.溫度計；5.加料槽；6.攪拌器；7.反應器；8.熱水儲槽；9.截止閥；10.球閥；11.加料槽；12.pH計；13.閥門；14.撞擊流水力空化裝置；15.噴射流水力空化裝置。

圖1 撞擊-噴射流空化協同裝置

1.2.2 蛋白質含量的測定

以牛血清白蛋白作為標準，采用福林酚比色法[10]測定蛋白質含量。

1.2.3 表面活性的測定

表面張力、乳化性能、起泡性能和潤濕性能的測定見參考文獻[11]。

2 結果與分析

2.1 撞擊-噴射流空化強化大豆粕蛋白溶解單因素實驗

2.1.1 撞擊-噴射流空化壓力對溶解度的影響

在料液比1∶100、撞擊-噴射流空化溫度50℃、撞擊-噴射流空化時間50 min、噴射流裝置角度(入口角度-出口角度，下同)組合38°-30°的條件下，研究撞擊-噴射流空化壓力對大豆粕蛋白溶解度的影響，結果如圖2所示。

圖2 撞擊-噴射流空化壓力對溶解度的影響

由圖2可見，撞擊-噴射流空化壓力的提升對大豆粕蛋白溶解度的增加起到了促進作用。主要原因在于撞擊-噴射流空化壓力提高，使流體的流動速度和撞擊強度增強，空化氣泡量密度增大，空化強度提高，最終增大了大豆粕蛋白溶解度。當撞擊-噴射流空化壓力高于0.40 MPa后，大豆粕蛋白溶解度出現下降趨勢，主要原因在于撞擊-噴射流空化壓力過高會出現超空化現象，空化氣泡數量極大但是不易發生潰滅，降低了空化效應強度。

2.1.2 撞擊-噴射流空化時間對溶解度的影響

在料液比1∶100、撞擊-噴射流空化溫度50℃、撞擊-噴射流空化壓力0.40 MPa、噴射流裝置角度組合38°-30°的條件下，研究撞擊-噴射流空化時間對大豆粕蛋白溶解度的影響，結果如圖3所示。

圖3 撞擊-噴射流空化時間對溶解度的影響

由圖3可見，撞擊-噴射流空化初期，大豆粕蛋白溶解度隨撞擊-噴射流空化時間的延長快速提升，在撞擊-噴射流空化時間60 min時達最大。主要是因為空化效應的累積破壞了大豆粕蛋白質空間結構和蛋白質分子主鏈結構，使得大豆粕蛋白溶解度增大，當空化效應能夠破壞的大豆粕蛋白質結構基本被破壞完全，大豆粕蛋白溶解度不再增加，同時產生的小分子結構可能會在空化效應的作用下發生化學反應，降低大豆粕蛋白溶解度。

2.1.3 撞擊-噴射流空化溫度對溶解度的影響

在料液比1∶100、撞擊-噴射流空化時間60 min、撞擊-噴射流空化壓力0.40 MPa、噴射流裝置角度組合38°-30°的條件下，研究撞擊-噴射流空化溫度對大豆粕蛋白溶解度的影響，結果如圖4所示。

圖4 撞擊-噴射流空化溫度對溶解度的影響

由圖4可見，隨撞擊-噴射流空化溫度的升高，大豆粕蛋白溶解度呈先增后降趨勢。這主要是因為撞擊-噴射流空化溫度升高，降低了流體黏度和界面張力，有利于分子擴散，同時溫度的升高會對離子鍵以及氫鍵造成破壞，使空間位阻減少，有利于大豆粕蛋白溶解度的提高。另外，空化溫度的升高會增大液體內部空化氣泡的潰滅，有利于空化效應的產生，但是溫度升高同時會使蒸汽壓增大，當蒸汽壓增速大于溫度增速空化氣泡潰滅減少，空化效應降低，導致大豆粕蛋白溶解度降低。

2.1.4 撞擊-噴射流空化裝置入口角度-出口角度對溶解度的影響

噴射流裝置入口角度-出口角度的變化對空化效應和流體流動狀態有很大影響。在料液比1∶100、撞擊-噴射流空化時間60 min、撞擊-噴射流空化壓力0.40 MPa、撞擊-噴射流空化溫度50℃條件下，研究噴射流裝置入口角度-出口角度對大豆粕蛋白溶解度的影響，結果如表1所示。

表1 撞擊-噴射流空化裝置入口角度-出口角度對大豆粕蛋白溶解度的影響

由表1可見，出口角度固定，隨著入口角度增加，大豆粕蛋白溶解度先增大后降低。原因在于入口角度增加，出口阻力隨著入口角度的增加而增加，液體中空化區域和空化數增加，空化效應提高，溶解度增大，但入口角度增大到一定程度，流體流動阻力增大，流量降低，空化效應降低，溶解度降低。入口角度固定，隨著出口角度增大，大豆粕蛋白溶解度也呈先增大后降低的趨勢，原因在于出口角度增大，汽化區域增大，氣泡增多，空化強度增大，溶解度增大，但出口角度增大到一定程度后，氣泡量過大，管壁處的壓力梯度和流體湍流的變化增加，阻力增大，流速降低增加空化數，降低空化強度。

2.1.5 料液比對溶解度的影響

在撞擊-噴射流空化溫度50℃、撞擊-噴射流空化時間60 min、撞擊-噴射流空化壓力0.40 MPa、噴射流裝置角度組合38°-30°的條件下，研究料液比對大豆粕蛋白溶解度的影響，結果如圖5所示。

圖5 料液比對溶解度的影響

由圖5可見，隨著料液比的增加，大豆粕蛋白溶解度先增加后趨于平緩。原因在于：一方面，大豆粕蛋白在溶液中存在溶解平衡，所以溶解度會趨向于穩定；另一方面，空化效應破壞大豆粕蛋白質分子空間結構以及主鏈結構是有限度的，溶解度不會無限度增大；此外，水溶性大豆粕蛋白分子結構中的兩親性結構會發生聚集，生成沉淀，也會降低溶解度。

2.2 響應面優化撞擊-噴射流空化強化大豆粕蛋白溶解工藝

2.2.1 響應面實驗結果

在單因素實驗的基礎上，固定料液比1.5∶100，選取大豆粕蛋白溶解度(Y)為響應值，撞擊-噴射流空化壓力(X1)、撞擊-噴射流空化時間(X2)、撞擊-噴射流空化溫度(X3)、撞擊-噴射流空化裝置入口角度-出口角度(X4)為影響因素，根據 Box-Benhnken 實驗設計原理，通過SAS軟件對實驗數據進行回歸分析，確定最佳工藝條件。響應面實驗因素水平見表2，響應面實驗方案及結果見表3。

表2 響應面實驗因素水平

表3 響應面實驗方案及結果

2.2.2 回歸方程及方差分析

對回歸方程進行方差分析，結果見表4。

表4 方差分析

由表4可見，模型失擬項P>0.05，說明預測模型和預測情況擬合性充分，真實反映不同影響因素間的關系。X1、X2、X3、X44個影響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 響應面優化工藝條件及驗證實驗

對響應面優化實驗得到的回歸方程進行極值求解計算，結果為X1=0.45 MPa、X2=65 min、X3=58℃，X4=(30°-40°)時，大豆粕蛋白溶解度最大，為1.736 mg/mL。

在優化工藝條件下進行3次驗證實驗，溶解度分別為1.738、1.737、1.736 mg/mL，平均溶解度為1.737 mg/mL，與回歸方程模型得到的計算值相差0.1%，實際實驗結果證明回歸方程模型具有極高可信度。與未經撞擊-噴射流空化強化處理過的大豆粕蛋白溶解度(0.780 mg/mL)相比，撞擊-噴射流空化可顯著提高大豆粕蛋白溶解度。

2.3 表面活性性能比較

對大豆粕蛋白水溶液、月桂酸鉀、十二烷基硫酸鈉的表面張力、乳化性能、起泡性能、潤濕性能進行測定，結果如表5所示。由表5可見，撞擊-噴射流空化處理的大豆粕蛋白水溶液具有一定的表面活性，其表面活性接近月桂酸鉀和十二烷基硫酸鈉。

表5 產物表面活性性能對比

注：1#溶液.撞擊-噴射流空化處理的大豆粕蛋白水溶液； 2#溶液.未經撞擊-噴射流空化處理的大豆粕蛋白水溶液。

3 結 論

本研究利用撞擊-噴射流空化協同強化裝置，對影響大豆粕蛋白溶解度因素進行了研究，利用單因素實驗和響應面實驗得到撞擊-噴射流空化協同強化大豆粕蛋白溶解的最優工藝條件為：撞擊-噴射流空化壓力0.45 MPa，撞擊-噴射流空化時間65 min，噴射流空化溫度58℃，入口角度-出口角度組合30°-40°，料液比1.5∶100。在最優條件下，大豆粕蛋白溶解度為1.737 mg/mL。對大豆粕蛋白水溶液表面活性測定表明，撞擊-噴射流空化強化大豆粕蛋白水溶液具有一定的表面活性。