微波辅助提取棉籽糖及膜纯化工艺研究

吴 尧，万端极，吴正奇，廖宇杰，杨 涛，马 超

（1湖北工业大学资源与环境工程学院，湖北 武汉430068；2湖北工业大学食品与制药工程学院，湖北 武汉430068）

我国是世界第一大产棉国，棉籽饼粕产量在500万t左右，约占各类植物饼粕总产量的30%［1－2］。棉籽饼粕中含有质量较高的蛋白质、植酸、棉籽糖等物质，是一种价值很高的资源。棉籽糖又称蜜三糖，是植物界中含量仅次于蔗糖的低聚糖，由半乳糖、果糖和葡萄糖结合而成，有整肠和改善排便的功能，还可以改善人体消化功能，促进钙的吸收，增强人体免疫力，对预防疾病和抗衰老有明显效果［3］。目前对棉籽糖的提取纯化工艺研究较多的是乙醇溶液提取法［4－5］，而用微波辅助提取及膜技术纯化棉籽糖的工艺研究鲜有报道。本研究采用单因素试验，重点考察了微波处理时间、微波功率、料液比以及p H值等因素对棉籽糖提取效果的影响，并采用正交实验对棉籽糖的提取工艺进行优化，确定棉籽糖的最佳提取条件，后用膜技术纯化棉籽糖，为棉籽糖的提取纯化提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱酚棉籽粕，由湖南崎丰生物科技有限公司提供，粉碎过60目筛；盐酸、氢氧化钠、乙腈、纯棉籽糖（Sig ma公司），均为分析纯。

1.2 仪器与设备

PHS－4 p H酸度计：上海伟业仪器厂；RE－52冷冻离心机：上海安亭科学仪器厂；微波炉：佛山顺德美的电器制造有限公司；HX1201Z型电子天平：慈溪市天冬仪器厂；戴安Ulti Mate 3000液相色谱仪：石家庄博莱特仪器有限公司；JJ－1型精密增力电动搅拌器：江苏晓阳电子仪器厂；膜组件设备：湖北工业大学膜技术研究所。

1.3 检测方法

1.3.1 棉籽糖含量的检测 采用高效液相色谱法［6］。

1.3.2 固性物含量的测定 采用常压干燥法测定不挥发物的含量（参照 GB／T 2793－1995）［7］。

1.3.3 棉籽糖浸出率计算公式 棉籽糖浸出率＝［（棉籽糖浓度×溶液体积）／棉籽粕中棉籽糖含量］×100%。

1.4 实验方法

工艺流程：脱酚棉籽粕→烘干→粉碎→微波辅助提取→调p H→离心→膜分离→干燥

1.4.1 粉碎 为了使棉籽粕中的棉籽糖尽可能的提取出来，将棉籽粕粉碎过60目筛。

1.4.2 微波辅助提取 将粉碎过筛后的棉籽粕与蒸馏水按一定比例混合，调节p H，浸泡30 min，用微波处理一定时间。微波辅助提取的条件对棉籽糖的提取影响较大，找到最佳的工艺条件有利于得到尽可能多的棉籽糖，使原料得以充分利用，还可以节约成本。本实验考察不同的微波处理时间、微波功率、料液比和p H值等对浸出率的影响，并采用L9（34）正交实验对棉籽糖的提取工艺条件进行优化。

1.4.3 调p H 在离心前调浸提液p H至蛋白质等电点，目的是为了使浸提过程中溶解在浸提液中的蛋白质沉淀下来，方便后续棉籽糖的纯化。

1.4.4 膜分离 过两级膜除杂浓缩［8］。先通过微滤膜过滤，去处浸提液中的微小颗粒、棉籽蛋白等杂质。微滤滤液再通过纳滤膜，留住棉籽糖，透过小分子的氨基酸，无机盐等分子量较小的物质，得到棉籽糖浓缩液。

1.4.5 干燥 将棉籽糖浓缩液进行冷冻干燥，得到棉籽糖。

2 结果与分析

2.1 微波辅助提取棉籽糖单因素试验

2.1.1 微波处理时间对棉籽糖浸出率的影响 称取50 g粉碎过筛后的棉籽粕，加入400 mL蒸馏水，浸泡30 min，调节p H至3.0，以500 W的微波辅助提取，测定浸提液中棉籽糖的含量。选取微波时间为3、6、9、12、15、18 min，结果见图1。

图1 微波处理时间对棉籽糖浸出率的影响

由图1可知，棉籽糖的浸出率随着微波处理时间的延长逐渐增加，6～9 min时浸出率最高，随后随着微波处理时间的延长，棉籽糖的浸出率反而下降。这是由于微波辐射在短时间内对棉籽粕细胞的破碎作用很大，棉籽糖溶出多，所以棉籽糖浸出率上升较快。当溶解度达到饱和时，棉籽糖不再溶出。随着微波处理时间的延长，溶液中水会蒸发，从而使棉籽糖的浸出率下降。根据试验结果，选择微波处理时间为9 min。

2.1.2 微波功率对棉籽糖浸出率的影响 称取50 g粉碎过筛后的棉籽粕，加入400 mL蒸馏水，浸泡30 min，调节p H至3.0，以不同功率的微波辅助提取9 min，测定浸出液中棉籽糖的含量。选取微波功率为200、350、500、650、800 W，结果见图2。由图2可以看出，在0～500 W范围内，棉籽糖的浸出率随微波功率的增加逐渐增大，与直接水提相比浸出率高出很多，当微波功率超过500 W时，棉籽糖浸出率增加较为缓慢，趋于平缓。根据试验结果，选择微波功率为500 W。

图2 微波功率对棉籽糖浸出率的影响

2.1.3 料液比对棉籽糖浸出率的影响 称取50 g粉碎过筛后的棉籽粕，加入不同量的蒸馏水，浸泡30 min，调节p H至3.0，以500 W的功率微波辅助提取9 min，测定浸出液中棉籽糖的含量。选取料液比为1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，结果见图3。

图3 料液比对棉籽糖浸出率的影响

由图3可知，料液比对棉籽糖的浸出率影响也很明显。随着提取溶剂的增加，棉籽糖浸出率增加较快；当料液比为1∶8以上，棉籽糖的浸出率变化不明显。料液比的影响可能是因为溶剂用量影响棉籽糖的原料与溶剂之间的扩散过程，也涉及到棉籽糖在水中的饱和问题。但是考虑到生产成本及后续的浓缩问题，选择料液比为1∶8。

2.1.4 浸提液p H值对棉籽糖浸出率的影响 称取50 g粉碎过筛后的棉籽粕，加入400 mL蒸馏水，浸泡30 min，调节不同p H值，以500 W的功率微波辅助提取9 min，测定浸出液中棉籽糖的含量。选取p H 值为2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，结果见图4。

图4 p H值对棉籽糖浸出率的影响

由图4可知，在p H值小于3时，棉籽糖的浸出率随p H值的增大而降低，降低的过程比较缓慢；当p H值在3～5之间时，棉籽糖的浸出率随p H值的增大而降低的比较快；当p H大于5时，棉籽糖的浸出率基本趋于平缓。考虑到棉籽粕中的植酸在p H小于3时较于溶出且加入过的盐酸对后续膜浓缩过程增加负担，因此选取p H为3.0。

2.2 正交实验的设计

根据单因素试验所确定的工艺条件，以棉籽糖浸出率为考察指标设计L9（34）正交实验来确定最佳实验方案。

表1 正交设计因子和水平表

表2 正交实验结果

由表2极差分析可知，RC＞RB＞RA＞RD，即料液比＞微波功率＞微波处理时间＞p H值，其中料液比对棉籽糖的浸出率影响最大。最优工艺条件组合为A2B3C3D1，即微波处理时间9 min，微波功率650 W，料液比1∶10，p H值2.5。该条件下棉籽糖浸出率91.5%。

2.3 棉籽糖的纯化

棉籽糖浸出液调p H至棉籽蛋白等电点，离心分离后的上清液中还含有少量蛋白质以及其他微小颗粒，需要用微滤膜对其进行除杂，从而得到纯度较高的棉籽糖。微滤膜的运行温度为30～50℃，流速为80 L／h，进口压力0.2 MPa，出口压力0.1 MPa。经过微滤膜的清液比较稀，其中还含有氨基酸、无机盐等小分子物质，需要通过纳滤膜进行脱盐浓缩，以得到棉籽糖浓缩液，利于提高棉籽糖纯度及后续的冷冻干燥，纳滤膜运行温度30～50℃，流速20L／h，进口压力1.2 MPa，出口压力0.7 MPa。运行情况如图5、6所示。

由图5、6可知，微滤膜、纳滤膜的通量随时间的延长而不断下降。经过微滤膜和纳滤膜处理过的棉籽糖纯度达到95%，棉籽糖浸出液中棉籽糖的浓度由0.45%浓缩到2.34%。由此说明，通过膜技术可以提高棉籽糖的纯度以及大大提高棉籽糖浸出液的浓度，便于后续的干燥。

图5 微滤膜通量与时间的关系

图6 纳滤膜通量与时间的关系

3 结论

本实验设计了微波辅助提取棉籽糖的工艺流程，并采用膜技术对棉籽糖浸出液进行纯化浓缩。通过单因素及正交实验发现，影响棉籽糖浸出率的因素主次顺序为：料液比＞微波功率＞微波处理时间＞p H值。最佳工艺条件为：微波处理时间9 min，微波功率650 W，料液比1∶10，p H值2.5，在此条件下棉籽糖的浸出率为91.5%，经膜分离纯化后的棉籽糖纯度为95%。

［1］赵冬冬，刘晓宇.棉籽蛋白的研究进展［J］.农产品加工，2009（05）：27－30.

［2］兰宏兵，张 玲，云 志.棉籽的综合利用及深加工技术［J］.中国油脂，2010，35（07）：61－65.

［3］周冬丽，宋伟光，郭文峰，等.棉籽低聚糖—棉籽糖研究概况［J］.粮食与油脂，2010（12）：39－41.

［4］王兴国，金青哲，刘元法，等.脱脂棉籽粕中棉籽糖提取方法的研究［J］.中国油脂，2005，30（03）：57－60.

［5］戴卫东，汪守建，卢伯南，等.乙醇水溶液浸出棉籽粕中棉籽糖的实验研究［J］.当代化工，2008，37（05）：471.

［6］张延坤，房玉水，邓 峰.用高效液相色谱法测定棉籽蛋白中的棉籽糖［J］.食品工业，1996（03）：58－59.

［7］GB／T2793－1995.粘胶剂不挥发物含量的测定［S］.

［8］朱长乐.膜科学技术［M］.北京：高等教育出版社，2004.