棉籽蛋白质提取工艺的研究

2019-04-20陈雪娇宁志高王长松

沈阳化工大学学报 2019年1期

陈雪娇，梁兵，宁志高，王长松

(1.沈阳化工大学机械工程学院, 辽宁沈阳 110142； 2.沈阳化工大学材料科学与工程学院, 辽宁沈阳 110142)

我国是一个产棉大国，拥有丰富的棉花资源，据国家粮油信息中心统计，2011～2012年度我国棉籽产量为1 186×104t，进口39.8×104t，合计供给1 225.8×104t.1 040×104t用于制油，产棉籽油135.2×104t，棉籽粕457.6×104t[1].棉籽提油后的棉籽粕通常被用作饲料，然而棉籽粕中的蛋白质含量很高，约为33.21 %～45.09 %，是一种巨大的蛋白质资源[2].如果将棉籽粕中蛋白提取出来，提纯去毒后用于食用，或者对其进行一系列的改性后制成可降解的蛋白质塑料，必将大大提高棉籽粕的利用率和价值[3].

根据蛋白质的特性，可以采用碱提和盐提两种方法提取.本文采用盐提法来提取棉籽蛋白，并使用数控超声清洗器作为水浴加热装置来辅助提取，分别考察不同提取条件对蛋白质提取率的影响.

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

棉籽粕，河北省南皮棉纺厂；阳离子交换树脂、六偏磷酸钠，国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钠，天津市福晨化学试剂厂；盐酸，沈阳新西试剂厂.

FW100型高速万能粉碎机，北京市永光明医疗仪器厂；LD4-2A低速离心机，北京医用离心机厂；DF-1015集热式磁力加热搅拌器，金坛市医疗仪器厂；DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；KQ-100DB数控超声波清洗器，郑州明天仪器设备有限公司；PHS-25数字式PH计，上海日岛科学仪器有限公司；JA2103N电子天平，上海民桥精密科学仪器有限公司；FT-IR 470红外光谱分析仪，美国热电公司；STA 449C综合热分析仪，德国耐驰仪器制造有限公司；K1100凯氏定氮仪，上海晟声自动化分析仪器有限公司.

1.2 实验方法

1.2.1 阳离子交换树脂的处理

(1) 取一定量的待处理树脂，向其中加入约为树脂体积2倍的饱和食盐水，浸泡18～20 h后去除食盐水，用蒸馏水反复清洗，直至清洗液澄清；

(2) 再用质量分数为2 %～4 %NaOH溶液，其量为树脂体积的2倍，浸泡2～4 h后除去NaOH溶液，用蒸馏水洗涤树脂直至中性；

(3) 用质量分数为5 %的HCl溶液，其量与上述相同，浸泡4～8 h后放尽酸液，用蒸馏水清洗至中性，烘干后的阳离子交换树脂将作为提取剂，在蛋白质混合溶液进行酸沉时，加入到溶液中，阳离子交换树脂会吸附溶液中阳离子，置换出H+，从而调节蛋白质盐溶液的pH.

1.2.2 棉籽蛋白质的提取

选用剥壳棉籽榨油后的饼粕，用粉碎机粉碎，过200目筛后，取粉料为原料，干燥(40 ℃，12 h)；将干燥后的棉籽粕粉料放入烧杯，加入一定质量浓度的六偏磷酸钠溶液，将其放入超声清洗器中加热搅拌至所需温度；反应一段时间后，将混合溶液离心分离(4 000 r/min，10 min)；将离心分离后的上层清液倒入烧杯中，将其放置在磁力搅拌器上边搅拌边加入处理好的阳离子交换树脂，将溶液的pH调节到所需数值；再用80目筛子滤掉阳离子交换树脂(粒径：0.4～0.6 mm)，并用蒸馏水反复清洗树脂上残留的溶液；将清洗液和去除阳离子交换树脂后的浑浊液一起放入离心机进行离心分离(4 000 r/min，10 min)；取沉淀物用蒸馏水洗涤3遍，放于鼓风干燥箱内进行干燥(50 ℃，24 h)，得到棉籽分离蛋白.

1.3 分析测试方法

1.3.1 蛋白质提取率计算

提取率=(实际提取蛋白质质量/棉籽粕中蛋白质质量)×100 %，

即提取出的蛋白质干燥后的质量占原料蛋白质的质量百分比.

1.3.2 提取蛋白质纯度的测定

采用常量凯氏定氮法测定干燥蛋白含量(参照GB/T5009.5—2003).

1.3.3 提取蛋白质的红外光谱分析

对提取的棉籽蛋白进行红外光谱分析，根据红外谱图中的吸收峰值，来进一步确定蛋白质的官能团.

1.3.4 提取蛋白质变性温度的测定

采用综合热分析仪进行测定.取蛋白质冷冻干燥制品2～7 mg置于铝盒中压片，以空铝盒为空白对照，氮气流速20 mL/min，扫描范围为20～200 ℃，升温速率10 ℃/min.

2 结果与讨论

2.1 提取条件对提取率的影响

2.1.1 提取温度对棉籽蛋白提取率的影响

图1为六偏磷酸钠的质量浓度为35 g/L，时间为60 min、液粕比为10∶ 1、超声功率为50 W，酸沉pH为4.5时，提取率与提取温度的关系.从图1中可以看出：蛋白质的提取率随着温度的升高而增加.提取温度的升高使蛋白质在溶液中的溶解度增加，同时降低了溶液的黏度，提高了浸出速度[4]，从而提高了提取率.但是，在实验过程中发现，随着温度的升高，提取出蛋白质的颜色逐渐加深.这是由于高温使提取蛋白质发生了不同程度的变性，蛋白质变性将影响蛋白质的结构，从而进一步影响蛋白质的功能性质[4].因此，综合考虑提取率、蛋白质变性和颜色等问题，提取实验中选择提取温度为50 ℃.

2.1.2 提取时间对棉籽蛋白提取率的影响

图2为六偏磷酸钠的质量浓度为35 g/L、温度为50 ℃、液粕比为10∶ 1、超声功率为50 W、酸沉pH为4.5时，提取率与提取时间的关系.如图2所示：随着提取时间的增加，提取率先升高后降低；当提取时间为120 min时，提取率最高为34.33 %；随着时间的继续增加，提取率开始降低.这是由于六偏磷酸钠在长时间萃取中碱性变弱，导致提取率下降.

2.1.3 质量浓度对棉籽蛋白提取率的影响

图3为提取温度为50 ℃、提取时间为120 min、液粕比为10∶ 1、超声功率为50 W、酸沉pH为4.5时，提取率与六偏磷酸钠质量浓度的关系.随着六偏磷酸钠质量浓度的提高，提取率增加很快；当质量浓度为55 g/L时，提取率达到最高值；继续提高质量浓度，提取率反而下降.这是因为六偏磷酸钠为强碱弱酸盐，提取液中离子强度增加对棉籽蛋白溶解度有较大的影响，在开始阶段蛋白质提取率会随着六偏磷酸钠浓度增加而增大，但当盐的浓度增加到一定值后，会产生盐析现象，反而使蛋白质提取率下降.因此，六偏磷酸钠的质量浓度应为55 g/L.

2.1.4 酸沉pH对蛋白质提取率的影响

图4为提取温度为50 ℃、提取时间为120 min、质量浓度为55 g/L、液粕比为10∶ 1、超声功率为50 W时，提取率与酸沉pH的关系.等电点是指在某一溶液中，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即蛋白质所带的正负电荷相等，静电荷为零，此时溶液的pH为蛋白质溶液的等电点[5-6].当酸沉pH在等电点附近时，会有大量的蛋白质析出，通过对酸沉pH的考察，可以得出棉籽蛋白质的等电点.如图4所示，当酸沉pH在4.0～5.0之间变化时，提取率呈先增大后减小的趋势，当pH为4.8时提取率达到最大值.通过趋势曲线可以得出，棉籽蛋白质的等电点大约为4.7.

2.1.5 液粕比对蛋白质提取率的影响

不同液粕比对棉籽蛋白提取率的影响见表1.表1为提取温度为50 ℃、提取时间为120 min、质量浓度为55 g/L、酸沉pH为4.7、超声功率为50 W时，提取率与液粕比的关系.由表1可知:随着液粕比的增加，提取率不断增加;当液粕比为20∶ 1时，提取率最高，为39.81 %.溶液的黏度对蛋白质提取率影响较大，当液粕比较大时，溶液黏度小，蛋白质分子浸出速度较快，同时更有利于溶液的过滤和澄清.

表1 液粕比对蛋白质提取率的影响

2.1.6 超声功率对蛋白质提取率的影响

图5为提取温度为50 ℃、提取时间为120 min、质量浓度为55 g/L、液粕比为20∶ 1、酸沉pH为4.7时，提取率与超声功率的关系.从图5可以看出：当超声功率为0 W时，提取率为29.21 %；使用超声清洗机辅助提取后，提取率明显上升；当超声功率超过60 W后，提取率变化不大.这是因为超声有助于蛋白质分子的展开，增加与水分子的接触面积，促进蛋白质的溶解[7].

2.1.7 粒径大小对蛋白质提取率的影响

在pH为4.7、温度为50 ℃、时间为120 min、质量浓度为55 g/L、超声功率为60 W的实验条件下，考察粒径大小对提取率的影响，结果如图6所示.

由图6可以看出：粒径对提取率的影响很大.随着棉粕粒径的增大，提取率逐渐增高，当粒径为180 μm时，提取率最大，为48.71 %.这是因为棉籽蛋白的浸出过程是溶液与固体颗粒之间的多相反应过程[8]，当棉籽粕的粒径过小时，溶液的黏度增加，不利于蛋白质分子的分散，液体与固体颗粒间不能更好地接触，从而导致提取率下降.因此，研磨粉碎是关键工艺之一.