涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解的研究
2019-08-22程海涛申献双
程海涛，申献双
(1.衡水学院 化工学院，河北 衡水053000； 2.衡水学院 美术学院，河北 衡水053000)
大豆粕是大豆榨油后的副产物，蛋白质含量丰富，有45%左右[1-3]。大豆蛋白具有两亲性结构，即具有疏水基团和亲水基团，但由于蛋白质本身高级结构的束缚无法表现出优良的表面活性，同时水溶解性差，在水中溶解度较低，提高大豆蛋白水溶解性必须利用外界物理、化学能量破坏蛋白质的高级结构。
机械研磨利用相应介质的机械摩擦产生相应机械剪切力，可破坏大豆蛋白的高级结构，解放大豆蛋白的亲水基团，提高水溶解性。
涡流空化是水力空化的一种，是利用涡轮泵装置在水介质中产生空化作用，利用空化作用的能量破坏大豆蛋白的高级结构[4-6]，使蛋白质相对分子质量降低，把亲水基团暴露出来，从而提高大豆粕蛋白的水溶解性。
本文利用涡流空化-机械研磨协同强化装置[7-10]，强化大豆粕蛋白的水溶解性。利用单因素实验和响应面实验优化了水力空化压力、水力空化时间、水力空化温度、料液比等因素，确定了最优工艺条件，并测定了最优工艺条件下所得大豆粕蛋白水溶液的表面活性。
1 材料与方法
1.1 实验材料
大豆粕，市售；月桂酸钾(AR)、十二烷基硫酸钠(AR)、NaOH(AR)、盐酸(AR)，天津市大茂化学试剂厂。
E-201-C型pH计，上海精密科学仪器有限公司；DT-102型全自动界面张力仪，淄博华坤电子仪器有限公司；SZ-93型自动双重纯水整流器，上海亚荣生化仪器厂；FA22048型电子分析天平，上海精科天美科学仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解
涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解装置如图1所示。将粉碎过100目筛的大豆粕，按照一定料液比加入到协同强化设备反应器7中，启动设备1涡流泵，水力空化压力由阀门9控制，同时启动研磨搅拌装置，在一定转速下，处理一定时间后取样，静置24 h，取上清液进行分析。
注：1.涡流泵；2.循环泵；3.压力表；4.温度表；5.加料槽；6.搅拌器；7.反应器；8.热水储槽；9.截止阀；10.球阀；11.加料槽；12.pH计；13.阀门；14.研磨材料。
图1 涡流空化-机械研磨协同强化设备
1.2.2 蛋白质含量测定
以牛血清白蛋白作为标准，根据福林-酚比色法[11]测定。
1.2.3 产物表面活性性能测定
表面张力：利用DT-102型全自动界面张力仪测定。
乳化性能[12-13]：利用高速乳化设备在一定时间内充分乳化产物与油水混合物，通过具塞量筒确定乳化层和非乳化层体积，计算乳化层体积占总体积(乳化层和非乳化层体积之和)的比例，确定乳化性。放置120 min后计算乳化层占总体积的比例，测得乳化稳定性。
起泡性能[14]：利用高剪切混合乳化机将一定体积的上清液搅拌一定时间，利用具塞量筒测定泡沫体积和溶液体积，计算泡沫体积占总体积(泡沫体积与溶液体积之和)的比例，确定起泡性。放置30 min 计算泡沫体积占总体积的比例，测得泡沫稳定性。
润湿性能：按参考文献[15]进行测定。
2 结果与分析
2.1 涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解工艺单因素实验
2.1.1 水力空化压力对溶解度的影响
在料液比1.5∶100、水力空化温度40℃、水力空化时间50 min、机械研磨转速2 000 r/min、机械研磨时间30 min条件下，研究水力空化压力对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果见图2。
图2 水力空化压力对溶解度的影响
由图2可知，不同水力空化压力对于大豆粕蛋白的溶解度有显著影响。随着水力空化压力的增大,大豆粕蛋白溶解度由1.473 mg/mL增加到最大值1.610 mg/mL，溶解度最大值所对应的水力空化压力为0.35 MPa，水力空化压力继续增大溶解度有所下降。主要原因是空化效应随水力空化压力增大逐步提高，大豆粕蛋白质分子中被解离的亲水基团增多，溶解度逐步升高，但是空化压力过高会产生超空化现象，空化效应会降低，溶解度也随之降低。
2.1.2 水力空化时间对溶解度的影响
在料液比1.5∶100、水力空化温度40℃、水力空化压力0.35 MPa、机械研磨转速2 000 r/min、机械研磨时间30 min条件下，研究水力空化时间对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果见图3。
图3 水力空化时间对溶解度的影响
由图3可见，大豆粕蛋白溶解度随水力空化时间延长呈先增大后降低趋势，原因在于水力空化效应随水力空化时间的延长而增大，使得溶解度增加，水力空化时间继续延长，水力空化效应除了破坏大豆粕蛋白质分子结构增大溶解度外，同时会降低分子间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 水力空化温度对溶解度的影响
在料液比1.5∶100、水力空化时间60 min、水力空化压力0.35 MPa、机械研磨转速2 000 r/min、机械研磨时间30 min条件下，研究水力空化温度对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果见图4。
图4 水力空化温度对溶解度的影响
由图4可见，水力空化温度在40℃时大豆粕蛋白溶解度最大，这是因为水力空化效应随温度升高逐步增大，从而更大限度地破坏了大豆粕蛋白质分子结构，增大了溶解度。但是，随温度继续升高会使得溶解的大豆粕蛋白质分子相互靠近的概率增大，引起溶解的大豆粕蛋白质再次聚集，造成溶解度下降。
2.1.4 料液比对溶解度的影响
在水力空化时间60 min、水力空化温度40℃、水力空化压力0.35 MPa、机械研磨转速2 000 r/min、机械研磨时间30 min条件下，研究料液比对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果见图5。
图5 料液比对溶解度的影响
由图5可见，大豆粕蛋白溶解度随料液比的增加呈先增大后降低趋势，料液比过大，大豆粕蛋白质分子聚集体和溶解的大豆粕蛋白质达到平衡，溶解度不会继续增大，反而会有所降低。
2.1.5 机械研磨转速对溶解度的影响
在水力空化时间60 min、水力空化温度40℃、水力空化压力0.35 MPa、料液比1.5∶100、机械研磨时间30 min条件下，研究机械研磨转速对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果见图6。
图6 机械研磨转速对溶解度的影响
由图6可知，大豆粕蛋白溶解度随机械研磨转速增加逐步增大，当机械研磨转速为2 000 r/min时溶解度达到最大，机械研磨转速继续增大溶解度变化不大。研磨材料的碰撞摩擦会破坏大豆粕蛋白质分子结构，转速越大程度越深，分子链变得越短从而暴露更多的亲水基团和疏水基团，溶解度逐步增大，但是溶解度达到一定程度后，溶液中可溶性大豆粕蛋白质分子基团的相互吸引作用占据主导地位，一部分可溶性大豆粕蛋白质分子产生聚集，形成动态平衡，溶解度趋于稳定。
2.1.6 机械研磨时间对溶解度的影响
在水力空化时间60 min、水力空化温度40℃、水力空化压力0.35 MPa、料液比1.5∶100、机械研磨转速2 000 r/min条件下，研究机械研磨时间对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果见图7。由图7可见，随着机械研磨时间的延长大豆粕蛋白的溶解度逐步增大，当机械研磨时间为30 min时溶解度最大，继续延长机械研磨时间溶解度不再继续增加，主要原因是随着机械研磨时间延长大豆粕蛋白质分子结构破坏程度逐步加大，溶解度持续增加，但是达到一定程度后，溶解的大豆粕蛋白质分子与未溶解的大豆粕蛋白质分子形成动态平衡，再延长机械研磨时间溶解度也无明显增加趋势，同时会造成溶液内部局部温度过高，溶解度有所下降。
图7 机械研磨时间对溶解度的影响
2.2 响应面优化涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解工艺
2.2.1 响应面实验
在单因素实验的基础上，确定机械研磨转速2 000 r/min，机械研磨时间30 min，以大豆粕蛋白溶解度(Y)为响应值，水力空化压力(X1)、水力空化时间(X2)、水力空化温度(X3)、料液比(X4)为因素，根据 Box-Behnken 实验设计原理，通过SAS软件对实验数据进行回归分析，确定最佳工艺条件。响应面实验因素水平见表1，响应面实验设计和结果见表2。
表1 响应面实验因素水平
表2 响应面实验设计和结果
续表2
实验号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 回归方程的确定
表3 方差分析
注：回归方程R2=99.74%。
由表3可见，回归方程R2为99.74%，说明模型计算值和实验值拟合度高，模型确定的方程预测涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解度最大值是可信的。4个因素对大豆粕蛋白溶解度的影响程度为X2>X1>X4>X3，因素之间的交互影响X1X3不显著，其余项影响均显著。
2.2.3 响应面实验优化工艺条件及验证实验
通过对响应面实验优化得到的数学模型进行最大值计算，求得X1为0.36 MPa、X2为65 min、X3为43℃、X4为1.8∶100时，溶解度最大值为1.623 mg/mL。在最优条件下进行3次验证实验，溶解度分别为1.623、1.625、1.624 mg/mL，平均值为1.624 mg/mL，与响应面优化模型计算得到的最大值相差很小，证明得到的响应面优化模型是可信的。与未经涡流空化-机械研磨协同强化处理的大豆粕相比，蛋白溶解度由0.780 mg/mL 提高到1.624mg/mL，提高幅度达108%。
2.3 产物表面活性性能
对产物(水溶性大豆粕蛋白溶液)与月桂酸钾、十二烷基硫酸钠的表面活性性能进行了对比，结果见表4。由表4可见，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钾和十二烷基硫酸钠，说明涡流空化-机械研磨对于解离束缚大豆粕两亲性基团是有效的。
表4 产物表面活性性能
3 结 论
本研究以影响涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解工艺的单因素实验为基础，利用SAS软件，根据 Box-Behnken的实验设计原理，利用响应面优化涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解工艺条件。得到的涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解最优工艺条件为：水力空化压力0.36 MPa，水力空化时间65 min，水力空化温度43℃，料液比1.8∶100，机械研磨转速2 000 r/min，机械研磨时间30 min。在最优条件下，大豆粕蛋白溶解度为1.624 mg/mL。涡流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解获得的水溶性大豆粕蛋白溶液具有一定表面活性。
