响应面优化喷射流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解的研究

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)

大豆粕富含蛋白质，是天然蛋白质原料之一。大豆粕蛋白由于受蛋白质结构的束缚，水溶性不好，溶解度不高。同时虽然蛋白质具有两亲结构，是天然表面活性剂，但是同样受结构的束缚，两亲性结构无法暴露出来，表面活性较差。为提高大豆粕蛋白溶解性能及大豆粕蛋白水溶液的表面活性，需要破除蛋白质束缚结构[1-3]。

机械研磨是物理性机械外力的一种，作用原理在于研磨介质在高速旋转过程中，对大豆粕蛋白产生强大机械剪切作用力，破坏大豆粕蛋白的结构，从而使大豆粕亲水基团更多的暴露，达到提高溶解性的目的。

喷射流空化属于水力空化的一种，是一种新型强化方式，利用限流装置使流体流动形状发生变化，流体内压力等于或低于液体的蒸汽压，大量空化泡在流体内部形成，流体汽化，当流体周围压力增大，空化泡破裂，产生极高压强与瞬间高温[4-6]。利用流体内部高压和温度破坏大豆粕蛋白质的结构，使大豆粕蛋白亲水基团充分暴露，提高其溶解性能。

本文利用一种喷射流空化-机械研磨协同装置[7-10]，强化大豆粕蛋白溶解，改善水溶性大豆粕蛋白表面活性。利用单因素实验和响应面实验优化了喷射流空化压力、喷射流空化时间、喷射流空化温度、喷射流装置入口-出口角度组合、料液比、机械研磨转速、机械研磨时间等影响溶解度的因素，确定了最优工艺条件，同时测定了最优工艺条件下水溶性大豆粕蛋白溶液的表面活性。

1 材料与方法

1.1 实验材料

大豆粕(粗蛋白质含量50%)，市售；NaOH(AR)、盐酸(AR)、月桂酸钾(AR)、十二烷基硫酸钠(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；100LK型高剪切混合乳化头，上海威宇机电制造有限公司；具塞量筒(100 mL)，衡水瑞丰化玻仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 喷射流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解

喷射流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解装置如图1所示。

注：1.涡轮泵；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.球阀；14.研磨材料；15.喷射空化设备。

图1 喷射流空化-机械研磨协同强化设备

将粉碎过100目筛的大豆粕粉，按照一定料液比加入反应器7中，启动设备1涡轮泵，水力空化压力由阀门9控制，启动研磨搅拌装置(研磨装置内为直径3 mm玻璃珠，总体积约为液体体积的1/3)，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。

1.2.2 大豆粕蛋白溶解度测定

取经喷射流空化-机械研磨处理的大豆粕蛋白溶液，于10 000 r/min离心10 min，取上清液，根据福林-酚比色法[11]测定上清液中蛋白质的含量，以上清液中蛋白质的含量表示大豆粕蛋白的溶解度。

1.2.3 产物表面活性性能测定

参照文献[12]测定产物的表面张力、乳化性能、起泡性能和润湿性能。

2 结果与分析

2.1 喷射流空化-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 喷射流空化压力对溶解度的影响

在料液比1∶100、喷射流空化温度50℃、喷射流空化时间50 min、喷射流装置入口角度38°-出口角度30°、机械研磨转速1 500 r/min、机械研磨时间25 min的条件下，考察喷射流空化压力对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果如图2所示。

图2 喷射流空化压力对溶解度的影响

由图2可见，大豆粕蛋白溶解度随喷射流空化压力的增加逐步提高。这是因为喷射流空化压力增加，液体流动速度和冲击强度增加，从而增加了空化气泡的数量，空化强度的增加提高了溶解度。当喷射流空化压力大于0.4 MPa后溶解度有所降低，主要原因在于喷射流空化压力到达极限后会出现超空化现象，虽然有很多气泡，但它们不容易破裂，从而削弱了空化强度[13]。考虑到实际操作，压力不宜设置得太高，选择喷射流空化压力0.4 MPa。

2.1.2 喷射流空化时间对溶解度的影响

在料液比1∶100、喷射流空化温度50℃、喷射流空化压力0.4 MPa、喷射流装置入口角度38°-出口角度30°、机械研磨转速1 500 r/min、机械研磨时间25 min条件下，考察喷射流空化时间对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果如图3所示。

图3 喷射流空化时间对溶解度的影响

由图3可见，喷射流空化时间在40～60 min范围内，大豆粕蛋白溶解度随时间延长迅速增加，但是喷射流空化时间超过60 min后溶解度有所降低。这是因为在大豆粕溶解过程中主要是大豆粕蛋白质长分子链和空间体状结构被破坏，溶解度增加迅速，随着喷射流空化时间的继续延长，大豆粕蛋白质分子链变短，能够被破坏的化学结构所剩无几，溶解度不再增加，同时空化作用引发副反应，形成新化合物，降低了大豆粕蛋白溶解度[14]。

2.1.3 喷射流空化温度对溶解度的影响

在料液比1∶100、喷射流空化时间60 min、喷射流空化压力0.4 MPa、喷射流装置入口角度38°-出口角度30°、机械研磨转速1 500 r/min、机械研磨时间25 min条件下，考察喷射流空化温度对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果如图4所示。

图4 喷射流空化温度对溶解度的影响

由图4可见，大豆粕蛋白溶解度随喷射流空化温度升高而增加。这是因为温度升高溶液黏度和表面张力降低，有利于分子运动[15]，同时温度升高大豆粕蛋白质中氢键和离子键被破坏，减少了空间位阻。当喷射流空化温度高于50℃后大豆粕蛋白溶解度降低，原因在于温度超过临界点溶液蒸汽压增大，有利于空化效应产生，当蒸汽压增速快于溶液温度增速，空化产生的瞬态高温和高压崩溃减少、空化强度下降，因此溶解度有降低趋势。

2.1.4 喷射流空化装置入口角度-出口角度对溶解度的影响

在料液比1∶100、喷射流空化时间60 min、喷射流空化压力0.4 MPa、喷射流空化温度50℃、机械研磨转速1 500 r/min、机械研磨时间25 min条件下，考察喷射流装置入口角度-出口角度对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果见表1。

表1 喷射流装置入口角度-出口角度对溶解度的影响

由表1可知，出口角度固定为30°，随入口角度增加，大豆粕蛋白溶解度呈先增后降趋势。原因在于，随着入口角度增加，液体中空化区域和空化数量增加，空化效应提高，溶解度逐步增大，但是入口角度增大到一定程度，流体的流动阻力也会增大，流量降低，空化数量减少，空化效应降低，溶解度有所降低。

入口角度固定为30°，随出口角度增加，大豆粕蛋白溶解度也呈现先增大后降低的趋势。原因在于，随着出口角度的逐步增大，入口与出口的压差增大，流量增加，有利于空化数量的增加，提高了空化效应，溶解度逐步提高，但是出口角度超过一定数值，出口压力过低会出现超空化现象，降低了空化效应，溶解度有所降低[16]。

2.1.5 料液比对溶解度的影响

在喷射流装置入口角度30°-出口角度38°、喷射流空化时间60 min、喷射流空化压力0.4 MPa、喷射流空化温度50℃、机械研磨转速1 500 r/min、机械研磨时间25 min条件下，考察料液比对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果如图5所示。

图5 料液比对溶解度的影响

由图5可知，在开始阶段随着料液比的增大，大豆粕蛋白溶解度迅速提高，超过一定值后开始下降。可能的原因是大豆粕蛋白溶解存在平衡，达到溶解平衡后溶解度不再增加，另外大豆粕中非蛋白水溶性物质也会随料液比逐渐增大而增大溶解度，在大豆粕蛋白溶解平衡常数一定的情况下，水溶性大豆粕蛋白浓度减小，大豆粕蛋白溶解度降低，另外水溶性大豆粕蛋白含有两亲性结构单元，单元之间会聚集、凝聚造成溶解度降低。

2.1.6 机械研磨转速对溶解度的影响

在料液比1.5∶100、喷射流装置入口角度30°-出口角度38°、喷射流空化时间60 min、喷射流空化压力0.4 MPa、喷射流空化温度50℃、机械研磨时间25 min条件下，考察机械研磨转速对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果如图6所示。

图6 机械研磨转速对溶解度的影响

由图6可见，随着机械研磨转速的增加，大豆粕蛋白溶解度先逐步提高，达到最大值后趋于平缓。机械研磨靠研磨介质摩擦、流动、碰撞破坏大豆粕蛋白质主链结构和分子间作用力，降低大豆粕蛋白相对分子质量，释放蛋白质分子中两亲性结构，从而提高溶解度，所以随着转速的增加溶解度在开始阶段迅速升高，但是达到极限后溶解度增加速度放缓，甚至有所降低。

2.1.7 机械研磨时间对溶解度的影响

在料液比1.5∶100、喷射流装置入口角度30°-出口角度38°、喷射流空化时间60 min、喷射流空化压力0.4 MPa、喷射流空化温度50℃、机械研磨转速2 000 r/min条件下，考察机械研磨时间对大豆粕蛋白溶解度的影响，结果如图7所示。

图7 机械研磨时间对溶解度的影响

由图7可见，随着机械研磨时间的延长，大豆粕蛋白溶解度先逐步提高，30 min时达到最大值，之后不再有明显变化。这是因为大豆粕蛋白两亲结构的释放需要一定能量强度，研磨提供的能量强度达到极限后，时间积累不会带来新的结构破坏，因此溶解度不再增加。

2.2 喷射流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解工艺响应面优化实验

2.2.1 响应面实验结果

在单因素实验的基础上，固定机械研磨转速2 000 r/min、机械研磨时间30 min、料液比1.5∶100，以大豆粕蛋白溶解度(Y)为响应值，喷射流空化压力(X1)、喷射流空化时间(X2)、喷射流空化温度(X3)、喷射流装置入口角度-出口角度(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2，响应面实验方案及结果见表3。

表2 响应面实验因素水平

表3 响应面实验方案及结果

2.2.2 回归方程及方差分析

表4 方差分析

由表4可知，函数模型失拟项P>0.05，说明预测模型和预测情况拟合充分，可真实反映不同影响因素间的关系，4个影响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 响应面优化工艺条件验证实验

对响应面优化实验得到的回归方程进行极值求解计算，结果为X1=0.42 MPa、X2=62 min、X3=55℃、X4=(30°-40°)，此时大豆粕蛋白溶解度为1.806 mg/mL。结合单因素实验和响应面实验结果，确定喷射流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解优化工艺条件为：喷射流空化压力0.42 MPa，喷射流空化时间62 min，喷射流空化温度55℃，喷射流装置入口角度30°-出口角度40°，料液比1.5∶100，机械研磨转速2 000 r/min，机械研磨时间30 min。在优化工艺条件下进行3次验证实验，溶解度分别为1.807、1.808、1.809 mg/mL，平均溶解度为1.808 mg/mL，与回归方程模型得到的计算值相差0.1%，验证结果证明回归方程模型具有极高可信度。未经喷射流空化-机械研磨处理过的大豆粕蛋白溶解度为0.78 mg/mL，说明喷射流空化-机械研磨处理可显著提高大豆粕蛋白溶解度。

2.3 喷射流空化-机械研磨制备的大豆粕蛋白溶液的表面活性性能

对产物表面张力、乳化性能、起泡性能、润湿性能进行测定，结果见表5。

表5 产物表面活性性能对比

注：大豆粕蛋白溶液1为经空化-研磨处理的；大豆粕蛋白溶液2为未经空化-研磨处理的。

由表5可知，经喷射流空化-机械研磨处理的大豆粕蛋白溶液表面活性有大幅改善，表面张力、乳化性能与月桂酸钾、十二烷基硫酸钠相比相差很小，其余表面活性性能相差稍大。说明经喷射流空化-机械研磨处理的大豆粕蛋白溶液具有一定的表面活性。

3 结 论

本研究利用喷射流空化-机械研磨协同强化装置，对影响大豆粕蛋白溶解度因素进行研究，利用单因素实验和响应面实验得到喷射流空化-机械研磨协同强化大豆粕蛋白溶解的优化工艺条件为：喷射流空化压力0.42 MPa，喷射流空化时间62 min，喷射流空化温度55℃，喷射流装置入口角度30°-出口角度40°，料液比1.5∶100，机械研磨转速2 000 r/min，机械研磨时间30 min。在优化条件下，大豆粕蛋白溶解度达1.808 mg/mL。另外，表面活性性能测试结果表明，经喷射流空化-机械研磨处理的大豆粕蛋白溶液具有一定的表面活性。