U-M-I协同强化花生蛋白质溶解工艺及表面活性

程海涛，申献双

1. 衡水学院化工学院（衡水 053000）；2. 衡水学院美术学院（衡水 053000）

花生蛋白成分中缺少胆固醇，一般认为有利于人身体健康。同时，其具有和动物蛋白一致的营养功能作用，其中蛋白质占据总成分的25%～35%，是重要的植物蛋白提供原料，具有11%蛋白质市场占有率[1-3]。

花生最重要的利用途径是食用油脂的提取，但是花生榨油后产生大量花生蛋白废弃物，主要作为饲料的主要添加成分，资源利用附加值低，主要原因在于花生蛋白的溶解性相对较小，影响其在食品、医药等另一利用途径的拓展。

花生蛋白质水溶性是影响本身乳化性能、起泡性能、润湿性能的根源，因此蛋白质水溶性高低成为其应用制约因素，创新提升花生蛋白溶解特性的路径在花生蛋白价值与应用提高方面具有重要理论与实际应用价值。

U-M-I协同强化是超声波、机械研磨、撞击-喷射流水力空化协同提取工艺的简称，属于物理作用改性方法，具有环境影响低、效率高、投入少等特点。超声波是频率高于2×10-4Hz声波的总称，具有声波能量集中、易反射、方向集中的特点。超声波在溶液传播过程中，引起局部高压、高温产生空化作用与机械作用，可破坏花生蛋白结构中分子间作用力、肽键、蛋白质残基结构，提高水溶性等功能[4]。机械研磨是利用研磨材料之间高速旋转、碰撞、挤压过程中产生的作用力破坏花生蛋白组织结构，促使其含有亲水基团暴露，提高其水溶性[5]。撞击-喷射流水力空化是利用流体撞击与流速变化，在液体内部形成压差，产生空化作用，加花生蛋白结构改变，提升水溶性[6]。

花生蛋白结构改性方法有热处理法、微波处理法[3,7-14]，但是研究U-M-I协同强化花生蛋白质溶解工艺，还鲜见公开报道。

人体健康酸碱度为中性偏碱，因此研究此条件下花生蛋白水溶性提升的方法具有重要应用价值。利用U-M-I协同强化花生蛋白质溶解工艺，在进行影响提取工艺影响因素单因素试验基础上，利用响应面试验进行进一步工艺优化，利用数学模型与实际验证试验确定最优提取工艺。同时，根据U-M-I协同原理设计U-M-I协同强化设备设计示意图。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器与设备

氢氧化钠、浓盐酸（均为AR，佛山市远东化学试剂有限公司）；花生蛋白（5S压榨技术）、花生油（深州鲁花浓香花生油有限公司）；具塞量筒（AS级，250 mL，上海安普实验科技股份有限公司）。

恒温水浴锅（B-260-Ⅲ型，上海耀特仪器设备有限公司）；高速万能粉碎机（ZT-400型，永康市展帆工贸有限公司）；电子天平（WT-B型，杭州市万特衡器有限公司）；离心机（AR1140型，综仪生物有限公司）；全自动界面张力仪（DT-102A型，山东省淄博华坤电子仪器有限公司）；冷冻干燥机（北京博医康实验仪器有限公司）；自动三重纯水蒸馏器（SZ-3型，深圳市三利化学品有限公司）；高剪切混合乳化头（100LK型，温州经济技术开发区沙城科磊机械设备厂）；不锈钢分样筛（浙江上虞市道城张兴纱筛厂）。

1.2 试验方法

1.2.1 U-M-I协同强化设备设计示意图

U-M-I协同提取设备设计示意图，主要结构由超声波发生器、射流-撞击流水力空化装置、机械研磨设备组成，同时机械搅拌对整体溶液起到搅拌、分散的作用。

1.2.2 花生蛋白预处理与溶解工艺优化

将经5S压榨技术处理过的花生，利用粉碎机粉碎成粒度0.15 mm花生蛋白粉，备用。

将一定量花生蛋白粉，用蒸馏水浸泡24 h，按照液料比10%配制溶液，按照一定试验条件进行U-M-I协同强化溶解，对强化溶液进行过滤、离心，取清液测定蛋白质含量，利用响应面试验，优化U-M-I协同强化溶解工艺，得到最优工艺条件。

图1 U-M-I协同强化设备设计示意图

1.2.3 表面活性性能测定方法

1.2.3.1 花生蛋白水溶液界面张力

利用全自动界面张力仪（DT-102A型）对花生蛋白水溶液，进行3次界面张力测定，按式（1）进行计算。

1.2.3.2 乳化性能[15-16]

将100 mL花生蛋白水溶液与100 mL花生油混合，利用高剪切混合乳化头（100LK型）将油、花生蛋白水溶液混合物充分乳化，利用具塞量筒测定乳化层、溶液体积（mL），按式（2）和（3）计算乳化性（EI）与乳化稳定性（ES）。

1.2.3.3 起泡性能[17]

起泡性能包括起泡性、起泡稳定性，分别用起泡层占总体积的百分比来表示，具体方法为：利用高剪切混合乳化头（100LK型）高速搅拌，500 mL高精确度烧杯中250 mL花生蛋白水溶液，记录泡沫体积与总体积，在一定温度下放置5 min，再次记录泡沫体积与总体积，分别计算起泡性、起泡稳定性。

1.2.3.4 润湿性能[18-19]

利用花生蛋白水溶液浸透一定测定标准物时间长短来衡量润湿性，具体方法按照GB/T 11983—2008进行。

1.2.4 花生水溶液样品中溶解度测定

花生水溶液样品中花生蛋白含量（溶解度）测定利用GB/T 5009.5—2010中规定的凯氏定氮机理进行[20]，具体计算方法如式（4）所示。

式中：Y为试样（100 g离心液）中蛋白质含量，即溶解度，10-2g/100 g；V1为试液消耗硫酸或盐酸标液滴定液的体积，mL；V2为试液空白消耗硫酸或盐酸标液滴定液的体积，mL；V3为吸取消化液体积，mL；c为硫酸或盐酸标液浓度，mol/L；0.014 0为1.0 mL标准滴定液相当的氮含量，g；m为试样质量，g；F为氮换算为蛋白质系数，花生为5.46。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 U-M-I协同强化时间对溶解的影响

在确定U-M-I协同强化温度50 ℃、U-M-I协同强化转速2 000 r/min、U-M-I协同强化压力0.075 MPa、超声功率300 W的条件下，探究U-M-I协同强化时间影响花生蛋白溶解度的规律。U-M-I协同强化时间的影响在于，超声、撞击-喷射流水力空化作用与机械研磨外力在量上积累，时间越长能够破坏花生蛋白的结构越充分，但是同时空化与机械剪切碰撞同样会加速花生蛋白一些列化学反应，会引起溶解度的降低。变化规律如图2所示。溶解度随U-M-I协同强化时间增加而逐步增大，在15 min时得率出现最大值，随后出现降低趋势。

图2 U-M-I协同强化时间对溶解度的影响

2.1.2 U-M-I协同强化温度对得率的影响

在确定U-M-I协同强化时间15 min、U-M-I协同强化转速2 000 r/min、U-M-I协同强化压力0.075 MPa、超声功率300 W的条件下，探究U-M-I协同强化温度影响花生蛋白溶解度的规律。溶解度随协同强化温度变化的规律如图3所示。温度是影响花生蛋白溶解度的重要因素，本质在于温度会加花生蛋白分子的动能，加速其溶解于水溶液。同时升温会降低超声、撞击-喷射流水力空化作用，使溶解度降低。得率在温度50～60 ℃条件下，稳步提升，60 ℃出现最大值，温度继续增加得率逐步下降。

图3 U-M-I协同强化温度对溶解度的影响

2.1.3 U-M-I协同强化转速对得率的影响

在确定U-M-I协同强化时间15 min、U-M-I协同强化温度60 ℃、U-M-I协同强化压力0.075 MPa、超声功率300 W的条件下，探究U-M-I协同强化转速影响花生蛋白溶解度的规律，结论如图4所示。U-M-I协同强化转速对溶解度的影响，在于机械剪切力等机械力随研磨速度增加而增大，从而增加束缚花生蛋白亲水性基团暴露更多的结构而被破坏，溶解度提高。U-M-I协同强化转速2 500 r/min时溶解度最大。同时，过高U-M-I协同强化转速产生的热能与动能会引起花生蛋白分子凝聚，降低溶解度。

图4 U-M-I协同强化转速对溶解度的影响

2.1.4 U-M-I协同强化压力对得率的影响

在确定U-M-I协同强化时间15 min、U-M-I协同强化温度60 ℃、U-M-I协同强化转速2 500 r/min，超声功率300 W的条件下，探究U-M-I协同强化压力影响花生蛋白溶解度的规律，变化规律如图5所示。溶解度随着U-M-I协同提取压力的增加而增大，压力0.12 MPa时溶解度最大，继续增大溶解不再有明显提升，压力过高会出现超空化现象，降低空化效率。

2.1.5 超声功率对得率的影响

在确定U-M-I协同强化时间15 min、U-M-I协同强化温度60 ℃、U-M-I协同强化转速2 500 r/min，U-M-I协同强化压力0.12 MPa的条件下，探究超声波功率影响花生蛋白溶解度的规律，变化规律如图6所示。超声功率在300～400 W范围内，超声功率增加，溶解度随之逐步提高，功率400 W时溶解度最大，超声功率继续增加，溶解度有所下降。超声功率过高，造成过多超声空化能量破坏花生蛋白结构。

图5 U-M-I协同强化压力对溶解度的影响

图6 超声功率对溶解度的影响

2.2 U-M-I协同强化花生蛋白溶解工艺响应面优化

2.2.1 响应面试验

通过单因素试验结果确定：超声功率400 W，U-M-I协同强化压力0.12 MPa。在此基础上，选取花生蛋白溶解度为响应值Y，U-M-I协同强化温度（X1）、U-M-I协同强化时间（X2）、U-M-I协同强化转速（X3）为影响因素，响应面试验方案以Box-Behnken原理为基础进行三因素三水平试验设计，响应面试验数据的处理与分析通过SAS完成，利用数学模型与实际验证试验确定最优提取工艺。响应面优化三因素三水平数据，见表1。

表1 响应面因素和水平

2.2.2 回归方程的确定

通过SAS软件对试验得到的试验数据进行综合分析与处理，得到影响因素与原花青素得率之间的数学函数关系回归方程，以及对回归方程有效性、准确性分析，结论如表2和表3所示。

通过拟合回归处理数据得到拟合函数模型：Y=75.57-0.132 5X1-0.076 25X2-0.088 75X3-1.202 5+0.45

软件SAS对影响因素与试验结论回归分析数据，表明影响因素和得率（Y）间的回归方程的p值与R2值关系为p＜0.003 3＜0.05，R2＜0.05，R2=99.74%。

关系式表明经SAS拟合得到的三元二次回归函数方程（1）预测的溶解度值精准度为99.74%。

同时回归数据分析表明失拟项p值关系为p=0.096 5＞0.05。

关系式表明预测三元二次回归函数方程能够真实反映实际影响因素的互相影响规律。

表2 响应面试验方案及试验结果

2.2.3 三元二次回归函数方程极值计算与工艺验证试验

对三元二次回归函数方程进行求解，极大值计算结果为X1=57，X2=14，X3=2 300；Y=76.23。

综合三元二次回归函数方程求解及单因素试验结论，U-M-I协同强化最佳工艺为超声功率400 W、U-M-I协同强化压力0.12 MPa、U-M-I协同强化温度57 ℃、U-M-I协同强化时间14 min、U-M-I协同强化转速2 300 r/min。

依据优化得到的最优工艺影响因素水平值，进行3次实际提取试验，测定其溶解度，结果为Y1=76.23，Y2=76.24，Y3=76.25；Y=76.24。

实际验证试验结果与三元二次回归函数方程最大计算值相比相差甚微，三元二次回归函数方程高度可信。

2.2.4 花生蛋白水溶液表面活性测定（见表4）

表4 花生蛋白水溶液表面活性性能对比

3 结论

以单因素试验为基础经响应面试验模型优化与实际试验验证，优化工艺条件为：超声功率为400 W、U-M-I协同强化压力0.12 MPa、U-M-I协同强化温度57℃、U-M-I协同强化时间14 min、U-M-I协同强化转速2 300 r/min。在此优化条件下溶解度为76.24×10-2g/100 g，实际3次平行验证试验结果表明，响应面优化得到的数学模型相对误差仅0.01%，模型高效可用。