反膠束萃取大豆蛋白前萃過程的動力學研究

高亞輝，張淑霞，陳復生，萬 珊

(1.洛陽理工學院環境工程與化學系，河南洛陽 471023;

2.洛陽出入境檢驗檢疫局，河南洛陽 471023;

3.河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州 450052)

反膠束萃取大豆蛋白前萃過程的動力學研究

高亞輝1，張淑霞2，陳復生3，萬 珊1

(1.洛陽理工學院環境工程與化學系，河南洛陽 471023;

2.洛陽出入境檢驗檢疫局，河南洛陽 471023;

3.河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州 450052)

系統研究了影響總傳質系數的各個主要因素(緩沖溶液pH、反膠束含水量W0、表面活性劑濃度、KCl濃度、振蕩速度操作溫度)，探討了以丁二酸二異辛酯磺酸鈉(AOT)/異辛烷反膠束體系萃取大豆蛋白前萃過程的動力學。結果表明，大豆蛋白前萃過程中總傳質系數隨緩沖溶液pH和KCl濃度的升高先增大后減小，分別在pH7.0和KCl濃度0.1mol/L附近出現最大值;隨W0和AOT濃度的增加而增大，當W0大于12時，總傳質系數基本不變;隨溫度的變化總傳質系數變化不大。由此可以推斷出蛋白質的加溶過程，不僅與蛋白質分子和表面活性劑之間的靜電相互作用力和疏水力有關，而且與界面阻力有關。

反膠束，大豆蛋白，動力學，機理，靜電作用

反膠束是指表面活性劑在非極性有機溶劑中自發形成的熱力學穩定和光學透明的納米級聚集體。反膠束中極性頭朝內，非極性尾朝外，排列形成親水內核，稱為“水池”。此水池具有增溶蛋白質、氨基酸和酶等生物物質的能力。自從20世紀70年代末提出用反膠束技術萃取蛋白質的概念以來，這一技術由于它的諸多優點而得到國內外學者的廣泛研究［1－5］。為了深入了解反膠束萃取蛋白質或酶的機理，研究者報道了反膠束萃取蛋白質［6－9］、酶［10－12］和氨基酸［13－14］的動力學以及萃取后反膠束體系性質的變化［15］。但絕大多數都是使用低分子量的標準蛋白、一些高純度的酶類和氨基酸在液－液萃取的體系中進行研究的，對于用反膠束體系從植物蛋白原料中萃取大分子蛋白質的動力學方面的研究至今未見報道。陳復生、趙俊廷［16－18］等人在國內首次報道了用反膠束萃取技術同時分離植物蛋白原料(花生和大豆)中的蛋白質和油脂，積累了一些基本數據，并且得到了萃取的最佳工藝參數。因此，本文在AOT/異辛烷反膠束體系萃取大豆蛋白最佳工藝基礎上，直接選取緩沖溶液pH、W0、表面活性劑AOT濃度、離子強度、振蕩速度和溫度5個主要的影響因素對大豆蛋白前萃過程傳質動力學進行探討，為深入了解萃取過程的機理、強化萃取過程和開發適宜于本操作的關鍵設備提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

全脂大豆粉 過80目篩，粗脂肪21.75%，粗蛋白37.15%，水分5.88%，安陽升華植物蛋白有限公司;AOT 純度98%，上海聯民化工廠;異辛烷、卡爾費休試劑(無吡啶甲乙型) 天津市科密歐化學試劑開發中心;Na2HPO4、KH2PO4、KCl、濃硫酸、鹽酸 洛陽化學試劑廠;NaOH、H3BO3開封化學試劑廠;K2SO4，CuSO4·5H2O 北京化工廠;所用試劑 均為分析純;所用水 均為重蒸水。

自動水分測定儀 ZSD－I型，上海安亭電子儀器廠;氣浴恒溫振蕩器 THZ－82B型，江蘇省金壇醫療儀器廠;集熱式磁力攪拌鍋 DF－2型，上海滬西分析儀器廠;紫外分光光度計 UV－2000型，尤尼柯(上海)有限儀器公司;高速冷凍離心機(GL－12B型)、高速臺式離心機(TGL－16G型) 上海安亭科學儀器廠;酸度計 HANNA pH211型，意大利。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同濃度反膠束溶液的配制 按照反膠束濃度(在0.03～0.12g/m L之間)的要求(如0.08g/m L)稱取一定量的表面活性劑AOT，將其置于錐形瓶中，加入一定體積的異辛烷，磁力攪拌使表面活性劑完全溶解，然后加入濃度在0～1.0mol/L之間的KCl緩沖溶液(本實驗用KH2PO4－Na2HPO4的緩沖體系配制KCl緩沖溶液，調節KH2PO4與Na2HPO4的比例，使溶液pH在4.0～9.0之間)，于振蕩器中振蕩2h，然后在離心機上以5000 r/m in的轉速離心20m in，溶液若透明則為反膠束，反之則不是［18］。

1.2.2 反膠束溶液中含水量(W0)的測定 采用卡爾費休氏滴定法［18］。

1.2.3 蛋白質前萃實驗 取1.2.1中配制的一定濃度反膠束溶液20.0m L于100m L的錐形瓶中，加入0.3～0.6g全脂豆粉(精確到0.0001g)，將其置于振蕩器中，調節振蕩器溫度在20～50℃之間，以50～250r/min的速度振蕩，每隔一定的時間取出1m L的樣品置于離心管中，在離心機上以6000 r/m in的轉速離心10m in后，然后以GB/T 5009.5－2003法測其中有機相中蛋白質含量(以萃取前的反膠束溶液作為空白樣)。

2 前萃過程動力學方程的推導

前萃過程中蛋白質在(s)時間內從水相轉移到有機相。假設水相體積為V1(m3)，蛋白質在水相的濃度為C1(t)(mol· m－3);有機相的體積為V2(m3)，蛋白質在有機相的濃度為C2(t)(mol· m－3)。

式(10)可用來描述前萃取蛋白質時萃取率隨時間的變化，其中β可由體積比Vr和平衡常數m求得，而α值必須對式(10)進行迭代法求解。重復迭代計算α值直到所得E的計算值與實驗值誤差小于10%。從α的定義式中可以求得總質量傳質系數KLA(因為無法求得兩相界面面積，只能用KLA代替傳質系數)。

3 結果與討論

蛋白質萃取過程與蛋白質的表面電荷和反膠束內表面電荷間的靜電相互作用，蛋白質的疏水性以及反膠束的大小的變化等因素有關，任何對這些作用產生影響的因素都將對蛋白質的萃取過程產生影響［1，4，8］，如表 1 所示。本研究從傳質動力學的角度直接選取pH、表面活性劑AOT濃度和KCl濃度和操作溫度四個主要的影響因素對大豆蛋白前萃過程傳質動力學進行探討。

表1 影響蛋白質萃取過程的主要因素

3.1 振蕩速度對總傳質系數的影響

由圖1可知，總傳質系數隨振蕩速度的提高而增大，但高速區總傳質系數的增大速率比低速區快。由于轉速過高時，相界面發生波動，體系易乳化，所以最高轉速限定為200 r/m in。振蕩速度對總傳質系數影響主要有兩方面:增大振蕩速度使得反膠束分散良好，增大了蛋白質與“空膠束”接觸的相界面積;由于振蕩使液體產生流動，對“空膠束”界面單分子層產生沖擊作用。轉速低時，對“空膠束”表面的沖擊作用較小，當轉速提高到相當的程度后，對“空膠束”的表面產生沖擊作用較大，使得表面變得較“松散”，蛋白質較容易傳遞到反膠束內部。因此，其在高轉速區的影響程度比在低速區高。

圖1 振蕩速度對總傳質系數的影響

3.2 緩沖溶液pH對總傳質系數的影響

由圖2可以看出，總傳質系數隨pH的升高先增大后減小，在pH7.0附近出現最大值。因為開始時，pH接近大豆蛋白等電點(p I)，蛋白質越接近等電點，溶解度越小，越難加溶于反膠束的“水池”中，導致總傳質系數較小;隨著pH的增大而遠離p I，蛋白質的溶解度增大，有利于加溶至反膠束的“水池”中，總傳質系數增加。但是，當 pH＞p I時，蛋白質分子呈負電荷狀態，AOT分子是陰離子表面活性劑，也呈負電荷狀態，通常認為它們之間應呈靜電斥力，而傳統理論認為，蛋白質分子與陰離子型表面活性劑AOT分子之間的靜電吸引力是蛋白質加溶于反膠束“水池”的主要推動力，因此，蛋白質加溶的主要原因不僅是靜電吸引力的作用，而是還有其他的原因，如蛋白質具有的疏水性有時甚至起著主要作用［21］。

圖2 緩沖溶液pH對總傳質系數的影響

3.3 離子強度對總傳質系數的影響

如圖3所示，加入少量的KCl緩沖溶液時總傳質系數迅速增大，KCl濃度在0.1mol/L附近總傳質系數出現最大值;而當KCl濃度繼續增大時，總傳質系數反而減小。KCl濃度對總傳質系數的影響主要有兩方面:一是少量的KCl起鹽溶作用，增加蛋白質的溶解度，從而總傳質系數增大;當KCl濃度較大時，蛋白質與反膠束內表面之間的靜電吸引減弱，界面阻力反而增強，因而總傳質系數降低。結果表明，蛋白質加溶與反膠束的主要推動力不僅與兩者間的靜電引力有關，還與主體的擴散阻力有關。

圖3 KCl濃度對總傳質系數的影響

3.4 反膠束含水量(W 0)對總傳質系數的影響

類似于水相膠束能加溶非極性液體，反膠束能加溶水或極性液體。加溶的推動力在于加溶物與反膠束內核中的表面活性離子的反離子之間的強離子－偶極子相互作用及加溶物與表面活性離子之間的強相互作用。反膠束內加溶水量W0是一個決定反膠束結構及物理性質的一個重要物理量。水的加溶對雙親分子的溶解性和膠束聚集數有較大的影響，從而導致膠束尺寸的增加。它與反膠束的尺寸之間的關系可以用水殼模型進行描述［22］。若用dWP表示反膠束“水池”的直徑，V為反膠束溶液體積。則:

假定所有表面活性劑的極性頭為剛性，且以As表示一個表面活性劑極性頭所占面積，Cs表示溶液中表面活性劑的濃度。則:

式(18)為反膠束的“水池”直徑和含水量W0與單個表面活性劑分子所占表面積之間的關系As，因此，W0的值本身也反映了反膠束的大小。

如圖4所示，總傳質系數隨著W0的增加迅速增大，當W0大于12時，總傳質系數基本不變。W0增大意味著反膠束中加溶水的量增加，水的加溶量對雙親分子的溶解性和膠束聚集數有較大的影響，并且影響反膠束的大小。一般認為，反膠束尺寸越大，越有利于蛋白質的加溶。

圖4 含水量W0對總傳質系數的影響

3.5 表面活性劑AOT濃度對總傳質系數的影響

由圖5可知，隨著表面活性劑濃度的提高，總傳質系數逐漸增大，再進一步增加AOT濃度，總傳質系數的變化趨于平緩，再提高AOT的濃度并不會增大總傳質系數的值。這可能是因為AOT濃度的增加使得單位體積反膠束溶液的反膠束的聚集數增加，增大了相界面積，從而增加了反膠束溶液的萃取能力，提高了總傳質系數。然而，AOT濃度達到臨界反膠束濃度時，相界面積相對恒定，因此總傳質系數基本不變。

圖5 AOT濃度對總傳質系數的影響

3.6 萃取溫度對總傳質系數的影響

如圖6所示，溫度在25～45℃時，總傳質系數稍有增加;在45～50℃時，總傳質系數稍有減少。總的看來，在實驗溫度下，總傳質系數隨溫度變化不大。可能有兩方面的原因:一方面，溫度的升高增加了反膠束微粒之間碰撞的幾率，有利于蛋白質加溶于反膠束“水池”內;另一方面，溫度的增大卻降低了反膠束溶液的穩定性，不利于蛋白質的加溶。

4 討論與結論

圖6 溫度對總傳質系數的影響

根據上述研究，大豆蛋白萃取過程中增溶水的pH和離子強度對總傳質系數的影響表明，大豆蛋白質的萃取過程不僅與蛋白質分子和表面活性劑之間的靜電相互作用力有關，而且與界面阻力有關。這是因為根據Debye－Huckel靜電屏蔽效應理論可知，離解的反離子在表面活性劑極性頭附近建立了擴散雙電層，它影響到蛋白質分子與帶電界面間的靜電吸引力克服其熱運動所能達到的限度。這種靜電作用力的特征距離是Debye長度，它與離子強度的平方根成反比［21］。因此增加離子強度就可以相應縮小靜電引力的作用范圍，從而抑制蛋白質的加溶，并且鹽濃度的增大會對反膠束相產生脫水效應，反膠束的含水量隨鹽濃度的增大而降低，反膠束直徑減小，空間排阻作用增大，蛋白質的溶解率下降。根據振蕩速度對總傳質系數的影響可知，增大振蕩速度可使反膠束分散良好，使液體對“空膠束”界面單分子層產生沖擊作用增大，從而增大蛋白質與“空膠束”接觸的相界面積機會加快傳質速率。

因此可以推斷，蛋白質的加溶過程不僅與蛋白質分子和表面活性劑之間的靜電相互作用力和疏水力有關，而且與界面阻力有關。然而，反膠束的萃取是一個非常復雜的過程，更完善的傳質機制有待于進一步的深入研究。

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Kinetics of the pre－extraction process of soybean protein by reversed micelles

GAO Ya－hui1，ZHANG Shu－xia2，CHEN Fu－sheng3，WAN Shan1

(1.Department of Environment Engineering and Chemistry，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，China;2.Luoyang Entry－Exit Inspection and Quarantine Bureau，Luoyang 471023，China;3.College of Food Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450052，China)

The kinetics of pre－extraction process of soybean protein were studied through systemical study on the effect of main factors(pH and ionic strength of buffer solution，W0，surfactant concentration，shaking speed and temperature)on total mass transfer coefficient in AOT(sodium bis－(2－ethylhexy)sulfosuccinate)－isooctane reverse micelle system.The results indicated that the total mass transfer coefficients increased first and then decreased with the buffer solution pH and the increasing of KCl concentration，at pH 7.0 and KCl concentration 0.1mol/L near maximum.The total mass transfer coefficient increased with increasing ofW0and AOT concentration.The total mass transfer coefficients basically remain unchanged，when the W0was greater than 12.The total mass transfer coefficients basically unchanged with temperature.It can be concluded that the extraction process of soybean protein were controlled not only the electrostatic and hydrophobic interaction force between soybean protein and surfactant molecules，but also the interface resistance.

reverse micelles;soybean protein;kinetics;coalescence;electrostatics interaction

TS201.2+1

A

1002－0306(2011)07－0071－05

2009－12－10

高亞輝(1978－)，女，助教，碩士，研究方向:食品化工資源開發與利用研究。

國家教育部科學技術重點資助項目(205094);河南省杰出人才創新基金項目(0521000500);洛陽理工學院青年基金項目(2008QZ05)。