棉籽粕中棉酚的超聲輔助脫除研究

楊 沖 王承明

(華中農業大學食品科學技術學院,武漢 430070)

棉籽粕中棉酚的超聲輔助脫除研究

楊 沖 王承明

(華中農業大學食品科學技術學院,武漢 430070)

棉籽蛋白類似大豆蛋白,是一種營養價值高且具保健功能的蛋白質。而棉酚的存在嚴重影響棉籽蛋白的應用并造成蛋白質資源的浪費。采用超聲波輔助鹽酸 -乙醇溶液脫除法及響應面設計法對棉子餅粕中棉酚的脫除工藝進行研究。在單因素的基礎上,選定液料比、超聲時間、超聲溫度及鹽酸濃度 4個因素,通過響應面分析以及嶺嵴分析得到了優化組合條件。最佳工藝條件是:液料比 23∶1,超聲時間 53 min,超聲溫度 77℃,鹽酸濃度 1.5 mol/L,超聲功率 50 W,棉酚脫除量為 9.5 mg/g。脫酚后的棉籽粕含蛋白質為57.17%,比脫酚前提高 7.52%。

棉酚 脫除 超聲 響應曲面法

棉酚又名棉毒素或棉籽醇,是棉屬植物體內形成的一種多元酚化合物,存在于棉株的各部器官,其中棉籽仁中含量最高,其他一些棉葵科植物也可形成。棉酚對人體具有抗生育作用、抗腫瘤作用、抗病毒作用和免疫抑制作用[1-2]。棉籽仁提油后的棉籽粕中含蛋白質高達 60%,并且其在質量上類似豆類蛋白,營養價值遠比谷類蛋白高,是一種很好的食用蛋白和飼用蛋白來源[3]。但棉酚的毒性限制了它的利用,因而棉籽粕中的棉酚脫除顯得非常重要。

目前,棉酚的脫除主要有物理法、化學鈍化法、生物脫毒法及溶劑浸出法[4]。物理法脫毒主要有擠壓法、旋液分離法和空氣分級法,其主要是利用棉酚在高溫、高水分作用下與氨基酸或者蛋白質反應,由游離態轉變為結合態,同時自身發生降解反應,從而降低棉酚的毒性,但蛋白質的生物效價降低。化學鈍化法是在棉籽粕中添加一定量的化學試劑,并在一定條件下使游離棉酚變性或轉化成結合態棉酚。包括添加硫酸亞鐵、尿素、堿、石灰水等。微生物法脫毒效果好,可以避免化學添加劑法和物理法對棉籽蛋白功能性質的影響,不會對其風味、色澤以及適口性構成危害,還會增加棉籽蛋白的含量,另外,發酵產物如氨基酸、維生素,及纖維素降解生成的葡萄糖也大大提高棉籽蛋白的營養性能。但微生物發酵的水分干燥成本太大,物料粉碎,發酵和烘干路線太長,影響企業效益。溶劑浸出法利用棉酚易溶于極性溶劑的特點,可用甲醇、乙醇、正丁醇、丙醇、異丙醇、二氯甲烷等進行提取,由于不經過高溫處理,可避免蛋白質變性和賴氨酸破壞。溶劑法僅對游離棉酚脫除效果較好。

吳媛瑾等[5]以鹽酸和 80%乙醇混合液作為提取液脫除棉酚,可同時脫除棉籽粕中游離和結合棉酚,脫除率為 8.8 mg/g。在其基礎上,通過超聲處理,利用超聲波的機械破碎和空化作用能有效破碎植物細胞[6-7],加速浸提物從原料向溶劑的擴散速率,以期進一步提高棉酚的脫除率,從而提高棉籽蛋白的利用率和價值。本試驗采用超聲輔助鹽酸 -乙醇溶液脫除棉酚,通過響應面分析和嶺嵴分析,獲取最佳脫除工藝并分析脫酚前后棉籽粕常規成分,以期為脫酚后棉籽粕開發利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

棉籽粕:湖北華益油料科技股份有限公司。

鹽酸:信陽市化學試劑廠;無水乙醇:國藥集團化學試劑有限公司;氫氧化鈉:天津市風船化學試劑科技有限公司。其他試劑均為分析純。

1.2 主要儀器

BYL-B063九陽料理機:九陽股份有限公司;AL204電子天平:梅特勒 -托利多儀器 (上海)有限公司;TDL-5A菲恰爾離心機:上海菲恰爾分析儀器有限公司;722型紫外可見分光光度計:上海欣茂儀器有限公司;KQ2200DB型數控超聲波清洗器:江蘇昆山超聲儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理

將干燥的棉籽粕粉碎,過 60目篩備用。

1.3.2 棉籽粕常規成分分析

蛋白的測定:微量凱氏定氮法,換算系數 5.3,GB5009.5—2003;脂肪的測定:索氏抽提法,GB5497—1985;水分的測定:105 ℃恒重法,GB5512—1985;灰分的測定:550～600℃灰化法,GB/T5505—1985。

1.3.3 棉酚脫除方法[5]

棉籽粕→加鹽酸 -乙醇溶液浸提,超聲處理→4000 r/min離心 15 min→上清液→中和→定容→靜置 30 min→測吸光值

棉酚含量的測定:采用分光光度法于 378 nm測定吸光度,利用標準曲線法得到棉酚含量。

棉酚脫除率的計算:棉酚脫除率 =上清液棉酚的質量 /原料質量

1.3.4 單因素試驗

乙醇的體積分數影響棉酚脫除率,主要是因為棉酚在高體積分數乙醇中溶解性較好,結合本實驗室研究人員已做過乙醇體積分數對棉酚脫除率影響的優化試驗[5],直接采用 80%乙醇和不同濃度的鹽酸混合液作為脫毒溶劑。選定液料比、超聲時間、超聲溫度、鹽酸濃度及超聲功率 5個因素做單因素試驗,考察各個單因素對棉酚脫除率的影響。

1.3.5 響應面的組合試驗設計[8]

在單因素試驗的基礎上,確定液料比 (X1)、超聲時間 (X2)、超聲溫度 (X3)、鹽酸濃度 (X4)4個因素為自變量,棉酚脫除率為響應值,通過響應面分析及嶺嵴分析對脫除條件進行優化。因素水平編碼表如表1所示,數據采用 SAS8.1統計軟件分析。

表 1 因素水平編碼表

2 結果與分析

2.1 棉籽粕常規成分分析結果

由表 2可以看出,棉籽粕經脫棉酚處理以后,常規成分含量發生了變化。蛋白質質量分數提高7.52%,脂肪質量分數降低 1.52%,灰分質量分數提高 3.21%,水分質量分數降低 0.55%。

表 2 棉籽粕脫酚處理前后常規成分表

2.2 棉酚脫除單因素試驗

2.2.1 液料比對棉酚脫除的影響

取 1 g棉籽粕,分別以液料比 10∶1,15∶1,20∶1,25∶1,30∶1,35∶1加入 1.5 mol/L的鹽酸 -80%乙醇溶液,設定超聲溫度為 60℃,超聲功率為 60W,處理15 min,得到棉酚脫除率隨不同液料比的變化曲線(圖 1)。從圖 1可以看出,隨著液料比的增加,棉酚脫除率明顯提高,當料液比大于 20∶1后,脫除率變化比較平緩。這主要是由于隨著料液比的增大,游離棉酚和解離的結合棉酚溶出增加,當液料比達到20∶1,棉酚溶出基本平衡。從脫除棉酚效果和經濟效益兩方面綜合考慮,確定最佳液料比為 20∶1。

圖 1 液料比對棉酚脫除率的影響

2.2.2 超聲時間對棉酚脫除的影響

取 1 g棉籽粕,以液料比 20∶1加入 1.5 mol/L的鹽酸 -80%乙醇溶液,設定超聲溫度為 60℃,超聲功率為 60 W,分別超聲處理 10,20,30,40,50,60 min,得到棉酚脫除率隨不同超聲時間的變化曲線(圖 2)。從圖 2可以看出,50 min之前,棉酚脫除率隨時間增加明顯增加,50 min之后基本沒變化,這是因為棉酚經50min超聲處理基本脫除完全,時間過長會導致水溶性物質、營養物質損失,不利于脫毒后棉籽粕的再利用。因此,選定 50 min作為最佳條件。

圖 2 超聲時間對棉酚脫除率的影響

2.2.3 超聲溫度對棉酚脫除的影響

取 1 g棉籽粕,以液料比 20∶1加入 1.5 mol/L的鹽酸 -80%乙醇溶液,設定超聲時間為 50 min,超聲功率為 60 W,分別設定溫度 30,40,50,60,70,80℃后超聲處理,得到棉酚脫除量隨不同超聲溫度的變化曲線 (圖 3)。從圖 3可以看出,超聲溫度在 30～70℃之間,隨溫度升高,棉酚脫除量明顯增加。原因可能是隨著浸提溫度的提高,溶劑和棉酚的擴散性增強,有利于棉酚的浸出。當溫度高于 70℃,脫除率有所降低,可能是溫度過高引起部分棉酚氧化。因此,選定 70℃作為最佳條件。

圖 3 超聲溫度對棉酚脫除率的影響

2.2.4 超聲功率對棉酚脫除的影響

取 1 g棉籽粕,以液料比 20∶1加入 1.5 mol/L的鹽酸 -80%乙醇溶液,設定超聲時間為 50 min,超聲溫度為 70℃,分別以功率為 40,50,60,70,80 W超聲處理,得到棉酚脫除率隨不同超聲功率的變化曲線 (圖 4)。從圖 4可以看出,超聲功率對棉酚脫除率的影響不是很明顯,功率為 50 W時脫除率最大。功率再增加,脫除率有所降低,主要是因為超聲波的化學效應總與熱效應相伴隨,功率越高,能量越大,介質吸收后產生顯著的熱效應,引起棉酚分子結構發生了改變。因此,選定 50 W作為最佳條件。

圖 4 超聲功率對棉酚脫除率的影響

2.2.5 鹽酸濃度對棉酚脫除的影響

取 1 g棉籽粕,以液料比 20∶1,設定超聲時間為50 min,超聲溫度為 70℃,超聲功率 50 W,分別加入0.2,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 mol/L的鹽酸 -80%乙醇溶液后超聲處理,得到棉酚脫除率隨不同鹽酸濃度的變化曲線 (圖 5)。從圖 5可以看出,棉酚脫除率隨混合溶液的鹽酸濃度的增大先增大后減小。由于棉酚中醛基鄰位的羥基活潑,呈弱酸性,鹽酸濃度增大可能抑制了棉酚的溶解。鹽酸濃度為 1.5 mol/L時脫除率最大,因此,選定鹽酸濃度為 1.5 mol/L。

圖 5 鹽酸濃度對棉酚脫除率的影響

2.6 響應面試驗結果

2.6.1 中心組合試驗因素水平的選取

根據Box-Benhnken的中心組合試驗設計原理,設計了 4因素 3水平的響應面分析試驗。參考單因素試驗結果,以液料比、超聲時間、超聲溫度及鹽酸濃度為主要因素,中心組合試驗方案及結果如表 3所示。

表 3 響應面組合設計和結果

從表 4的 T-檢驗方差分析表中可以看出,一次項中,X,X,X,X的影響極顯著,二次項 X2、

12343

X4

2的影響極顯著 ,交互項 X4X3、X4X2、X3X1影響顯著。

表 4 回歸方程系數顯著性檢驗

以棉酚脫除率為響應面 (Y),通過 SAS軟件的RSTEG程序對試驗結果進行響應面分析 (RSA),經二次回歸擬合后求得響應函數,即回歸方程為 Y=7.973+0.883X1+0.464X2+1.280X3-0.331X4+0.008X12-0.078X2X1+0.017X22+0.278X3X1+0.010X3X2-0.292X32+0.145X4X1+0.250X4X2+0.313XX-0.848X2對回歸模型方差分析,結果見表 5。從表 5中可以看出,用上述回歸方程描述各因素與響應值之間的關系時,其因變量和全體自變量之間的線性關系顯著(R2=0.985 8)。模型的顯著水平遠遠小于0.000 1,此時回歸方差模型是極顯著的,因此,這種試驗方法是可靠的。方程的失擬項表現為不顯著,說明回歸方程與實際情況吻合的較好,可用回歸方程代替試驗真實點對試驗結果進行分析。回歸方程各項的方差分析結果還表明,方程一次項和二次項影響是極顯著的,交互項影響是顯著的,因此各具體試驗因子對響應值的影響不是簡單的線性關系。

表 5 回歸模型方差分析表

從典型分析表 (表 6)中可以看出,4個因素的特征值有正有負,表明此二次響應面是鞍面,無極值存在,因此不能直接從此二次響應面上找出最佳工藝參數,需進一步作嶺嵴分析。

表 6 典型分析表

表 7為嶺嵴分析結果,可以看出,隨著編碼半徑r的增加,響應值 Y也逐漸增大[9]。由此可見,棉酚脫除率隨液料比、超聲時間、超聲溫度及鹽酸濃度的增加而增大。當 r>1.0時,超出了試驗的水平范圍,不予考慮。在本試驗的水平范圍內,最大響應值時 r為 1.0,此時液料比 23.4∶1,超聲時間 52.7 min,超聲溫度 76.8℃,鹽酸濃度 1.51 mol/L。在此條件下,棉酚的理論脫除率是 9.56 mg/g。考慮到實際情況,修正脫除工藝條件為:液料比 23∶1,超聲時間 53 min,超聲溫度 77℃,鹽酸濃度 1.5 mol/L。在此條件下重復試驗 4次,得平均脫除率為 9.5 mg/g。

表 7 嶺嵴分析

3 結論

3.1 采用超聲波輔助鹽酸 -乙醇溶液脫除棉籽粕中棉酚時,先選取液料比、超聲時間、超聲溫度、鹽酸濃度及超聲功率 5個因素最為單因素試驗,在此基礎上最終確定前 4個因素進行響應面分析。4個因素對棉酚的脫除率的影響都達到了極顯著水平。通過 SAS分析,棉酚脫除量與液料比、超聲時間、超聲溫度及鹽酸濃度的二次回歸曲面為鞍面,需要進一步通過嶺嵴分析找出最佳脫除工藝條件。嶺嵴分析的結果表明超聲波輔助鹽酸 -乙醇溶液脫除棉酚的最佳工藝條件為:液料比 23∶1,超聲時間 53 min,超聲溫度77℃,鹽酸濃度 1.5 mol/L,超聲功率 50 W,棉酚脫除率為 9.5 mg/g,結果優于未使用超聲波的方法 8.8 mg/g棉酚脫除率[5],并且提高了脫除速度。

3.2 棉籽粕經脫棉酚處理以后,常規成分含量發生了變化。棉酚脫除處理后,粗蛋白質量分數為57.17%,比脫酚前提高 7.52%。脂肪質量分數為1.24%,比脫酚前降低1.52%。灰分質量分數為10.45%,比脫酚前提高 3.21%。水分質量分數為4.83%,比脫酚前降低 0.55%。

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UltrasonicWave-Assisted Extraction of Gossypol from CottonseedMeals

Yang Chong Wang Chengming
(College of Food Science and Technology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan 430070)

Cottonseed protein?s application is limited by gossypol which makes a wasteful use of protein re2 sources.Ultrasonic wave-assisted extraction of gossypol from cottonseed meals by the response surface method de2 sign was conducted.Four factorswere investigated on the basisof single factor test.By analyzing the response surface plots and the quadratic regression equations,the extraction parameterswere opti mized.Results:The obtained opti mal parameters are ratio of solvent to crude material 29 mL/g,extraction ti me 53 min,extraction temperature 77℃,con2 centration of hydrochloric acid 1.5 mol/L,and ultrasonic power 50W.The yield of gossypol from cottonseed meals is 9.5 mg/g.The protein content of the cottonseed meals after gossypol removal reaches 57.17%,increased by 7.52%.

gossypol,extraction,ultrasonic wave,response surface methodology

S562

A

1003-0174(2011)01-0074-05

2010-01-22

楊沖,女,1985年出生,碩士,食品科學

王承明,男,1964年出生,教授,碩士生導師,農產品加工與貯藏、食品安全、食品化學