蓖麻餅粕提取氨基酸及酸水解法優(yōu)化初探

,,,,,，*

(1.內(nèi)蒙古民族大學 生命科學學院,內(nèi)蒙古通遼 028000;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程研究中心,內(nèi)蒙古通遼 028000)

蓖麻餅粕是蓖麻籽取油后剩下的殘渣,粗蛋白含量為33%～35%,是粗糧作物的3倍[1-2]。蓖麻餅粕粗蛋白中含17種氨基酸,其中谷氨酸含量最高占23%,蛋氨酸含量較低占1%左右。蓖麻餅粕是一種優(yōu)質(zhì)的畜禽蛋白質(zhì)飼料,但由于餅粕中含蓖麻堿等毒性成分,一直以來利用的量及范圍受到很大的限制,大量的蓖麻餅粕只能用于燃料燒掉。通過酸水解的方法提取蓖麻餅粕中的氨基酸能夠更好的利用其中的氨基酸資源[3-7],而經(jīng)過實驗證明酸水解可將蓖麻餅粕中所含所有毒物全部破壞[2]。本文在傳統(tǒng)酸水解法的基礎(chǔ)上優(yōu)化實驗條件,增加從蓖麻餅粕中提取氨基酸的產(chǎn)量,有效降低成本,為蓖麻餅粕的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蓖麻餅粕 通華蓖麻有限公司提供;氫氧化鈣、氫氧化鈉、活性炭、石油醚(沸程60～90℃) 均為分析純;硫酸 包頭市廣源化工有限公司;定性濾紙 杭州特種紙業(yè)有限公司;所用其他試劑均為分析純。

SHT數(shù)顯恒溫磁力攪拌電熱套 菏澤市牡丹區(qū)大華儀器有限公司;HJ-3型恒溫磁力攪拌器 山東鄄城華魯電熱儀器有限公司;DS-1高速組織搗碎機 上海標本模型廠;2XZ-1型旋片真空泵 上海玉龍真空泵廠;數(shù)顯型立式旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀RV10 廣州儀科實驗室技術(shù)有限公司;PHS-3C型精密pH計 上海儀分科學儀器有限公司;HH-S28s數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市大地自動儀器廠;GL-21M大容量冷凍離心機 湖南湘儀實驗儀器開發(fā)有限公司;202-3型指針式電熱鼓風恒溫干燥箱 上海錦凱科學儀器有限公司;分析天平AL104 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;78-1型磁力加熱攪拌器 江蘇省江陰市科研器械廠;KQ-500B型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 主要工藝路線

蓖麻餅粕→石油醚脫脂→酸水解→活性炭脫色→氫氧化鈣中和→濃縮干燥→復合氨基酸粉

1.3 實驗方法

1.3.1 蓖麻餅粕氨基酸提取 將蓖麻餅粕研磨(高速組織搗碎機研磨)成粉末狀(40目),以1g:4mL的比例加石油醚過夜脫脂,取20g脫脂蓖麻餅粕粉末于250mL圓底燒瓶中,加入2mol/L硫酸120mL(組1);4mol/L硫酸120mL(組2);4mol/L硫酸180mL(組3)等3種不同濃度劑量組,110℃下恒溫攪拌回流2、4、6、8、10h得到5個不同時間組的黑醬油色水解液,趁熱抽濾(布氏漏斗放3層濾紙,真空泵抽濾),在濾液中攪拌加入質(zhì)量濃度為150g/L的Ca(OH)2懸浮液,中和至pH10,室溫放置過夜,次日抽濾記錄液體總量(V0),留取一定量用于氨基酸含量測定,剩余烘干成復合氨基酸粉[8-11]。

虹吸法:將黑醬油色水解液,趁熱抽濾,在濾液中攪拌加入質(zhì)量濃度為150g/L的Ca(OH)2懸浮液,中和至pH為10,室溫沉淀72h,虹吸(用移液器將上清移出)記錄移出液體總體積(V0)。

1.3.2 氨基氮濃度測定 甲醛滴定法測定氨基氮濃度:量取甲醛20mL于燒杯中,磁力攪拌過程中,用0.05mol/L NaOH(C)標準溶液調(diào)節(jié)溶液pH至8.2;提取液5mL(V3)用60mL蒸餾水稀釋后,磁力攪拌下,用0.05mol/L NaOH調(diào)pH到8.2;將上述兩種液體混合,磁力攪拌5min;用0.05mol/L NaOH標準溶液滴定樣品液pH至9.2,記錄消耗的NaOH用量(V1),以蒸餾水為空白消耗的NaOH用量(V2),待測液中的氨基氮含量(mg/mL)計算公式為:

氨基氮濃度(mg/mL)=(V1-V2)×C×14.008/V3

每樣品檢測3次取平均值。

1.3.3 復合氨基酸濃度公式 參照標準GB/T5511-2008《谷物和豆類氮含量測定和粗蛋白質(zhì)含量計算凱氏法》中的附錄C規(guī)定的氮含量換算蛋白質(zhì)含量的換算系數(shù)為6.25,待測液中的蛋白質(zhì)含量(mg/mL)計算公式為:

蛋白質(zhì)含量(mg/mL)=(V1-V2)×C×14.008×6.25/V3

1.3.4 氨基酸提取率計算 蓖麻餅粕中蛋白質(zhì)含量33%～35%[1-2],為計算方便實驗中按35%計算,每次提取時使用餅粕粉末重量為均為20g,提取率(%)計算公式為:

提取率(%)={V0×(V1-V2)×C×14.008×6.25/V3}/20×35%×1000

1.3.5 提取液中17種氨基酸絕對含量測定 將組2回流6h獲得產(chǎn)物送至中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所測試中心測定17種氨基酸的絕對含量。

1.3.6 提取液中氨基酸相對含量分析 與文獻中所獲結(jié)果進行比對,分析不同條件對氨基酸的提取產(chǎn)生的影響,并利用相對含量方差法分析17種氨基酸的均衡程度。設:提取液1為采用9mol/L鹽酸回流12h水解[12]所獲實驗結(jié)果;提取液2為本研究中組2回流6h所獲結(jié)果;提取液3和提取液4為采用38%鹽酸回流14h和9mol/L硫酸回流11h水解[13]所獲實驗結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸濃度對產(chǎn)量的影響

蓖麻餅粕粉末與硫酸體積比例(料液比)為1g∶6mL時,提取率隨回流時間增加而增加(圖1),組2在6h達最高值,而組1在10h達到最高值。不同的水解液具有相應的能夠達到提取率峰值的回流時間,所以無需一味尋求長回流時間。

2.2 硫酸體積對產(chǎn)量的影響

圖1顯示當硫酸濃度均為4mol/L時,硫酸體積少,提取率更高,原因可能是由于產(chǎn)生硫酸鈣過多,抽濾困難導致提取液量減少和硫酸鈣對氨基酸有一定的吸附力,過多的硫酸鈣吸附更多的氨基酸,導致最終提取液中氨基酸量降低。實驗中經(jīng)過對硫酸鈣的沖洗發(fā)現(xiàn)洗液中含有一定量的氨基酸,最多可以達到1.22mg/100mg(每100mg硫酸鈣中含1.22mg氨基酸)。

圖1 硫酸濃度與硫酸體積對提取率的影響 Fig.1 Effect on the extraction rate under different concentration and volume of sulfuric acid

回流時間在8h之內(nèi)組2提取率均比組1高,即使是提取率相對較低的組3在回流2h時也比組1、組2要高(圖中不明顯原因是硫酸鈣吸附造成),可以看出硫酸分子數(shù)量越多提取率能相對較短的時間達到高值,但一定的分子數(shù)量均有相對最高提取率的回流時間,超過這個時間提取率不會增加。

實驗中發(fā)現(xiàn)活性炭對氨基酸有一定的吸附性,會使氨基酸丟失,提取物如果用于禽畜飼料添加可以省去脫色步驟;實驗中最終獲得提取液的體積有小幅波動,這個原因有兩方面：第一,由于氫氧化鈣溶解度較低,用于中和的氫氧化鈣為懸浮液,加入時不能有效控制氫氧化鈣顆粒的量所致;第二是由于不能準確控制中和時的pH(pH變化較慢有時會超過10)導致液體量有小幅波動,這些都不會影響最終的提取率。

2.3 虹吸法與抽濾法對產(chǎn)量的影響

蓖麻餅粕粉末與硫酸體積比例為1g∶6mL,硫酸濃度為4mol/L,分別用抽濾和虹吸兩種方法提取液體。虹吸法可以獲得相對較高濃度的氨基酸液,但提取量少(虹吸法可獲得70～140mL提取液、抽濾法可獲得300～400mL提取液),留液很多,提取率降低(圖2)。抽濾法能夠?qū)⒁后w全部抽出,但提取液中氨基酸濃度降低,這可能是抽濾過程中氨基酸液在通過硫酸鈣固體時,氨基酸吸附在其中的原因,可通過對硫酸鈣的沖洗獲得殘留在其中的氨基酸。虹吸法提取氨基酸時,沉淀時間、虹吸手法等都對上清提取量有一定的影響,所以提取率有一定波動。實驗中使用8mol/L做酸水解液時無法用濾紙抽濾,而用其它抽濾裝置時,產(chǎn)生的硫酸鈣又會損壞設備。所以使用抽濾法提取氨基酸時酸水解液濃度不宜過高。

表1 組2回流6h獲得提取液氨基酸絕對含量Table 1 Absolute contents of the amino acids in the extract obtained from acid hydrolysis 2 with reflux time 6h

圖2 抽濾法和虹吸法提取液體的提取率對比 Fig.2 Comparison of the extraction rate of filtration and siphon

2.4 提取液中17種氨基酸的絕對含量與百分比分析

蓖麻餅粕提取液中含有17種氨基酸,其中谷氨酸含量最高,蛋氨酸含量最低(表1)。提取液1、2、3、4的氨基酸組成比例有一定差異(圖3),個別氨基酸在不同提取液中的含量差異較大,如胱氨酸、酪氨酸、脯氨酸。胱氨酸、酪氨酸、脯氨酸在提取液2中含量與提取液1、3、4中含量相比有差異,可能與回流時間有一定關(guān)系;絲氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸在提取液4中含量與提取液1、2、3中含量相比差異可能與水解液的成分、濃度和回流時間均有關(guān)系。

圖3 提取液中17種氨基酸的相對含量示意圖 Fig.3 absolute contents of 17 kinds of amino acids in the extract

表2可以看出提取液2中17種氨基酸含量相對更為均衡。

表2 各種提取液中氨基酸相對含量方差Table 2 The relative contents variance of various amino acids in the extract

3 結(jié)論

回流時間、硫酸濃度、硫酸體積均對產(chǎn)量有影響,產(chǎn)量達到峰值后增加回流時間不會增加氨基酸產(chǎn)量。酸水解液中提高硫酸濃度或增加硫酸體積,提取速率會增加,但如果過高,會因產(chǎn)生硫酸鈣量增加而產(chǎn)量減少,并且過高的硫酸濃度會影響抽濾過程。通過水洗沉淀物(硫酸鈣)能夠獲得更多的氨基酸,從而提高產(chǎn)量。回流時間和水解液成分等對提取液中各種氨基酸的含量有一定影響。

通過優(yōu)化酸水解方法能夠提高氨基酸的產(chǎn)量,并且可使產(chǎn)物中各種氨基酸含量更為均衡。

通過降解蓖麻餅粕中的蛋白質(zhì)獲得氨基酸,不僅能擴大蓖麻餅粕的應用范圍,而且為蓖麻蛋白的去毒開辟了一條新路。通過本研究獲得了氨基酸提取的最佳工藝,通過分析氨基酸的組成與含量,對進一步開發(fā)和利用氨基酸資源奠定基礎(chǔ)。

提取物的營養(yǎng)價值還有待于進一步進行生理實驗。

[1]孫景琦,塔娜,施和平.蓖麻籽餅粕營養(yǎng)成分的研究[J].有機化學,2003,23:149-150.

[2]北京市《蛋白質(zhì)資源的開發(fā)與利用》編寫組.蛋白質(zhì)資源的開發(fā)利用[M].北京:輕工業(yè)出版社,1988.152-153.

[3]Shiro K,Tatsuya I,Hisashi H. Alterations in d-amino acid concentrations and microbial community structures during the fermentation of red and white wines. Journal of Bioscience and Bioengineering,2011,111(1):104-108.

[4]Chuda R L,Joung M K,Keun-Hyeung L. Two dansyl fliorophores bearing amino acid for monitoring Hg2+in aqueous solution and live cells. Tetrahedron,2011,22(3):4130-4136.

[5]Stephen O D,Antonio E,Michele Fi,etal. Effects of the aglycone of ascaulitoxin on amino acid metabolism in Lemna paucicostata. Pesticide Biochemistry and Physiology,2011,100(1):136-144.

[6]Jennifer R R,Jeffrey L S,Lynne C B,etal. Soil based cycling and differential uptake of amino acids by three species of strawberry(Fragaria spp.)plants. Soil Biology and Biochemistry,2008,40(10):2547-2552.

[7]Nancy R W P,Knut K,Richard D B. Soil amino acid composition across a boreal forest successional sequence. Soil Biology and Biochemistry,2009,41(6):1210-1220.

[8]王艷玲,張 敏. 脫脂米糠中清蛋白和球蛋白的提取工藝及氨基酸組成分析[J].食品工業(yè)科技,2013,34(2):226-230

[9]田浩,李晚誼,李智敏，等.煙草工業(yè)廢棄物中提取氨基酸[J].環(huán)境工程學報,2012,6(9):3318-3324.

[10]李炳奇,高旭紅,王先庚.從棉籽餅粕中提取氨基酸的研究[J].氨基酸和生物資源,1999,21(2):43-44.

[11]李建寧.豆粕中提取復合氨基酸的研究[J].吉林農(nóng)業(yè),2011,253(3):89.

[12]黃瑜,張倩.從蓖麻粕中提取復合氨基酸[J].資源開發(fā)與市場,2000,16(6):327-328.

[13]李艷琴.蓖麻粕復合氨基酸的生產(chǎn)工藝及應用[J].內(nèi)蒙古石油化工,1999,25(1):39-40.