微波輔助提取棉籽糖及膜純化工藝研究

吳 堯，萬端極，吳正奇，廖宇杰，楊 濤，馬 超

（1湖北工業大學資源與環境工程學院，湖北 武漢430068；2湖北工業大學食品與制藥工程學院，湖北 武漢430068）

我國是世界第一大產棉國，棉籽餅粕產量在500萬t左右，約占各類植物餅粕總產量的30%［1－2］。棉籽餅粕中含有質量較高的蛋白質、植酸、棉籽糖等物質，是一種價值很高的資源。棉籽糖又稱蜜三糖，是植物界中含量僅次于蔗糖的低聚糖，由半乳糖、果糖和葡萄糖結合而成，有整腸和改善排便的功能，還可以改善人體消化功能，促進鈣的吸收，增強人體免疫力，對預防疾病和抗衰老有明顯效果［3］。目前對棉籽糖的提取純化工藝研究較多的是乙醇溶液提取法［4－5］，而用微波輔助提取及膜技術純化棉籽糖的工藝研究鮮有報道。本研究采用單因素試驗，重點考察了微波處理時間、微波功率、料液比以及p H值等因素對棉籽糖提取效果的影響，并采用正交實驗對棉籽糖的提取工藝進行優化，確定棉籽糖的最佳提取條件，后用膜技術純化棉籽糖，為棉籽糖的提取純化提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫酚棉籽粕，由湖南崎豐生物科技有限公司提供，粉碎過60目篩；鹽酸、氫氧化鈉、乙腈、純棉籽糖（Sig ma公司），均為分析純。

1.2 儀器與設備

PHS－4 p H酸度計：上海偉業儀器廠；RE－52冷凍離心機：上海安亭科學儀器廠；微波爐：佛山順德美的電器制造有限公司；HX1201Z型電子天平：慈溪市天冬儀器廠；戴安Ulti Mate 3000液相色譜儀：石家莊博萊特儀器有限公司；JJ－1型精密增力電動攪拌器：江蘇曉陽電子儀器廠；膜組件設備：湖北工業大學膜技術研究所。

1.3 檢測方法

1.3.1 棉籽糖含量的檢測 采用高效液相色譜法［6］。

1.3.2 固性物含量的測定 采用常壓干燥法測定不揮發物的含量（參照 GB／T 2793－1995）［7］。

1.3.3 棉籽糖浸出率計算公式 棉籽糖浸出率＝［（棉籽糖濃度×溶液體積）／棉籽粕中棉籽糖含量］×100%。

1.4 實驗方法

工藝流程：脫酚棉籽粕→烘干→粉碎→微波輔助提取→調p H→離心→膜分離→干燥

1.4.1 粉碎 為了使棉籽粕中的棉籽糖盡可能的提取出來，將棉籽粕粉碎過60目篩。

1.4.2 微波輔助提取 將粉碎過篩后的棉籽粕與蒸餾水按一定比例混合，調節p H，浸泡30 min，用微波處理一定時間。微波輔助提取的條件對棉籽糖的提取影響較大，找到最佳的工藝條件有利于得到盡可能多的棉籽糖，使原料得以充分利用，還可以節約成本。本實驗考察不同的微波處理時間、微波功率、料液比和p H值等對浸出率的影響，并采用L9（34）正交實驗對棉籽糖的提取工藝條件進行優化。

1.4.3 調p H 在離心前調浸提液p H至蛋白質等電點，目的是為了使浸提過程中溶解在浸提液中的蛋白質沉淀下來，方便后續棉籽糖的純化。

1.4.4 膜分離 過兩級膜除雜濃縮［8］。先通過微濾膜過濾，去處浸提液中的微小顆粒、棉籽蛋白等雜質。微濾濾液再通過納濾膜，留住棉籽糖，透過小分子的氨基酸，無機鹽等分子量較小的物質，得到棉籽糖濃縮液。

1.4.5 干燥 將棉籽糖濃縮液進行冷凍干燥，得到棉籽糖。

2 結果與分析

2.1 微波輔助提取棉籽糖單因素試驗

2.1.1 微波處理時間對棉籽糖浸出率的影響 稱取50 g粉碎過篩后的棉籽粕，加入400 mL蒸餾水，浸泡30 min，調節p H至3.0，以500 W的微波輔助提取，測定浸提液中棉籽糖的含量。選取微波時間為3、6、9、12、15、18 min，結果見圖1。

圖1 微波處理時間對棉籽糖浸出率的影響

由圖1可知，棉籽糖的浸出率隨著微波處理時間的延長逐漸增加，6～9 min時浸出率最高，隨后隨著微波處理時間的延長，棉籽糖的浸出率反而下降。這是由于微波輻射在短時間內對棉籽粕細胞的破碎作用很大，棉籽糖溶出多，所以棉籽糖浸出率上升較快。當溶解度達到飽和時，棉籽糖不再溶出。隨著微波處理時間的延長，溶液中水會蒸發，從而使棉籽糖的浸出率下降。根據試驗結果，選擇微波處理時間為9 min。

2.1.2 微波功率對棉籽糖浸出率的影響 稱取50 g粉碎過篩后的棉籽粕，加入400 mL蒸餾水，浸泡30 min，調節p H至3.0，以不同功率的微波輔助提取9 min，測定浸出液中棉籽糖的含量。選取微波功率為200、350、500、650、800 W，結果見圖2。由圖2可以看出，在0～500 W范圍內，棉籽糖的浸出率隨微波功率的增加逐漸增大，與直接水提相比浸出率高出很多，當微波功率超過500 W時，棉籽糖浸出率增加較為緩慢，趨于平緩。根據試驗結果，選擇微波功率為500 W。

圖2 微波功率對棉籽糖浸出率的影響

2.1.3 料液比對棉籽糖浸出率的影響 稱取50 g粉碎過篩后的棉籽粕，加入不同量的蒸餾水，浸泡30 min，調節p H至3.0，以500 W的功率微波輔助提取9 min，測定浸出液中棉籽糖的含量。選取料液比為1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，結果見圖3。

圖3 料液比對棉籽糖浸出率的影響

由圖3可知，料液比對棉籽糖的浸出率影響也很明顯。隨著提取溶劑的增加，棉籽糖浸出率增加較快；當料液比為1∶8以上，棉籽糖的浸出率變化不明顯。料液比的影響可能是因為溶劑用量影響棉籽糖的原料與溶劑之間的擴散過程，也涉及到棉籽糖在水中的飽和問題。但是考慮到生產成本及后續的濃縮問題，選擇料液比為1∶8。

2.1.4 浸提液p H值對棉籽糖浸出率的影響 稱取50 g粉碎過篩后的棉籽粕，加入400 mL蒸餾水，浸泡30 min，調節不同p H值，以500 W的功率微波輔助提取9 min，測定浸出液中棉籽糖的含量。選取p H 值為2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，結果見圖4。

圖4 p H值對棉籽糖浸出率的影響

由圖4可知，在p H值小于3時，棉籽糖的浸出率隨p H值的增大而降低，降低的過程比較緩慢；當p H值在3～5之間時，棉籽糖的浸出率隨p H值的增大而降低的比較快；當p H大于5時，棉籽糖的浸出率基本趨于平緩。考慮到棉籽粕中的植酸在p H小于3時較于溶出且加入過的鹽酸對后續膜濃縮過程增加負擔，因此選取p H為3.0。

2.2 正交實驗的設計

根據單因素試驗所確定的工藝條件，以棉籽糖浸出率為考察指標設計L9（34）正交實驗來確定最佳實驗方案。

表1 正交設計因子和水平表

表2 正交實驗結果

由表2極差分析可知，RC＞RB＞RA＞RD，即料液比＞微波功率＞微波處理時間＞p H值，其中料液比對棉籽糖的浸出率影響最大。最優工藝條件組合為A2B3C3D1，即微波處理時間9 min，微波功率650 W，料液比1∶10，p H值2.5。該條件下棉籽糖浸出率91.5%。

2.3 棉籽糖的純化

棉籽糖浸出液調p H至棉籽蛋白等電點，離心分離后的上清液中還含有少量蛋白質以及其他微小顆粒，需要用微濾膜對其進行除雜，從而得到純度較高的棉籽糖。微濾膜的運行溫度為30～50℃，流速為80 L／h，進口壓力0.2 MPa，出口壓力0.1 MPa。經過微濾膜的清液比較稀，其中還含有氨基酸、無機鹽等小分子物質，需要通過納濾膜進行脫鹽濃縮，以得到棉籽糖濃縮液，利于提高棉籽糖純度及后續的冷凍干燥，納濾膜運行溫度30～50℃，流速20L／h，進口壓力1.2 MPa，出口壓力0.7 MPa。運行情況如圖5、6所示。

由圖5、6可知，微濾膜、納濾膜的通量隨時間的延長而不斷下降。經過微濾膜和納濾膜處理過的棉籽糖純度達到95%，棉籽糖浸出液中棉籽糖的濃度由0.45%濃縮到2.34%。由此說明，通過膜技術可以提高棉籽糖的純度以及大大提高棉籽糖浸出液的濃度，便于后續的干燥。

圖5 微濾膜通量與時間的關系

圖6 納濾膜通量與時間的關系

3 結論

本實驗設計了微波輔助提取棉籽糖的工藝流程，并采用膜技術對棉籽糖浸出液進行純化濃縮。通過單因素及正交實驗發現，影響棉籽糖浸出率的因素主次順序為：料液比＞微波功率＞微波處理時間＞p H值。最佳工藝條件為：微波處理時間9 min，微波功率650 W，料液比1∶10，p H值2.5，在此條件下棉籽糖的浸出率為91.5%，經膜分離純化后的棉籽糖純度為95%。

［1］趙冬冬，劉曉宇.棉籽蛋白的研究進展［J］.農產品加工，2009（05）：27－30.

［2］蘭宏兵，張 玲，云 志.棉籽的綜合利用及深加工技術［J］.中國油脂，2010，35（07）：61－65.

［3］周冬麗，宋偉光，郭文峰，等.棉籽低聚糖—棉籽糖研究概況［J］.糧食與油脂，2010（12）：39－41.

［4］王興國，金青哲，劉元法，等.脫脂棉籽粕中棉籽糖提取方法的研究［J］.中國油脂，2005，30（03）：57－60.

［5］戴衛東，汪守建，盧伯南，等.乙醇水溶液浸出棉籽粕中棉籽糖的實驗研究［J］.當代化工，2008，37（05）：471.

［6］張延坤，房玉水，鄧 峰.用高效液相色譜法測定棉籽蛋白中的棉籽糖［J］.食品工業，1996（03）：58－59.

［7］GB／T2793－1995.粘膠劑不揮發物含量的測定［S］.

［8］朱長樂.膜科學技術［M］.北京：高等教育出版社，2004.