響應面分析法優化微波改善小麥蛋白纖維力學性能的工藝

柳翠青,馬曉軍

(江南大學食品學院,江蘇無錫 214122)

響應面分析法優化微波改善小麥蛋白纖維力學性能的工藝

柳翠青,馬曉軍*

(江南大學食品學院,江蘇無錫 214122)

以谷朊粉為原料,分別分離麥谷蛋白和麥醇溶蛋白后,按麥谷蛋白∶醇溶蛋白(w/w)=1∶1,蛋白濃度15%,凝固時間20 min進行濕法紡絲,并通過微波進行改性以提高蛋白纖維的力學性能并優化工藝條件。在單因素實驗的基礎上,選取微波功率、微波時間和pH為自變量,以斷裂強度和斷裂伸長率為響應值,利用響應面優化方法(RSM)中的Box-Behnken方法研究自變量及其交互作用對響應值的影響。得到的最優條件為:微波功率為206 W,微波時間為3 min,pH為8,所得的小麥蛋白纖維的斷裂強度為0.69 cN/dtex,斷裂伸長率為23.37%。與空白對照組相比,斷裂強度增加了19%,斷裂伸長率增加了302.43%。因此,微波可以明顯提高小麥蛋白纖維的力學性能。

微波,小麥蛋白纖維,斷裂強度,斷裂伸長率,響應面分析法

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波,能夠引起極性分子振動從而對物料產生影響。研究表明,微波電磁場對物料相互作用能產生兩方面的效果:一是微波的加熱效應,微波能量通過物料中分子的急劇摩擦、碰撞而轉化成熱能,使物料溫度升高;二是微波的非熱效應或生物效應,微波與物料中生物活性組分(如蛋白質及酶)或混合物(如霉菌、細菌等)相互作用,使他們生物活性得到抑制或激勵[1]。微波技術具有穿透力強、熱慣性小、設備結構緊湊、無毒副作用、工藝流程易于控制、費用低且可改善產品的某些功能特性等優點[2]。

目前,隨著石油、煤炭等資源額日益短缺,以及人們對綠色、環保、舒適要求的提高,制備純天然的蛋白纖維具有廣泛的應用前景。谷朊粉,又稱小麥面筋蛋白,主要由分子量較小、呈球狀、具有較好延伸性的麥醇蛋白與分子量較大、呈纖維狀、具有較強彈性的麥谷蛋白組成。它能與水形成網絡結構因而具有優良的黏彈性、延伸性、吸水性、吸脂乳化性、薄膜成型性,是制備高品質生物纖維的理想原料[3],但是制成的再生蛋白纖維物理機械性能和化學穩定性較差[4],因此本文利用微波對谷朊粉進行濕法改性后制備機械性能更高的小麥蛋白纖維,以拓寬其非食品性應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

谷朊粉 中紡匯澤生物科技(德州)有限公司;尿素、亞硫酸鈉、硫酸鈉、硫酸 AR,國藥集團。

1 mL注射器;FE20型pH計 德國IKA;高速攪拌機 上海弗魯克機械有限公司;NJL07-3微波爐 南京杰全微波設備有限公司;旋轉蒸發儀 德國IKA;ACPHA1-4型冷凍干燥機 CHRIST公司;DFT-100型粉碎機 溫嶺市林大機械有限公司;TA-XT2i型質構儀 STABLE MICROSYSTEMS公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 麥谷蛋白與醇溶蛋白的分離提取 二者分離方法參照文獻[5]略做修改:谷朊粉按料液比1∶30加入65%的乙醇溶液,35 ℃下攪拌2.5 h,4500r/min離心20 min,收集上清液;將沉淀繼續用65%的乙醇溶液提取兩遍,收集上清液,將3次所得上清液混合用旋轉蒸發儀濃縮后冷凍干燥即得醇溶蛋白。再將上述所剩沉淀按料液比1∶20加入水并調pH為10,55 ℃下攪拌2.5 h,4500 r/min離心20 min,收集上清液,所剩沉淀按上述方法重復提取兩遍,收集上清液,將3次所得上清液混合后加入乙醇至其濃度為65%,并調節其pH至7.0,4℃靜置12 h,離心得到的沉淀冷凍干燥即為麥谷蛋白。

將凍干的麥谷蛋白和醇溶蛋白粉碎后用正己烷按料液比1∶2混合,攪拌1 h后在3000 r/min離心5 min,所得沉淀再重復上述步驟2次,將沉淀干燥后過80目篩備用。

1.2.2 小麥蛋白溶液的制備及纖維的制備 根據文獻[4]略做修改:按照醇溶蛋白∶麥谷蛋白(w/w)=1∶1混合,加入1%的亞硫酸鈉和8 mol/L的尿素溶液至蛋白濃度為15%后,調節其pH并在不同功率和時間下進行微波處理,處理后的蛋白溶液用注射器擠入含10%硫酸鈉和10%硫酸的凝固浴中20 min,用蒸餾水洗滌3遍晾干后,將纖維在55 ℃的水中浸泡15 s后拉伸至原纖維長度的3～4倍;將制得的纖維在85 ℃下加熱1 h,再在125 ℃下加熱1 h備用。

1.2.3 纖維力學性能測試 將纖維剪切成10cm長的纖維,固定在質構儀上,采用A/TG探頭,夾持長度為40 mm,拉伸速度為2 mm/min,測定其力學性能:包括斷裂強度和斷裂伸長率。

斷裂強度(cN/dtex)=纖維發生斷裂時的最大應力(cN)/纖維線密度(dtex)

注:1分特克斯(dtex):10000米長的纖維或紗線在公定回潮率時的重量克數,為纖維線密度的單位。

斷裂伸長率:纖維在拉斷時的位移值與原長的比值，以百分比表示(%)。

1.2.4 微波工藝最優條件的確定

1.2.4.1 微波功率對纖維力學性能的影響 按方法1.2.2制備小麥蛋白溶液,調節pH=7后取蛋白溶液10 mL,在微波功率分別為100、200、300、400、500 W下加熱2 min,按方法1.2.2制備小麥蛋白纖維后測其力學性能。

1.2.4.2 微波時間對纖維力學性能的影響 按方法1.2.2制備小麥蛋白溶液,調節pH=7后取蛋白溶液10 mL,在微波功率300 W下分別加熱1、2、3、4、5 min,按方法1.2.2制備小麥蛋白纖維后測其力學性能。

1.2.4.3 pH對纖維力學性能的影響 按方法1.2.2制備小麥蛋白溶液,調節pH分別為5、6、7、8后取蛋白溶液10 mL,在微波功率300 W下分別加熱1、2、3、4、5 min,按方法1.2.2制備小麥蛋白纖維后測其力學性能。

1.2.4.4 微波工藝最優條件的確定 在單因素實驗的基礎上,以斷裂強度和斷裂伸長率為評價指標進行研究和分析,并確定三因素三水平的響應面實驗分析,并與不經微波處理的蛋白纖維(醇溶蛋白∶麥谷蛋白=1∶1,蛋白濃度=15%,pH=7,凝固時間=20 min)做空白對照。

表1 中心組合設計因素水平表

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果

圖1 微波功率對纖維力學性能的影響Fig.1 Effect of microwave power on themechanical properties of wheat protein fiber

微波功率、時間及pH對纖維力學性能的影響分別如圖1～圖3所示。從圖1～圖3可以看出,纖維的拉伸強度以及斷裂伸長率均隨微波功率、時間以及pH的增大呈先增強后降低的趨勢,這可能是因為在較低的微波功率以及較短的微波時間下,隨著微波功率及時間的增加,蛋白處于可逆變性階段,隨著溫度的升高,在蛋白質展開的過程中,微波的加入促進了蛋白質的展開[6],更適合紡絲,使紡出的絲性能較好;隨著功率及時間的繼續增加,溶液溫度繼續增加,又使蛋白質鏈適度交聯[7],使纖維的力學性能提高,隨著功率和時間的進一步增加,會使蛋白交聯過度,使紡出的纖維力學性能下降。而對于pH,在pH較低呈酸性時,對蛋白起水解作用,使蛋白分子鏈變短,紡出的絲力學性能較低;在中性及弱堿性時,蛋白分子鏈保持其原本的大分子狀態,因此紡出的纖維力學性能較好。綜上所述,為得到優異的纖維力學性能,選擇微波功率為300 W,微波時間為2 min,pH為7進行響應面分析。

2.2 響應面法微波工藝優化

表3 斷裂強度回歸方程方差分析表

圖2 微波時間對纖維力學性能的影響Fig.2 Effect of microwave time on themechanical properties of wheat protein fiber

圖3 微波溶液的pH對纖維力學性能的影響Fig.3 Effect of pH on themechanical properties of wheat protein fiber

注:
注:**表示極顯著(p<0.01),*表示顯著(0.01

在單因素實驗的基礎上,以拉伸強度和斷裂伸長率為響應值,利用響應面優化方法(RSM)中的Box-Behnken分析方法建立模型,對微波工藝進行優化，每組實驗重復3次,響應面實驗設計和結果如表2所示。

表2 響應面實驗設計及結果

2.2.1 不同因素對斷裂強度的影響

2.2.1.1 響應面模型分析 利用Designexpert7.0軟件進行分析,以斷裂強度為響應值得到方差分析表如表3所示。利用軟件進行非線性回歸的二次多項式擬合,得到的預測模型如下:斷裂強度=0.61-1.250E-003A+0.076B+0.050C-0.023AB-0.015AC+0.030BC-0.049A2-0.014B2-0.032C2。

2.2.1.2 響應面圖分析 微波功率、時間以及pH對纖維斷裂強度的影響見圖4～圖6。從圖4可以看出,微波功率和微波時間交互作用顯著,纖維的斷裂強度隨微波功率的增加先增加后降低,隨微波時間的增加而增加,所以微波選300 W左右,微波時間為3 min左右;從圖5可以看出,微波功率和pH交互作用不明顯,纖維的斷裂強度隨pH的增加而增加,因此選用微波功率為300 W左右,pH為8左右;從圖6可以看出,pH和微波時間交互作用顯著,纖維的斷裂強度隨pH和微波時間的增加而增加,因此選用pH為8左右,微波時間為3 min左右。

圖4 微波功率和時間對斷裂強度的影響Fig.4 Effect of microwave power andtime on breaking tenacity

圖5 微波功率和pH對斷裂強度的影響Fig.5 Effect of microwave powerand pH on breaking tenacity

圖6 微波時間和pH對斷裂強度的影響Fig.6 Effect of microwave timeand pH on breaking tenacity

2.2.2 不同因素對斷裂伸長率的影響

2.2.2.1 響應面模型分析 利用Designexpert7.0軟件進行分析,以斷裂伸長率為響應值得到方差分析表如表4所示。利用軟件進行非線性回歸的二次多項式擬合,得到的預測模型如下:斷裂伸長率=7.42+1.55A+4.09B+5.67C-0.37AB-0.57AC+2.27BC+2.48A2+1.80B2+0.37C2。

從方差分析表4可以看出,該模型顯著。失擬項不顯著,說明方程模擬較好。由F值可以看出,FC>FB>FA,說明pH對纖維的斷裂伸長率影響最大,其次是微波時間,微波功率影響最小。由p值可知,B、C對斷裂伸長率影響極顯著。

表4 斷裂伸長率回歸方程方差分析表

2.2.2.2 響應面圖分析 微波功率、時間以及pH對纖維斷裂伸長率的影響見圖7～圖9所示。從圖7～圖9可以看出,微波功率、時間以及pH三者間的交互作用均不顯著。纖維的斷裂伸長率隨微波時間的增加而增加,隨微波功率的增加先增加后降低,隨pH的增加逐漸增加。因此,選用微波功率為300 W左右,微波時間為3 min左右,pH為8左右。

圖7 微波功率和微波時間對斷裂伸長率的影響Fig.7 Effect of microwave power and timeon elongation at break

圖8 微波功率和pH對斷裂伸長率的影響Fig.8 Effect of microwave power and pHon elongation at break

圖9 微波時間和pH對斷裂伸長率的影響Fig.9 Effect of microwave timeand pH on elongation at break

2.3 微波工藝的確定

三因素中對斷裂強度影響的大小順序為:微波時間>pH>微波功率,對斷裂伸長率影響的大小順序為:pH>微波時間>微波功率,綜合考慮兩個響應值,利用Design-expert 7.0軟件進行最優條件的選擇,選擇條件為:微波功率為206.41 W,微波時間為3 min,pH為8。為實驗方便,微波功率采用206 W。預測的纖維的斷裂強度為0.71 cN/dtex,斷裂伸長率為23.22%。經過實驗驗證,得到的纖維的斷裂強度為0.69 cN/dtex,斷裂伸長率為23.37%。與空白對照組(斷裂強度為0.58 cN/dtex,斷裂伸長率為5.77%)相比,斷裂強度增加了19%,斷裂伸長率增加了302.43%。

3 結論

本實驗采用微波改性的方法提高小麥蛋白纖維的力學性能,通過響應面法優化了微波改性的工藝,得到的最優條件為:微波功率為206 W,微波時間為3 min,pH為8,所得的小麥蛋白纖維的斷裂強度為0.69 cN/dtex,斷裂伸長率為23.37%。與空白對照組(斷裂強度為0.58 cN/dtex,斷裂伸長率為5.77%)相比,斷裂強度增加了19%,斷裂伸長率增加了302.43%。因此,微波可以明顯提高小麥蛋白纖維的力學性能。

[1]萬小樂,卞科,張慧. 微波濕法改性對小麥面筋蛋白基塑料板拉伸性能的影響[J].食品工程,2009(7):124-127.

[2]唐蔚波.大豆蛋白膠黏劑的合成與應用研究[D].無錫:江南大學,2008.

[3]Woerdeman D L,Veraverbeke W S,Pamas R S,et al. Designing new materials from wheat protein[J]. Biomacromolecules,2004(5):1262-1269.

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[5]郭嘉.谷朊粉中麥谷蛋白和醇溶蛋白的分離及應用研究[D].鄭州:河南工業大學,2011.

[6]Henrik B,Jakob B. Microwave-enhanced folding and denaturation of globular proteins[J].Physical Review E,2000,61(4):4310-4314.

[7]崔貴金,卞科,陶平平,等. 微波處理小麥蛋白膠黏劑的性能研究[J].中國釀造,2011(9):84-88.

Process optimization and improvement of wheat protein fiber mechanical properties through microwave by response surface methodology

LIU Cui-qing,MA Xiao-jun*

(Food Science College of Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Separating gluten and gliadin from wheat gluten,the fibers were spinned according to gluten∶gliadin(w/w)=1∶1,protein concentration of 15% and the coagulation time of 20 min. The spinning dope was modified by microwave to improve the fibers’ mechanical properties and optimize the process. Based on the single factor experiment,three parameters including microwave power,time and pH were optimized using Box-Behnken central composite design and response surface methodology for achieving maximum of breaking tenacity and elongation at break. The optimum process condition was microwave 206 W,microwave time 3 min,pH=8.The modified fibers’ breaking tenacity was 0.69 cN/dtex and elongation at break was 23.37%. Compared with the control group,breaking tenacity of fiber increased by 19% and the elongation increased by 302.43%. Therefore,microwave can significantly improve the mechanical properties of wheat protein fiber.

microwave;wheat protein fiber;breaking tenacity;elongation at break;response surface methodology

2014-09-22

柳翠青(1988-),女,碩士研究生,研究方向:谷物化學,E-mail:cuiqingliu@163.com。

*通訊作者:馬曉軍(1965-)，男，碩士，副教授，研究方向：谷物化學,E-mail:maxiaojun@jiangnan.edu.cn。

TS210

B

1002-0306(2015)15-0243-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.042