響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化低酸水解大豆蛋白生產(chǎn)工藝

鄭姣姣，魏然，李永歌

(保定味群食品科技股份有限公司，河北 保定 071000)

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化低酸水解大豆蛋白生產(chǎn)工藝

鄭姣姣，魏然，李永歌

(保定味群食品科技股份有限公司，河北 保定 071000)

優(yōu)化了在低酸條件下大豆蛋白的水解工藝，此工藝旨在降低水解蛋白中的氯化鈉含量。以脫脂大豆作為原料，采用鹽酸水解工藝，分析鹽酸濃度、液固比、水解時(shí)間、水解溫度對(duì)蛋白水解率影響的規(guī)律。結(jié)果表明：液固比、溫度對(duì)蛋白水解率影響主效應(yīng)顯著，各因素對(duì)蛋白水解率影響程度的大小順序?yàn)橐汗瘫?水解溫度>水解時(shí)間>鹽酸濃度。液固比與鹽酸濃度、鹽酸濃度與時(shí)間、鹽酸濃度與溫度、溫度與液固比、時(shí)間與溫度之間交互作用對(duì)水解率的影響均為極顯著。優(yōu)化得到的大豆蛋白水解工藝為鹽酸濃度14%、液固比2∶1、水解時(shí)間31 h、水解溫度105 ℃，在此條件下蛋白水解率為73.6%，所得水解蛋白液中氯化鈉含量約為12.5%，較傳統(tǒng)的水解工藝降低了22%～31%。

脫脂大豆；響應(yīng)面設(shè)計(jì)法；水解工藝；蛋白水解率；氯化鈉

酸水解植物蛋白調(diào)味液(acid-hydrolyzed vegetable protein seasoning，HVP)是以含有食用植物蛋白脫脂大豆、花生粕、小麥蛋白或玉米蛋白為原料，經(jīng)鹽酸水解、堿中和制成的液體鮮味調(diào)味品[1,2]。HVP生產(chǎn)周期短，含有豐富的氨基酸和小肽類物質(zhì)，包括人體必需的8種氨基酸，其具有植物清香、清爽的氨基酸香味以及濃郁的類肉湯香氣的食品調(diào)味料[3-5]。以往，HVP在調(diào)味品行業(yè)主要用于醬油和醬腌菜的生產(chǎn)；近年來(lái)，隨著食品工業(yè)的發(fā)展，特別是在方便面、雞精、雞粉、休閑食品、香精香料等食品加工業(yè)中，HVP與其產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，成為公眾的日常食用調(diào)味佳品[6,7]，在食品工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和廣闊的市場(chǎng)前景。

HVP在使用鹽酸作為催化劑、經(jīng)酸堿中和后，勢(shì)必生成較多的氯化鈉(食鹽)。但是，近年來(lái)“健康生活從低鹽開(kāi)始”的理念在國(guó)際上受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)學(xué)家正在倡導(dǎo)低鹽飲食。“低鹽”已經(jīng)慢慢成為被人們所接受的健康膳食理念[8]。營(yíng)養(yǎng)學(xué)家一直呼吁消費(fèi)者在飲食中限鹽，以減少鈉的攝入。雖然許多天然食品里都含有鈉成分，但鹽是攝入鈉的最主要來(lái)源。目前，國(guó)外一些食品企業(yè)已經(jīng)在研究降低食品中的鈉含量。

酸水解過(guò)程的控制是HVP生產(chǎn)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)[9,10]。常規(guī)酸法水解植物蛋白生產(chǎn)工藝為了達(dá)到較高的蛋白水解率，水解所用鹽酸濃度較高，所得水解液中鹽含量往往很高，但在生產(chǎn)實(shí)踐中，仍缺乏控制和降低氯化鈉含量的良好工藝[11-13]。本文采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法優(yōu)化了低酸條件下水解大豆蛋白的工藝，旨在保證較高蛋白水解率的前提下，降低水解蛋白液中的氯化鈉含量。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫脂大豆(食品級(jí))：金海糧油有限公司；鹽酸(食品級(jí))、液堿(食品級(jí))：濱化集團(tuán)股份有限公司；純堿(食品級(jí))：山東海化股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

K-360 BUCHI凱氏定氮儀 上海島通應(yīng)用科技有限公司；雷磁PHS-3E酸度計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；SHD-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 保定高新區(qū)陽(yáng)光科教儀器廠；JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器 常州國(guó)華電器有限公司；98-I-B型電子調(diào)溫加熱套 天津市泰斯特儀器有限公司；JA51001電子精密天平 上海精天電子儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

脫脂大豆、鹽酸、水→水解→冷卻→中和→過(guò)濾→HVP液[14-16]。

1.3.2 檢測(cè)方法

氨基酸態(tài)氮(以N計(jì)，g/100 g)：參照GB 5009.39-2003；

總氮(以N計(jì)，g/100 g)：參照GB 5009.5-2010；

氯化鈉(g/100 g)：參照GB 5009.39-2003。

1.4 蛋白水解率計(jì)算

式中：A1為水解液中氨基酸態(tài)氮含量，g/100 g；A2為水解液中總氮含量，g/100 g。

1.5 單因素試驗(yàn)

1.5.1 液固比的確定

選取鹽酸濃度15%、水解時(shí)間26 h、水解溫度95 ℃，測(cè)定不同液固比1∶1，1.5∶1，2∶1，2.5∶1，3∶1條件下的蛋白水解率，重復(fù)試驗(yàn)3次。

1.5.2 鹽酸濃度的確定

選取液固比2∶1、水解時(shí)間26 h、水解溫度95 ℃，測(cè)定不同鹽酸濃度12%，15%，17%，20%水平條件下的蛋白水解率，重復(fù)試驗(yàn)3次。

1.5.3 水解時(shí)間的確定

選取液固比2∶1、鹽酸濃度15%、水解溫度95 ℃，測(cè)定不同水解時(shí)間24，26，28，30，32 h水平條件下的蛋白水解率，重復(fù)試驗(yàn)3次。

1.5.4 水解溫度的確定

選取鹽酸濃度15%、液固比2∶1、水解時(shí)間30 h，測(cè)定不同水解溫度90，95，100，105，110 ℃水平條件下的蛋白水解率，重復(fù)試驗(yàn)3次。

1.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

選取鹽酸濃度、液固比、溫度、時(shí)間為考察因子，以蛋白水解率為響應(yīng)值，利用Design Expert 8.0.6進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken分析因素與水平

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17. 0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果為3次實(shí)驗(yàn)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 液固比對(duì)蛋白水解率的影響

液固比對(duì)蛋白水解率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 液固比對(duì)蛋白水解率的影響

由圖1可知，當(dāng)液固比由1∶1增加至2∶1時(shí)，蛋白水解率呈顯著增加(P<0.05)，液固比繼續(xù)增大，蛋白水解率增加緩慢。可能因?yàn)殡S著鹽酸用量增大，脫脂大豆中的蛋白質(zhì)與鹽酸溶液接觸得更加充分，蛋白更易被鹽酸水解，蛋白水解率更高[17,18]。但是達(dá)到一定鹽酸溶液量，蛋白已基本完全被水解，再增加鹽酸溶液量，蛋白水解率增加得并不明顯；同時(shí)液固比過(guò)高，會(huì)造成后期水解液成品含鹽量高以及鹽酸溶液的浪費(fèi)；觀察水解液的狀態(tài)，在液固比2∶1生成的水解液氨基酸無(wú)明顯的析出，溶液狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。因此，選取液固比2∶1進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 鹽酸濃度對(duì)蛋白水解率的影響

根據(jù)氯化鈉生成機(jī)理，鹽酸濃度是主要決定的因素之一，從控制蛋白水解液中鹽含量角度出發(fā)，在蛋白水解率滿足一定要求條件下，應(yīng)盡量選擇較低濃度鹽酸[19-21]。鹽酸濃度對(duì)蛋白水解率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 鹽酸濃度對(duì)蛋白水解率的影響

由圖2可知，當(dāng)鹽酸濃度由12%升至15%，蛋白水解率顯著增加(P<0.05)。鹽酸濃度在15%～20%，隨著鹽酸濃度的提高，蛋白水解率增加程度變化緩慢。因此，選取鹽酸濃度15%進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.1.3 水解時(shí)間對(duì)蛋白水解率的影響

水解時(shí)間對(duì)蛋白水解率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 水解時(shí)間對(duì)蛋白水解率的影響

由圖3可知，蛋白水解率隨水解時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加。在24～30 h內(nèi)，隨時(shí)間增加，蛋白水解率呈現(xiàn)顯著升高(P<0.05)；超過(guò)30 h，蛋白水解率增幅減小。水解開(kāi)始時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蛋白迅速被水解，氨基酸被釋放到溶液中，溶液中氨基酸態(tài)氮不斷升高[22]。再延長(zhǎng)水解時(shí)間，由于蛋白基本完全被水解，因此蛋白水解率不再增加或增加緩慢。因此，水解時(shí)間為30 h較為適宜。

2.1.4 水解溫度對(duì)蛋白水解率的影響

水解溫度對(duì)蛋白水解率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 水解溫度對(duì)蛋白水解率的影響

由圖4可知，在90～105 ℃范圍內(nèi)，蛋白水解率隨著溫度的升高而逐漸增大(P<0.05)，水解溫度繼續(xù)升高，蛋白水解率略有降低。可能因?yàn)殡S著水解溫度升高，越來(lái)越多的游離氨基酸與原料中少量醛基發(fā)生了美拉德反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物可能會(huì)破壞水解液風(fēng)味，從而降低水解液中游離氨基酸含量。溫度過(guò)高，將消耗過(guò)多的能量，增加生產(chǎn)成本。

2.2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)法對(duì)蛋白水解條件的優(yōu)化[23,24]

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

試驗(yàn)方案及相應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表2。利用Design Expert 8.0.6對(duì)表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，回歸分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 回歸方程方差分析

由表3可知，蛋白水解率所建立的回歸模型P<0.01，表明模型的擬合度較好。失擬項(xiàng)P>0.05，表明試驗(yàn)的誤差較小，未控制因素對(duì)結(jié)果的干擾很小，擬合不足以被否定，可對(duì)回歸模型進(jìn)一步進(jìn)行擬合檢驗(yàn)；R2=0.9868，說(shuō)明實(shí)際情況與該方程擬合良好，正確反映了各因素與蛋白水解率之間的關(guān)系。水解溫度、液固比主效應(yīng)顯著，各因素對(duì)蛋白水解率的影響程度大小為X2(液固比)>X4(水解溫度)>X3(水解時(shí)間)> X1(鹽酸濃度)，各因素二次項(xiàng)對(duì)蛋白水解率均有顯著影響。經(jīng)過(guò)擬合，回歸方程為：

Y=71.06-0.092X1+3.65X2-0.47X3+2.06X4-1.87X1X2-4.60X1X3-0.88X2X3-3.75X2X4+3.48X3X4-3.05X12-3.46X22-6.71X32-0.90X42。

2.2.2 響應(yīng)面分析

利用Design Expert 8.0.6做不同因素響應(yīng)面圖，結(jié)合方差分析表，鹽酸濃度、水解時(shí)間、液固比、水解溫度4個(gè)因素及其交互作用對(duì)蛋白水解率的影響見(jiàn)圖5～圖10。

圖5 鹽酸濃度與液固比的交互作用對(duì)蛋白水解率的影響

圖6 水解時(shí)間與鹽酸濃度的交互作用對(duì)蛋白水解率的影響

圖7 水解溫度與鹽酸濃度的交互作用對(duì)蛋白水解率的影響

圖8 液固比與水解時(shí)間的交互作用對(duì)蛋白水解率的影響

圖9 水解溫度與水解時(shí)間的交互作用對(duì)蛋白水解率的影響

圖10 水解溫度與液固比的交互作用對(duì)蛋白水解率的影響

由圖5～圖10可知，液固比與鹽酸濃度、水解時(shí)間與鹽酸濃度、水解溫度與鹽酸濃度、水解溫度與液固比、水解溫度與時(shí)間之間交互作用對(duì)蛋白水解率的影響均為極顯著。

2.2.3 工藝條件優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

利用Design Expert 8.0.6得到模型的極值點(diǎn)坐標(biāo)，換算得到預(yù)測(cè)真實(shí)值，最終得出蛋白提取率最高的一組如下：鹽酸濃度13.84%、液固比2.05∶1、水解時(shí)間30.84 h、水解溫度105 ℃。為了實(shí)際操作方便，將水解條件修正為：鹽酸濃度14%、液固比2∶1、水解時(shí)間31 h、水解溫度105 ℃，在此條件下做3次重復(fù)試驗(yàn)，實(shí)際蛋白水解率為(73.6±0.03)%，與預(yù)測(cè)值73.3%接近，可以滿足生產(chǎn)的要求，說(shuō)明試驗(yàn)優(yōu)化得到的蛋白水解條件具有實(shí)用價(jià)值。

在上述水解工藝條件下，對(duì)水解產(chǎn)品的氯化鈉含量進(jìn)行檢測(cè)，得到此產(chǎn)品的氯化鈉含量為(12.5±0.02)%，而常規(guī)水解工藝為16%～18%。由此可知，此低酸水解工藝使產(chǎn)品中的氯化鈉含量較常規(guī)水解工藝降低了22%～31%。

3 結(jié)論

液固比、水解溫度對(duì)蛋白水解率影響的主效應(yīng)顯著，各因素對(duì)蛋白水解率影響程度的大小順序?yàn)椋阂汗瘫?水解溫度>水解時(shí)間>鹽酸濃度。低酸水解大豆蛋白最佳優(yōu)化工藝條件為：鹽酸濃度14%，液固比2∶1，水解時(shí)間31 h，水解溫度105 ℃，蛋白水解率為73.6%，此工藝可滿足水解生產(chǎn)的要求。水解液中氯化鈉含量約為12.5%，比傳統(tǒng)的水解工藝要低很多。

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Response Surface Optimization of Soybean Protein Production Technology with Low Hydrochloric Acid Concentration

ZHENG Jiao-jiao,WEI Ran,LI Yong-ge

(Baoding Waychein Food Science and Technology Co., Ltd., Baoding 071000,China)

Focus on the acid hydrolysis process of soybean protein under the conditions of low concentration of acid, on the purpose of reducing the content of NaCl. Analyze the influence of hydrochloric acid concentration, liquid-solid ratio, hydrolysis time and hydrolysis temperature on protein hydrolysis rate. The results indicate that the main effect of liquid-solid ratio and hydrolysis temperature is significant. The order of the influence on protein hydrolysis rate is liquid-solid ratio，hydrolysis temperature，hydrolysis time and hydrochloric acid concentration. The interaction between liquid-solid ratio and hydrolysis time is not significant. The influence of interaction between other factors on the protein hydrolysis rate is significant. The optimal hydrolysis conditions are hydrochloric acid concentration of 14%，liquid-solid ratio of 2∶1, hydrolysis time of 31 h and hydrolysis temperature of 105 ℃. Under such conditions, the hydrolysis rate of protein is 73.6%. The NaCl content in the hydrolysate is about 12.5%, and it is reduced by 22%～31% compared with the traditional hydrolysis process.

defatted soybean; response surface methodology; hydrolysis process; protein hydrolysis rate; sodium chloride (NaCl)

2016-11-18

鄭姣姣(1979-)，女，河北保定人，助理工程師，碩士，研究方向：調(diào)味品。

TS201.1

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.05.018

1000-9973(2017)05-0084-06