單純形法優化堿溶醬渣中粗蛋白的工藝研究

吳國權，朱新貴，李學偉

(李錦記(新會)食品有限公司，廣東 江門 529156)

單純形法優化堿溶醬渣中粗蛋白的工藝研究

吳國權，朱新貴*，李學偉

(李錦記(新會)食品有限公司，廣東 江門 529156)

利用單純形法優化堿法溶解醬渣中粗蛋白的工藝，以醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解比例為指標，篩選最佳的料液比、時間、溫度及pH等參數。結果表明：采用該方法能搜索到最優結果，滿足收斂條件，并且確定最優工藝參數為：料液比0.05，時間78.9 min，溫度66.9 ℃，pH 11.67，在該條件下醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解比例為78%。

單純形；醬渣；粗蛋白

醬渣是醬油生產過程中的副產物，粗蛋白含量約為20%～30%(以干基計)[1]，高鹽分提高了其被再利用的門檻，致多數廠家以低價出售，更有甚者直接將其作為垃圾處理，不僅浪費了資源，同時對環境也構成了威脅。隨著食品工業的崛起，醬油產量每年以10%的速度遞增[2]，至2014年產量達到825萬噸，約產生550萬噸醬渣(以含水75%計)[3]，數量相當可觀。為了再加工利用醬渣，部分學者開始從事該方面的研究，并取得了一定的成果[4-7]。近期也有學者對堿法提取大豆中的蛋白做了較為深入的研究[8,9]，而對于堿法提取醬渣中的蛋白，文獻[5]及文獻[10]也進行了報道，其中文獻[10]采用響應面法進行工藝優化。正規單純形是由Splendley等[11]于1962年提出一種序貫的算法，隨后為了提高正規單純形的搜索速度，Nelder和Mead[12]在Splendley的基礎上于1965年提出了N-M單純形算法，與正交、均勻、因子試驗設計相比，單純形試驗前并不需要安排試驗點，而是根據上次的試驗結果，每走一步調整一次方向，并且逐步逼近最優結果，是一個邊試驗邊設計的過程，因此單純形試驗設計較好地克服了普通試驗設計需先安排大量的試驗點，完成所有試驗點后才能找出最優條件的缺陷。由于單純形的序貫優勢，目前已較好地應用在工業生產中[13-15]，但對優化堿溶醬渣中粗蛋白的工藝鮮有報道，故本文采用單純形法優化堿溶醬渣中粗蛋白的工藝參數。本文所涉及的堿溶蛋白，除溶解在醬渣中的粗蛋白外，還包括蛋白被過度水解的多肽及氨酸酸等，其為后期蛋白的進一步水解提供了技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

醬渣：李錦記(新會)食品有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、硼酸、硫酸：廣州化學試劑廠；硫酸銅、硫酸鉀：FOSS公司；所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

分析天平、pH計 METTER TOLEDO公司；凱氏定氮儀 FOSS公司；916 Ti-Touch滴定儀 Metrohm公司；搖床培養箱 上海一恒科學儀器有限公司；高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗儀器開發有限公司；膠體磨 溫州市龍灣豐業機械設備廠。

1.3 方法

1.3.1 醬渣預處理

醬渣與水以1∶5的比例混溶后過膠體磨，參照文獻[16]及文獻[17]中大豆蛋白的提取方法，用去離子水清洗醬渣3次，濾紙過濾后沉淀物冷藏備用。

1.3.2 粗蛋白溶解率的單因素試驗

本文采用唯一變量法確定各因素，包括料液比、時間、溫度及pH對醬渣中粗蛋白在堿液中溶解率的影響。

1.3.3 測定方法

采用凱氏定氮法測定總氮，參考標準版本為GB 5009.5-2010；采用電位滴定法測定氯化鈉，參考標準版本為GB/T 12457-2008；采用SET模式滴定銨鹽，終點設為pH 5.1，參考標準版本為GB 5009.234-2016。

1.3.4 粗蛋白質溶解及溶解率的計算

稱取適量(質量：M；蛋白含量：C)預處理后的醬渣，依據料液比加入適量水，用1 mol/L 氫氧化鈉及鹽酸溶液調節pH后于振蕩培養箱中，提取完畢后將其轉移至離心瓶中于4000 r/min轉速下離心，過濾上清液，將濾渣回收至離心瓶中，加去離子水清洗后重新離心，重復3次，記錄離心瓶中樣品質量m及混勻后測定的粗蛋白含量c，粗蛋白在堿液中的溶解率R表達式為：R=100×(M·C-m·c)/(M·C)。

1.3.5 數學模型

醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解率可以近似地看成一個數學函數求最優問題，其自變量為料液比、時間、溫度及pH，因變量為粗蛋白堿液中的溶解率，表達式為F=F(料液比、時間、溫度、pH)，故可將本研究轉化成F函數求最大值問題。

1.3.6 單純形最優條件搜索流程

依據單純形的設計原理，確定單純形的頂點、搜索步長、收斂及約束條件等。本文共確定4個因素，分別為料液比、時間、溫度及pH，為了充分消除各因素量綱的相互影響，以及因素取值范圍不同，在空間分布中數值較大因素易對數值較小因素產生影響的風險，采用Long表[18]法構造初始單純形，單純形尋優流程見圖1。

圖1 單純形法尋優流程圖Fig.1 The optimization flow chart with simplex search method

2 結果與分析

2.1 醬渣中游離蛋白及無機銨鹽去除效果驗證

本文采用差減法驗證醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解率，醬渣中如果本身攜帶游離的無機銨鹽、氨基酸及可溶性多肽等含氮化合物均影響試驗效果，因此為了更加科學地驗證粗蛋白在堿液中的溶解率，本文對醬渣執行清洗操作，第3次清洗效果見表1。氯化鈉含量已小于方法檢出限，同時銨鹽及全氮均未檢出(小于方法檢出限)，證明醬渣中無機銨鹽及游離氨基酸基本被清除完畢，可以采用差減法來驗證蛋白在堿液中的溶解率。

表1 醬渣第3次清洗液的理化指標Table 1 The physicochemical indicators about sauce residue after cleaning for the third time

2.2 單因素試驗

2.2.1 料液比的影響

在溫度50 ℃、pH 5.1、時間1 h、不同料液比(1∶20，1∶10，1∶5，3∶10，1∶2)的條件下，研究料液比對粗蛋白在堿液中溶解率的影響，結果見圖2。

圖2 料液比對蛋白質提取率的影響Fig.2 Effect of material-liquid ratio on extraction rate of protein

由圖2可知，隨著料液比的降低，粗蛋白在堿液中的溶解率升高，原因為水分比例的增加，水相中粗蛋白濃度降低，依據固液分配原理，固相中的蛋白開始向水相擴散致使粗蛋白在堿液中的溶解率增大。文獻[17-19]堿法提取大豆蛋白研究中指出：在一定范圍內水分比例的增加有利于蛋白得率的提高，但水分比例過度增加，蛋白得率降低，原因為水分比例增大，溶解在水相中的球蛋白絕對含量增加，而該種蛋白在酸性條件下并不沉淀富集，致使球蛋白溶解在提取液中但未收集到，導致蛋白質得率偏低，而本研究只考慮醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解率，未考慮粗蛋白的得率，故表現為水分比例的增加，粗蛋白在堿液中的溶解率升高。

2.2.2 溫度的影響

在料液比1∶10、pH 8.97、時間1 h、不同溫度(40，50，60，70，80 ℃)的條件下，研究溫度對粗蛋白在堿液中溶解率的影響，結果見圖3。

圖3 溫度對蛋白質提取率的影響Fig.3 Effect of temperture on extraction rate of protein

由圖3可知，溫度的高低對水相中粗蛋白的溶解性有較大的影響。隨著溫度的升高，蛋白質在堿液中的溶解率增大，當溫度升高到70 ℃后，蛋白質的提取率下降。其原因為溫度升高，提高蛋白質的溶解性，加速了蛋白質由固相到水相中的擴散，當達到蛋白質的變性溫度后，其空間結構開始遭到破壞，引起蛋白質粒子的聚集，降低了蛋白質的溶解性，蛋白質沉淀在固體層，從而降低了蛋白質在液相中的分配比例。文獻[9]指出：當溫度高于55 ℃時，蛋白質開始變性，溫度每升高10 ℃，蛋白質變性的速率增加600倍左右，而本文及文獻[9]中蛋白質提取最佳溫度均非蛋白質的變性溫度，分析其原因為溫度的升高可使溶出的蛋白變性，但同時也加速了固相中蛋白的溶出，故出現兩溫度不同步的現象。

2.2.3 時間的影響

在料液比1∶10、pH 10.34、溫度50 ℃、不同提取時間(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 h)的條件下，研究時間對粗蛋白在堿液中溶解率的影響，結果見圖4。

圖4 時間對蛋白質提取率的影響Fig.4 Effect of time on extraction rate of protein

由圖4可知，隨著提取時間的延長，醬渣蛋白質提取率逐漸增大，但增速降低。

2.2.4 pH的影響

在料液比1∶10、溫度50 ℃、時間1 h、不同pH(5.74，7.29，9.07，10.12，11.22)的條件下，研究pH對粗蛋白在堿液中溶解率的影響，結果見圖5。

圖5 pH對蛋白質提取率的影響Fig.5 Effect of pH on extraction rate of protein

由圖5可知，隨著pH的增大，粗蛋白在堿液中的溶解率升高，pH>7后效果更為明顯，其原因為蛋白質為兩性物質，在等電點處其溶解性最小，并且pH距離等電點越遠，其以離子形態存在的量就越多，在介質中的溶解性越好，因此隨著pH增大，粗蛋白在堿液中的溶解率越高。

2.3 初始單純形

本文確定初始單純形以及相關參數見表2，單純形具有收斂速度快，但對于多波峰的函數容易陷入局部最優，因此初始頂點設計時要參考經驗值，故本文初始頂點設計見表2。本文為實際生產應用，因素間數值相差較大，若各因素采用同步長進行搜索，步長過小會影響數值較大因素的收斂速度，而步長過大容易出現數值較小因素在最優點周圍擺動而不能達到最優點，因此為了消除數值本身的影響，本文根據每個因素的取值范圍設計一個搜索步長，并且利用Long系數表法設計初始頂點，經計算后初始單純形各定點參數見表3。

表2 單純形初始給定條件Table 2 The initial conditions about simplex

表3 初始單純形頂點分布Table 3 The initial simplex vertices distribution

2.4 單純形優化過程

本文非純粹數學運算，各因素的取值均應滿足實際需要，故本文確定各因素的取值范圍見表4。若尋優過程反射點滿足擴張運算，而擴張點某因素取值超出約束條件時，則認為擴張不成功，若反射點超出因素范圍時，取值應為因素的約束條件的臨界值，單純形動態尋優過程見表5。

表4 各因素的約束條件Table 4 The constraints of factors

表5 單純形動態尋優過程Table 5 The dynamic optimization process of simplex

2.4.1 因素效應分析

由表5中初始單純形，采用平均水平法進行效應分析，分析結果見表6。

表6 初始單純形因素水平效應分析Table 6 The analysis of factors and levels about the initial simplex

由表6的效應分析結果構造如下線性方程，由方程解可知對粗蛋白溶解率影響因素從大到小依次為料液比、pH、溫度及時間，其中料液比對粗蛋白溶解率呈負影響。

2.4.2 最佳工藝的確定

經過反射、擴張、收縮及壓縮運算共構造15次單純形，最優單純形頂點為16，18，21，25，27，其收斂系數為0.03，小于設定值0.04，滿足收斂條件，因此確定最優工藝參數為料液比0.05、時間78.9 min、溫度66.9 ℃、pH 11.67，粗蛋白在堿液中的最優溶解率為78%。同類研究中，文獻[5]指出料液(以干基計)比為0.033，pH為9.5，溫度為55 ℃，時間為4 h，蛋白提取率為55%；文獻[10]指出料液(以干基計)比為0.04，溫度為55 ℃，時間為81 min，蛋白質提取率為69.61%；文獻[19]指出料液比為0.1，pH為10.97，時間為52.7 min，溫度為54.3 ℃，蛋白質的提取率為74.03%。以上研究中對醬渣的處理方式不同，文獻[5]及文獻[10]均是以干基計算料液比，并且未進行脫鹽處理。文獻[19]與本文相同，均對醬渣進行脫鹽處理。由結果分析可知，本文與文獻[19]堿液對蛋白質的溶解率均高于文獻[5]及文獻[10]，推測為醬渣中無機鹽影響了蛋白在堿液中的分配比例。本文及文獻[19]對醬渣的處理方式類似，但兩者最終目的存在一定差異，文獻[19]為蛋白得率，本研究為蛋白在堿液中的溶解率，包括溶解在堿液中的蛋白及過度水解的氨基酸等，故兩者的提取率及最優參數均存在一定的差異。

3 結論

利用單純形法對醬渣中粗蛋白堿溶工藝參數進行了優化，有效地克服了常規試驗設計所要完成大批量的試驗才能尋找最優參數的缺點，在尋優過程中通過擴張、收縮及壓縮操作靈活地調整搜索步長及方向，可以有效地提高收斂速度，減少試驗次數。本文利用單純形搜索得到最優參數：料液比為0.05，時間為78.9 min，溫度為66.9 ℃，pH為11.67，此時粗蛋白在堿液中的最優溶解率為78%，同時通過因子的效應分析，確定醬渣中粗蛋白的溶解率受因素的影響程度從大到小依次為料液比、pH、溫度及時間。

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Optimization of Process of Crude Protein in Alkaline SolubleSauce Residue by Simplex Method

WU Guo-quan, ZHU Xin-gui*, LI Xue-wei

(Lee Kum Kee (Xinhui) Foods Co., Ltd., Jiangmen 529156, China)

Use simplex method to optimize the process of crude protein in alkaline soluble sauce residue. Take the dissolution rate of crude protein in alkaline liquor as the index; select the optimal parameters such as material-liquid ratio, time, temperature and pH. The results show that the optimal results can be searched with the simplex method, and the convergence conditions can be met. The optimal process parameters are as follows: material-liquid ratio is 0.05, time is 78.9 min, temperature is 66.9 ℃, pH is 11.67, and the dissolution rate of crude protein in alkaline sauce residue is 78%.

simplex；sauce residue；crude protein

2017-02-16 *通訊作者

廣東省科技計劃項目(2015A010107012)

吳國權(1982-)，男，工程師，碩士，主要從事調味品方面的研究。

TS201.21

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.08.023

1000-9973(2017)08-0106-05