超微粉碎萃取技術(shù)與濕法粉碎萃取技術(shù)在棉籽蛋白加工中的應(yīng)用探索

朱丹丹，田令善，張亞輝，韓文杰，王如南

(1.晨光生物科技集團(tuán)股份有限公司，河北 邯鄲 057250； 2.邯鄲市棉籽綜合開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 057250)

我國(guó)是世界主要的產(chǎn)棉大國(guó)，產(chǎn)量位居世界第一[1]，年產(chǎn)棉籽1 100萬(wàn)～1 400萬(wàn)t，其中900萬(wàn)～1 000萬(wàn)t棉籽進(jìn)入到棉籽蛋白加工領(lǐng)域[2]。棉籽蛋白加工是棉籽變廢為寶、實(shí)現(xiàn)高附加值的重要環(huán)節(jié)。目前棉籽蛋白加工主要包括棉籽的脫脂和脫酚2個(gè)環(huán)節(jié)[3]。

本文分別采用超微粉碎萃取技術(shù)和濕法粉碎萃取技術(shù)對(duì)棉籽蛋白進(jìn)行提取，通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)研究?jī)煞N萃取技術(shù)工藝參數(shù)，為兩種技術(shù)在其他油料加工中的運(yùn)用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

棉籽仁(晨光生物科技集團(tuán)股份有限公司提供)，正己烷，甲醇，甲醇-乙醇(2∶1)。

多功能粉碎機(jī)，膠體磨，液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，UV1101紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，恒溫振蕩水浴鍋，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，循環(huán)水式真空泵，凱氏定氮儀等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 棉籽蛋白的超微粉碎萃取

常溫下，采用多功能粉碎機(jī)將棉籽仁粉碎至120～250 μm，按照料液比1∶3添加正己烷，混合混泡一定時(shí)間后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)幾次后，得脫脂棉粕。將脫脂棉粕按照一定料液比分別與甲醇、甲醇-乙醇(2∶1)混合，浸泡一定時(shí)間后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)提取，沉淀自然晾干，得棉籽蛋白，測(cè)定殘油量、棉酚含量。

1.2.2 棉籽蛋白的濕法粉碎萃取

常溫下，將棉籽仁與正己烷按照不同料液比混合，采用膠體磨粉碎一定時(shí)間，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)幾次。分離得到棉粕按照一定料液比與甲醇-乙醇(2∶1)混合一定時(shí)間后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)提取，沉淀自然晾干，得棉籽蛋白，測(cè)定殘油量、棉酚含量。

1.2.3 殘油量及棉酚含量測(cè)定

殘油量的測(cè)定參照GB/T 14488.1—2008 進(jìn)行，棉酚含量測(cè)定參照GB/T 13086—1991進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 棉籽蛋白的超微粉碎萃取工藝

2.1.1 料液比對(duì)萃取的影響

常溫下，將棉籽仁粉碎至120～250 μm，按照料液比1∶3添加正己烷，混合10 min后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)4次。分離得到脫脂棉粕，按照料液比1∶5、1∶3、1∶1與甲醇-乙醇(2∶1)混合10 min后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)提取3次，沉淀自然晾干，測(cè)定殘油量、棉酚含量。結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

由圖1、圖2可以看出，在總處理時(shí)間一定的條件下，隨著料液比增加，即萃取溶劑量的減少，棉籽蛋白殘油量逐漸增加，棉酚含量先降低后升高。料液比為1∶3時(shí)棉籽蛋白棉酚含量最低。因此，后續(xù)試驗(yàn)暫定料液比為1∶3。

圖1 料液比對(duì)殘油量的影響

圖2 料液比對(duì)棉酚含量的影響

2.1.2 萃取溶劑種類對(duì)萃取的影響

常溫下，將棉籽仁粉碎至120～250 μm，按照料液比1∶3添加正己烷，混合10 min后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)4次。將脫脂棉粕按照料液比1∶3分別與甲醇、甲醇-乙醇(2∶1)混合10 min后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)提取3次，沉淀自然晾干，測(cè)定棉酚含量。結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 萃取溶劑種類對(duì)棉酚含量的影響

由圖3可以看出，相同萃取條件下，使用甲醇-乙醇混合溶劑萃取后得到的棉籽蛋白棉酚含量相對(duì)較低。后續(xù)試驗(yàn)選定萃取脫酚溶劑為甲醇-乙醇(2∶1)。

2.1.3 物料粒度對(duì)萃取的影響

常溫下，將棉籽仁粉碎至一定粒度，分別按照料液比1∶3添加正己烷，混合1 h后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)2次。分離得到的脫脂棉粕按照料液比1∶3與甲醇-乙醇(2∶1)混合1 h后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)提取2次，沉淀自然晾干，測(cè)定殘油量、棉酚含量。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 物料粒度對(duì)萃取的影響

由表1可看出，一定范圍內(nèi)，隨著物料粒度的減小，萃取后棉籽蛋白殘油量、棉酚含量明顯下降。物料粒度降低至250 μm以下，物料粒度對(duì)萃取后棉籽蛋白殘油量、棉酚含量基本無(wú)影響。這是因?yàn)槲锪项w粒粒徑縮小導(dǎo)致物料表面積和孔隙率大幅度的增加，物料與萃取溶劑接觸面積增加，交換速率增加，物料中殘油量及棉酚含量降低；但粒度越大，物料粘連性增大，溶劑滲透性較差，導(dǎo)致油脂及棉酚不易溶出造成殘油量及棉酚含量增大[4]。故選定后續(xù)試驗(yàn)物料粒度為120～180 μm。

2.1.4 萃取時(shí)間及萃取次數(shù)對(duì)萃取的影響

常溫下，將棉籽仁粉碎至120～180 μm，分別按照料液比1∶3添加正己烷，分別混合5、10 min后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)萃取。分離得到脫脂棉粕按照料液比1∶3與甲醇-乙醇(2∶1)混合，分別混合5、10 min后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)萃取，沉淀自然晾干，測(cè)定殘油量、棉酚含量。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 萃取時(shí)間及萃取次數(shù)對(duì)萃取的影響

由表2可以看出，棉粕殘油量、棉酚含量明顯隨物料萃取次數(shù)增加而降低。其中單次萃取時(shí)間為5 min時(shí)正己烷萃取4次，甲醇-乙醇(2∶1)萃取3次時(shí)，物料殘油量、棉酚含量相對(duì)較低，萃取時(shí)間較短，溶劑量消耗較少。同時(shí)可看出，在物料與溶劑達(dá)到萃取平衡前，萃取時(shí)間越長(zhǎng)，物料與溶劑接觸反應(yīng)越充分，利于油脂、棉酚的萃取；同時(shí)溶劑萃取達(dá)到平衡后，延長(zhǎng)單次萃取時(shí)間對(duì)萃取效果基本無(wú)影響。

綜上，得到棉籽蛋白超微粉碎萃取較佳條件為：物料粒度120～180 μm，單次萃取時(shí)間5 min，正己烷萃取4次，甲醇-乙醇(2∶1)萃取3次，總有效萃取時(shí)間35 min。得到殘油量為0.29%、棉酚含量為648 mg/kg的棉籽蛋白。

2.2 棉籽蛋白濕法粉碎萃取

2.2.1 粉碎時(shí)間對(duì)萃取的影響

常溫下，將棉籽仁與正己烷按照料液比1∶3混合粉碎一定時(shí)間，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)。分離得到棉粕自然晾干，測(cè)定物料粒度、殘油量。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 粉碎時(shí)間對(duì)棉籽仁濕法超微粉碎萃取的影響

注：表中30%、45%、60%、80%指的是粒度低于150 μm物料占比。

由表3可以看出，隨著粒度低于150 μm物料占比的提高，濕法粉碎相同時(shí)間后殘油量逐漸降低；隨著單次濕法粉碎時(shí)間的延長(zhǎng)，萃取后殘油量出現(xiàn)先降低后趨于平緩。

濕法粉碎萃取過(guò)程物料粒度低于150 μm占比80%時(shí)，物料達(dá)到萃取平衡時(shí)間為1 min。考慮到粉碎次數(shù)影響，選擇0.5 min進(jìn)行單次萃取。

濕法粉碎過(guò)程中物料與溶劑短時(shí)間劇烈混合，可縮短物料達(dá)到萃取平衡時(shí)間；物料粒度降低同樣明顯縮短萃取時(shí)間。

2.2.2 濕法粉碎次數(shù)對(duì)萃取的影響

常溫下，將棉籽仁與正己烷按照料液比1∶3進(jìn)行混合粉碎0.5 min，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)萃取。分離得到的脫脂棉粕按照料液比1∶3與甲醇-乙醇(2∶1)混合0.5 min后，進(jìn)行離心分離(4 000 r/min、5 min)，重復(fù)萃取3次，后取出自然晾干，測(cè)定物料粒度、殘油量、棉酚含量。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 濕法粉碎次數(shù)對(duì)萃取的影響

由表4可以看出，物料經(jīng)過(guò)與正己烷濕法粉碎萃取5次后棉籽蛋白殘油量可降低至1%以下，甲醇-乙醇混合溶劑(2∶1)萃取3次后棉籽蛋白中棉酚含量降低至1 841 mg/kg。

隨著粉碎次數(shù)的增加，物料粒度也相應(yīng)降低，萃取效果增強(qiáng)較明顯；多級(jí)粉碎對(duì)比一級(jí)粉碎節(jié)約能耗較明顯。

故棉籽仁濕法粉碎萃取較佳工藝確定為：棉籽仁與正己烷濕法多級(jí)粉碎5次，甲醇-乙醇混合溶劑(2∶1)萃取3次，總有效萃取時(shí)間4 min。得到殘油量為0.9%、棉酚含量為1 841 mg/kg的棉籽蛋白。

3 結(jié) 論

對(duì)超微粉碎萃取及濕法粉碎萃取棉籽中蛋白工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到棉籽蛋白超微粉碎萃取條件為：物料粒度120～180 μm，單次萃取時(shí)間5 min，正己烷萃取4次，甲醇-乙醇(2∶1)萃取3次，總有效萃取時(shí)間35 min。得到殘油量為0.29%、棉酚含量為648 mg/kg的棉籽蛋白。棉籽蛋白濕法粉碎萃取條件為：棉籽仁與正己烷濕法多級(jí)粉碎5次，甲醇-乙醇混合溶劑(2∶1)萃取3次，單次萃取時(shí)間0.5 min，總有效萃取時(shí)間4 min。得到殘油量為0.9%、棉酚含量為1 841 mg/kg的棉籽蛋白。