亞麻籽仁飲料原漿制備條件篩選及優(yōu)化

吳峰黨 ，區(qū)錫敏 ，葉軍，王磊，婁華，黃桂東 *

1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院（佛山 528231）；2. 廣東省傳統(tǒng)發(fā)酵食品工程技術(shù)研究中心（佛山 528231）；3. 廣東省食品流通安全控制工程技術(shù)研究中心（佛山 528231）；4. 佛山市釀造工程技術(shù)研究中心（佛山 528231）；5. 佛山市農(nóng)業(yè)生物制造工程技術(shù)研究中心（佛山 528231）；6. 深圳市誠致生物開發(fā)有限公司（深圳 518107）；7. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院（佛山 528231）

亞麻籽仁富含亞麻酸、亞油酸、蛋白質(zhì)和膳食纖維等多種營養(yǎng)成分[1]，具有降血液膽固醇和血脂[2]、預(yù)防心腦血管疾病[3]、預(yù)防糖尿病[4]、增強(qiáng)免疫力等功能[5]。目前，國內(nèi)亞麻籽仁商業(yè)利用多以壓榨提取亞麻籽油為主，亞麻籽仁產(chǎn)品種類較為單一。研究表明，亞麻籽仁中含有豐富的蛋白質(zhì)，占亞麻籽仁干重的21.9%～31.6%，人體所需的18種氨基酸含量也高達(dá)5.16%，且氨基酸評分較高[6-7]，但其開發(fā)利用程度不高，特別是亞麻籽仁飲料開發(fā)方面的研究較為缺乏。鄭巖[8]和鄒寅等[9]分別對亞麻籽仁植物蛋白飲料制備工藝和亞麻籽粕多肽飲料的制備進(jìn)行了研究，初步設(shè)計(jì)了兩款飲料，但目前市場上尚未見亞麻籽仁蛋白飲料。鑒此，試驗(yàn)選用亞麻籽仁為原料，以亞麻籽仁蛋白提取率為指標(biāo)，研究不同打漿時間、打漿溫度、料液比、碳酸氫鈉浸泡用量、浸泡時間對亞麻籽仁飲料原漿制備的影響，并在此基礎(chǔ)上，通過Plackett- Burman設(shè)計(jì)篩選、Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化亞麻籽仁飲料原漿制備工藝，以期獲得較優(yōu)的亞麻籽仁飲料原漿工藝條件，為開發(fā)亞麻籽仁蛋白飲料提供工藝參考，對豐富我國植物蛋白產(chǎn)品種類、促進(jìn)亞麻籽深度開發(fā)利用具有一定指導(dǎo)借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料、儀器與設(shè)備

脫皮亞麻籽仁，深圳市某生物開發(fā)有限公司提供；硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、硼酸、甲基紅指示劑、溴甲酚綠指示劑、亞甲基藍(lán)指示劑、氫氧化鈉、95%乙醇，購自天津市大茂化學(xué)試劑廠。

SKD-800自動凱氏定氮儀，上海沛歐分析儀器有限公司；SKD-08S3上海沛歐紅外石英程序升溫消化爐，上海沛歐分析儀器有限公司；Allegra 64R高速離心機(jī)，美國貝克曼庫爾特有限公司；EPOCH2酶標(biāo)儀，美國伯騰儀器有限公司；DJ13B-D08EC豆?jié){機(jī)，九陽股份有限公司；ME2002分析天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；ME104精密天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.2 操作要點(diǎn)

1.2.1 工藝流程

脫皮亞麻籽仁→熱燙→浸泡→清洗→打漿→漿渣分離→亞麻籽仁飲料原漿→制備工藝優(yōu)化

1.2.2 脫皮亞麻籽仁成分檢測

檢測脫皮亞麻籽仁蛋白質(zhì)、脂肪等成分含量，為后續(xù)加工處理提供基礎(chǔ)條件。其中蛋白質(zhì)、脂肪、水分、氰化物含量采用GB 5009.5—2010，GB 5009.6—2016，GB 5009.3—2016和GB/T 5009.36—2016測定。

1.2.3 亞麻籽仁飲料原漿制備

選取100 g亞麻籽仁，用90～100℃熱水熱燙5 min，200 mL適度濃度小蘇打溶液浸泡一段時間，清洗，在一定水溫下依照適當(dāng)?shù)牧纤扔诙節(jié){機(jī)下打漿；200目濾網(wǎng)過濾，以1 300 r/min離心5 min，除去亞麻籽仁渣及少許殘留的殼，得亞麻籽仁原漿。

1.2.4 單因素試驗(yàn)

通過查閱文獻(xiàn)，篩選出打漿時間、浸泡時間、打漿溫度、小蘇打用量和料液比5個單因素，研究其對亞麻籽仁飲料原漿的影響。以亞麻籽仁蛋白提取率為指標(biāo)，對亞麻籽仁飲料原漿制作過程中打漿時間（15，20，25，30和35 min）、浸泡時間（20，30，40，50和60 min）、打漿溫度（40，50，60，70和80℃）、小蘇打用量占比（0.3%，0.4%，0.5%，0.6%和0.7%）、料液比（1∶7，1∶8，1∶9，1∶10和1∶11 g/mL）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，為后續(xù)篩選和優(yōu)化試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1.2.5 Plackett-Burman法篩選影響亞麻籽仁飲料原漿制備的關(guān)鍵工藝因素

根據(jù)對亞麻籽仁飲料原漿制備工藝的研究，選取試驗(yàn)次數(shù)N=12的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對打漿溫度（A）、打漿時間（B）、浸泡時間（D）、小蘇打用量（E）、料液比（G）5個因素進(jìn)行考察，同時設(shè)C、F兩列虛擬變量以考察試驗(yàn)誤差，每個單因素分別選取低、高水平，響應(yīng)值為蛋白提取率[10]，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

1.2.6 Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化亞麻籽仁原漿制備工藝條件

在Plackett-Burman試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對篩選出的3個影響顯著的關(guān)鍵因素水平，使用Design-Expert 8.0.6軟件建立數(shù)學(xué)模型，以打漿溫度（A）、打漿時間（B）、料液比（C）為自變量，蛋白提取率為因變量共設(shè)計(jì)17個處理組[11]，設(shè)計(jì)因素及水平見表2。

表1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平

2 結(jié)果與分析

2.1 脫皮亞麻籽仁成分檢測結(jié)果與分析

經(jīng)檢測，脫皮亞麻籽仁蛋白含量為21.6 g/100 g，其含量與杏仁（25～27 g/100 g）及花生（26～36 g/100 g）較接近[12-13]。亞麻籽仁中鉻含量為0.57 mg/kg，砷含量為0.018 mg/kg，鉛、總汞未檢出，遠(yuǎn)低于GB 5009.15—2014，GB 5009.11—2014，GB 5009.17—2014和GB 5009.12—2017規(guī)定的鉻、砷、汞和鉛在食品中的限量（鉻1 mg/kg；砷0.1～0.7 mg/kg；汞 0.01～0.05 mg/kg；鉛不超過1 mg/kg）。另外，氰化物未檢出，說明此次研究使用的亞麻籽仁可用于蛋白飲料制備。

表3 脫皮亞麻籽仁成分檢測結(jié)果

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

以亞麻籽仁蛋白提取率為指標(biāo)，對亞麻籽仁飲料原漿制作過程中打漿時間、浸泡時間、打漿溫度、小蘇打浸泡用量占比、料液比進(jìn)行單因素試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)打漿時間、浸泡時間、打漿溫度、小蘇打用量和料液比分別為25 min，40 min，60℃，0.5%和1∶10 g/mL時，蛋白提取率最高，且與其他水平提取率相比，呈顯著性差異（p＜0.05）。浸泡時間、打漿溫度、小蘇打用量和料液比對蛋白提取率的影響呈先上升后下降趨勢；而打漿時間對蛋白提取率的影響，25和30 min時，差異不顯著（p＞0.05），如圖1所示。因此，選取打漿時間25 min、浸泡時間40 min、打漿溫度60℃、小蘇打用量0.5%和料液比1∶10 g/mL用于Plackett-Buman篩選試驗(yàn)。

圖1 不同單因素對亞麻籽仁蛋白提取影響

2.3 Plackett-Burman法篩選影響亞麻籽仁飲料原漿制備工藝關(guān)鍵因素結(jié)果

為了從較多影響因素中，得到對蛋白提取率影響顯著的因素，試驗(yàn)采用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行篩選[14]，結(jié)果如表4和表5所示。結(jié)果表明，打漿時間對蛋白提取率影響最顯著（p＜0.01），其次為打漿溫度和料液比（p＜0.05），小蘇打用量和浸泡時間對蛋白提取率的影響未呈現(xiàn)出顯著差異。因此，選擇打漿時間、打漿溫度、料液比3個單因素進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化。

2.4 Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化亞麻籽仁飲料原漿制備工藝結(jié)果

Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)是工藝優(yōu)化常用方法，其通過對回歸方程分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，找到各因素的最佳組合和響應(yīng)最優(yōu)值[15]。試驗(yàn)在Plackett- Burman試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取磨漿時間、打漿溫度、料液比3個因素進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，以找到亞麻籽仁蛋白飲料原漿制備的最優(yōu)工藝條件，結(jié)果如表6和表7所示。用Design-Expert軟件對表6數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合和方差分析，得到各因素對響應(yīng)值的多元二次多項(xiàng)回歸模型：蛋白質(zhì)提取率=69.4+011A+2.79B-0.95C-0.33AB+0.90AC-2.5BC-0.26A2-4.41B2+0.27C2。

由表7可知，構(gòu)建模型顯著（p＜0.05），失擬項(xiàng)差異不顯著（p＞0.05），模型對優(yōu)化亞麻籽仁飲料原漿制備工藝有實(shí)際意義，其中R2=0.958 8，R2Adj=0.923 1，模型預(yù)測值與實(shí)測值擬合度良好，試驗(yàn)誤差小，能夠較好反映響應(yīng)值變化。其中，一次項(xiàng)B（打漿時間）對蛋白提取率影響最顯著（p＜0.01），其次為A（打漿溫度）和C（料液比）（p＜0.05），各一次項(xiàng)對飲料制備工藝的影響度依次為B＞A＞C；此外，二次項(xiàng)B2和交互項(xiàng)BC對蛋白提取率影響最顯著（p＜0.01），其余項(xiàng)對蛋白提取率影響不顯著（p＞0.05）。

表4 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

表5 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果方差分析

表6 Box-Behnken優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

表7 回歸方程模擬方差分析

2.4.1 響應(yīng)面結(jié)果分析

響應(yīng)面是響應(yīng)值對各因素所構(gòu)成的三維空間結(jié)構(gòu)，因素響應(yīng)值影響越大，曲面越陡峭，二等高線中形狀可以反映兩兩因素交互作用，橢圓表示兩因素交互顯著（p＜0.05），圓形則表示兩因素交互作用不顯著[16-20]。3個因素間交互作用對亞麻籽仁飲料原漿蛋白提取率的影響如圖2所示，BC響應(yīng)面曲線最陡，對蛋白提取率影響最顯著，AB、AC響應(yīng)面曲線趨于平緩，對蛋白提取率影響不顯著（p＞0.05），這與方差分析（表7）一致。

2.4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Design-Expet軟件中的回歸模擬分析，得到最優(yōu)的亞麻籽仁飲料原漿制作工藝：打漿溫度60℃、打漿時間26.2 min、料液比1∶9.7 g/mL。在此優(yōu)化條件下，亞麻籽仁飲料原漿蛋白提取量為1.53 g/100 mL，提取率為70.6%。為進(jìn)一步驗(yàn)證響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果的可靠性，且考慮到試驗(yàn)操作方便性，將得到的最佳工藝條件定為打漿溫度60℃、打漿時間26 min、料液比1∶10 g/mL。在此條件下重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果表明亞麻籽仁飲料原漿蛋白含量為1.53±0.07 g/100 mL，提取率為70.6%±0.35%，與預(yù)測值相近，說明模型準(zhǔn)確有效。

圖2 各因素交互作用對亞麻籽飲料蛋白質(zhì)提取率的影響等高線和響應(yīng)面

3 結(jié)論

試驗(yàn)基于對亞麻籽仁飲料原漿的研究，選取其蛋白提取率為指標(biāo)，通過Plackett-Burman篩選設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和Box-Behnken優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得出影響亞麻籽仁飲料原漿制備工藝關(guān)鍵因素，分別為打漿時間、打漿溫度和料液比，影響顯著程度依次是打漿時間＞打漿溫度＞料液比，并得出了最佳工藝條件：打漿溫度60℃、打漿時間26 min、料液比1∶10 g/mL。在此優(yōu)化條件下，制備的亞麻籽仁飲料原漿蛋白提取率較高，為70.6%± 0.35%其含量為1.53±0.07 g/100 mL。所得結(jié)果對亞麻籽植物蛋白飲料的研究與開發(fā)有一定科學(xué)意義，為亞麻籽蛋白資源的充分利用提供了較為有效的途徑。