U-M-I協同強化花生蛋白質溶解工藝及表面活性

程海濤，申獻雙

1. 衡水學院化工學院（衡水 053000）；2. 衡水學院美術學院（衡水 053000）

花生蛋白成分中缺少膽固醇，一般認為有利于人身體健康。同時，其具有和動物蛋白一致的營養功能作用，其中蛋白質占據總成分的25%～35%，是重要的植物蛋白提供原料，具有11%蛋白質市場占有率[1-3]。

花生最重要的利用途徑是食用油脂的提取，但是花生榨油后產生大量花生蛋白廢棄物，主要作為飼料的主要添加成分，資源利用附加值低，主要原因在于花生蛋白的溶解性相對較小，影響其在食品、醫藥等另一利用途徑的拓展。

花生蛋白質水溶性是影響本身乳化性能、起泡性能、潤濕性能的根源，因此蛋白質水溶性高低成為其應用制約因素，創新提升花生蛋白溶解特性的路徑在花生蛋白價值與應用提高方面具有重要理論與實際應用價值。

U-M-I協同強化是超聲波、機械研磨、撞擊-噴射流水力空化協同提取工藝的簡稱，屬于物理作用改性方法，具有環境影響低、效率高、投入少等特點。超聲波是頻率高于2×10-4Hz聲波的總稱，具有聲波能量集中、易反射、方向集中的特點。超聲波在溶液傳播過程中，引起局部高壓、高溫產生空化作用與機械作用，可破壞花生蛋白結構中分子間作用力、肽鍵、蛋白質殘基結構，提高水溶性等功能[4]。機械研磨是利用研磨材料之間高速旋轉、碰撞、擠壓過程中產生的作用力破壞花生蛋白組織結構，促使其含有親水基團暴露，提高其水溶性[5]。撞擊-噴射流水力空化是利用流體撞擊與流速變化，在液體內部形成壓差，產生空化作用，加花生蛋白結構改變，提升水溶性[6]。

花生蛋白結構改性方法有熱處理法、微波處理法[3,7-14]，但是研究U-M-I協同強化花生蛋白質溶解工藝，還鮮見公開報道。

人體健康酸堿度為中性偏堿，因此研究此條件下花生蛋白水溶性提升的方法具有重要應用價值。利用U-M-I協同強化花生蛋白質溶解工藝，在進行影響提取工藝影響因素單因素試驗基礎上，利用響應面試驗進行進一步工藝優化，利用數學模型與實際驗證試驗確定最優提取工藝。同時，根據U-M-I協同原理設計U-M-I協同強化設備設計示意圖。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設備

氫氧化鈉、濃鹽酸（均為AR，佛山市遠東化學試劑有限公司）；花生蛋白（5S壓榨技術）、花生油（深州魯花濃香花生油有限公司）；具塞量筒（AS級，250 mL，上海安普實驗科技股份有限公司）。

恒溫水浴鍋（B-260-Ⅲ型，上海耀特儀器設備有限公司）；高速萬能粉碎機（ZT-400型，永康市展帆工貿有限公司）；電子天平（WT-B型，杭州市萬特衡器有限公司）；離心機（AR1140型，綜儀生物有限公司）；全自動界面張力儀（DT-102A型，山東省淄博華坤電子儀器有限公司）；冷凍干燥機（北京博醫康實驗儀器有限公司）；自動三重純水蒸餾器（SZ-3型，深圳市三利化學品有限公司）；高剪切混合乳化頭（100LK型，溫州經濟技術開發區沙城科磊機械設備廠）；不銹鋼分樣篩（浙江上虞市道城張興紗篩廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 U-M-I協同強化設備設計示意圖

U-M-I協同提取設備設計示意圖，主要結構由超聲波發生器、射流-撞擊流水力空化裝置、機械研磨設備組成，同時機械攪拌對整體溶液起到攪拌、分散的作用。

1.2.2 花生蛋白預處理與溶解工藝優化

將經5S壓榨技術處理過的花生，利用粉碎機粉碎成粒度0.15 mm花生蛋白粉，備用。

將一定量花生蛋白粉，用蒸餾水浸泡24 h，按照液料比10%配制溶液，按照一定試驗條件進行U-M-I協同強化溶解，對強化溶液進行過濾、離心，取清液測定蛋白質含量，利用響應面試驗，優化U-M-I協同強化溶解工藝，得到最優工藝條件。

圖1 U-M-I協同強化設備設計示意圖

1.2.3 表面活性性能測定方法

1.2.3.1 花生蛋白水溶液界面張力

利用全自動界面張力儀（DT-102A型）對花生蛋白水溶液，進行3次界面張力測定，按式（1）進行計算。

1.2.3.2 乳化性能[15-16]

將100 mL花生蛋白水溶液與100 mL花生油混合，利用高剪切混合乳化頭（100LK型）將油、花生蛋白水溶液混合物充分乳化，利用具塞量筒測定乳化層、溶液體積（mL），按式（2）和（3）計算乳化性（EI）與乳化穩定性（ES）。

1.2.3.3 起泡性能[17]

起泡性能包括起泡性、起泡穩定性，分別用起泡層占總體積的百分比來表示，具體方法為：利用高剪切混合乳化頭（100LK型）高速攪拌，500 mL高精確度燒杯中250 mL花生蛋白水溶液，記錄泡沫體積與總體積，在一定溫度下放置5 min，再次記錄泡沫體積與總體積，分別計算起泡性、起泡穩定性。

1.2.3.4 潤濕性能[18-19]

利用花生蛋白水溶液浸透一定測定標準物時間長短來衡量潤濕性，具體方法按照GB/T 11983—2008進行。

1.2.4 花生水溶液樣品中溶解度測定

花生水溶液樣品中花生蛋白含量（溶解度）測定利用GB/T 5009.5—2010中規定的凱氏定氮機理進行[20]，具體計算方法如式（4）所示。

式中：Y為試樣（100 g離心液）中蛋白質含量，即溶解度，10-2g/100 g；V1為試液消耗硫酸或鹽酸標液滴定液的體積，mL；V2為試液空白消耗硫酸或鹽酸標液滴定液的體積，mL；V3為吸取消化液體積，mL；c為硫酸或鹽酸標液濃度，mol/L；0.014 0為1.0 mL標準滴定液相當的氮含量，g；m為試樣質量，g；F為氮換算為蛋白質系數，花生為5.46。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 U-M-I協同強化時間對溶解的影響

在確定U-M-I協同強化溫度50 ℃、U-M-I協同強化轉速2 000 r/min、U-M-I協同強化壓力0.075 MPa、超聲功率300 W的條件下，探究U-M-I協同強化時間影響花生蛋白溶解度的規律。U-M-I協同強化時間的影響在于，超聲、撞擊-噴射流水力空化作用與機械研磨外力在量上積累，時間越長能夠破壞花生蛋白的結構越充分，但是同時空化與機械剪切碰撞同樣會加速花生蛋白一些列化學反應，會引起溶解度的降低。變化規律如圖2所示。溶解度隨U-M-I協同強化時間增加而逐步增大，在15 min時得率出現最大值，隨后出現降低趨勢。

圖2 U-M-I協同強化時間對溶解度的影響

2.1.2 U-M-I協同強化溫度對得率的影響

在確定U-M-I協同強化時間15 min、U-M-I協同強化轉速2 000 r/min、U-M-I協同強化壓力0.075 MPa、超聲功率300 W的條件下，探究U-M-I協同強化溫度影響花生蛋白溶解度的規律。溶解度隨協同強化溫度變化的規律如圖3所示。溫度是影響花生蛋白溶解度的重要因素，本質在于溫度會加花生蛋白分子的動能，加速其溶解于水溶液。同時升溫會降低超聲、撞擊-噴射流水力空化作用，使溶解度降低。得率在溫度50～60 ℃條件下，穩步提升，60 ℃出現最大值，溫度繼續增加得率逐步下降。

圖3 U-M-I協同強化溫度對溶解度的影響

2.1.3 U-M-I協同強化轉速對得率的影響

在確定U-M-I協同強化時間15 min、U-M-I協同強化溫度60 ℃、U-M-I協同強化壓力0.075 MPa、超聲功率300 W的條件下，探究U-M-I協同強化轉速影響花生蛋白溶解度的規律，結論如圖4所示。U-M-I協同強化轉速對溶解度的影響，在于機械剪切力等機械力隨研磨速度增加而增大，從而增加束縛花生蛋白親水性基團暴露更多的結構而被破壞，溶解度提高。U-M-I協同強化轉速2 500 r/min時溶解度最大。同時，過高U-M-I協同強化轉速產生的熱能與動能會引起花生蛋白分子凝聚，降低溶解度。

圖4 U-M-I協同強化轉速對溶解度的影響

2.1.4 U-M-I協同強化壓力對得率的影響

在確定U-M-I協同強化時間15 min、U-M-I協同強化溫度60 ℃、U-M-I協同強化轉速2 500 r/min，超聲功率300 W的條件下，探究U-M-I協同強化壓力影響花生蛋白溶解度的規律，變化規律如圖5所示。溶解度隨著U-M-I協同提取壓力的增加而增大，壓力0.12 MPa時溶解度最大，繼續增大溶解不再有明顯提升，壓力過高會出現超空化現象，降低空化效率。

2.1.5 超聲功率對得率的影響

在確定U-M-I協同強化時間15 min、U-M-I協同強化溫度60 ℃、U-M-I協同強化轉速2 500 r/min，U-M-I協同強化壓力0.12 MPa的條件下，探究超聲波功率影響花生蛋白溶解度的規律，變化規律如圖6所示。超聲功率在300～400 W范圍內，超聲功率增加，溶解度隨之逐步提高，功率400 W時溶解度最大，超聲功率繼續增加，溶解度有所下降。超聲功率過高，造成過多超聲空化能量破壞花生蛋白結構。

圖5 U-M-I協同強化壓力對溶解度的影響

圖6 超聲功率對溶解度的影響

2.2 U-M-I協同強化花生蛋白溶解工藝響應面優化

2.2.1 響應面試驗

通過單因素試驗結果確定：超聲功率400 W，U-M-I協同強化壓力0.12 MPa。在此基礎上，選取花生蛋白溶解度為響應值Y，U-M-I協同強化溫度（X1）、U-M-I協同強化時間（X2）、U-M-I協同強化轉速（X3）為影響因素，響應面試驗方案以Box-Behnken原理為基礎進行三因素三水平試驗設計，響應面試驗數據的處理與分析通過SAS完成，利用數學模型與實際驗證試驗確定最優提取工藝。響應面優化三因素三水平數據，見表1。

表1 響應面因素和水平

2.2.2 回歸方程的確定

通過SAS軟件對試驗得到的試驗數據進行綜合分析與處理，得到影響因素與原花青素得率之間的數學函數關系回歸方程，以及對回歸方程有效性、準確性分析，結論如表2和表3所示。

通過擬合回歸處理數據得到擬合函數模型：Y=75.57-0.132 5X1-0.076 25X2-0.088 75X3-1.202 5+0.45

軟件SAS對影響因素與試驗結論回歸分析數據，表明影響因素和得率（Y）間的回歸方程的p值與R2值關系為p＜0.003 3＜0.05，R2＜0.05，R2=99.74%。

關系式表明經SAS擬合得到的三元二次回歸函數方程（1）預測的溶解度值精準度為99.74%。

同時回歸數據分析表明失擬項p值關系為p=0.096 5＞0.05。

關系式表明預測三元二次回歸函數方程能夠真實反映實際影響因素的互相影響規律。

表2 響應面試驗方案及試驗結果

2.2.3 三元二次回歸函數方程極值計算與工藝驗證試驗

對三元二次回歸函數方程進行求解，極大值計算結果為X1=57，X2=14，X3=2 300；Y=76.23。

綜合三元二次回歸函數方程求解及單因素試驗結論，U-M-I協同強化最佳工藝為超聲功率400 W、U-M-I協同強化壓力0.12 MPa、U-M-I協同強化溫度57 ℃、U-M-I協同強化時間14 min、U-M-I協同強化轉速2 300 r/min。

依據優化得到的最優工藝影響因素水平值，進行3次實際提取試驗，測定其溶解度，結果為Y1=76.23，Y2=76.24，Y3=76.25；Y=76.24。

實際驗證試驗結果與三元二次回歸函數方程最大計算值相比相差甚微，三元二次回歸函數方程高度可信。

2.2.4 花生蛋白水溶液表面活性測定（見表4）

表4 花生蛋白水溶液表面活性性能對比

3 結論

以單因素試驗為基礎經響應面試驗模型優化與實際試驗驗證，優化工藝條件為：超聲功率為400 W、U-M-I協同強化壓力0.12 MPa、U-M-I協同強化溫度57℃、U-M-I協同強化時間14 min、U-M-I協同強化轉速2 300 r/min。在此優化條件下溶解度為76.24×10-2g/100 g，實際3次平行驗證試驗結果表明，響應面優化得到的數學模型相對誤差僅0.01%，模型高效可用。