U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化核桃蛋白質(zhì)溶解工藝及表面活性

程海濤，申獻(xiàn)雙

1. 衡水學(xué)院化工學(xué)院（衡水 053000）；2. 衡水學(xué)院美術(shù)學(xué)院（衡水 053000）

核桃蛋白是一種含有人體必需的8種氨基酸，經(jīng)濟(jì)價值、營養(yǎng)價值極高的植物蛋白。核桃植物蛋白的經(jīng)濟(jì)、營養(yǎng)價值需要將自身蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變轉(zhuǎn)化為有特定功能、人體必需的結(jié)構(gòu)，其中核桃蛋白水溶性的提高是其他應(yīng)用價值、功能體現(xiàn)的基礎(chǔ)[1]。

U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化是超聲波、機(jī)械研磨、固定石磨、撞擊-多孔板-噴射流水力空化復(fù)合強(qiáng)化核桃蛋白溶解工藝的簡稱，屬于物理作用改性方法，具有環(huán)境影響低、效率高、投入少等特點(diǎn)[2-4]。

蛋白結(jié)構(gòu)改性方法有酶解法、熱處理法、微波處理法[5-13]，但是研究U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化核桃蛋白質(zhì)溶解工藝，未見公開報道。

人體健康酸堿度為中性偏堿，因此研究此條件下核桃蛋白水溶性提升的方法具有及其重要的實際應(yīng)用價值。利用U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化核桃蛋白質(zhì)溶解工藝，在影響提取工藝的單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面試驗進(jìn)行進(jìn)一步工藝優(yōu)化，利用數(shù)學(xué)模型與實際驗證試驗確定最優(yōu)提取工藝。同時，根據(jù)U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化原理設(shè)計了U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計示意圖。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設(shè)備

氫氧化鈉（AR）、濃鹽酸（AR）：佛山市遠(yuǎn)東化學(xué)試劑有限公司；核桃（太行山黃金原料產(chǎn)區(qū)）；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）。

B-260-Ⅲ型恒溫水浴鍋（上海耀特儀器設(shè)備有限公司）；ZT-400型高速萬能粉碎機(jī)（永康市展帆工貿(mào)有限公司）；WT-B型電子天平（杭州市萬特衡器有限公司）；AR1140型離心機(jī)（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(jī)（北京博醫(yī)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(xué)品有限公司）；高剪切混合乳化頭（100LK型，溫州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)沙城科磊機(jī)械設(shè)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-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計示意圖

U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計示意圖，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，同時機(jī)械攪拌對整體溶液起到攪拌、分散的作用。

1.2.2 核桃蛋白預(yù)處理與溶解工藝優(yōu)化

將核桃剝皮，利用水浸泡脫去內(nèi)皮，在適當(dāng)溫度下烘干，經(jīng)5S壓榨技術(shù)進(jìn)行處理脫油，處理后充分烘干，再利用粉碎機(jī)粉碎成粒徑0.180 mm規(guī)格的核桃蛋白粉，備用。

將一定量核桃蛋白粉，用蒸餾水浸泡24 h，按照料液比10%，配制溶液，按照一定試驗條件進(jìn)行U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溶解，對強(qiáng)化溶液進(jìn)行過濾、離心，取清液測定蛋白質(zhì)含量，利用響應(yīng)面試驗，優(yōu)化U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溶解工藝，得到最優(yōu)工藝條件。

圖1 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計示意圖

1.2.3 表面活性性能測定方法

1) 核桃蛋白水溶液界面張力：利用全自動界面張力儀對核桃蛋白水溶液，進(jìn)行3次界面張力測定，按式（1）計算。

式中：σ為界面張力平均值；σ1為第1次界面張力測定值；σ2為第2次界面張力測定值；σ3為第3次界面張力測定值。

2) 乳化性能[14-15]：將100 mL核桃蛋白水溶液與100 mL花生油混合，利用高剪切混合乳化頭（100LK型）將油、核桃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(wěn)定性（ES）。

3) 起泡性能[16]：起泡性能包括起泡性、起泡穩(wěn)定性，分別用起泡層占總體積的百分比來表示。利用高剪切混合乳化頭（100LK型）高速攪拌，500 mL燒杯中的250 mL核桃蛋白水溶液，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(wěn)定性。

4) 潤濕性能[17-18]：利用核桃蛋白水溶液浸透一定測定標(biāo)準(zhǔn)物時間長短來衡量潤濕性，具體方法按照GB/T 11983—2008來進(jìn)行。

1.2.4 核桃水溶液樣品中蛋白含量測定方法與計算公式

核桃水溶液樣品中核桃蛋白含量測定[19]，利用GB/T 5009.5—2010中規(guī)定的凱氏定氮法進(jìn)行測定，按式（4）計算。

式中：Y為試樣中（100 g離心液）中蛋白質(zhì)含量，10-2g/100 g；V1為試液消耗硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積，mL；V2為試劑空白消耗硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)滴定液的濃度，mol/L；0.014 0為1.0 mL標(biāo)準(zhǔn)滴定液相當(dāng)?shù)牡?，g；m為試樣質(zhì)量，g）；F為氮換算為蛋白質(zhì)系數(shù)，6.25。

2 結(jié)果與分析

2.1 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化單因素試驗

2.1.1 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速對溶解度的影響

在U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度45 ℃，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間10 min，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力0.075 MPa，超聲功率300 W條件下，研究U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速變化對溶解度的影響。如圖2所示，復(fù)合強(qiáng)化研磨轉(zhuǎn)速越大，產(chǎn)生的機(jī)械剪切與碰撞作用越強(qiáng)，核桃蛋白大分子結(jié)構(gòu)遭到破壞而被降解，自身結(jié)構(gòu)中親水基團(tuán)暴露越多，溶解度越高；但是轉(zhuǎn)速過高瞬間產(chǎn)生過多熱量，會使核桃蛋白因溫度過高產(chǎn)生凝膠，降低溶解度。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近1 700 r/min時，溶解度最高。

圖2 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速對溶解度的影響

2.1.2 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度對溶解度的影響

在U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速1 700 r/min，U-M-FIOJ復(fù)合強(qiáng)化時間10 min，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力0.075 MPa，超聲功率300 W條件下，研究U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度變化對溶解度的影響。如圖3所示，隨溫度的逐步升高，溶解度逐漸升高，當(dāng)溫度接近55 ℃時，溶解度最高。溫度會使核桃蛋白降解的小分子動能增加，更多地被溶解，因此溶解度增大，但是溫度過高會使核桃蛋白產(chǎn)生凝膠變性。

圖3 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度對溶解度的影響

2.1.3 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間對溶解度的影響

在U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速1 700 r/min，U-MF-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度55 ℃，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力0.075 MPa，超聲功率300 W條件下，研究U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間變化對溶解度的影響。如圖4所示，溶解度的增加與復(fù)合強(qiáng)化時間呈正比，當(dāng)時間接近20 min時，溶解度出現(xiàn)極值。隨復(fù)合強(qiáng)化時間的增加，核桃蛋白分解機(jī)械降解程度增加，溶解度增加，但是隨著時間積累，熱量也會增加，為核桃蛋白變性帶來條件。

圖4 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間對溶解度的影響

2.1.4 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力對溶解度的影響

在U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速1 700 r/min，U-M-FIOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度55 ℃，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間20 min，超聲功率300 W條件下，研究U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力變化對溶解度的影響。如圖5所示，U-M-FIOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力的大小會影響IOJ水力空化效應(yīng)的高低，隨水力空化壓力增加影，溶解度逐步增加，當(dāng)壓力接近0.12 MPa時，溶解度最大；壓力繼續(xù)增加會產(chǎn)生超空化現(xiàn)象，溶解度不再繼續(xù)增加。

2.1.5 超聲功率對溶解度的影響

在U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速1 700 r/min，U-M-FIOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度55 ℃，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間20 min，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力0.12 MPa條件下，研究超聲功率變化對溶解度的影響。如圖6所示，超聲功率過高，會造成過多超聲空化能量，破壞核桃蛋白結(jié)構(gòu)。超聲功率在300～400 W范圍內(nèi)，超聲功率增加，溶解度隨之逐步提高；當(dāng)功率為400 W時，溶解度最大；超聲功率繼續(xù)增加，核桃蛋白因超聲空化產(chǎn)生的熱量，使其產(chǎn)生凝膠，溶解度有所下降。

圖5 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力對溶解度的影響

2.2 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化核桃蛋白溶解工藝響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面試驗

通過2.1中單因素試驗結(jié)論確定，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力0.12 MPa，超聲功率為400 W。以此為基礎(chǔ)，選取花生蛋白溶解度為響應(yīng)值Y，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速（X1）、U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度（X2）、U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間（X3）為影響因素，響應(yīng)面試驗方案以Box-Behnken原理為基礎(chǔ)進(jìn)行三因素三水平試驗設(shè)計，響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)的處理與分析通過SAS完成，利用數(shù)學(xué)模型與實際驗證試驗確定最優(yōu)提取工藝。響應(yīng)面優(yōu)化三因素三水平數(shù)據(jù)見表1。

表1 響應(yīng)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(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與處理，得到影響因素與溶解度之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系回歸方程，以及對回歸方程有效性、準(zhǔn)確性分析，結(jié)果如表2和表3所示。

通過擬合回歸處理數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)模型：

軟件SAS對影響因素與試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明影響因素和得率（Y）間的回歸方程的p值與R2值有如下關(guān)系：p＜0.002 8＜0.05，R2=99.84%。表明經(jīng)SAS擬合得到的三元二次回歸函數(shù)方程預(yù)測的溶解度值精準(zhǔn)度為99.84%。

同時回歸數(shù)據(jù)分析表明失擬項p值有如下關(guān)系：p=0.077 0＞0.05，表明預(yù)測的三元二次回歸函數(shù)方程能夠真實反映實際影響因素的互相影響規(guī)律。

表2 響應(yīng)面試驗方案及試驗結(jié)果

表3 回歸分析結(jié)果

2.2.3 三元二次回歸函數(shù)方程極值計算與工藝驗證試驗

三元二次回歸函數(shù)方程進(jìn)行求解，極大值計算結(jié)果：X1=1 600；X2=46；X3=18；Y=87.99。U-M-I即協(xié)同強(qiáng)化最佳工藝為U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力0.12 MPa，超聲功率400 W，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速1 600 r/min，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度46 ℃，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間18 min。

依據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)工藝影響因素水平值，進(jìn)行3次實際提取試驗，測定其溶解度，結(jié)果顯示：Y1=88.01；Y2=88.02；Y3=88.03；=88.02。實際驗證試驗結(jié)果與三元二次回歸函數(shù)方程最大計算值相比相差甚微，三元二次回歸函數(shù)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(jié)論

以單因素試驗為基礎(chǔ)，經(jīng)響應(yīng)面試驗?zāi)Ｐ蛢?yōu)化與實際試驗驗證，優(yōu)化工藝條件為U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力0.12 MPa，超聲功率400 W，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速1 600 r/min，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度46 ℃，U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時間18 min。在此優(yōu)化條件下，溶解度為88.04（10-2g/100 g）。實際3次平行驗證試驗結(jié)果表明，響應(yīng)面優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)模型相對誤差十分微小，模型高效可用。