陳春旭, 孟閔節(jié), 張 齊, 楊劍婷, 高紅梅,杜傳來(lái), 郭元新, 李先保*
(1.安徽科技學(xué)院 食品工程學(xué)院,安徽 鳳陽(yáng) 233100;2.江蘇科技大學(xué) 糧食學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212004)
隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,人們對(duì)食品安全問(wèn)題日益重視。食品清洗是保證食品安全的重要一環(huán)。食品行業(yè)內(nèi)的清洗,主要是遵循相關(guān)程序與標(biāo)準(zhǔn),對(duì)肉眼可見的食品污垢,以清水、清洗劑為清洗載體,進(jìn)行徹底清洗的過(guò)程[1]。清洗劑和清洗工藝對(duì)清洗效果的影響占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)清洗技術(shù)主要利用酸堿或酸堿復(fù)合清洗劑,如小蘇打、氫氧化鈉、硝酸等,而在現(xiàn)代清洗技術(shù)中,微量、高效、安全的含酶清潔劑正在逐步取代傳統(tǒng)清潔劑[2]。常見的食品工業(yè),如在焙烤加工、淀粉產(chǎn)業(yè)、飲料產(chǎn)業(yè)、糖類制品工業(yè)中,淀粉類污垢占有很大的比例。雖然傳統(tǒng)清洗工藝使用堿性清洗劑,可以將淀粉部分清除,但是對(duì)于淀粉變性后的污垢及當(dāng)其含有油漬等其他污垢時(shí)清洗效果不理想。因此,利用溫和無(wú)腐蝕的含酶清潔劑,不僅對(duì)于淀粉類的污垢有更強(qiáng)的針對(duì)性,而且對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備有一定的保護(hù)性[3-4]。
α-1,4-D-葡萄糖-葡萄糖苷水解酶(α-淀粉酶)是普遍分布在動(dòng)物、植物和微生物中的一種重要的淀粉水解酶[5]。其廣泛用于各類清潔劑中,幾乎90%以上的液體清潔劑中都含有α-淀粉酶[6]。商品化的洗滌劑所用的α-淀粉酶來(lái)自于芽孢菌屬的微生物,能切斷連接淀粉多糖中的α-1,4鍵產(chǎn)生水溶性的葡萄糖從而去除含淀粉的污垢。此外,α-淀粉酶與大多數(shù)洗滌劑成分包括各類表面活性劑、洗滌劑助劑及其他酶制劑兼容,在粉狀及液體洗滌劑中都具有較好的穩(wěn)定性。同時(shí)研究還表明,α-淀粉酶與蛋白酶協(xié)同作用可以防止因淀粉污垢導(dǎo)致的再沉積[7]。
表面活性劑作為功能性精細(xì)化工產(chǎn)品[8],可產(chǎn)生潤(rùn)濕、乳化、增溶及發(fā)泡等清洗效果,不但能夠降低水的表面張力,改善水對(duì)洗滌物表面的潤(rùn)濕性,還可以增強(qiáng)污垢的分散和懸浮能力[9-10]。其中,非離子表面活性劑表面活性較高,水溶液的表面張力低,臨界膠束濃度低,膠束聚集數(shù)大,增溶作用強(qiáng)。例如,椰子油二乙醇酰胺不但具有使水溶液變稠的特性,而且對(duì)大多數(shù)類別的油脂都有很強(qiáng)的脫脂力,還可與離子型表面活性劑復(fù)配從而具有良好的增效性。而陽(yáng)離子表面活性劑主要是含氮的有機(jī)胺衍生物,具有良好的殺菌,在水中電離后其表面活性基團(tuán)帶有正電荷,例如十二烷基二甲基芐基氯化銨對(duì)通常帶負(fù)電荷的物品有很強(qiáng)的吸附力,從而具有消毒殺菌的作用[11-12]。
基于此,本實(shí)驗(yàn)擬以椰子油二乙醇酰胺和苯扎氯銨兩種表面活性劑為原料進(jìn)行復(fù)配,添加α-淀粉酶,通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)分析優(yōu)化得到淀粉污垢清洗的最佳工藝參數(shù),為食品加工行業(yè)淀粉類污垢的清洗工藝的發(fā)展提供進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
不銹鋼鐵片購(gòu)于思普家儀器有限公司;黃油、植物油均為市售;可溶性淀粉購(gòu)于天津致遠(yuǎn)化學(xué)品試劑有限公司;α-淀粉酶(>50 U/mg)購(gòu)于北京鑫達(dá)食品添加劑有限公司;無(wú)水檸檬酸(>99.5%)購(gòu)于上海中試化工總公司;苯扎氯銨,椰子油二乙醇酰胺購(gòu)于麥克林試劑有限公司。
101-3-5電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精密試驗(yàn)設(shè)備有限公司);FA2004B電子天平(上海精密科技儀器有限公司);JTMX-HH-S24 型電熱恒溫水浴鍋(北京中西泰安技術(shù)服務(wù)有限公司);SHB-III循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司);JSM-6700F掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)。
1.3.1 人工淀粉污片的制備 稱量5 g可溶性淀粉,2.5 g黃油,2.5 g植物油,混合于磁力攪拌器中攪拌10 min即為淀粉污垢,稱取1 g淀粉污垢涂抹于3 cm×3 cm的不銹鋼鐵片上,95 ℃恒溫干燥12 h,取出即為淀粉污片[11-13]。
1.3.2 淀粉轉(zhuǎn)化率測(cè)定 根據(jù)GB/T5009.7-2008,以亞甲基藍(lán)作為指示劑,采用滴定法測(cè)定還原糖含量,根據(jù)還原糖含量轉(zhuǎn)化計(jì)算出淀粉轉(zhuǎn)化率。
1.3.3 去污率計(jì)算 取1片淀粉污片,稱量質(zhì)量,按操作要求清洗,清洗完成后用蒸餾水緩慢沖洗污片,沖洗液置于原液中,將污片放置鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h,至無(wú)水分時(shí),取出稱量,再將污片完全洗凈干燥后稱量[13-14]。
1.3.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察 采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察淀粉污垢在清洗過(guò)程中顆粒大小、形態(tài)結(jié)構(gòu)變化。將淀粉污垢按要求進(jìn)行清洗,清洗凈后放在恒溫干燥箱中干燥12 h至衡重,將樣品固定于樣品臺(tái)并噴金,用JSM-6700F掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察淀粉污垢表面狀態(tài)[15-18]。
1.3.5 單因素試驗(yàn) 取一定量取5%椰子油二乙醇酰胺0、2、4、6、8 mL,5%苯扎氯銨0、1、2、3、4 mL,α-淀粉酶0、0.1、0.2、0.3、0.4 g,用蒸餾水定容至25 mL,并將其倒入裝有淀粉污片的燒杯,分別在20、30、40、50、60 ℃恒溫水浴鍋中,在振蕩頻率為0、50、100、150、200 r/min的轉(zhuǎn)速下,清洗0、5、10、15、20 min,后用少量蒸餾水清洗污片后放入烘箱干燥12 h,評(píng)估不同因素對(duì)污片清洗效果的影響。
1.3.6 正交試驗(yàn) 應(yīng)用正交分析軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素和水平,最終獲得淀粉類污垢含酶清潔劑的優(yōu)化工藝條件參數(shù)(表1)。
表1 正交試驗(yàn)因素水平
2.1.1 α-淀粉酶含量對(duì)淀粉污片清洗效果的影響 由圖1可以看出,在試驗(yàn)條件下,隨著α-淀粉酶用量的增加去污率以及淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大,但當(dāng)添加量大于0.2 g時(shí),去污率略有下降,淀粉轉(zhuǎn)化率上升速度變緩。
圖1 α-淀粉酶添加量對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響
圖2 震蕩時(shí)間對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響
這可能是由于隨著酶濃度提高,酶與底物結(jié)合越來(lái)越充分,反應(yīng)速率不斷加快,而當(dāng)添加量大于0.2 g時(shí),由于底物濃度降低淀粉轉(zhuǎn)化率上升速率放緩,而且過(guò)量的淀粉酶在表面活性劑的影響下吸附于污垢表面,將一些已經(jīng)分離的油脂重新聚集,使去污率下降。因此,試驗(yàn)選擇α-淀粉酶添加量為0.2 g時(shí)具有最佳清洗效果。
2.1.2 清洗時(shí)間對(duì)淀粉污垢清洗效果的影響 從圖2可知,隨著清洗時(shí)間的增加,去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大,在10 min之后,去污率基本維持不變,淀粉轉(zhuǎn)化率略有上升。這可能是由于前期污垢在表面活性劑的作用下擴(kuò)散溶解,在α-淀粉酶的作用下分解,所以去污率與淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸升高,而10 min后,當(dāng)油脂大部分?jǐn)U散在水中時(shí),此時(shí)去污率達(dá)到峰值,而其中游離出的淀粉顆粒繼續(xù)與α-淀粉酶作用,淀粉轉(zhuǎn)化率緩慢升高。比較10 min與20 min時(shí)的淀粉轉(zhuǎn)化率,相差不大,但時(shí)間增加必然會(huì)增加一倍能量損耗,進(jìn)而增加清洗成本。所以,選擇10 min為單因素試驗(yàn)中最佳清洗時(shí)間。
2.1.3 溫度對(duì)淀粉污片清洗效果的影響 由圖3可知,隨著清洗溫度的增加,去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大,在40 ℃時(shí),去污率和淀粉轉(zhuǎn)化率達(dá)到峰值,隨著溫度繼續(xù)升高,去污率基本不變,淀粉轉(zhuǎn)化率反而減小。這可能是因?yàn)棣?淀粉酶需要適宜的工作溫度,當(dāng)超過(guò)最適溫度時(shí),隨溫度升高酶活力開始下降,繼續(xù)升高溫度酶結(jié)構(gòu)遭到破壞,使α-淀粉酶變性失活降低。因此,實(shí)驗(yàn)選擇40 ℃為最佳清洗溫度。
圖3 清洗溫度對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響
圖4 震蕩頻率對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響
2.1.4 震蕩頻率對(duì)淀粉污片清洗效果的影響 從圖4可以看出,隨著震蕩頻率逐漸增大至100 r/min,去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大,當(dāng)震蕩頻率超過(guò)100 r/min時(shí),去污率基本不變,淀粉轉(zhuǎn)化率有小幅升高。這可能是因?yàn)檎鹗幱兄诘矸畚酃钢械矸蹟U(kuò)散至溶液中,增大底物濃度。當(dāng)震蕩頻率達(dá)到一定程度時(shí),幾乎所有的淀粉都從污垢中擴(kuò)散出來(lái),相應(yīng)的去污率也相應(yīng)達(dá)到最大,α-淀粉酶利用余留底物,使淀粉轉(zhuǎn)化率小幅的增加。因此,選擇100 r/min的震蕩頻率作為清洗最佳震蕩頻率。
2.1.5 苯扎氯銨含量對(duì)淀粉污垢清洗效果的影響 由圖5可知,在試驗(yàn)條件下,隨著苯扎氯銨的濃度逐漸增大,淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增加,當(dāng)苯扎氯銨添加量超過(guò)1 mL時(shí)淀粉轉(zhuǎn)化率開始下降。而去污率卻隨著苯扎氯銨濃度增大而逐漸減小,在苯扎氯銨用量大于2 mL時(shí)增速降低。這可能是因?yàn)楫?dāng)溶液中陽(yáng)離子表面活性劑濃度過(guò)大時(shí)會(huì)抑制非離子表面活性的作用。同時(shí),選擇1 mL作為苯扎氯銨的最佳添加量。
2.1.6 椰子油二乙醇酰胺含量對(duì)淀粉污垢清洗效果的影響 從圖4可以看出,在試驗(yàn)條件下,隨著椰子油二乙醇酰胺的用量逐漸增大,淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大,當(dāng)添加量大于6 mL時(shí)上升變緩。這可能是因?yàn)楫?dāng)溶液中非離子表面活性劑濃度較小時(shí)對(duì)于清洗抑制作用不明顯,濃度過(guò)大時(shí)會(huì)抑制自身的作用。因此,選擇5%椰子油二乙醇酰胺最佳用量為6 mL。
圖5 苯扎氯銨添加量對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響
圖6 椰子油二乙醇酰胺對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響
按照上述提取工藝,在多次單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,本文選擇苯扎氯銨用量、α-淀粉酶用量、椰子油二乙醇酰胺用量、震蕩頻率作為研究對(duì)象,以淀粉轉(zhuǎn)化率及去污率為考察指標(biāo),按照L9(34)進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn),對(duì)于淀粉污垢的清洗工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,正交試驗(yàn)結(jié)果顯示如表2所示。
表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用極差法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,分析結(jié)果見表3~4。結(jié)果表明,苯扎氯銨對(duì)去污率的影響最大,椰子油二乙醇酰胺次之,其后是α-淀粉酶用量,最后是震蕩頻率。對(duì)于淀粉轉(zhuǎn)化率的影響,苯扎氯銨最大,其次是α-淀粉酶用量,椰子油二乙醇酰胺,震蕩頻率影響最小[15-16]。綜合來(lái)看,不同考察指標(biāo)影響差別主要在于α-淀粉酶與椰子油二乙醇酰胺,從表中可以看出,α-淀粉酶用量和椰子油二乙醇酰胺對(duì)淀粉轉(zhuǎn)化率的影響幾乎一致,而且兩者都不是主要影響因素。所以,最優(yōu)組合為A3、B1、C3、D3,即苯扎氯銨用量1.5 mL,椰子油二乙醇酰胺用量5.5 mL,α-淀粉酶用量0.25 g,震蕩頻率150 r/min。
由于此優(yōu)化的條件在正交實(shí)驗(yàn)表中并未出現(xiàn),因此進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。量取5%椰子油二乙醇酰胺5.5 mL,5%苯扎氯胺1.5 mL,α-淀粉酶0.25 g,用蒸餾水定容至25 mL,并倒入放入淀粉污片的燒杯中,將燒杯放入40 ℃恒溫水浴鍋中,在轉(zhuǎn)速150 r/min的轉(zhuǎn)速下,清洗10 min。清洗后用少量蒸餾水清洗污片后放入烘箱干燥12 h。對(duì)于清洗液過(guò)濾后測(cè)定其去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率。結(jié)果如表5所示,重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)得到去污率為94.02%±0.10%,淀粉轉(zhuǎn)化率為13.65%±0.35%。由此驗(yàn)證了正交試驗(yàn)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。
表3 去污率極差分析表
表4 淀粉轉(zhuǎn)化率極差分析表
表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果
從圖7a、b可以看出,淀粉小分子大部分顆粒飽滿,成卵形,有輕微粘連在一起,成小塊聚集。從圖7c、d可以看出,淀粉小分子部分顆粒飽滿,能看出小分子性質(zhì),分子粘連現(xiàn)象較為明顯。由圖7e、f可以看出,淀粉小分子出現(xiàn)空洞,顆粒間漸漸出現(xiàn)空隙。由圖7g、h可知,空洞逐漸增大,小分子聚集成網(wǎng)狀,大塊顆粒逐漸解離。這主要是因?yàn)殡S著清洗時(shí)間的延長(zhǎng),含α-淀粉酶的清潔劑逐漸破壞其淀粉分子結(jié)構(gòu),使大分子逐漸分解為小分子,游離在溶液中[17-19]。
圖7 淀粉污垢處理掃描圖Fig.7 SEM of decontamination of starch dirt
研究結(jié)果表明,當(dāng)5%苯扎氯銨添加量為1.5 mL,5%椰子油二乙醇酰胺添加量為5.5 mL,α-淀粉酶添加量為0.25 g,以純水定容至25 mL后,在震蕩頻率為150 r/min,清洗溫度為40 ℃,清洗時(shí)間10 min的條件下對(duì)淀粉類污垢具有最佳的清洗工藝。此外,正交試驗(yàn)結(jié)果表明,苯扎氯銨對(duì)于淀粉污垢清洗效果影響最大,椰子油二乙醇酰胺和α-淀粉酶次之,震蕩頻率對(duì)其影響最小。不同類型的表面活性劑對(duì)生物酶有著不同的影響[19-20]。非離子表面活性劑在臨界膠束濃度以下,可以提高生物酶的反應(yīng)速率促進(jìn)清洗作用,但是當(dāng)在臨界膠束濃度以上時(shí),會(huì)抑制清洗效果。陽(yáng)離子表面活性劑在低濃度時(shí),對(duì)酶活性影響不大,而陰離子表面活性劑則較易抑制生物酶的活性,影響清洗效果。本研究的復(fù)配型清洗劑在優(yōu)化條件下對(duì)于淀粉類污垢具有良好的去污性。對(duì)食品加工行業(yè)淀粉類污垢的清洗工藝有一定的理論指導(dǎo)意義。