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(jià)值、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高的植物蛋白。核桃植物蛋白的經(jīng)濟(jì)、營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(jià)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(jiǎn)稱(chēng)，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(jiàn)公開(kāi)報(bào)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(shí)際應(yīng)用價(jià)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(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步工藝優(yōu)化，利用數(shù)學(xué)模型與實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)確定最優(yōu)提取工藝。同時(shí)，根據(jù)U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化原理設(shè)計(jì)了U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計(jì)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(jí)，250 mL，上海安普實(shí)驗(yàn)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(wàn)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(wàn)特衡器有限公司）；AR1140型離心機(jī)（綜儀生物有限公司）；全自動(dòng)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(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；自動(dòng)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(kāi)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(yàn)方法

1.2.1 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計(jì)示意圖

U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計(jì)示意圖，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，同時(shí)機(jī)械攪拌對(duì)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(yàn)條件進(jìn)行U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溶解，對(duì)強(qiáng)化溶液進(jìn)行過(guò)濾、離心，取清液測(cè)定蛋白質(zhì)含量，利用響應(yīng)面試驗(yàn)，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(jì)示意圖

1.2.3 表面活性性能測(cè)定方法

1) 核桃蛋白水溶液界面張力：利用全自動(dòng)界面張力儀對(duì)核桃蛋白水溶液，進(jìn)行3次界面張力測(cè)定，按式（1）計(jì)算。

式中：σ為界面張力平均值；σ1為第1次界面張力測(cè)定值；σ2為第2次界面張力測(cè)定值；σ3為第3次界面張力測(cè)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(cè)定乳化層、溶液體積（mL），按式（2）和（3）計(jì)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(lái)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(jì)算起泡性、起泡穩(wěn)定性。

4) 潤(rùn)濕性能[17-18]：利用核桃蛋白水溶液浸透一定測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)衡量潤(rùn)濕性，具體方法按照GB/T 11983—2008來(lái)進(jìn)行。

1.2.4 核桃水溶液樣品中蛋白含量測(cè)定方法與計(jì)算公式

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

2.1.1 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化轉(zhuǎn)速對(duì)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(shí)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(duì)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(guò)高瞬間產(chǎn)生過(guò)多熱量，會(huì)使核桃蛋白因溫度過(guò)高產(chǎn)生凝膠，降低溶解度。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近1 700 r/min時(shí)，溶解度最高。

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

2.1.2 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化溫度對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)，溶解度最高。溫度會(huì)使核桃蛋白降解的小分子動(dòng)能增加，更多地被溶解，因此溶解度增大，但是溫度過(guò)高會(huì)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(duì)溶解度的影響

2.1.3 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時(shí)間對(duì)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(shí)間變化對(duì)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(shí)間呈正比，當(dāng)時(shí)間接近20 min時(shí)，溶解度出現(xiàn)極值。隨復(fù)合強(qiáng)化時(shí)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(shí)間積累，熱量也會(huì)增加，為核桃蛋白變性帶來(lái)?xiàng)l件。

圖4 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化時(shí)間對(duì)溶解度的影響

2.1.4 U-M-F-IOJ復(fù)合強(qiáng)化壓力對(duì)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(shí)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(duì)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(huì)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(shí)，溶解度最大；壓力繼續(xù)增加會(huì)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(duì)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(shí)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(duì)溶解度的影響。如圖6所示，超聲功率過(guò)高，會(huì)造成過(guò)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(shí)，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(duì)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(yàn)

通過(guò)2.1中單因素試驗(yàn)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(shí)間（X3）為影響因素，響應(yīng)面試驗(yàn)方案以Box-Behnken原理為基礎(chǔ)進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析通過(guò)SAS完成，利用數(shù)學(xué)模型與實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)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(jiàn)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(guò)SAS軟件對(duì)試驗(yàn)得到的試驗(yàn)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(duì)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(guò)擬合回歸處理數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)模型：

軟件SAS對(duì)影響因素與試驗(yàn)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(cè)的溶解度值精準(zhǔn)度為99.84%。

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

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及試驗(yàn)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(jì)算與工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

三元二次回歸函數(shù)方程進(jìn)行求解，極大值計(jì)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(shí)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(shí)際提取試驗(yàn)，測(cè)定其溶解度，結(jié)果顯示：Y1=88.01；Y2=88.02；Y3=88.03；=88.02。實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與三元二次回歸函數(shù)方程最大計(jì)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(cè)定（見(jiàn)表4）

表4 花生蛋白水溶液表面活性性能對(duì)比

3 結(jié)論

以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?yōu)化與實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)間18 min。在此優(yōu)化條件下，溶解度為88.04（10-2g/100 g）。實(shí)際3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，響應(yīng)面優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)模型相對(duì)誤差十分微小，模型高效可用。