陳復(fù)生程小麗李里特趙俊廷

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1,鄭州 450052)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院2,北京 100083)

(河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3,鄭州 450052)

反膠束萃取大豆蛋白過(guò)程中動(dòng)力學(xué)的研究

陳復(fù)生1程小麗1李里特2趙俊廷3

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1,鄭州 450052)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院2,北京 100083)

(河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3,鄭州 450052)

研究了二 -(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸鈉(AOT)/異辛烷反膠束萃取大豆蛋白的動(dòng)力學(xué),考察了振蕩速度、萃取溫度、反膠束濃度和全脂大豆粉粒度對(duì)萃取速率的影響,初步表明反膠束萃取大豆蛋白的過(guò)程受內(nèi)擴(kuò)散控制,萃取過(guò)程可用未反應(yīng)核模型來(lái)解釋。在試驗(yàn)范圍內(nèi),萃取過(guò)程符合一級(jí)反應(yīng),表觀活化能為15.64 kJ/mol。建立宏觀動(dòng)力學(xué)方程 1.22exp(-1 880.4/T)t=1+2(1-x)-3(1-x)2/3,并給予了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明所得模型能較好地描述蛋白的萃取過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)論對(duì)反膠束萃取大豆蛋白具有重要理論參考。

反膠束 萃取 大豆蛋白 動(dòng)力學(xué)

反膠束是表面活性劑在非極性溶劑中形成的與正常膠束結(jié)構(gòu)相反的含水聚合體。利用反膠束萃取生化物質(zhì)是近些年來(lái)在非水相提取方面的一項(xiàng)新技術(shù)[1]。目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)反膠束提取生化物質(zhì)的研究主要集中在萃取工藝的選擇上[2-4],并取得了顯著的成績(jī)。通過(guò)選擇不同的反膠束體系或?qū)腿∵^(guò)程中輔助超聲波技術(shù)、超臨界技術(shù)等使生化物質(zhì)的提取率有了顯著的提高,但對(duì)萃取動(dòng)力學(xué)方面的研究較少,并且有關(guān)反膠束萃取蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)研究多數(shù)是對(duì)低分子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)蛋白[5]、一些高純度的酶類(lèi)[6-7]和氨基酸[8-9]在液 -液[10-12]萃取體系中進(jìn)行的,而對(duì)于用反膠束體系在固 -液相中萃取蛋白質(zhì)的前萃動(dòng)力學(xué)研究至今未見(jiàn)報(bào)道。人們普遍認(rèn)為固體蛋白質(zhì)增溶于反膠束溶液的傳質(zhì)過(guò)程是反膠束與蛋白質(zhì)在兩相界面直接作用,完成質(zhì)量轉(zhuǎn)移過(guò)程,并伴隨有水和離子的加溶[13]。Simeonov等[14]和Seikova等[15]研究了用堿萃取番茄籽中的蛋白質(zhì),指出蛋白質(zhì)在固體內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程是萃取的決速步驟,并在最佳的操作條件下測(cè)定了擴(kuò)散系數(shù)。但這種萃取體系與反膠束萃取體系具有較大的差異。因此關(guān)于反膠束萃取固體蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)有待進(jìn)一步的研究。在用 AOT/異辛烷反膠束體系從全脂大豆粉中萃取蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究反膠束萃取動(dòng)力學(xué),更深入了解反膠束的萃取機(jī)理,有效控制和強(qiáng)化萃取過(guò)程,為實(shí)際生產(chǎn)中的工藝和萃取設(shè)備提供一些重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

全脂大豆粉:安陽(yáng)漫天雪食品制造有限公司; AOT:上海聯(lián)民化工廠。

1.2 主要儀器和設(shè)備

UV-1901型紫外分光光度計(jì):北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;GL-20L高速冷凍離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;pH211型酸度計(jì):意大利 HANNA公司;THZ-82B型氣浴恒溫振蕩器:江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;ZSD-2J型自動(dòng)水分滴定儀,上海安亭電子儀器廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料(全脂大豆粉)主要成分分析

蛋白質(zhì)含量測(cè)定方法采用 GB/T5009.5—2003;粗脂肪含量測(cè)定方法采用 GB/T5009.6—2003;水分含量測(cè)定方法采用 GB/T5009.3—2003。

1.3.2 AOT反膠束溶液的配制

按照反膠束質(zhì)量濃度為 0.08 g/mL稱(chēng)取 0.8 g表面活性劑AOT,將其置于錐型瓶中,加入 10 mL異辛烷。磁力攪拌使AOT完全溶解,待溶液透明后,加入 0.04 mL濃度為 0.1 mol/L KCl的 KH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液 (pH值為 7.0),搖床振搖,室溫下靜置 12 h或離心機(jī)上以 3 000 r/min分離 20 min,溶液若透明則為反膠束,反之則不是。

1.3.3 蛋白質(zhì)的前萃試驗(yàn)

取一定體積按 1.3.2要求配制的AOT/異辛烷反膠束溶液置于錐型瓶中,配成質(zhì)量濃度為 0.08 g/mL的大豆粉溶液,振蕩一定時(shí)間,以約 5 000 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心分離 10 min,萃取體系分為 2層,上層為萃入蛋白質(zhì)的AOT層,下層為殘?jiān)?除去殘?jiān)?所得上清液用UV-1901型紫外分光光度計(jì)測(cè)定蛋白質(zhì)的濃度,然后用 GB/T 5009.5—2003凱氏微量定氮法進(jìn)行校正。可測(cè)定不同條件下的蛋白質(zhì)前萃率[2]。

2 選取萃取動(dòng)力學(xué)模型

反膠束萃取大豆蛋白的過(guò)程共包括 4個(gè)步驟:①反膠束從有機(jī)相主體擴(kuò)散到固液界面上;②蛋白質(zhì)從固體內(nèi)部擴(kuò)散到固液界面;③蛋白質(zhì)在固液界面上與反膠束碰撞形成含有蛋白質(zhì)的反膠束;④包含有蛋白質(zhì)的反膠束從兩相界面擴(kuò)散到有機(jī)相中。理論上該萃取過(guò)程可能包括 4種阻力控制:外擴(kuò)散阻力控制、界面反應(yīng)阻力控制、物料內(nèi)擴(kuò)散阻力控制和混合阻力控制。

對(duì)于液 -固非催化反應(yīng)模型,應(yīng)用最多的是未反應(yīng)核模型。在推導(dǎo)反應(yīng)速率方程時(shí),該模型做 3條假定:①反應(yīng)發(fā)生在未反應(yīng)核的明顯界面上;②反應(yīng)過(guò)程是擬穩(wěn)態(tài)過(guò)程;③假設(shè)固體內(nèi)溫度是均勻的,且反應(yīng)為擬一級(jí)不可逆反應(yīng)。則一級(jí)液固反應(yīng)未反應(yīng)核模型數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[13-14]:

式中 t為反應(yīng)時(shí)間/min;α、b為化學(xué)反應(yīng)計(jì)量系數(shù);δ為反應(yīng)區(qū)厚度/cm;ρB為固體反應(yīng)物密度/ g·cm-3;r0為固體粒子半徑 /cm;CA0為流體本體濃度/mol·L-1;χ為產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率/%;Dl為液態(tài)反應(yīng)物通過(guò)液體邊界層的有效擴(kuò)散系數(shù)/cm2·s-1;kr為界面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù) /cm2·s-1;Ds為液態(tài)反應(yīng)物通過(guò)固體產(chǎn)物層的有效擴(kuò)散系數(shù)/cm2·s-1。

式(1)可以簡(jiǎn)化為:

反應(yīng)由外擴(kuò)散作用控制時(shí),公式 (2)簡(jiǎn)化為:

反應(yīng)由液 -固界面化學(xué)反應(yīng)控制時(shí),公式(2)簡(jiǎn)化為:

反應(yīng)由內(nèi)擴(kuò)散作用控制時(shí),公式 (2)簡(jiǎn)化為:

反應(yīng)由液 -固界面化學(xué)反應(yīng)控制和內(nèi)擴(kuò)散作用兩者共同控制時(shí),公式(2)簡(jiǎn)化為:

3 結(jié)果與討論

3.1 原料主要成分分析

原料主要成分分析結(jié)果見(jiàn)表 1。

表 1 原料主要成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)(干基)

3.2 振蕩速度對(duì)蛋白萃取率的影響

振蕩可以強(qiáng)化擴(kuò)散,促使反膠束良好的分散,促進(jìn)液態(tài)反應(yīng)物通過(guò)固體產(chǎn)物層的有效擴(kuò)散,從而增大相界面積和擴(kuò)散系數(shù)。由圖 1可知,當(dāng)振蕩速度小于 180 r/min時(shí),蛋白質(zhì)的萃取率隨著振蕩速度的增加而增加;當(dāng)振蕩速度大于 180 r/min時(shí),蛋白的萃取率基本不再發(fā)生變化。

圖1 振蕩速度與蛋白前萃率的關(guān)系

振蕩速度增大將會(huì)增加大豆蛋白與“空膠束”接觸的機(jī)會(huì);同時(shí)也會(huì)加強(qiáng)對(duì)“空膠束”的表面的沖擊作用,使得反膠束的表面疏松,大豆蛋白較容易傳遞到反膠束的內(nèi)部[16]。而當(dāng)振蕩速度達(dá)到大于 180 r/ min后,振蕩速度對(duì)蛋白的萃取率已無(wú)影響。這說(shuō)明外擴(kuò)散阻力對(duì)萃取速率的影響基本可以消除,振蕩速度作為一個(gè)變量可以忽略。但擴(kuò)散作為速率控制步驟不能被消除,所以反應(yīng)進(jìn)入動(dòng)力學(xué)區(qū),萃取過(guò)程只能受界面反應(yīng)控制、物料內(nèi)擴(kuò)散控制或二者的混合控制。

3.3 溫度對(duì)蛋白萃取率的影響

萃取溫度對(duì)蛋白萃取率的影響如表 2所示。由表 2可以發(fā)現(xiàn),在同一萃取時(shí)間下,溫度越高萃取率也越高;在同一溫度下,隨著萃取時(shí)間的增加,蛋白的萃取率也逐漸增加。溫度對(duì)反膠束萃取大豆蛋白的影響主要有兩個(gè)方面:一是溫度升高時(shí),分子的熱運(yùn)動(dòng)的增加使萃取過(guò)程中的擴(kuò)散速率上升,萃取速率加快,反之萃取率下降。二是溫度變化對(duì)于蛋白生物活性的影響,一般在較低的溫度萃取有利于保持蛋白質(zhì)的生物活性,高溫會(huì)使蛋白質(zhì)的生物活性喪失。同時(shí)由于溫度過(guò)高,將會(huì)引起反膠束體系的不穩(wěn)定,不利于蛋白質(zhì)的增溶。為達(dá)到較好的結(jié)果,選用的溫度范圍為 25～40℃。

表 2 不同溫度和時(shí)間時(shí)蛋白的前萃率

將表 2的試驗(yàn)結(jié)果用嘗試法代入未反應(yīng)核模型的內(nèi)擴(kuò)散控制方程和界面反應(yīng)控制方程中,如圖 2和圖 3所示。可以看出,在萃取過(guò)程中反應(yīng)時(shí)間 t與1+2(1-x)-3(1-x)2/3呈線(xiàn)性關(guān)系,且過(guò)原點(diǎn),與 1 -(1-x)1/3不呈線(xiàn)性關(guān)系,沒(méi)有規(guī)律,表明該萃取過(guò)程屬內(nèi)擴(kuò)散步驟控制類(lèi)型。

圖 2 不同溫度時(shí) 1+2(1-x)-3(1-x)2/3與萃取時(shí)間的關(guān)系

圖 3 不同溫度時(shí) 1-(1-x)1/3與萃取時(shí)間的關(guān)系

3.4 膠束濃度對(duì)蛋白萃取率的影響

由于表面活性劑濃度太低時(shí),不能形成反膠束或者所形成的聚集數(shù)太少,易造成蛋白的提取率偏低;若表面活性劑濃度太高,則黏度太大,膠束之間的分子碰撞作用減少,也不利于蛋白質(zhì)的提取,而且會(huì)導(dǎo)致后萃工藝復(fù)雜,因此選擇的反膠束濃度范圍為 0.04～0.10 g/mL。結(jié)果表明,在同一萃取時(shí)間下蛋白的萃取率隨著反膠束的濃度增大而增大;同一反膠束濃度下,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加萃取率逐漸上升。將試驗(yàn)結(jié)果帶入內(nèi)擴(kuò)散反應(yīng)方程進(jìn)行處理,如圖4所示。

圖4 不同濃度時(shí)浸出動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)

根據(jù)不同濃度下萃取動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn),可得其相應(yīng)的表觀速率常數(shù) k3值。按式 (5)用 logk3對(duì) logC作圖,如圖 5所示,經(jīng)線(xiàn)性回歸得到的直線(xiàn)斜率為0.974 5,因此萃取過(guò)程的反應(yīng)級(jí)數(shù)可視為一級(jí)反應(yīng)。

圖 5 logk-logC曲線(xiàn)

3.5 全脂大豆粉粒度蛋白萃取率的影響

用篩分方法分別取60目,80目,100目和混合型的全脂大豆粉,萃取時(shí)間 10～80 min的條件下進(jìn)行萃取試驗(yàn),將數(shù)據(jù)帶入式 (5),得到 1+2(1-x)-3 (1-x)2/3與時(shí)間 t的關(guān)系,并與混合全脂大豆粉的浸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖 6所示,可以看出圖形皆呈直線(xiàn),并且都過(guò)原點(diǎn)。在相同萃取時(shí)間,粒度越小萃取率就越高。這是由于在總質(zhì)量一定的前提下,粒度越小,粒數(shù)就越多,從而反應(yīng)面積就越大,浸出速率就越快[17]。

圖6 不同粒度時(shí)萃取動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)

3.6 建立宏觀動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)阿累尼烏斯 (Arrhenius)公式[18]:k3= kOe-Ea/RT,式中 k0為頻率因子;Ea為表觀活化能 /kJ· mol-1;R為氣體常數(shù) /8.314 J·mol-1·K-1);T為熱力學(xué)溫度/K。

以 lnk3～1/T繪圖,如圖 7所示。由圖 7可得Ea/R=1 880.4,Ea=15.64 kJ/mol,表明反膠束萃取大豆蛋白的過(guò)程屬于內(nèi)擴(kuò)散控制,與前面的結(jié)論相符。

通過(guò)試驗(yàn),反膠束萃取動(dòng)力學(xué)方程可以進(jìn)一步表示為:

圖 7 Ink3-1/T曲線(xiàn)

3.7 模型的驗(yàn)證

用 20、27、33和 45℃下反膠束萃取蛋白的試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)式(8)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如圖 8所示,由檢驗(yàn)結(jié)果可以看出式 (8)與試驗(yàn)值吻合較好。因此可以說(shuō)明未反應(yīng)核模型能較好的應(yīng)用于大豆蛋白萃取過(guò)程的動(dòng)力學(xué)研究。

圖8 萃取率與時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1 試驗(yàn)研究了反膠束萃取大豆蛋白的過(guò)程,考察了影響反膠束萃取大豆蛋白的因素,結(jié)果表明溫度升高,粒度降低,反膠束濃度的升高有利于反應(yīng)的進(jìn)行。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果表明該固液反應(yīng)對(duì)反膠束的濃度而言為一級(jí)反應(yīng),試驗(yàn)條件下的表觀活化能為 15.64 kJ/mol。

4.3 通過(guò)驗(yàn)證,未反應(yīng)核模型能較好的應(yīng)用于反膠束萃取大豆蛋白的動(dòng)力學(xué)研究,其中內(nèi)擴(kuò)散控制為該萃取過(guò)程的主要控制環(huán)節(jié)。宏觀動(dòng)力學(xué)方程為1.22exp(-1 880.4/T)t=1+2(1-x)-3(1-x)2/3表示。

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Kinetics of Extraction Process of Soybean Protein in ReverseMicelles

Chen Fusheng1Cheng Xiaoli1LiLite2Zhao Junting3
(Collegy of Food science and Engineering,Henan University of Technology1,Zhengzhou 45005)
(School Food Science and Nutrition Engineering,China Agriculture University2,Beijing 100083)
(Collegy of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University of Technology3,Zhengzhou 450052)

Bis-(2-ethylhexyl)sulfosuccinate(AOT)/isooctane reverse micelle solution system was adopted to extract soybean protein.Shrinking unreacted core modelwas applied to forming kinetic equation of the extraction. The effects of stirring intensity,extracting temperature,concentration of reverse micelle,particle size and extracting time were investigated.Results:The unreacted core model tallieswith experimental data well.The extraction processis the first order reaction,and the apparent activation energy of the reaction calculated is 15.64 kJ/mol.It is estab2 lished that the extraction process is diffusion through the ash layer and the kinetic process of extracting protein from soybean powder is conformable with 1.22exp(-1 880.4/T)t=1+2(1-x)-3(1-x)2/3.This work reveals the possibility of extracting protein from soybean powder by reverse micelles.

reverse micelles,extraction,soybean protein,kinetics

TS214.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-0174(2010)05-0024-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(20976037),國(guó)家教育部科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)資助 (205094),河南省杰出人才創(chuàng)新基金(05210005000)

2009-05-30

陳復(fù)生,男,1963年出生,教授,博士生導(dǎo)師,食品資源開(kāi)發(fā)與利用