程海濤，申獻(xiàn)雙

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

大豆粕富含蛋白質(zhì)，是天然蛋白質(zhì)原料之一。大豆粕蛋白由于受蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的束縛，水溶性不好，溶解度不高。同時雖然蛋白質(zhì)具有兩親結(jié)構(gòu)，是天然表面活性劑，但是同樣受結(jié)構(gòu)的束縛，兩親性結(jié)構(gòu)無法暴露出來，表面活性較差。為提高大豆粕蛋白溶解性能及大豆粕蛋白水溶液的表面活性，需要破除蛋白質(zhì)束縛結(jié)構(gòu)[1-3]。

機(jī)械研磨是物理性機(jī)械外力的一種，作用原理在于研磨介質(zhì)在高速旋轉(zhuǎn)過程中，對大豆粕蛋白產(chǎn)生強(qiáng)大機(jī)械剪切作用力，破壞大豆粕蛋白的結(jié)構(gòu)，從而使大豆粕親水基團(tuán)更多的暴露，達(dá)到提高溶解性的目的。

噴射流空化屬于水力空化的一種，是一種新型強(qiáng)化方式，利用限流裝置使流體流動形狀發(fā)生變化，流體內(nèi)壓力等于或低于液體的蒸汽壓，大量空化泡在流體內(nèi)部形成，流體汽化，當(dāng)流體周圍壓力增大，空化泡破裂，產(chǎn)生極高壓強(qiáng)與瞬間高溫[4-6]。利用流體內(nèi)部高壓和溫度破壞大豆粕蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使大豆粕蛋白親水基團(tuán)充分暴露，提高其溶解性能。

本文利用一種噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同裝置[7-10]，強(qiáng)化大豆粕蛋白溶解，改善水溶性大豆粕蛋白表面活性。利用單因素實驗和響應(yīng)面實驗優(yōu)化了噴射流空化壓力、噴射流空化時間、噴射流空化溫度、噴射流裝置入口-出口角度組合、料液比、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速、機(jī)械研磨時間等影響溶解度的因素，確定了最優(yōu)工藝條件，同時測定了最優(yōu)工藝條件下水溶性大豆粕蛋白溶液的表面活性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

大豆粕(粗蛋白質(zhì)含量50%)，市售；NaOH(AR)、鹽酸(AR)、月桂酸鉀(AR)、十二烷基硫酸鈉(AR)，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

E-201-C型pH計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；DT-102型全自動界面張力儀，淄博華坤電子儀器有限公司；SZ-93型自動雙重純水整流器，上海亞榮生化儀器廠；FA22048型電子分析天平，上海精科天美科學(xué)儀器有限公司；100LK型高剪切混合乳化頭，上海威宇機(jī)電制造有限公司；具塞量筒(100 mL)，衡水瑞豐化玻儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同強(qiáng)化大豆粕蛋白溶解

噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同強(qiáng)化大豆粕蛋白溶解裝置如圖1所示。

注：1.渦輪泵；2.循環(huán)泵；3.壓力表；4.溫度表；5.加料槽；6.攪拌器；7.反應(yīng)器；8.熱水儲槽；9.截止閥；10.球閥；11.加料槽；12.pH計；13.球閥；14.研磨材料；15.噴射空化設(shè)備。

圖1 噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同強(qiáng)化設(shè)備

將粉碎過100目篩的大豆粕粉，按照一定料液比加入反應(yīng)器7中，啟動設(shè)備1渦輪泵，水力空化壓力由閥門9控制，啟動研磨攪拌裝置(研磨裝置內(nèi)為直徑3 mm玻璃珠，總體積約為液體體積的1/3)，在一定轉(zhuǎn)速下處理一定時間后取樣，靜置24 h，取上清液進(jìn)行分析。

1.2.2 大豆粕蛋白溶解度測定

取經(jīng)噴射流空化-機(jī)械研磨處理的大豆粕蛋白溶液，于10 000 r/min離心10 min，取上清液，根據(jù)福林-酚比色法[11]測定上清液中蛋白質(zhì)的含量，以上清液中蛋白質(zhì)的含量表示大豆粕蛋白的溶解度。

1.2.3 產(chǎn)物表面活性性能測定

參照文獻(xiàn)[12]測定產(chǎn)物的表面張力、乳化性能、起泡性能和潤濕性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同強(qiáng)化大豆粕蛋白溶解工藝單因素實驗

2.1.1 噴射流空化壓力對溶解度的影響

在料液比1∶100、噴射流空化溫度50℃、噴射流空化時間50 min、噴射流裝置入口角度38°-出口角度30°、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 500 r/min、機(jī)械研磨時間25 min的條件下，考察噴射流空化壓力對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 噴射流空化壓力對溶解度的影響

由圖2可見，大豆粕蛋白溶解度隨噴射流空化壓力的增加逐步提高。這是因為噴射流空化壓力增加，液體流動速度和沖擊強(qiáng)度增加，從而增加了空化氣泡的數(shù)量，空化強(qiáng)度的增加提高了溶解度。當(dāng)噴射流空化壓力大于0.4 MPa后溶解度有所降低，主要原因在于噴射流空化壓力到達(dá)極限后會出現(xiàn)超空化現(xiàn)象，雖然有很多氣泡，但它們不容易破裂，從而削弱了空化強(qiáng)度[13]?？紤]到實際操作，壓力不宜設(shè)置得太高，選擇噴射流空化壓力0.4 MPa。

2.1.2 噴射流空化時間對溶解度的影響

在料液比1∶100、噴射流空化溫度50℃、噴射流空化壓力0.4 MPa、噴射流裝置入口角度38°-出口角度30°、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 500 r/min、機(jī)械研磨時間25 min條件下，考察噴射流空化時間對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 噴射流空化時間對溶解度的影響

由圖3可見，噴射流空化時間在40～60 min范圍內(nèi)，大豆粕蛋白溶解度隨時間延長迅速增加，但是噴射流空化時間超過60 min后溶解度有所降低。這是因為在大豆粕溶解過程中主要是大豆粕蛋白質(zhì)長分子鏈和空間體狀結(jié)構(gòu)被破壞，溶解度增加迅速，隨著噴射流空化時間的繼續(xù)延長，大豆粕蛋白質(zhì)分子鏈變短，能夠被破壞的化學(xué)結(jié)構(gòu)所剩無幾，溶解度不再增加，同時空化作用引發(fā)副反應(yīng)，形成新化合物，降低了大豆粕蛋白溶解度[14]。

2.1.3 噴射流空化溫度對溶解度的影響

在料液比1∶100、噴射流空化時間60 min、噴射流空化壓力0.4 MPa、噴射流裝置入口角度38°-出口角度30°、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 500 r/min、機(jī)械研磨時間25 min條件下，考察噴射流空化溫度對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 噴射流空化溫度對溶解度的影響

由圖4可見，大豆粕蛋白溶解度隨噴射流空化溫度升高而增加。這是因為溫度升高溶液黏度和表面張力降低，有利于分子運動[15]，同時溫度升高大豆粕蛋白質(zhì)中氫鍵和離子鍵被破壞，減少了空間位阻。當(dāng)噴射流空化溫度高于50℃后大豆粕蛋白溶解度降低，原因在于溫度超過臨界點溶液蒸汽壓增大，有利于空化效應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)蒸汽壓增速快于溶液溫度增速，空化產(chǎn)生的瞬態(tài)高溫和高壓崩潰減少、空化強(qiáng)度下降，因此溶解度有降低趨勢。

2.1.4 噴射流空化裝置入口角度-出口角度對溶解度的影響

在料液比1∶100、噴射流空化時間60 min、噴射流空化壓力0.4 MPa、噴射流空化溫度50℃、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 500 r/min、機(jī)械研磨時間25 min條件下，考察噴射流裝置入口角度-出口角度對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果見表1。

表1 噴射流裝置入口角度-出口角度對溶解度的影響

由表1可知，出口角度固定為30°，隨入口角度增加，大豆粕蛋白溶解度呈先增后降趨勢。原因在于，隨著入口角度增加，液體中空化區(qū)域和空化數(shù)量增加，空化效應(yīng)提高，溶解度逐步增大，但是入口角度增大到一定程度，流體的流動阻力也會增大，流量降低，空化數(shù)量減少，空化效應(yīng)降低，溶解度有所降低。

入口角度固定為30°，隨出口角度增加，大豆粕蛋白溶解度也呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。原因在于，隨著出口角度的逐步增大，入口與出口的壓差增大，流量增加，有利于空化數(shù)量的增加，提高了空化效應(yīng)，溶解度逐步提高，但是出口角度超過一定數(shù)值，出口壓力過低會出現(xiàn)超空化現(xiàn)象，降低了空化效應(yīng)，溶解度有所降低[16]。

2.1.5 料液比對溶解度的影響

在噴射流裝置入口角度30°-出口角度38°、噴射流空化時間60 min、噴射流空化壓力0.4 MPa、噴射流空化溫度50℃、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 500 r/min、機(jī)械研磨時間25 min條件下，考察料液比對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 料液比對溶解度的影響

由圖5可知，在開始階段隨著料液比的增大，大豆粕蛋白溶解度迅速提高，超過一定值后開始下降?？赡艿脑蚴谴蠖蛊傻鞍兹芙獯嬖谄胶?，達(dá)到溶解平衡后溶解度不再增加，另外大豆粕中非蛋白水溶性物質(zhì)也會隨料液比逐漸增大而增大溶解度，在大豆粕蛋白溶解平衡常數(shù)一定的情況下，水溶性大豆粕蛋白濃度減小，大豆粕蛋白溶解度降低，另外水溶性大豆粕蛋白含有兩親性結(jié)構(gòu)單元，單元之間會聚集、凝聚造成溶解度降低。

2.1.6 機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速對溶解度的影響

在料液比1.5∶100、噴射流裝置入口角度30°-出口角度38°、噴射流空化時間60 min、噴射流空化壓力0.4 MPa、噴射流空化溫度50℃、機(jī)械研磨時間25 min條件下，考察機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速對溶解度的影響

由圖6可見，隨著機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速的增加，大豆粕蛋白溶解度先逐步提高，達(dá)到最大值后趨于平緩。機(jī)械研磨靠研磨介質(zhì)摩擦、流動、碰撞破壞大豆粕蛋白質(zhì)主鏈結(jié)構(gòu)和分子間作用力，降低大豆粕蛋白相對分子質(zhì)量，釋放蛋白質(zhì)分子中兩親性結(jié)構(gòu)，從而提高溶解度，所以隨著轉(zhuǎn)速的增加溶解度在開始階段迅速升高，但是達(dá)到極限后溶解度增加速度放緩，甚至有所降低。

2.1.7 機(jī)械研磨時間對溶解度的影響

在料液比1.5∶100、噴射流裝置入口角度30°-出口角度38°、噴射流空化時間60 min、噴射流空化壓力0.4 MPa、噴射流空化溫度50℃、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，考察機(jī)械研磨時間對大豆粕蛋白溶解度的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 機(jī)械研磨時間對溶解度的影響

由圖7可見，隨著機(jī)械研磨時間的延長，大豆粕蛋白溶解度先逐步提高，30 min時達(dá)到最大值，之后不再有明顯變化。這是因為大豆粕蛋白兩親結(jié)構(gòu)的釋放需要一定能量強(qiáng)度，研磨提供的能量強(qiáng)度達(dá)到極限后，時間積累不會帶來新的結(jié)構(gòu)破壞，因此溶解度不再增加。

2.2 噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同強(qiáng)化大豆粕蛋白溶解工藝響應(yīng)面優(yōu)化實驗

2.2.1 響應(yīng)面實驗結(jié)果

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，固定機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min、機(jī)械研磨時間30 min、料液比1.5∶100，以大豆粕蛋白溶解度(Y)為響應(yīng)值，噴射流空化壓力(X1)、噴射流空化時間(X2)、噴射流空化溫度(X3)、噴射流裝置入口角度-出口角度(X4)為因素，根據(jù) Box-Behnken 實驗設(shè)計原理，通過SAS軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定最佳工藝條件。響應(yīng)面實驗因素水平見表2，響應(yīng)面實驗方案及結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面實驗因素水平

表3 響應(yīng)面實驗方案及結(jié)果

2.2.2 回歸方程及方差分析

表4 方差分析

由表4可知，函數(shù)模型失擬項P>0.05，說明預(yù)測模型和預(yù)測情況擬合充分，可真實反映不同影響因素間的關(guān)系，4個影響因素對大豆粕蛋白溶解度的影響程度為X2>X1>X4>X3，因素之間的交互影響X1X3不顯著，其余項影響均顯著。

2.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化工藝條件驗證實驗

對響應(yīng)面優(yōu)化實驗得到的回歸方程進(jìn)行極值求解計算，結(jié)果為X1=0.42 MPa、X2=62 min、X3=55℃、X4=(30°-40°)，此時大豆粕蛋白溶解度為1.806 mg/mL。結(jié)合單因素實驗和響應(yīng)面實驗結(jié)果，確定噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同強(qiáng)化大豆粕蛋白溶解優(yōu)化工藝條件為：噴射流空化壓力0.42 MPa，噴射流空化時間62 min，噴射流空化溫度55℃，噴射流裝置入口角度30°-出口角度40°，料液比1.5∶100，機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min，機(jī)械研磨時間30 min。在優(yōu)化工藝條件下進(jìn)行3次驗證實驗，溶解度分別為1.807、1.808、1.809 mg/mL，平均溶解度為1.808 mg/mL，與回歸方程模型得到的計算值相差0.1%，驗證結(jié)果證明回歸方程模型具有極高可信度。未經(jīng)噴射流空化-機(jī)械研磨處理過的大豆粕蛋白溶解度為0.78 mg/mL，說明噴射流空化-機(jī)械研磨處理可顯著提高大豆粕蛋白溶解度。

2.3 噴射流空化-機(jī)械研磨制備的大豆粕蛋白溶液的表面活性性能

對產(chǎn)物表面張力、乳化性能、起泡性能、潤濕性能進(jìn)行測定，結(jié)果見表5。

表5 產(chǎn)物表面活性性能對比

注：大豆粕蛋白溶液1為經(jīng)空化-研磨處理的；大豆粕蛋白溶液2為未經(jīng)空化-研磨處理的。

由表5可知，經(jīng)噴射流空化-機(jī)械研磨處理的大豆粕蛋白溶液表面活性有大幅改善，表面張力、乳化性能與月桂酸鉀、十二烷基硫酸鈉相比相差很小，其余表面活性性能相差稍大。說明經(jīng)噴射流空化-機(jī)械研磨處理的大豆粕蛋白溶液具有一定的表面活性。

3 結(jié) 論

本研究利用噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同強(qiáng)化裝置，對影響大豆粕蛋白溶解度因素進(jìn)行研究，利用單因素實驗和響應(yīng)面實驗得到噴射流空化-機(jī)械研磨協(xié)同強(qiáng)化大豆粕蛋白溶解的優(yōu)化工藝條件為：噴射流空化壓力0.42 MPa，噴射流空化時間62 min，噴射流空化溫度55℃，噴射流裝置入口角度30°-出口角度40°，料液比1.5∶100，機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min，機(jī)械研磨時間30 min。在優(yōu)化條件下，大豆粕蛋白溶解度達(dá)1.808 mg/mL。另外，表面活性性能測試結(jié)果表明，經(jīng)噴射流空化-機(jī)械研磨處理的大豆粕蛋白溶液具有一定的表面活性。