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）

花生蛋白成分中缺少膽固醇，一般認(rèn)為有利于人身體健康。同時(shí)，其具有和動(dòng)物蛋白一致的營養(yǎng)功能作用，其中蛋白質(zhì)占據(jù)總成分的25%～35%，是重要的植物蛋白提供原料，具有11%蛋白質(zhì)市場(chǎng)占有率[1-3]。

花生最重要的利用途徑是食用油脂的提取，但是花生榨油后產(chǎn)生大量花生蛋白廢棄物，主要作為飼料的主要添加成分，資源利用附加值低，主要原因在于花生蛋白的溶解性相對(duì)較小，影響其在食品、醫(yī)藥等另一利用途徑的拓展。

花生蛋白質(zhì)水溶性是影響本身乳化性能、起泡性能、潤濕性能的根源，因此蛋白質(zhì)水溶性高低成為其應(yīng)用制約因素，創(chuàng)新提升花生蛋白溶解特性的路徑在花生蛋白價(jià)值與應(yīng)用提高方面具有重要理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

U-M-I協(xié)同強(qiáng)化是超聲波、機(jī)械研磨、撞擊-噴射流水力空化協(xié)同提取工藝的簡稱，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)。超聲波是頻率高于2×10-4Hz聲波的總稱，具有聲波能量集中、易反射、方向集中的特點(diǎn)。超聲波在溶液傳播過程中，引起局部高壓、高溫產(chǎn)生空化作用與機(jī)械作用，可破壞花生蛋白結(jié)構(gòu)中分子間作用力、肽鍵、蛋白質(zhì)殘基結(jié)構(gòu)，提高水溶性等功能[4]。機(jī)械研磨是利用研磨材料之間高速旋轉(zhuǎn)、碰撞、擠壓過程中產(chǎn)生的作用力破壞花生蛋白組織結(jié)構(gòu)，促使其含有親水基團(tuán)暴露，提高其水溶性[5]。撞擊-噴射流水力空化是利用流體撞擊與流速變化，在液體內(nèi)部形成壓差，產(chǎn)生空化作用，加花生蛋白結(jié)構(gòu)改變，提升水溶性[6]。

花生蛋白結(jié)構(gòu)改性方法有熱處理法、微波處理法[3,7-14]，但是研究U-M-I協(xié)同強(qiáng)化花生蛋白質(zhì)溶解工藝，還鮮見公開報(bào)道。

人體健康酸堿度為中性偏堿，因此研究此條件下花生蛋白水溶性提升的方法具有重要應(yīng)用價(jià)值。利用U-M-I協(xié)同強(qiáng)化花生蛋白質(zhì)溶解工藝，在進(jìn)行影響提取工藝影響因素單因素試驗(yàn)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-I協(xié)同原理設(shè)計(jì)U-M-I協(xié)同強(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、濃鹽酸（均為AR，佛山市遠(yuǎn)東化學(xué)試劑有限公司）；花生蛋白（5S壓榨技術(shù)）、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）。

恒溫水浴鍋（B-260-Ⅲ型，上海耀特儀器設(shè)備有限公司）；高速萬能粉碎機(jī)（ZT-400型，永康市展帆工貿(mào)有限公司）；電子天平（WT-B型，杭州市萬特衡器有限公司）；離心機(jī)（AR1140型，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-I協(xié)同強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計(jì)示意圖

U-M-I協(xié)同提取設(shè)備設(shè)計(jì)示意圖，主要結(jié)構(gòu)由超聲波發(fā)生器、射流-撞擊流水力空化裝置、機(jī)械研磨設(shè)備組成，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 花生蛋白預(yù)處理與溶解工藝優(yōu)化

將經(jīng)5S壓榨技術(shù)處理過的花生，利用粉碎機(jī)粉碎成粒度0.15 mm花生蛋白粉，備用。

將一定量花生蛋白粉，用蒸餾水浸泡24 h，按照液料比10%配制溶液，按照一定試驗(yàn)條件進(jìn)行U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溶解，對(duì)強(qiáng)化溶液進(jìn)行過濾、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-I協(xié)同強(qiáng)化溶解工藝，得到最優(yōu)工藝條件。

圖1 U-M-I協(xié)同強(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

1.2.3.1 花生蛋白水溶液界面張力

利用全自動(dòng)界面張力儀（DT-102A型）對(duì)花生蛋白水溶液，進(jìn)行3次界面張力測(cè)定，按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

1.2.3.2 乳化性能[15-16]

將100 mL花生蛋白水溶液與100 mL花生油混合，利用高剪切混合乳化頭（100LK型）將油、花生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）。

1.2.3.3 起泡性能[17]

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，具體方法為：利用高剪切混合乳化頭（100LK型）高速攪拌，500 mL高精確度燒杯中250 mL花生蛋白水溶液，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。

1.2.3.4 潤濕性能[18-19]

利用花生蛋白水溶液浸透一定測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物時(shí)間長短來衡量潤濕性，具體方法按照GB/T 11983—2008進(jìn)行。

1.2.4 花生水溶液樣品中溶解度測(cè)定

花生水溶液樣品中花生蛋白含量（溶解度）測(cè)定利用GB/T 5009.5—2010中規(guī)定的凱氏定氮機(jī)理進(jìn)行[20]，具體計(jì)算方法如式（4）所示。

式中：Y為試樣（100 g離心液）中蛋白質(zhì)含量，即溶解度，10-2g/100 g；V1為試液消耗硫酸或鹽酸標(biāo)液滴定液的體積，mL；V2為試液空白消耗硫酸或鹽酸標(biāo)液滴定液的體積，mL；V3為吸取消化液體積，mL；c為硫酸或鹽酸標(biāo)液濃度，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)，花生為5.46。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間對(duì)溶解的影響

在確定U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度50 ℃、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速2 000 r/min、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力0.075 MPa、超聲功率300 W的條件下，探究U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間影響花生蛋白溶解度的規(guī)律。U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間的影響在于，超聲、撞擊-噴射流水力空化作用與機(jī)械研磨外力在量上積累，時(shí)間越長能夠破壞花生蛋白的結(jié)構(gòu)越充分，但是同時(shí)空化與機(jī)械剪切碰撞同樣會(huì)加速花生蛋白一些列化學(xué)反應(yīng)，會(huì)引起溶解度的降低。變化規(guī)律如圖2所示。溶解度隨U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間增加而逐步增大，在15 min時(shí)得率出現(xiàn)最大值，隨后出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖2 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間對(duì)溶解度的影響

2.1.2 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度對(duì)得率的影響

在確定U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間15 min、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速2 000 r/min、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力0.075 MPa、超聲功率300 W的條件下，探究U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度影響花生蛋白溶解度的規(guī)律。溶解度隨協(xié)同強(qiáng)化溫度變化的規(guī)律如圖3所示。溫度是影響花生蛋白溶解度的重要因素，本質(zhì)在于溫度會(huì)加花生蛋白分子的動(dòng)能，加速其溶解于水溶液。同時(shí)升溫會(huì)降低超聲、撞擊-噴射流水力空化作用，使溶解度降低。得率在溫度50～60 ℃條件下，穩(wěn)步提升，60 ℃出現(xiàn)最大值，溫度繼續(xù)增加得率逐步下降。

圖3 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度對(duì)溶解度的影響

2.1.3 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速對(duì)得率的影響

在確定U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間15 min、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度60 ℃、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力0.075 MPa、超聲功率300 W的條件下，探究U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速影響花生蛋白溶解度的規(guī)律，結(jié)論如圖4所示。U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速對(duì)溶解度的影響，在于機(jī)械剪切力等機(jī)械力隨研磨速度增加而增大，從而增加束縛花生蛋白親水性基團(tuán)暴露更多的結(jié)構(gòu)而被破壞，溶解度提高。U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)溶解度最大。同時(shí)，過高U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的熱能與動(dòng)能會(huì)引起花生蛋白分子凝聚，降低溶解度。

圖4 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速對(duì)溶解度的影響

2.1.4 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力對(duì)得率的影響

在確定U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間15 min、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度60 ℃、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速2 500 r/min，超聲功率300 W的條件下，探究U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力影響花生蛋白溶解度的規(guī)律，變化規(guī)律如圖5所示。溶解度隨著U-M-I協(xié)同提取壓力的增加而增大，壓力0.12 MPa時(shí)溶解度最大，繼續(xù)增大溶解不再有明顯提升，壓力過高會(huì)出現(xiàn)超空化現(xiàn)象，降低空化效率。

2.1.5 超聲功率對(duì)得率的影響

在確定U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間15 min、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度60 ℃、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速2 500 r/min，U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力0.12 MPa的條件下，探究超聲波功率影響花生蛋白溶解度的規(guī)律，變化規(guī)律如圖6所示。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，功率400 W時(shí)溶解度最大，超聲功率繼續(xù)增加，溶解度有所下降。超聲功率過高，造成過多超聲空化能量破壞花生蛋白結(jié)構(gòu)。

圖5 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力對(duì)溶解度的影響

圖6 超聲功率對(duì)溶解度的影響

2.2 U-M-I協(xié)同強(qiáng)化花生蛋白溶解工藝響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)

通過單因素試驗(yàn)結(jié)果確定：超聲功率400 W，U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力0.12 MPa。在此基礎(chǔ)上，選取花生蛋白溶解度為響應(yīng)值Y，U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度（X1）、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間（X2）、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速（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(duì)試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與處理，得到影響因素與原花青素得率之間的數(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)論如表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：Y=75.57-0.132 5X1-0.076 25X2-0.088 75X3-1.202 5+0.45

軟件SAS對(duì)影響因素與試驗(yàn)結(jié)論回歸分析數(shù)據(jù)，表明影響因素和得率（Y）間的回歸方程的p值與R2值關(guān)系為p＜0.003 3＜0.05，R2＜0.05，R2=99.74%。

關(guān)系式表明經(jīng)SAS擬合得到的三元二次回歸函數(shù)方程（1）預(yù)測(cè)的溶解度值精準(zhǔn)度為99.74%。

同時(shí)回歸數(shù)據(jù)分析表明失擬項(xiàng)p值關(guān)系為p=0.096 5＞0.05。

關(guān)系式表明預(yù)測(cè)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

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)

對(duì)三元二次回歸函數(shù)方程進(jìn)行求解，極大值計(jì)算結(jié)果為X1=57，X2=14，X3=2 300；Y=76.23。

綜合三元二次回歸函數(shù)方程求解及單因素試驗(yàn)結(jié)論，U-M-I協(xié)同強(qiáng)化最佳工藝為超聲功率400 W、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力0.12 MPa、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度57 ℃、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間14 min、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速2 300 r/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)果為Y1=76.23，Y2=76.24，Y3=76.25；Y=76.24。

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：超聲功率為400 W、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化壓力0.12 MPa、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化溫度57℃、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化時(shí)間14 min、U-M-I協(xié)同強(qiáng)化轉(zhuǎn)速2 300 r/min。在此優(yōu)化條件下溶解度為76.24×10-2g/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)誤差僅0.01%，模型高效可用。