擠壓膨化后微體化預(yù)處理水酶法提取大豆油脂工藝研究

齊寶坤，江連洲，*，李 楊，2，王心剛，徐龍福

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030;2.國(guó)家大豆工程中心，黑龍江哈爾濱 150030)

擠壓膨化后微體化預(yù)處理水酶法提取大豆油脂工藝研究

齊寶坤1，江連洲1，*，李 楊1，2，王心剛1，徐龍福1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030;2.國(guó)家大豆工程中心，黑龍江哈爾濱 150030)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水量、?？卓讖胶团蚧笪锪戏鬯榱６?個(gè)因素為自變量，以總油提取率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了最佳提油率下的擠壓－微體化參數(shù)。結(jié)果表明，擠壓最佳條件為溫度96℃、螺桿轉(zhuǎn)速96r/min、物料含水率14.6%、?？卓讖?5mm、膨化后物料粉碎粒度120目，此時(shí)提油率為94.34%±0.74%。并且采用紅外光譜分析了大豆擠壓膨化前后提取的大豆分離蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而討論蛋白結(jié)構(gòu)變化對(duì)水酶法提取油脂過(guò)程中油脂釋放的影響，結(jié)果表明，擠壓膨化后蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中β－折疊含量降低，無(wú)規(guī)卷曲含量升高，蛋白質(zhì)由有序向無(wú)序結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，可以使得酶解過(guò)程中油脂釋放量增加。

擠壓膨化，微體化，水酶法，大豆油脂

在植物油脂制取中，主要采用以六號(hào)溶劑為主的浸出法和機(jī)械壓榨法。壓榨法工藝簡(jiǎn)單，配套設(shè)備少，對(duì)油料品種適應(yīng)性強(qiáng)，風(fēng)味純正，但壓榨后的餅殘油量高，出油效率較低，動(dòng)力消耗大，零件易損耗。浸出法雖油脂提取率高(95%～98%)，但濕粕在高溫脫溶過(guò)程中蛋白變性嚴(yán)重，而且有機(jī)溶劑的使用增加了工藝的繁瑣性、降低了生產(chǎn)的安全性、造成環(huán)境污染，并且隨著石油資源的枯竭，有機(jī)溶劑也必將耗盡［1－3］。水酶法提油(EAEP)技術(shù)作為一種新興的“綠色、環(huán)保”提油技術(shù)，它在提取油脂的同時(shí)能高效的回收油料中其他價(jià)值組分，被油脂科學(xué)界稱為“一種油料資源的全利用技術(shù)”，水酶法提油技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比，其在能耗、環(huán)境和安全衛(wèi)生等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)［4－8］。細(xì)胞壁是從細(xì)胞中提取油脂最主要的屏障，因此，水酶法提油，細(xì)胞壁的破碎是十分必要的［9］。物理預(yù)處理可以破壞細(xì)胞壁，目前主要的物理預(yù)處理方式有擠壓膨化［1，5，8］、超高壓［8］、超聲波［10］、壓片［5，11］、脈沖電場(chǎng)［12］等，而擠壓膨化預(yù)處理可有效增加生物解離大豆蛋白提油過(guò)程中油脂的釋放［4］。另有研究發(fā)現(xiàn)，膨化物料的粉碎粒度對(duì)水酶法提取大豆油脂也有較大影響，膨化料粉碎后平均粒徑越小，對(duì)應(yīng)的總油提取率越大［1］?；跀D壓膨化與膨化物料粉碎粒徑對(duì)于水酶法提取大豆油油脂釋放均有正向影響，本實(shí)驗(yàn)利用響應(yīng)面對(duì)擠壓－微體化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［1，11］，并借助紅外光譜技術(shù)討論膨化前后大豆分離蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)變化，并探討其余與油脂釋放的關(guān)系［13－14］。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

大豆 東農(nóng)－47(水分10.8%、蛋白質(zhì)41.6%、脂肪20.8%、灰分4.3%、粗纖維8.84%;可溶性碳水化合物13.75%);Protex－6L堿性蛋白酶 諾維信公司提供，最適溫度50～70℃，最適pH8～10;氫氧化鈉、鹽酸等 均為市售分析純。

索氏抽提器 天津玻璃儀器廠;近紅外分析儀

美國(guó)FOSS;剖分式雙螺桿擠壓機(jī) 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院自行研制;分析天平FA2004 上海市舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;酸度計(jì)pHS－3C 上海雷磁儀器廠;電熱恒溫水浴箱DZKW－S－4 北京市永光明醫(yī)療器械廠;粉碎機(jī)、電動(dòng)攪拌機(jī)JT－160W 金壇市醫(yī)療器械廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 原料大豆與殘?jiān)某煞譁y(cè)定 水分的測(cè)定: GB304－87進(jìn)行測(cè)定;粗脂肪的測(cè)定:GB5512－85中索氏抽提法進(jìn)行測(cè)定;粗蛋白的測(cè)定:GB6432－94標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定;灰分測(cè)定:GB5009.4－85;原料成分測(cè)定:利用近紅外分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 計(jì)算公式［15］

總油提取率(%)=(大豆總含油質(zhì)量－酶解提取后殘?jiān)唾|(zhì)量)/大豆總含油質(zhì)量×100

1.3 擠壓-微體化響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［18］

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定各因素的水平值范圍，采用響應(yīng)面中心組和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究各酶解參數(shù)對(duì)考察指標(biāo)的影響規(guī)律。選取擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水、模孔孔徑和膨化后物料粉碎粒度5個(gè)因素為自變量，以總油提取率(%)為響應(yīng)值，其因素水平編碼表見(jiàn)表1。

表1 因素水平編碼表Table 1 Encode table of factors and levels

1.4 紅外光譜測(cè)定

樣品粉碎后過(guò)80目的篩，先在40℃烘箱中烘干12h，然后在紅外燈下研磨。稱取待測(cè)樣品約2mg，加入優(yōu)級(jí)純溴化鉀約200mg，然后在瑪瑙研缽中研磨約15min，在壓片機(jī)上進(jìn)行壓片，14kg壓力約保持1min，然后將制得的均勻透明薄片放入紅外光譜儀中進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定條件:光譜掃描范圍400～4000cm－1，分辨率4cm－1，信號(hào)掃描累加64次。每種處理圖譜掃描重復(fù)兩次。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，結(jié)果表示為平均數(shù)±SD;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用 SAS9.2進(jìn)行響應(yīng)面分析，應(yīng)用origin8.5進(jìn)行畫圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)安排及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化。以各擠壓－微體化參數(shù)x1、x2、x3、x4、x5為自變量，以總油提取率為響應(yīng)值，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)號(hào)1～26為析因?qū)嶒?yàn)，27～36為10個(gè)中心實(shí)驗(yàn)，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。

表2 實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果Table 2 Experimental design and results

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS9.2進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型如下:

表3 回歸與方差分析結(jié)果Table 3 The table of variance analysis

由表3可知，方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，該模型回歸顯著(p＜0.0001)，失擬項(xiàng)不顯著(p＞0.05)，并且該模型 R2=94.05%，R= 88.33%，說(shuō)明該模型與實(shí)驗(yàn)擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著，可以用于該反應(yīng)的理論推測(cè)。由F檢驗(yàn)可以得到因子貢獻(xiàn)率為:x1＞x5＞x3＞x2＞x4，即擠壓溫度＞物料粉碎粒度＞物料含水率＞螺桿轉(zhuǎn)速＞?？卓讖健?/p>

應(yīng)用響應(yīng)面尋優(yōu)分析方法對(duì)回歸模型進(jìn)行分析，最優(yōu)擠壓溫度96℃、螺桿轉(zhuǎn)速96r/min、物料含水率14.6%、模孔孔徑15mm、膨化后物料粉碎粒度為120目，此時(shí)提油率為94.34%±0.74%。

由圖1分析結(jié)果可看出:套筒溫度(x1)與螺桿轉(zhuǎn)速(x2)、套筒溫度(x1)與物料含水(x3)、螺桿轉(zhuǎn)速(x2)與物料含水(x3)、螺桿轉(zhuǎn)速(x2)與物料粉碎粒度(x5)、物料含水(x3)與模孔孔徑(x4)的交互作用對(duì)大豆總油提取率均有顯著影響，并且有明顯的極值出現(xiàn)。由此可知，在日后的工業(yè)化生產(chǎn)中對(duì)此五個(gè)參數(shù)的調(diào)控均有限制。

2.3 紅外光譜分析

蛋白質(zhì)和多肽在紅外區(qū)域表現(xiàn)為9個(gè)特征振動(dòng)模式或集團(tuán)頻率，因此可以利用傅里葉變換紅外光譜對(duì)擠壓膨化前后蛋白結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，并推測(cè)膨化機(jī)理。在蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)研究中常用酞胺Ⅰ帶(1600～1700cm－1)譜峰進(jìn)行指認(rèn)，其中，1610～1640cm－1為 β－折疊，1640～1650cm－1為無(wú)規(guī)卷曲，1650～1658cm－1為α－螺旋，1660～1700cm－1為β－轉(zhuǎn)角［19－20］，根據(jù)此規(guī)律研究擠壓膨化前后蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，并分析蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變化對(duì)大豆油脂釋放的影響規(guī)律。

圖2是擠壓膨化前后大豆分離蛋白紅外光譜圖，未經(jīng)處理與擠壓膨化處理的SPI樣品的酰胺Ⅰ峰(去卷積)的總紅外吸收強(qiáng)度擬合曲線見(jiàn)圖3。

表4列出的是大豆分離蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)定量信息，由表4可以看出大豆經(jīng)過(guò)擠壓膨化后蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中α－螺旋含量降低，β－折疊含量由原來(lái)的48.6%降低到36.1%，而無(wú)規(guī)卷曲含量則由17.9%上升至27.9%，說(shuō)明大豆經(jīng)過(guò)擠壓膨化后氫鍵斷裂，蛋白結(jié)構(gòu)由原來(lái)的有序結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o(wú)序結(jié)構(gòu)，這種改變使得提油率比未經(jīng)膨化的有所增加，因此，擠壓膨化后α－螺旋和β－折疊向β－轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲含量的轉(zhuǎn)變有助于酶解過(guò)程中油脂的釋放。

表4 大豆分離蛋白酰胺Ⅰ帶擬合曲線各子峰參量(%)Table 4 The soy protein isolate amide I band fitting curve to the sub－peak parameters

3 結(jié)論

利用響應(yīng)面對(duì)擠壓膨化－微體化工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為以后的中試以及工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。并且得到了最優(yōu)工藝參數(shù)為:擠壓溫度96℃、螺桿轉(zhuǎn)速96r/min、物料含水率14.6%、模孔孔徑15mm、膨化后物料粉碎粒度為120目，此時(shí)提油率為94.34%±0.74%。

圖1 交互項(xiàng)顯著的響應(yīng)面分析Fig.1 Response surface analysis of significant effective interaction items

圖2 擠壓膨化前后大豆分離蛋白紅外光譜圖Fig.2 Extrusion before and after the soy protein isolate FTIR spectra

圖3 大豆分離蛋白酰胺Ⅰ帶的擬合曲線Fig.3 The soy protein isolate amide I band fitting curve

利用紅外光譜對(duì)膨化前后蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)研究可知，大豆經(jīng)過(guò)擠壓膨化后，α－螺旋與β－折疊含量降低，β－轉(zhuǎn)角與無(wú)規(guī)卷曲含量升高，說(shuō)明大豆經(jīng)過(guò)擠壓膨化后氫鍵斷裂，蛋白結(jié)構(gòu)由原來(lái)的有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變，而這種轉(zhuǎn)變更利于酶解過(guò)程中油脂的釋放。

［1］李楊.水酶法制取大豆油和蛋白關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)理研究［D］.哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

［2］錢俊青.水酶法提取大豆油工藝研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2001.

［3］朱大沛，石鐵錚，編著.油脂制取工藝學(xué)［M］.鄭州:科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［4］K A Campbell，L A Johnson.Advances in aqueous extraction processing of soybeans［J］.JAOCS，2011，88:449－465.

［5］B P Lamsala，P A Murphyb，L A Johnson.Flaking and extrusion as mechanical treatments for enzyme－assisted aqueous extraction of oil from Soybeans［J］.JAOCS，2006，83(11): 973－979.

［6］B P Lamsal，L A Johnson.Separating oil from aqueous extraction fractions of soybean［J］.Journal of the American Oil Chemist’s Society，2007，84(8):785－792.

［7］Ramon Morales Chabrand，Hyun－Jung Kim，Cheng Zhang，et al.Destabilization ofthe emulsion formed during aqueous extraction of soybean oil［J］.Journal of the American Oil Chemist’s Society，2008，85(4):383－390.

［8］Stephanie Jung，Abdullah A，Mahfuz.Low temperature dry extrusion and high－pressure processing prior to enzyme－assisted aqueous extraction of full fat soybean flakes［J］.Food Chemistry，2008，44(10):1－8.

［9］Campbell KA，Glatz CE.Mechanisms of aqueous extraction of soybean oil［J］.J Ag Food Chem，2009，57(22):10904－10912.

［10］Aparna Sharma，M N Gupta.Ultrasonic pre－irradiation effect upon aqueous enzymatic oil extraction from almond and apricot seeds［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2006，13:529－534.

［11］J M L N de Moura，N M de Almeida，S Jung，et al.Flaking as a pretreatment for enzyme－assisted aqueous extraction processing of soybeans［J］.J Am Oil Chem Soc，2010，87:1507－1515.

［12］劉燕燕，曾新安，陳曉東.FTIR分析脈沖電場(chǎng)和熱處理后的大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)變化［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2010，30 (9):2340－2344.

［13］Siu－Mei Choi，Ching－Yung Ma.Structural characterization of globulin from common buckwheat(Fagopyrum esculentum Moench)using circular dichroism and Raman spectroscopy［J］.Food Chemistry，2007，102:150－160.

［14］V Schmidt，C Giacomelli，V Soldi.Thermal stability of films formed by soy protein isolate esodium dodecyl sulfate［J］.Polymer Degradation and Stability，2005，87:25－31.

［15］李楊.模糊評(píng)判優(yōu)化水酶法提取膨化大豆油脂和蛋白［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(2):375－380.

［16］Byler D M，Susi H.Examination of the secondary structure of proteins by deconvolved FTIR spectra［J］.Biopolymers，1986，25: 469－487.

［17］Susi H，Byler D M.Fourier transform infrared spectroscopy in protein conformation studies.In:Cherry，J.P.，Barford，R.A.(Eds.)，Methods for Protein Analysis［J］.American Oil Chemists Society Champaign IL，1988:235－250.

［18］Moreau RA，Johnston DB，Powell MJ，et al.A comparison of commercial enzymes for the aqueous enzymatic extraction of corn oil from corn germ［J］.J Am Oil Chem Soc，2004，81: 1071－1075.

［19］Che Man YB，Suhardiyono AB，et al.Aqueous enzymatic extraction of coconut oil［J］.J Am Oil Chem Soc，2006，73: 683－686.

［20］黃燕，吳平.SAS統(tǒng)計(jì)分析及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:202－252.

Research of extruded－ultra－micro pretreatment of aqueous enzymatic extraction of soybean oil technology

QI Bao－kun1，JIANG Lian－zhou1，*，LI Yang1，2，WANG Xin－gang1，XU Long－fu1
(1.Food College，North East Agriculture University，Harbin 150030，China;
2.Soy Bean Engineering Technique Research Center，Harbin150030，China)

Based on single－factor experiments，five factors of extrusion temperature，rotatory speed，moisture，die diameter and particle size were chosen to evaluate in the present study.The response factor was oil extraction rate.By employing RSM design programmed，the optimizedparameters were generatedas follows:extrusion temperature 96℃，rotatory speed 96r/min，moisture 14.6%，die diameter 15mm，particle size 120mesh，and oil extraction rate 94.34%±0.74%.Further analysis on the profile of secondary structure of soybean was carried out by using infrared spectroscopy method.The results illustrated that the oil extraction rate increased along with decreasing β－sheet content，increasd random coil content，and transferred unordered protein to ordered protein.Key words:extrusion;ultra－micro;aqueous enzymatic method;soybean oil

TS225.1+3

B

1002－0306(2012)21－0196－05

2012－05－15 *通訊聯(lián)系人

齊寶坤(1986－)，男，碩士研究生，研究方向:糧食、油脂及植物蛋白工程。

黑龍江省攻關(guān)項(xiàng)目(GA09B401－6);農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目(nycytx－004)。