超聲與高壓微射流處理對(duì)大豆分離蛋白微細(xì)化的影響

馮麗麗 - 吳 雪 黃志剛 - 俞 劍

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

大豆分離蛋白(Soy Protein Isolate，SPI)是豆粕高值化的重要產(chǎn)品，因其具備良好的乳化性、起泡性、膠凝性等功能性質(zhì)，在食品加工中有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而使用過(guò)程中受天然大豆蛋白溶解性等因素制約，需要通過(guò)改性技術(shù)提高大豆蛋白的乳化與膠凝等性能。相比于生物改性、化學(xué)改性和復(fù)合改性技術(shù)，物理改性方法本身多作為食品加工的中間環(huán)節(jié)而受到廣泛的應(yīng)用。

超聲處理是典型的物理改性方法，主要是利用超聲振動(dòng)誘發(fā)液體內(nèi)部產(chǎn)生大量空泡，空泡撞擊、潰滅過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆炸、沖擊與微射流作用[1]，改變蛋白質(zhì)的次級(jí)結(jié)構(gòu)和理化性能，從而改善蛋白質(zhì)的乳化、膠凝和流變等特性[2-4]。超聲處理操作簡(jiǎn)單，處理效果均勻一致，但處理時(shí)間較長(zhǎng)，由于缺乏成熟的工業(yè)級(jí)超聲設(shè)備，目前還未有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。高壓微射流作為新型的物理改性方法，主要是利用高壓驅(qū)動(dòng)料液高速通過(guò)形狀各異的微細(xì)流道，在剪切、撞擊、摩擦和空化等作用下，改變蛋白質(zhì)分子的排列和結(jié)構(gòu)[5]。然而高壓微射流作為高能量級(jí)的處理方法，容易出現(xiàn)“過(guò)加工”現(xiàn)象[6-7]。高壓微射流操作壓力大，但單機(jī)處理能力有限，在廣泛應(yīng)用上受到一定限制。

相關(guān)研究表明許多乳化特性如乳化穩(wěn)定性、流變特性、色澤改變?cè)从谌橐旱拇笮『土６确植嫉淖兓痆8]，乳液的微滴尺寸越小，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性越好，越易被應(yīng)用在不同的加工領(lǐng)域中[9]。因此，本試驗(yàn)擬采用超聲和高壓微射流處理大豆分離蛋白乳液，研究不同處理方法對(duì)大豆分離蛋白乳液平均粒徑和粒度分布的影響，探尋優(yōu)化的乳化條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

SPI：食品級(jí)，純度90%，山松生物制品有限公司；

高速攪拌器：601型，上海三信儀表廠；

納米超高壓均質(zhì)機(jī)：NCJJ-0.005/150型，可提供壓力為0～150 MPa，最大處理量為5 L/h，閥孔直徑100 μm，0～750 r/min 內(nèi)調(diào)整電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)與柱塞的傳動(dòng)比5 mm/r，柱塞直徑10 mm，廊坊通用機(jī)械制造有限公司；

超聲細(xì)胞破碎機(jī)(超聲電源輸出20 kHz，固定頻率的電流，超聲換能器及其連接的變幅桿將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，超聲換能器連接的變幅桿在最大功率時(shí)可以將伸縮振幅放大到100 μm左右)：VCX1500型，超聲頻率20 kHz，功率1 500 W，探頭直徑16 mm，美國(guó)SONIC&MATERIALS INC公司；

掃描電子顯微鏡：Phenom XL型，荷蘭Phenom-world公司；

激光粒度分析儀：MS2000型，濕法測(cè)量范圍0.02～2 000.0 μm，全量程采用激光衍射法和完全迷失光散射理論，重復(fù)性±0.5%，準(zhǔn)確性±1%，英國(guó)馬爾文公司。

1.2 方法

1.2.1 SPI初液配置與預(yù)處理 SPI 干粉與去離子水以1∶19的質(zhì)量比配成試驗(yàn)設(shè)定濃度5%的溶液，室溫( 25 ℃)高速(1 500 r/min)攪拌2 h，置于 20 ℃冰箱中水化過(guò)夜，取出后攪拌至室溫。

1.2.2 高壓微射流處理 將SPI預(yù)處理液倒入200 mL的鋼制料腔，通過(guò)單向閥控制進(jìn)入高壓微射流腔體，高壓柱塞以25，30，35，40，45 mm/s驅(qū)動(dòng)料液高速通過(guò)微射流閥孔1次，料腔壓力分別達(dá)到35，46，56，72，85 MPa，在微射流閥出口位置接溫度傳感器，測(cè)量料液溫升情況。上述高壓微射流處理分別進(jìn)行1，2，3，4次后取樣進(jìn)行粒度分析。

1.2.3 超聲處理 使用20 kHz超聲處理SPI預(yù)處理液。將800 mL SPI預(yù)處理液放入1 000 mL普通燒杯中，超聲變幅桿端部浸入SPI預(yù)處理液中100 mm，采用工作10 s，間歇10 s 的工作方式。操作功率分別為400，800，1 200，1 500 W，超聲工作時(shí)間總計(jì)1，3，5，10，15 min時(shí)取樣進(jìn)行粒度分析。

1.2.4 電鏡觀察 取少量干粉樣品均勻撒在粘有導(dǎo)電膠的樣品臺(tái)上，噴金處理90 s后，置于掃描電鏡下觀察。經(jīng)超聲和高壓微射流處理的濕樣用滴管滴1滴至粘有導(dǎo)電膠的樣品臺(tái)上，待水分完全蒸發(fā)后噴金處理90 s，置于掃描電鏡下觀察。

1.2.5 乳液尺寸與粒度分布 采用濕法進(jìn)樣，重復(fù)測(cè)定3次。粒徑以加權(quán)平均粒徑——表面積平均粒徑D[3,2]和體積平均粒徑D[4,3]表示。

(1)

(2)

式中：

D[3,2]——表面積加權(quán)平均粒徑，μm；

D[4,3]——體積加權(quán)平均粒徑，μm；

ni——第i組粒子數(shù)目；

di——第i組粒子直徑，μm。

選用“分布跨度”參數(shù)衡量乳液粒徑尺寸，分布跨度(span)按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：

span——分布跨度；

d(v,10) ——10%(體積分?jǐn)?shù))的微滴(粒)最大直徑，μm；

d(v,50) ——50%(體積分?jǐn)?shù))的微滴(粒)最大直徑，μm；

d(v,90) ——90%(體積分?jǐn)?shù))的微滴(粒)最大直徑，μm。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳液溫升

試驗(yàn)結(jié)果表明，SPI乳液溫度隨著超聲功率的增大、超聲時(shí)間的延長(zhǎng)基本呈線性增強(qiáng)的趨勢(shì)，見(jiàn)圖1(a)；高壓射流閥出口位置SPI乳液溫度隨高壓微射流操作壓力的提高而呈線性增大，見(jiàn)圖1(b)。例如，超聲(1 200 W，10 min)處理使得SPI乳液溫度上升19 ℃，相當(dāng)于無(wú)冷卻輔助措施條件下56 MPa 高壓微射流處理1次的溫升。高壓微射流處理操作壓力越高，SPI乳液的溫升越明顯，溫升主要源于乳液受迫通過(guò)微細(xì)閥孔瞬時(shí)受到強(qiáng)烈的剪切、湍流和空化等作用，耗散的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能。

料液溫升能夠降低黏度與表面張力并促進(jìn)液滴破裂。但溫度升高會(huì)有一些復(fù)雜影響。溫升影響表面有活性組分的特性，溫升增加了液滴撞擊頻率，造成液滴結(jié)合頻率的提升[10-11]，使最終液滴尺寸增大，這是高能乳化的主要問(wèn)題。通過(guò)在射流閥出口使用水冷卻套，溫升增加降低，見(jiàn)圖1(b)，同時(shí)液滴平均粒徑減小和粒度分布范圍變窄(表1)。可以用結(jié)合頻率解釋結(jié)果，低溫增加乳化連續(xù)相的黏度，減少碰撞機(jī)會(huì)，導(dǎo)致較低的結(jié)合頻率，因此乳化粒徑較小。

2.2 掃描電鏡觀察

由圖2可知，SPI粉體顆粒以球形顆粒為主，5% SPI預(yù)處理液呈現(xiàn)溶脹分散態(tài)，超聲和高壓微射流處理后，料液表觀均勻一致，但結(jié)合表1的加權(quán)平均粒徑數(shù)據(jù)可知，超聲處理的乳滴尺寸縮減能力有限，均勻的乳液狀態(tài)是因?yàn)镾PI大分子團(tuán)與分散劑水的充分溶和以及SPI大分子在水中有序分布，高壓微射流處理能很好地縮減SPI大分子團(tuán)的尺寸，并達(dá)到良好的均勻乳液狀態(tài)。

2.3 超聲能量輸入對(duì)乳液尺寸及分布的影響

在有限時(shí)間范圍內(nèi)，延長(zhǎng)處理時(shí)間可以增加能量輸入，超聲處理對(duì)乳液尺寸及分布有2種貢獻(xiàn)。一方面超聲處理使得乳液粒度分布變窄，粒度分布曲線隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)而左移，見(jiàn)圖3；另一方面，隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，相當(dāng)于能量輸入增加，引起微滴變形和破碎，因此乳液粒徑減小。超聲5 min后，D[4，3]由未處理時(shí)121.167 μm降至111.557 μm，超聲10 min后，D[3，2]由未處理時(shí)51.937 μm降至32.203 μm，表明超聲時(shí)間對(duì)D[3，2]和D[4，3]有顯著的影響，見(jiàn)表2。結(jié)合表2和圖3分析，可能是恰好一些超聲變幅桿附近的液滴在最短時(shí)間內(nèi)被破碎，加權(quán)平均粒徑明顯減小，但乳化程度并不均勻，超聲的空化作用并未使其很好地混合，因此乳液粒徑呈雙峰分布(圖3)，超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(超過(guò)15 min)，超聲能量輸入對(duì)微滴粒度分布的影響越小，可能是超聲能量輸入增加，新形成微滴間的界面穩(wěn)定性減弱和崩塌增加。

圖1 SPI預(yù)處理液的溫度變化Figure 1 Temperature change of preprocessed SPI emulsion表1 不同處理?xiàng)l件下的液滴加權(quán)平均粒徑和粒度分布Table 1 The change of D[4,3], D[3,2] and span effected by different operating condition

序號(hào)1次高壓微射流(柱塞速度40mm/s)有水浴D[4，3]/μmD[3，2]/μmSpan無(wú)水浴D[4，3]/μmD[3，2]/μmSpan超聲(1200W，10min)D[4，3]/μmD[3，2]/μmSpan128．18515．2462．17344．36618．0873．815106．91238．4953．530228．02115．1262．17854．75619．7074．16486．28033．4453．190328．48915．1802．17656．26119．6544．40277．47832．5492．990平均28．23215．1842．17651．79419．1494．12790．22334．6423．263方差0．0380．0020．00027．9680．5650．058152．1686．8510．0497

圖2 掃描電鏡觀察Figure 2 scanning electron microscope observation

超聲功率對(duì)D[3，2]和D[4，3]也有顯著影響，見(jiàn)圖4。由圖4 可知，1 200 W超聲處理的D[4，3]達(dá)到最小，但繼續(xù)增加能量輸入，粒徑大小不降反升，D[4，3]竟然有所增加。換句話說(shuō)，就是輸入更多的能量(更大的能量密度)，乳液的粒徑不降反升。這種現(xiàn)象可以被稱(chēng)為過(guò)加工，主要是過(guò)高強(qiáng)度能量輸入的擾動(dòng)促使微滴凝聚，當(dāng)凝聚速度超過(guò)破碎速度，則在宏觀上出現(xiàn)乳液粒徑變大。

表2 超聲(功率1 200 W)處理時(shí)間對(duì)加權(quán)平均粒徑

圖3 時(shí)間對(duì)粒度分布的影響(超聲功率1 200 W)Figure 3 Influence of ultrasonic time on particle size (ultrasonic power 1 200 W)

圖4 超聲功率對(duì)粒徑的影響(處理時(shí)間10 min)Figure 4 Influence of ultrasonic power on average size (time of duration 10 min)

2.4 高壓微射流能量輸入對(duì)乳液尺寸及分布的影響

提高操作壓力或者操作次數(shù)，可以增加高壓微射流的能量輸入。通常情況下，乳液的平均粒徑和粒度分布會(huì)隨著破碎能量輸入的增加而減小。預(yù)處理液在20～100 MPa內(nèi)5個(gè)不同的操作壓力進(jìn)行高壓微射流處理，每個(gè)操作壓力依次處理1，2，3，4次。

處理次數(shù)對(duì)粒度分布范圍指標(biāo)“分布跨度”的影響不顯著，但對(duì)D[3，2]和D[4，3]有顯著影響，尤其是第1次處理D[3，2]和D[4，3]的數(shù)值明顯減小，見(jiàn)表3。由表3可知，35 MPa 操作壓力下第1次處理將乳液的D[3，2]數(shù)值由47.954 μm 減小到18.761 μm，這是因?yàn)槿橐涸诟邏何⑸淞鬟^(guò)程中瞬間(10-3s級(jí))受到最大程度的破碎。由圖5可知，第1次高壓微射流處理對(duì)粒徑的作用遠(yuǎn)高于第2～4次，由于射流閥孔尺寸固定，一次高壓微射流過(guò)程基本能夠?qū)⑷橐何⒌纹扑橹猎O(shè)備所能達(dá)到的最小尺寸，因此2～4次的高壓微射流處理將微滴破碎至更小尺寸的效果就不明顯。與超聲處理的粒度分布多呈現(xiàn)雙峰分布不同，高壓微射流處理的粒度分布屬于明顯的單峰分布，說(shuō)明高壓微射流處理更加均勻。

35～85 MPa高壓射流操作對(duì)乳液粒徑影響不大(見(jiàn)圖6)，D[4，3]基本沒(méi)有減小，通過(guò)提高壓力并未獲得明顯的粒徑減小效果，甚至在操作壓力達(dá)到72 MPa時(shí)，D[4，3]反而增加，與超聲功率達(dá)到某值后功率繼續(xù)增加一樣，出現(xiàn)過(guò)加工現(xiàn)象。

表3高壓微射流處理次數(shù)對(duì)加權(quán)平均粒徑D[4，3]與D[3，2]的影響(操作壓力35 MPa)

Table 3 The change ofD[4,3]andD[3,2]effected by microfluidization (Operating pressure 35 MPa)

處理次數(shù)/次D[3，2]/μmD[4，3]/μmspan047．954120．6301．987118．76136．5182．245217．06334．6352．279315．62729．2772．022414．74525．4231．892

高壓微射流處理后，乳液粒徑的結(jié)果是兩個(gè)相反過(guò)程——破碎和再凝聚的綜合體現(xiàn)。在微射流腔內(nèi)，由于巨大的能量輸入(高壓)，乳液破碎是高效劇烈的。一旦乳液成功破碎，就會(huì)形成乳液微滴間新的界面，新形成的微滴為了熱力學(xué)上的穩(wěn)定而傾向于凝聚，而高壓微射流過(guò)程高強(qiáng)度的擾動(dòng)促使微滴間界面的崩塌，形成微滴凝聚。如果凝聚速度超過(guò)破碎速度，則在宏觀上出現(xiàn)乳液粒徑變大。由圖6可知，在操作壓力超過(guò)56 MPa時(shí)，D[4，3]變大也說(shuō)明微滴破碎疊加上了微滴凝聚。這與微滴間界面的崩塌率較高有關(guān)，即更高的操作壓力下，微滴凝聚的頻率增加，從而導(dǎo)致乳液粒徑上升。

圖5 高壓微射流處理次數(shù)對(duì)粒度分布的影響 (操作壓力35 MPa)Figure 5 Influence of microfluidization cycles on particle size (Operating pressure 35 MPa)

圖6 高壓微射流操作壓力對(duì)粒徑的影響(1次處理)Figure 6 Influence of operating pressure on particle size (microfluidization, one cycle)

實(shí)際上，“過(guò)操作”強(qiáng)烈地依賴(lài)于能量的輸入和操作的設(shè)備。當(dāng)高壓微射流的壓力或處理次數(shù)增加，體積流速和能量密度增加。高體積流速意味著停留時(shí)間縮短，因此高能量密度增加與高壓微射流過(guò)程乳液在作用腔中停留時(shí)間減小相關(guān)[12-13]。因?yàn)槲⒌伍g新形成的界面穩(wěn)定較差，因此在短停留時(shí)間里，凝聚發(fā)生的可能性就會(huì)大大增加。同時(shí)，因?yàn)槟芰棵芏仍黾?，崩塌頻率增大，因此，乳液的粒徑增大。

因?yàn)楦弑浪?，一些破碎后的微滴?huì)立即凝聚，特別是微射流后微滴間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，新形成的微滴并沒(méi)有完全穩(wěn)定下來(lái)，就會(huì)造成一些破碎后的微滴隨后重新凝聚[14-15]。相似的，短期穩(wěn)定，微滴克服再凝聚，在破碎后的幾毫秒到幾分鐘內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；而長(zhǎng)期穩(wěn)定是指數(shù)小時(shí)到幾年的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，乳液溫度與超聲處理時(shí)間基本呈線性相關(guān)，10 min 功率1 200 W的超聲處理與1次中等操作壓力(56 MPa)的高壓微射流處理在無(wú)冷卻水浴時(shí)的溫升基本相同。超聲處理的SPI乳液微滴多呈現(xiàn)雙峰分布，即超聲變幅桿附近的液滴得到破碎，而遠(yuǎn)端乳液的破碎程度受限；高壓微射流處理的SPI乳液微滴呈單峰分布，乳化均勻一致性好。超聲處理能夠提高SPI乳液的乳化均勻性，但乳滴尺寸減小能力有限，隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，還可能造成乳液微滴間的再凝聚，從而造成乳液微滴尺寸增大。對(duì)于粒徑較大(10-4m級(jí))的乳液，短時(shí)(10-6s級(jí))高壓微射流造成的高能量密度能夠達(dá)到較好的微細(xì)化結(jié)果，微觀上乳滴的加權(quán)平均粒徑(D[3,2]和D[4,3])顯著減小。超聲處理適于乳液尺寸不必過(guò)小但乳化穩(wěn)定性有要求的產(chǎn)品，而高壓微射流處理更適于乳液尺寸要小和乳化穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。

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