單純形法優(yōu)化堿溶醬渣中粗蛋白的工藝研究

吳國(guó)權(quán)，朱新貴，李學(xué)偉

(李錦記(新會(huì))食品有限公司，廣東 江門 529156)

單純形法優(yōu)化堿溶醬渣中粗蛋白的工藝研究

吳國(guó)權(quán)，朱新貴*，李學(xué)偉

(李錦記(新會(huì))食品有限公司，廣東 江門 529156)

利用單純形法優(yōu)化堿法溶解醬渣中粗蛋白的工藝，以醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解比例為指標(biāo)，篩選最佳的料液比、時(shí)間、溫度及pH等參數(shù)。結(jié)果表明：采用該方法能搜索到最優(yōu)結(jié)果，滿足收斂條件，并且確定最優(yōu)工藝參數(shù)為：料液比0.05，時(shí)間78.9 min，溫度66.9 ℃，pH 11.67，在該條件下醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解比例為78%。

單純形；醬渣；粗蛋白

醬渣是醬油生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，粗蛋白含量約為20%～30%(以干基計(jì))[1]，高鹽分提高了其被再利用的門檻，致多數(shù)廠家以低價(jià)出售，更有甚者直接將其作為垃圾處理，不僅浪費(fèi)了資源，同時(shí)對(duì)環(huán)境也構(gòu)成了威脅。隨著食品工業(yè)的崛起，醬油產(chǎn)量每年以10%的速度遞增[2]，至2014年產(chǎn)量達(dá)到825萬噸，約產(chǎn)生550萬噸醬渣(以含水75%計(jì))[3]，數(shù)量相當(dāng)可觀。為了再加工利用醬渣，部分學(xué)者開始從事該方面的研究，并取得了一定的成果[4-7]。近期也有學(xué)者對(duì)堿法提取大豆中的蛋白做了較為深入的研究[8,9]，而對(duì)于堿法提取醬渣中的蛋白，文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[10]也進(jìn)行了報(bào)道，其中文獻(xiàn)[10]采用響應(yīng)面法進(jìn)行工藝優(yōu)化。正規(guī)單純形是由Splendley等[11]于1962年提出一種序貫的算法，隨后為了提高正規(guī)單純形的搜索速度，Nelder和Mead[12]在Splendley的基礎(chǔ)上于1965年提出了N-M單純形算法，與正交、均勻、因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)相比，單純形試驗(yàn)前并不需要安排試驗(yàn)點(diǎn)，而是根據(jù)上次的試驗(yàn)結(jié)果，每走一步調(diào)整一次方向，并且逐步逼近最優(yōu)結(jié)果，是一個(gè)邊試驗(yàn)邊設(shè)計(jì)的過程，因此單純形試驗(yàn)設(shè)計(jì)較好地克服了普通試驗(yàn)設(shè)計(jì)需先安排大量的試驗(yàn)點(diǎn)，完成所有試驗(yàn)點(diǎn)后才能找出最優(yōu)條件的缺陷。由于單純形的序貫優(yōu)勢(shì)，目前已較好地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中[13-15]，但對(duì)優(yōu)化堿溶醬渣中粗蛋白的工藝鮮有報(bào)道，故本文采用單純形法優(yōu)化堿溶醬渣中粗蛋白的工藝參數(shù)。本文所涉及的堿溶蛋白，除溶解在醬渣中的粗蛋白外，還包括蛋白被過度水解的多肽及氨酸酸等，其為后期蛋白的進(jìn)一步水解提供了技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

醬渣：李錦記(新會(huì))食品有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、硼酸、硫酸：廣州化學(xué)試劑廠；硫酸銅、硫酸鉀：FOSS公司；所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平、pH計(jì) METTER TOLEDO公司；凱氏定氮儀 FOSS公司；916 Ti-Touch滴定儀 Metrohm公司；搖床培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；高速冷凍離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)儀器開發(fā)有限公司；膠體磨 溫州市龍灣豐業(yè)機(jī)械設(shè)備廠。

1.3 方法

1.3.1 醬渣預(yù)處理

醬渣與水以1∶5的比例混溶后過膠體磨，參照文獻(xiàn)[16]及文獻(xiàn)[17]中大豆蛋白的提取方法，用去離子水清洗醬渣3次，濾紙過濾后沉淀物冷藏備用。

1.3.2 粗蛋白溶解率的單因素試驗(yàn)

本文采用唯一變量法確定各因素，包括料液比、時(shí)間、溫度及pH對(duì)醬渣中粗蛋白在堿液中溶解率的影響。

1.3.3 測(cè)定方法

采用凱氏定氮法測(cè)定總氮，參考標(biāo)準(zhǔn)版本為GB 5009.5-2010；采用電位滴定法測(cè)定氯化鈉，參考標(biāo)準(zhǔn)版本為GB/T 12457-2008；采用SET模式滴定銨鹽，終點(diǎn)設(shè)為pH 5.1，參考標(biāo)準(zhǔn)版本為GB 5009.234-2016。

1.3.4 粗蛋白質(zhì)溶解及溶解率的計(jì)算

稱取適量(質(zhì)量：M；蛋白含量：C)預(yù)處理后的醬渣，依據(jù)料液比加入適量水，用1 mol/L 氫氧化鈉及鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH后于振蕩培養(yǎng)箱中，提取完畢后將其轉(zhuǎn)移至離心瓶中于4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心，過濾上清液，將濾渣回收至離心瓶中，加去離子水清洗后重新離心，重復(fù)3次，記錄離心瓶中樣品質(zhì)量m及混勻后測(cè)定的粗蛋白含量c，粗蛋白在堿液中的溶解率R表達(dá)式為：R=100×(M·C-m·c)/(M·C)。

1.3.5 數(shù)學(xué)模型

醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解率可以近似地看成一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)求最優(yōu)問題，其自變量為料液比、時(shí)間、溫度及pH，因變量為粗蛋白堿液中的溶解率，表達(dá)式為F=F(料液比、時(shí)間、溫度、pH)，故可將本研究轉(zhuǎn)化成F函數(shù)求最大值問題。

1.3.6 單純形最優(yōu)條件搜索流程

依據(jù)單純形的設(shè)計(jì)原理，確定單純形的頂點(diǎn)、搜索步長(zhǎng)、收斂及約束條件等。本文共確定4個(gè)因素，分別為料液比、時(shí)間、溫度及pH，為了充分消除各因素量綱的相互影響，以及因素取值范圍不同，在空間分布中數(shù)值較大因素易對(duì)數(shù)值較小因素產(chǎn)生影響的風(fēng)險(xiǎn)，采用Long表[18]法構(gòu)造初始單純形，單純形尋優(yōu)流程見圖1。

圖1 單純形法尋優(yōu)流程圖Fig.1 The optimization flow chart with simplex search method

2 結(jié)果與分析

2.1 醬渣中游離蛋白及無機(jī)銨鹽去除效果驗(yàn)證

本文采用差減法驗(yàn)證醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解率，醬渣中如果本身攜帶游離的無機(jī)銨鹽、氨基酸及可溶性多肽等含氮化合物均影響試驗(yàn)效果，因此為了更加科學(xué)地驗(yàn)證粗蛋白在堿液中的溶解率，本文對(duì)醬渣執(zhí)行清洗操作，第3次清洗效果見表1。氯化鈉含量已小于方法檢出限，同時(shí)銨鹽及全氮均未檢出(小于方法檢出限)，證明醬渣中無機(jī)銨鹽及游離氨基酸基本被清除完畢，可以采用差減法來驗(yàn)證蛋白在堿液中的溶解率。

表1 醬渣第3次清洗液的理化指標(biāo)Table 1 The physicochemical indicators about sauce residue after cleaning for the third time

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 料液比的影響

在溫度50 ℃、pH 5.1、時(shí)間1 h、不同料液比(1∶20，1∶10，1∶5，3∶10，1∶2)的條件下，研究料液比對(duì)粗蛋白在堿液中溶解率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 料液比對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.2 Effect of material-liquid ratio on extraction rate of protein

由圖2可知，隨著料液比的降低，粗蛋白在堿液中的溶解率升高，原因?yàn)樗直壤脑黾?，水相中粗蛋白濃度降低，依?jù)固液分配原理，固相中的蛋白開始向水相擴(kuò)散致使粗蛋白在堿液中的溶解率增大。文獻(xiàn)[17-19]堿法提取大豆蛋白研究中指出：在一定范圍內(nèi)水分比例的增加有利于蛋白得率的提高，但水分比例過度增加，蛋白得率降低，原因?yàn)樗直壤龃?，溶解在水相中的球蛋白絕對(duì)含量增加，而該種蛋白在酸性條件下并不沉淀富集，致使球蛋白溶解在提取液中但未收集到，導(dǎo)致蛋白質(zhì)得率偏低，而本研究只考慮醬渣中粗蛋白在堿液中的溶解率，未考慮粗蛋白的得率，故表現(xiàn)為水分比例的增加，粗蛋白在堿液中的溶解率升高。

2.2.2 溫度的影響

在料液比1∶10、pH 8.97、時(shí)間1 h、不同溫度(40，50，60，70，80 ℃)的條件下，研究溫度對(duì)粗蛋白在堿液中溶解率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 溫度對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.3 Effect of temperture on extraction rate of protein

由圖3可知，溫度的高低對(duì)水相中粗蛋白的溶解性有較大的影響。隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)在堿液中的溶解率增大，當(dāng)溫度升高到70 ℃后，蛋白質(zhì)的提取率下降。其原因?yàn)闇囟壬撸岣叩鞍踪|(zhì)的溶解性，加速了蛋白質(zhì)由固相到水相中的擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到蛋白質(zhì)的變性溫度后，其空間結(jié)構(gòu)開始遭到破壞，引起蛋白質(zhì)粒子的聚集，降低了蛋白質(zhì)的溶解性，蛋白質(zhì)沉淀在固體層，從而降低了蛋白質(zhì)在液相中的分配比例。文獻(xiàn)[9]指出：當(dāng)溫度高于55 ℃時(shí)，蛋白質(zhì)開始變性，溫度每升高10 ℃，蛋白質(zhì)變性的速率增加600倍左右，而本文及文獻(xiàn)[9]中蛋白質(zhì)提取最佳溫度均非蛋白質(zhì)的變性溫度，分析其原因?yàn)闇囟鹊纳呖墒谷艹龅牡鞍鬃冃?，但同時(shí)也加速了固相中蛋白的溶出，故出現(xiàn)兩溫度不同步的現(xiàn)象。

2.2.3 時(shí)間的影響

在料液比1∶10、pH 10.34、溫度50 ℃、不同提取時(shí)間(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 h)的條件下，研究時(shí)間對(duì)粗蛋白在堿液中溶解率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.4 Effect of time on extraction rate of protein

由圖4可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，醬渣蛋白質(zhì)提取率逐漸增大，但增速降低。

2.2.4 pH的影響

在料液比1∶10、溫度50 ℃、時(shí)間1 h、不同pH(5.74，7.29，9.07，10.12，11.22)的條件下，研究pH對(duì)粗蛋白在堿液中溶解率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 pH對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.5 Effect of pH on extraction rate of protein

由圖5可知，隨著pH的增大，粗蛋白在堿液中的溶解率升高，pH>7后效果更為明顯，其原因?yàn)榈鞍踪|(zhì)為兩性物質(zhì)，在等電點(diǎn)處其溶解性最小，并且pH距離等電點(diǎn)越遠(yuǎn)，其以離子形態(tài)存在的量就越多，在介質(zhì)中的溶解性越好，因此隨著pH增大，粗蛋白在堿液中的溶解率越高。

2.3 初始單純形

本文確定初始單純形以及相關(guān)參數(shù)見表2，單純形具有收斂速度快，但對(duì)于多波峰的函數(shù)容易陷入局部最優(yōu)，因此初始頂點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)要參考經(jīng)驗(yàn)值，故本文初始頂點(diǎn)設(shè)計(jì)見表2。本文為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，因素間數(shù)值相差較大，若各因素采用同步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，步長(zhǎng)過小會(huì)影響數(shù)值較大因素的收斂速度，而步長(zhǎng)過大容易出現(xiàn)數(shù)值較小因素在最優(yōu)點(diǎn)周圍擺動(dòng)而不能達(dá)到最優(yōu)點(diǎn)，因此為了消除數(shù)值本身的影響，本文根據(jù)每個(gè)因素的取值范圍設(shè)計(jì)一個(gè)搜索步長(zhǎng)，并且利用Long系數(shù)表法設(shè)計(jì)初始頂點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算后初始單純形各定點(diǎn)參數(shù)見表3。

表2 單純形初始給定條件Table 2 The initial conditions about simplex

表3 初始單純形頂點(diǎn)分布Table 3 The initial simplex vertices distribution

2.4 單純形優(yōu)化過程

本文非純粹數(shù)學(xué)運(yùn)算，各因素的取值均應(yīng)滿足實(shí)際需要，故本文確定各因素的取值范圍見表4。若尋優(yōu)過程反射點(diǎn)滿足擴(kuò)張運(yùn)算，而擴(kuò)張點(diǎn)某因素取值超出約束條件時(shí)，則認(rèn)為擴(kuò)張不成功，若反射點(diǎn)超出因素范圍時(shí)，取值應(yīng)為因素的約束條件的臨界值，單純形動(dòng)態(tài)尋優(yōu)過程見表5。

表4 各因素的約束條件Table 4 The constraints of factors

表5 單純形動(dòng)態(tài)尋優(yōu)過程Table 5 The dynamic optimization process of simplex

2.4.1 因素效應(yīng)分析

由表5中初始單純形，采用平均水平法進(jìn)行效應(yīng)分析，分析結(jié)果見表6。

表6 初始單純形因素水平效應(yīng)分析Table 6 The analysis of factors and levels about the initial simplex

由表6的效應(yīng)分析結(jié)果構(gòu)造如下線性方程，由方程解可知對(duì)粗蛋白溶解率影響因素從大到小依次為料液比、pH、溫度及時(shí)間，其中料液比對(duì)粗蛋白溶解率呈負(fù)影響。

2.4.2 最佳工藝的確定

經(jīng)過反射、擴(kuò)張、收縮及壓縮運(yùn)算共構(gòu)造15次單純形，最優(yōu)單純形頂點(diǎn)為16，18，21，25，27，其收斂系數(shù)為0.03，小于設(shè)定值0.04，滿足收斂條件，因此確定最優(yōu)工藝參數(shù)為料液比0.05、時(shí)間78.9 min、溫度66.9 ℃、pH 11.67，粗蛋白在堿液中的最優(yōu)溶解率為78%。同類研究中，文獻(xiàn)[5]指出料液(以干基計(jì))比為0.033，pH為9.5，溫度為55 ℃，時(shí)間為4 h，蛋白提取率為55%；文獻(xiàn)[10]指出料液(以干基計(jì))比為0.04，溫度為55 ℃，時(shí)間為81 min，蛋白質(zhì)提取率為69.61%；文獻(xiàn)[19]指出料液比為0.1，pH為10.97，時(shí)間為52.7 min，溫度為54.3 ℃，蛋白質(zhì)的提取率為74.03%。以上研究中對(duì)醬渣的處理方式不同，文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[10]均是以干基計(jì)算料液比，并且未進(jìn)行脫鹽處理。文獻(xiàn)[19]與本文相同，均對(duì)醬渣進(jìn)行脫鹽處理。由結(jié)果分析可知，本文與文獻(xiàn)[19]堿液對(duì)蛋白質(zhì)的溶解率均高于文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[10]，推測(cè)為醬渣中無機(jī)鹽影響了蛋白在堿液中的分配比例。本文及文獻(xiàn)[19]對(duì)醬渣的處理方式類似，但兩者最終目的存在一定差異，文獻(xiàn)[19]為蛋白得率，本研究為蛋白在堿液中的溶解率，包括溶解在堿液中的蛋白及過度水解的氨基酸等，故兩者的提取率及最優(yōu)參數(shù)均存在一定的差異。

3 結(jié)論

利用單純形法對(duì)醬渣中粗蛋白堿溶工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，有效地克服了常規(guī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)所要完成大批量的試驗(yàn)才能尋找最優(yōu)參數(shù)的缺點(diǎn)，在尋優(yōu)過程中通過擴(kuò)張、收縮及壓縮操作靈活地調(diào)整搜索步長(zhǎng)及方向，可以有效地提高收斂速度，減少試驗(yàn)次數(shù)。本文利用單純形搜索得到最優(yōu)參數(shù)：料液比為0.05，時(shí)間為78.9 min，溫度為66.9 ℃，pH為11.67，此時(shí)粗蛋白在堿液中的最優(yōu)溶解率為78%，同時(shí)通過因子的效應(yīng)分析，確定醬渣中粗蛋白的溶解率受因素的影響程度從大到小依次為料液比、pH、溫度及時(shí)間。

[1]陳媛，張志國(guó).醬油渣殘余蛋白有效利用進(jìn)展[J].中國(guó)調(diào)味品，2016，41(3):153-157.

[2]李學(xué)偉，朱新貴，劉瀅，等.黃豆醬油渣油脂和膳食纖維的制備研究[J].中國(guó)釀造，2013，32(10):109-112.

[3]馬良，王昌祿，范寰，等.醬油渣資源化利用現(xiàn)狀及其飼料化發(fā)展前景[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2010(2)：25-28.

[4]沈晗，金志剛，孫寶國(guó)，等.超聲輔助雙酶分部酶解醬渣蛋白的響應(yīng)面條件優(yōu)化[J].中國(guó)釀造，2010(3):16-22.

[5]舒冬梅，王德良，宋緒磊，等.醬渣蛋白提取方法與工藝優(yōu)化的研究[J].中國(guó)釀造，2015，34(6):67-71.

[6]陳敏，吳昊.響應(yīng)面法優(yōu)化堿性蛋白酶酶解醬渣的條件[J].中國(guó)調(diào)味品，2011,36(12):38-43.

[7]肖詩(shī)英，萬端極，吳正奇，等.酶法水解醬渣蛋白的工藝研究[J].中國(guó)調(diào)味品，2013，38(2):56-58.

[8]李淑芬，胡敏.堿溶酸沉法提取大豆蛋白條件優(yōu)化[J].大豆科學(xué)，2014,33(2)：274-276,280.

[9]陳姿含，管驍，李景軍.響應(yīng)面法優(yōu)化低溫豆粕大豆分離蛋白提取工藝[J].生物加工過程，2012，10(3)：39-44.

[10]馬秀婷.豆渣蛋白提取、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[11]Splendley W, Hext G R, Himsworth F R.Sequential application of simplex designs in optimization and evolutionary operation[ J].Technometrics,1962(4):441-461.

[12]Nelder J A, Mead R.A simplex method for function minimization[J].Computer J,1965,7(4):308-313.

[13]韋小杰，陳小鵬，王琳琳，等.單純型搜索優(yōu)化氫化松香甘油酯的合成條件[J].食品工業(yè)科技，2008,29(5)：249-250，258.

[14]鈕琰星，倪光遠(yuǎn)，萬楚筠，等.基于單純形-重心設(shè)計(jì)的菜籽粕生物改良菌株的復(fù)配研究[J].中國(guó)油脂，2015,40(2)：72-76.

[15]李曉璐，范里，趙亮，等.基于單純型設(shè)計(jì)和部件搜索方法的CHO細(xì)胞無血清培養(yǎng)基的高通量?jī)?yōu)化[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2014，28(4)：777-783.

[16]楊濤，馬傳國(guó)，李慶鵬.不同工藝條件下對(duì)大豆分離蛋白7S和11S組分影響的探討[J].糧食加工，2007,32(5):91-95.

[17]孫煒煒，于淑娟.7S伴大豆球蛋白及其糖基化產(chǎn)物對(duì)大豆11S球蛋白熱聚性的影響[J].食品科學(xué)，2010,31(15)：159-162.

[18]張小燕.多因素單純形最優(yōu)化方法快速搜尋最佳檢測(cè)條件[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，23(2):109-118.

[19]張興茂.醬油渣蛋白質(zhì)乳化特性以及水解產(chǎn)物抗氧化研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

Optimization of Process of Crude Protein in Alkaline SolubleSauce Residue by Simplex Method

WU Guo-quan, ZHU Xin-gui*, LI Xue-wei

(Lee Kum Kee (Xinhui) Foods Co., Ltd., Jiangmen 529156, China)

Use simplex method to optimize the process of crude protein in alkaline soluble sauce residue. Take the dissolution rate of crude protein in alkaline liquor as the index; select the optimal parameters such as material-liquid ratio, time, temperature and pH. The results show that the optimal results can be searched with the simplex method, and the convergence conditions can be met. The optimal process parameters are as follows: material-liquid ratio is 0.05, time is 78.9 min, temperature is 66.9 ℃, pH is 11.67, and the dissolution rate of crude protein in alkaline sauce residue is 78%.

simplex；sauce residue；crude protein

2017-02-16 *通訊作者

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A010107012)

吳國(guó)權(quán)(1982-)，男，工程師，碩士，主要從事調(diào)味品方面的研究。

TS201.21

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.08.023

1000-9973(2017)08-0106-05