超滤法浓缩菜籽蛋白提取液的工艺研究

邹 强，王 燕

(湖南农业大学食品科技学院，湖南长沙410128)

超滤法浓缩菜籽蛋白提取液的工艺研究

邹 强，王 燕*

(湖南农业大学食品科技学院，湖南长沙410128)

以双低菜籽粕为原料，采用超声波辅助萃取，得到菜籽蛋白提取液。对提取液进行超滤浓缩，探讨了操作压力、温度、pH、流速等参数对膜通量的影响。以膜通量为评价指标，通过正交实验，对操作压力、温度和pH三个因素进行了优化。结果表明，菜籽蛋白提取液最佳超滤工艺条件为:操作压力0.1MPa，温度40℃，pH9，流速2m/s。采用超滤，可得到毒素含量低，纯度在90%以上的菜籽蛋白产品。

菜籽蛋白，正交实验，超滤

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

脱皮压榨双低菜籽粕 湖南盈成油脂工业有限公司。

KQ-250DE型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;DD5型大容量多管离心机 长沙英泰仪器有限公司;EHD20高温消解仪 北京莱伯泰科仪器有限公司;BCD-203SM型Midea家用冷藏冷冻冰箱 美的集团电冰箱制造(合肥)有限公司;凯氏定氮蒸馏装置;超滤装置及UEIP503中空纤维超滤膜天津膜天膜工程技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 超滤装置 超滤装置运行过程如图1所示。

超滤装置为实验型，采用内压管式中空纤维超滤膜，该膜材质为PES(聚醚砜)，有效膜面积0.3m2，截留分子量10000，pH2～13，纤维内外径0.8/1.2mm，最大操作压力0.15MPa。

图1 超滤工艺流程图

1.2.2 工艺流程 菜籽蛋白萃取条件为 pH10.4、NaCl浓度3.2%、料液比1∶9.5、提取时间2h、提取温度50℃、提取次数3，工艺过程如图2所示。

图2 菜籽蛋白萃取工艺流程图

1.2.3 检测方法

1.2.3.1 营养成分测定方法 水分的测定:GB 5009.3-2010(直接干燥法);粗脂肪的测定:GB/T 14772-2010;粗蛋白的测定:GB 5009.5-2010(凯氏定氮法);灰分的测定:GB 5009.4-2010。

1.2.3.2 有害成分测定方法 硫苷的测定:硫酸根离子沉淀法［19］;恶唑烷硫酮的测定:GB 13089-1991;异硫氰酸酯的测定:GB 13087-1991;植酸的测定:三氯化铁比色法［20］。

1.2.3.3 膜通量 膜通量是指单位膜面积、单位时间内透过的液体体积，用符号Jv表示。实际测定时，先调节好超滤装置，待系统运行稳定后于1min内收集透过液并测量体积，然后按下面的公式计算，单位为L/m2·h。

式中，V为透过液体积(L);Sm为超滤膜面积(m2);t为系统稳定后超滤时间(h)。

1.2.3.4 菜籽蛋白得率 菜籽蛋白得率(%)=菜籽蛋白质量×蛋白纯度/(菜籽粕质量×蛋白含量) ×100%

1.2.4 实验设计 在单因素实验基础上，控制流速为2m/s，以膜通量为评价指标，通过正交实验，对操作压力、温度和pH三个因素进行优化，设计了三因素三水平正交实验L9(33)。因素水平表见表1。每组实验重复3次，确定超滤法浓缩菜籽蛋白提取液最佳工艺条件，数据资料采用SPSS16.0软件进行统计分析。

表1 正交实验因素水平表

2 结果与讨论

2.1 双低菜籽粕组成成分

见表2。

2.2 单因素实验

2.2.1 流速对膜通量的影响 在操作压力为0.1MPa，温度为40℃，pH为9的条件下，考察不同流速对菜籽蛋白提取液膜通量的影响。流速与膜通量的关系曲线图见图3。

图3 流速对菜籽蛋白水溶液膜通量的影响

由图3可知，随着时间的延长，菜籽蛋白水溶液膜通量随之降低，并在20min左右趋于稳定;当流速小于2m/s时，膜通量随着流速的增大而增大;当流速达到2m/s以后，膜通量变化不再显著。这是因为在较低的流速下，逐渐增加流速可提高料液在膜表面形成的剪切力，使得膜表面部分沉积物被流体带走，减少膜污染，降低浓差极化现象，提高膜通量和菜籽蛋白截留率。在较高的流速下，料液在膜表面形成的剪切力大，使得小分子量蛋白容易透过超滤膜，导致菜籽蛋白得率下降，而且此时流速对膜通量并没有明显影响。由此得出，流速选用2m/s为宜。

2.2.2 操作压力对膜通量的影响 在流速为2m/s，温度为40℃，pH为9的条件下，考察不同操作压力对菜籽蛋白提取液膜通量的影响。操作压力与膜通量的关系曲线图见图4。

图4 操作压力对菜籽蛋白水溶液膜通量的影响

由图4可知，当压力小于0.1MPa，随着压力的上升，菜籽蛋白浸提液膜通量随之增大;当压力达到0.1MPa以后，膜通量的增加变得十分缓慢。这是由于超滤是以压力差为推动力进行物质分离过程。在操作压力较低时，膜通量随着压力的增大而增大，同时溶液中的大分子物质不断向超滤膜表面堆积，形成膜表面与主体溶液之间的浓度差，进而产生浓差极化阻力，但由于压力较低，这种阻力并不能显著影响膜通量。随着操作压力进一步加大，浓差极化现象加剧，膜表面与主体溶液之间的浓度差接近饱和，当操作压力达到某一临界值时，就在膜表面形成了凝胶层，产生了凝胶层阻力。此后再增加压力，只会增加凝胶层的厚度，不会提高膜通量。为了保证膜分离效率，缩短工作时间，减少膜污染，降低生产成本，操作压力选用0.10～0.12MPa为宜。

2.2.3 温度对膜通量的影响 在操作压力为0.1MPa，流速为2m/s，pH为9的条件下，考察不同温度对菜籽蛋白提取液膜通量的影响。温度与膜通量的关系曲线图见图5。

图5 温度对菜籽蛋白水溶液膜通量的影响

由图5可知，当温度低于40℃时，随着温度的提高，膜通量呈明显上升态势;当温度达到40℃以后，膜通量变化不大。这是因为在温度较低的情况下，升高料液温度可降低溶液粘度，削弱分子之间的相互作用，提高传质速率，而且膜表面吸附物质向主体溶液的扩散系数有所增加，减弱了浓差极化现象，从而提高膜通量。但温度过高，会引起蛋白质热变性，降低蛋白质溶解度，使得膜表面蛋白质迅速累积，凝胶层厚度急剧加大，降低了膜通量，故温度选用40～45℃为宜。

2.2.4 pH对膜通量的影响 在操作压力为0.1MPa，流速为2m/s，温度为40℃的条件下，考察不同pH对菜籽蛋白提取液膜通量的影响。由于菜籽蛋白等电点区域为4～7左右，故从pH为7开始探讨pH与膜通量之间的关系。其关系曲线图见图6。

图6 pH对菜籽蛋白水溶液膜通量的影响

由图6可知，当pH大于7小于9时，膜通量呈上升趋势;当pH达到9以后，膜通量变化趋于稳定。这是由于在碱性环境下，菜籽蛋白和水的结合能力增强，膜表面聚积物质向主体溶液扩散系数提高，膜边界层厚度变薄，因而膜通量增大。但pH太大，会造成菜籽蛋白天然构型极端变性，溶解度下降，减小了膜通量，故pH选用9～10为宜。

2.3 正交实验

由表3极差R分析可知，B(温度)是影响菜籽蛋白提取液膜通量的关键因子，其次是A(操作压力)，在本实验研究范围内，C(pH)影响不大。

表3 正交实验设计及结果

由表4正交实验方差分析结果可知，操作压力和温度对菜籽蛋白浸提液膜通量的影响达到显著水平，而pH不显著。比较F0.05值，可知各因素对膜通量影响程度大小依次为B＞A＞C，这与表3的极差分析十分吻合。比较K值可得到浓缩纯化菜籽蛋白水溶液的最佳工艺组合为A2B2C2，即操作压力为0.1MPa，温度为40℃，pH为9。在此最佳工艺条件下进行3次平行验证实验，膜通量平均值为22.0L/m2·h，菜籽蛋白得率为53.4%。

表4 正交实验的方差分析

2.4 菜籽蛋白理化品质

将在超滤最佳工艺条件下处理菜籽蛋白提取液得到的浓缩液进行低温干燥，可获得淡黄色、无气味的菜籽蛋白，对菜籽蛋白进行成分分析，结果如表5所示。由表5可知，采用超滤法浓缩菜籽蛋白提取液，所得产品硫苷、异硫氰酸酯、恶唑硫烷酮均未检出，植酸大幅度降低，说明该法能够很好脱除原料中的抗营养成分，通过超滤法纯化菜籽蛋白，生产食用级菜籽蛋白产品是可行的。

表5 菜籽蛋白组成成分

3 结论

3.1 与传统的碱提酸沉法相比，超滤法浓缩菜籽蛋白提取液得到的菜籽蛋白，纯度高达90%，硫苷、异硫氰酸酯、恶唑硫烷酮、植酸、单宁等有害成分明显降低，达到国家食品标准，而且功能特性也有一定程度的改善。

3.2 本研究先通过单因素实验探讨流速、操作压力、温度、pH等因子对菜籽蛋白提取液膜通量的影响，再采用正交实验优化超滤工艺参数。结果表明，超滤法浓缩菜籽蛋白最佳工艺条件为流速2m/s，操作压力为0.1MPa，温度为40℃，pH为9。在此工艺条件下，菜籽蛋白得率为53.4%。

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Study on concentration process of rapeseed protein extracting solution by ultrafiltration

ZOU Qiang，WANG Yan*
(College of Food Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China)

Protein extracting solution from double low rapeseed meal assisted by ultrasonic was prepared. Ultrafiltration was applied to concentrate and purify the rapeseed protein extracting solution.Effect of operating pressure，temperature，pH value and flow velocity on membrane flux was discussed.Using membrane flux as evaluation index，operating pressure，temperature and pH value were optimized by orthogonal experiment.Results showed that the optimal rapeseed protein extraction solution ultrafiltration process parameters were operating pressure 0.1MPa，temperature 40℃，pH value 9 and flow velocity 2m/s.Rapeseed protein products by adopting the technology of ultrafiltration contained little toxin and the purity of protein exceeded 90%.

rapeseed protein;orthogonal experiment;ultrafiltration

TS229

B

1002-0306(2011)11-0260-04

菜籽饼粕是菜籽榨油后主要的副产物，占菜籽重量55%～65%，我国每年产出菜籽饼粕500万t以上［1］。菜籽饼粕富含蛋白质(35%～50%)［2-3］，其氨基酸具有平衡性强、组成合理的特点［4］，符合联合国粮食与农业组织(FAO)和世界卫生组织(WTO)推荐的模式［5］，是一种理想的优质植物蛋白资源。与大豆蛋白相比，菜籽蛋白含硫氨酸较高［6］;与谷物蛋白相比，菜籽蛋白赖氨酸较高，只略低于大豆蛋白［7］。菜籽蛋白在真消化率(TD)、生物价(BV)、蛋白质有效率(PER)、净蛋白质利用率(NPU)等方面优于其它植物源蛋白［8-9］，营养价值甚至可与酪蛋白媲美。此外，菜籽饼粕还含有较多的Ca、P、Fe等矿物质元素以及核黄素、硫胺素等B族维生素［10］。但菜籽饼粕中含有硫代葡萄糖苷及其次生代谢产物、植酸、单宁、芥酸等抗营养因子［11-13］，它们降低了菜籽饼粕的营养价值，限制了菜籽饼粕在畜禽饲料和食品工业中的应用，造成了植物蛋白资源的巨大浪费。为了确保菜籽蛋白产品的安全性，在提取菜籽蛋白之后应进行分离纯化。目前，对菜籽蛋白的纯化研究主要集中在超滤法。超滤法具有操作简单、条件温和、能耗低、无相变、效率高等优点［14-16］。Siy和Talbot等人［17］以及Tzeng等人［18］的研究发现，利用超滤法处理菜籽蛋白提取液，不仅能很好地脱除植酸和硫苷等有毒物质，还能提高蛋白质的得率。本研究旨在对菜籽蛋白提取液进行超滤分离，重点探讨超滤工艺条件，为食用菜籽蛋白的开发利用提供理论依据。

2010-12-03 *通讯联系人

邹强(1984-)，男，在读硕士，研究方向:食品化学与营养。