棉籽粕中棉酚的超声辅助脱除研究

杨 冲 王承明

(华中农业大学食品科学技术学院,武汉 430070)

棉籽粕中棉酚的超声辅助脱除研究

杨 冲 王承明

(华中农业大学食品科学技术学院,武汉 430070)

棉籽蛋白类似大豆蛋白,是一种营养价值高且具保健功能的蛋白质。而棉酚的存在严重影响棉籽蛋白的应用并造成蛋白质资源的浪费。采用超声波辅助盐酸 -乙醇溶液脱除法及响应面设计法对棉子饼粕中棉酚的脱除工艺进行研究。在单因素的基础上,选定液料比、超声时间、超声温度及盐酸浓度 4个因素,通过响应面分析以及岭嵴分析得到了优化组合条件。最佳工艺条件是:液料比 23∶1,超声时间 53 min,超声温度 77℃,盐酸浓度 1.5 mol/L,超声功率 50 W,棉酚脱除量为 9.5 mg/g。脱酚后的棉籽粕含蛋白质为57.17%,比脱酚前提高 7.52%。

棉酚 脱除 超声 响应曲面法

棉酚又名棉毒素或棉籽醇,是棉属植物体内形成的一种多元酚化合物,存在于棉株的各部器官,其中棉籽仁中含量最高,其他一些棉葵科植物也可形成。棉酚对人体具有抗生育作用、抗肿瘤作用、抗病毒作用和免疫抑制作用[1-2]。棉籽仁提油后的棉籽粕中含蛋白质高达 60%,并且其在质量上类似豆类蛋白,营养价值远比谷类蛋白高,是一种很好的食用蛋白和饲用蛋白来源[3]。但棉酚的毒性限制了它的利用,因而棉籽粕中的棉酚脱除显得非常重要。

目前,棉酚的脱除主要有物理法、化学钝化法、生物脱毒法及溶剂浸出法[4]。物理法脱毒主要有挤压法、旋液分离法和空气分级法,其主要是利用棉酚在高温、高水分作用下与氨基酸或者蛋白质反应,由游离态转变为结合态,同时自身发生降解反应,从而降低棉酚的毒性,但蛋白质的生物效价降低。化学钝化法是在棉籽粕中添加一定量的化学试剂,并在一定条件下使游离棉酚变性或转化成结合态棉酚。包括添加硫酸亚铁、尿素、碱、石灰水等。微生物法脱毒效果好,可以避免化学添加剂法和物理法对棉籽蛋白功能性质的影响,不会对其风味、色泽以及适口性构成危害,还会增加棉籽蛋白的含量,另外,发酵产物如氨基酸、维生素,及纤维素降解生成的葡萄糖也大大提高棉籽蛋白的营养性能。但微生物发酵的水分干燥成本太大,物料粉碎,发酵和烘干路线太长,影响企业效益。溶剂浸出法利用棉酚易溶于极性溶剂的特点,可用甲醇、乙醇、正丁醇、丙醇、异丙醇、二氯甲烷等进行提取,由于不经过高温处理,可避免蛋白质变性和赖氨酸破坏。溶剂法仅对游离棉酚脱除效果较好。

吴媛瑾等[5]以盐酸和 80%乙醇混合液作为提取液脱除棉酚,可同时脱除棉籽粕中游离和结合棉酚,脱除率为 8.8 mg/g。在其基础上,通过超声处理,利用超声波的机械破碎和空化作用能有效破碎植物细胞[6-7],加速浸提物从原料向溶剂的扩散速率,以期进一步提高棉酚的脱除率,从而提高棉籽蛋白的利用率和价值。本试验采用超声辅助盐酸 -乙醇溶液脱除棉酚,通过响应面分析和岭嵴分析,获取最佳脱除工艺并分析脱酚前后棉籽粕常规成分,以期为脱酚后棉籽粕开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

棉籽粕:湖北华益油料科技股份有限公司。

盐酸:信阳市化学试剂厂;无水乙醇:国药集团化学试剂有限公司;氢氧化钠:天津市风船化学试剂科技有限公司。其他试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器

BYL-B063九阳料理机:九阳股份有限公司;AL204电子天平:梅特勒 -托利多仪器 (上海)有限公司;TDL-5A菲恰尔离心机:上海菲恰尔分析仪器有限公司;722型紫外可见分光光度计:上海欣茂仪器有限公司;KQ2200DB型数控超声波清洗器:江苏昆山超声仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 原料预处理

将干燥的棉籽粕粉碎,过 60目筛备用。

1.3.2 棉籽粕常规成分分析

蛋白的测定:微量凯氏定氮法,换算系数 5.3,GB5009.5—2003;脂肪的测定:索氏抽提法,GB5497—1985;水分的测定:105 ℃恒重法,GB5512—1985;灰分的测定:550～600℃灰化法,GB/T5505—1985。

1.3.3 棉酚脱除方法[5]

棉籽粕→加盐酸 -乙醇溶液浸提,超声处理→4000 r/min离心 15 min→上清液→中和→定容→静置 30 min→测吸光值

棉酚含量的测定:采用分光光度法于 378 nm测定吸光度,利用标准曲线法得到棉酚含量。

棉酚脱除率的计算:棉酚脱除率 =上清液棉酚的质量 /原料质量

1.3.4 单因素试验

乙醇的体积分数影响棉酚脱除率,主要是因为棉酚在高体积分数乙醇中溶解性较好,结合本实验室研究人员已做过乙醇体积分数对棉酚脱除率影响的优化试验[5],直接采用 80%乙醇和不同浓度的盐酸混合液作为脱毒溶剂。选定液料比、超声时间、超声温度、盐酸浓度及超声功率 5个因素做单因素试验,考察各个单因素对棉酚脱除率的影响。

1.3.5 响应面的组合试验设计[8]

在单因素试验的基础上,确定液料比 (X1)、超声时间 (X2)、超声温度 (X3)、盐酸浓度 (X4)4个因素为自变量,棉酚脱除率为响应值,通过响应面分析及岭嵴分析对脱除条件进行优化。因素水平编码表如表1所示,数据采用 SAS8.1统计软件分析。

表 1 因素水平编码表

2 结果与分析

2.1 棉籽粕常规成分分析结果

由表 2可以看出,棉籽粕经脱棉酚处理以后,常规成分含量发生了变化。蛋白质质量分数提高7.52%,脂肪质量分数降低 1.52%,灰分质量分数提高 3.21%,水分质量分数降低 0.55%。

表 2 棉籽粕脱酚处理前后常规成分表

2.2 棉酚脱除单因素试验

2.2.1 液料比对棉酚脱除的影响

取 1 g棉籽粕,分别以液料比 10∶1,15∶1,20∶1,25∶1,30∶1,35∶1加入 1.5 mol/L的盐酸 -80%乙醇溶液,设定超声温度为 60℃,超声功率为 60W,处理15 min,得到棉酚脱除率随不同液料比的变化曲线(图 1)。从图 1可以看出,随着液料比的增加,棉酚脱除率明显提高,当料液比大于 20∶1后,脱除率变化比较平缓。这主要是由于随着料液比的增大,游离棉酚和解离的结合棉酚溶出增加,当液料比达到20∶1,棉酚溶出基本平衡。从脱除棉酚效果和经济效益两方面综合考虑,确定最佳液料比为 20∶1。

图 1 液料比对棉酚脱除率的影响

2.2.2 超声时间对棉酚脱除的影响

取 1 g棉籽粕,以液料比 20∶1加入 1.5 mol/L的盐酸 -80%乙醇溶液,设定超声温度为 60℃,超声功率为 60 W,分别超声处理 10,20,30,40,50,60 min,得到棉酚脱除率随不同超声时间的变化曲线(图 2)。从图 2可以看出,50 min之前,棉酚脱除率随时间增加明显增加,50 min之后基本没变化,这是因为棉酚经50min超声处理基本脱除完全,时间过长会导致水溶性物质、营养物质损失,不利于脱毒后棉籽粕的再利用。因此,选定 50 min作为最佳条件。

图 2 超声时间对棉酚脱除率的影响

2.2.3 超声温度对棉酚脱除的影响

取 1 g棉籽粕,以液料比 20∶1加入 1.5 mol/L的盐酸 -80%乙醇溶液,设定超声时间为 50 min,超声功率为 60 W,分别设定温度 30,40,50,60,70,80℃后超声处理,得到棉酚脱除量随不同超声温度的变化曲线 (图 3)。从图 3可以看出,超声温度在 30～70℃之间,随温度升高,棉酚脱除量明显增加。原因可能是随着浸提温度的提高,溶剂和棉酚的扩散性增强,有利于棉酚的浸出。当温度高于 70℃,脱除率有所降低,可能是温度过高引起部分棉酚氧化。因此,选定 70℃作为最佳条件。

图 3 超声温度对棉酚脱除率的影响

2.2.4 超声功率对棉酚脱除的影响

取 1 g棉籽粕,以液料比 20∶1加入 1.5 mol/L的盐酸 -80%乙醇溶液,设定超声时间为 50 min,超声温度为 70℃,分别以功率为 40,50,60,70,80 W超声处理,得到棉酚脱除率随不同超声功率的变化曲线 (图 4)。从图 4可以看出,超声功率对棉酚脱除率的影响不是很明显,功率为 50 W时脱除率最大。功率再增加,脱除率有所降低,主要是因为超声波的化学效应总与热效应相伴随,功率越高,能量越大,介质吸收后产生显著的热效应,引起棉酚分子结构发生了改变。因此,选定 50 W作为最佳条件。

图 4 超声功率对棉酚脱除率的影响

2.2.5 盐酸浓度对棉酚脱除的影响

取 1 g棉籽粕,以液料比 20∶1,设定超声时间为50 min,超声温度为 70℃,超声功率 50 W,分别加入0.2,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 mol/L的盐酸 -80%乙醇溶液后超声处理,得到棉酚脱除率随不同盐酸浓度的变化曲线 (图 5)。从图 5可以看出,棉酚脱除率随混合溶液的盐酸浓度的增大先增大后减小。由于棉酚中醛基邻位的羟基活泼,呈弱酸性,盐酸浓度增大可能抑制了棉酚的溶解。盐酸浓度为 1.5 mol/L时脱除率最大,因此,选定盐酸浓度为 1.5 mol/L。

图 5 盐酸浓度对棉酚脱除率的影响

2.6 响应面试验结果

2.6.1 中心组合试验因素水平的选取

根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原理,设计了 4因素 3水平的响应面分析试验。参考单因素试验结果,以液料比、超声时间、超声温度及盐酸浓度为主要因素,中心组合试验方案及结果如表 3所示。

表 3 响应面组合设计和结果

从表 4的 T-检验方差分析表中可以看出,一次项中,X,X,X,X的影响极显著,二次项 X2、

12343

X4

2的影响极显著 ,交互项 X4X3、X4X2、X3X1影响显著。

表 4 回归方程系数显著性检验

以棉酚脱除率为响应面 (Y),通过 SAS软件的RSTEG程序对试验结果进行响应面分析 (RSA),经二次回归拟合后求得响应函数,即回归方程为 Y=7.973+0.883X1+0.464X2+1.280X3-0.331X4+0.008X12-0.078X2X1+0.017X22+0.278X3X1+0.010X3X2-0.292X32+0.145X4X1+0.250X4X2+0.313XX-0.848X2对回归模型方差分析,结果见表 5。从表 5中可以看出,用上述回归方程描述各因素与响应值之间的关系时,其因变量和全体自变量之间的线性关系显著(R2=0.985 8)。模型的显著水平远远小于0.000 1,此时回归方差模型是极显著的,因此,这种试验方法是可靠的。方程的失拟项表现为不显著,说明回归方程与实际情况吻合的较好,可用回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析。回归方程各项的方差分析结果还表明,方程一次项和二次项影响是极显著的,交互项影响是显著的,因此各具体试验因子对响应值的影响不是简单的线性关系。

表 5 回归模型方差分析表

从典型分析表 (表 6)中可以看出,4个因素的特征值有正有负,表明此二次响应面是鞍面,无极值存在,因此不能直接从此二次响应面上找出最佳工艺参数,需进一步作岭嵴分析。

表 6 典型分析表

表 7为岭嵴分析结果,可以看出,随着编码半径r的增加,响应值 Y也逐渐增大[9]。由此可见,棉酚脱除率随液料比、超声时间、超声温度及盐酸浓度的增加而增大。当 r>1.0时,超出了试验的水平范围,不予考虑。在本试验的水平范围内,最大响应值时 r为 1.0,此时液料比 23.4∶1,超声时间 52.7 min,超声温度 76.8℃,盐酸浓度 1.51 mol/L。在此条件下,棉酚的理论脱除率是 9.56 mg/g。考虑到实际情况,修正脱除工艺条件为:液料比 23∶1,超声时间 53 min,超声温度 77℃,盐酸浓度 1.5 mol/L。在此条件下重复试验 4次,得平均脱除率为 9.5 mg/g。

表 7 岭嵴分析

3 结论

3.1 采用超声波辅助盐酸 -乙醇溶液脱除棉籽粕中棉酚时,先选取液料比、超声时间、超声温度、盐酸浓度及超声功率 5个因素最为单因素试验,在此基础上最终确定前 4个因素进行响应面分析。4个因素对棉酚的脱除率的影响都达到了极显著水平。通过 SAS分析,棉酚脱除量与液料比、超声时间、超声温度及盐酸浓度的二次回归曲面为鞍面,需要进一步通过岭嵴分析找出最佳脱除工艺条件。岭嵴分析的结果表明超声波辅助盐酸 -乙醇溶液脱除棉酚的最佳工艺条件为:液料比 23∶1,超声时间 53 min,超声温度77℃,盐酸浓度 1.5 mol/L,超声功率 50 W,棉酚脱除率为 9.5 mg/g,结果优于未使用超声波的方法 8.8 mg/g棉酚脱除率[5],并且提高了脱除速度。

3.2 棉籽粕经脱棉酚处理以后,常规成分含量发生了变化。棉酚脱除处理后,粗蛋白质量分数为57.17%,比脱酚前提高 7.52%。脂肪质量分数为1.24%,比脱酚前降低1.52%。灰分质量分数为10.45%,比脱酚前提高 3.21%。水分质量分数为4.83%,比脱酚前降低 0.55%。

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UltrasonicWave-Assisted Extraction of Gossypol from CottonseedMeals

Yang Chong Wang Chengming
(College of Food Science and Technology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan 430070)

Cottonseed protein˜s application is limited by gossypol which makes a wasteful use of protein re2 sources.Ultrasonic wave-assisted extraction of gossypol from cottonseed meals by the response surface method de2 sign was conducted.Four factorswere investigated on the basisof single factor test.By analyzing the response surface plots and the quadratic regression equations,the extraction parameterswere opti mized.Results:The obtained opti mal parameters are ratio of solvent to crude material 29 mL/g,extraction ti me 53 min,extraction temperature 77℃,con2 centration of hydrochloric acid 1.5 mol/L,and ultrasonic power 50W.The yield of gossypol from cottonseed meals is 9.5 mg/g.The protein content of the cottonseed meals after gossypol removal reaches 57.17%,increased by 7.52%.

gossypol,extraction,ultrasonic wave,response surface methodology

S562

A

1003-0174(2011)01-0074-05

2010-01-22

杨冲,女,1985年出生,硕士,食品科学

王承明,男,1964年出生,教授,硕士生导师,农产品加工与贮藏、食品安全、食品化学