反胶束萃取大豆蛋白过程中动力学的研究

陈复生程小丽李里特赵俊廷

(河南工业大学粮油食品学院1,郑州 450052)

(中国农业大学食品科学与营养工程学院2,北京 100083)

(河南工业大学化学化工学院3,郑州 450052)

反胶束萃取大豆蛋白过程中动力学的研究

陈复生1程小丽1李里特2赵俊廷3

(河南工业大学粮油食品学院1,郑州 450052)

(中国农业大学食品科学与营养工程学院2,北京 100083)

(河南工业大学化学化工学院3,郑州 450052)

研究了二 -(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠(AOT)/异辛烷反胶束萃取大豆蛋白的动力学,考察了振荡速度、萃取温度、反胶束浓度和全脂大豆粉粒度对萃取速率的影响,初步表明反胶束萃取大豆蛋白的过程受内扩散控制,萃取过程可用未反应核模型来解释。在试验范围内,萃取过程符合一级反应,表观活化能为15.64 kJ/mol。建立宏观动力学方程 1.22exp(-1 880.4/T)t=1+2(1-x)-3(1-x)2/3,并给予了试验验证,结果表明所得模型能较好地描述蛋白的萃取过程。试验结论对反胶束萃取大豆蛋白具有重要理论参考。

反胶束 萃取 大豆蛋白 动力学

反胶束是表面活性剂在非极性溶剂中形成的与正常胶束结构相反的含水聚合体。利用反胶束萃取生化物质是近些年来在非水相提取方面的一项新技术[1]。目前国内外研究学者对反胶束提取生化物质的研究主要集中在萃取工艺的选择上[2-4],并取得了显著的成绩。通过选择不同的反胶束体系或对萃取过程中辅助超声波技术、超临界技术等使生化物质的提取率有了显著的提高,但对萃取动力学方面的研究较少,并且有关反胶束萃取蛋白质的动力学研究多数是对低分子质量的标准蛋白[5]、一些高纯度的酶类[6-7]和氨基酸[8-9]在液 -液[10-12]萃取体系中进行的,而对于用反胶束体系在固 -液相中萃取蛋白质的前萃动力学研究至今未见报道。人们普遍认为固体蛋白质增溶于反胶束溶液的传质过程是反胶束与蛋白质在两相界面直接作用,完成质量转移过程,并伴随有水和离子的加溶[13]。Simeonov等[14]和Seikova等[15]研究了用碱萃取番茄籽中的蛋白质,指出蛋白质在固体内部的扩散过程是萃取的决速步骤,并在最佳的操作条件下测定了扩散系数。但这种萃取体系与反胶束萃取体系具有较大的差异。因此关于反胶束萃取固体蛋白质的动力学有待进一步的研究。在用 AOT/异辛烷反胶束体系从全脂大豆粉中萃取蛋白质的基础上,进一步研究反胶束萃取动力学,更深入了解反胶束的萃取机理,有效控制和强化萃取过程,为实际生产中的工艺和萃取设备提供一些重要的基础数据。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

全脂大豆粉:安阳漫天雪食品制造有限公司; AOT:上海联民化工厂。

1.2 主要仪器和设备

UV-1901型紫外分光光度计:北京普析通用仪器有限责任公司;GL-20L高速冷冻离心机:上海安亭科学仪器厂;pH211型酸度计:意大利 HANNA公司;THZ-82B型气浴恒温振荡器:江苏省金坛市医疗仪器厂;ZSD-2J型自动水分滴定仪,上海安亭电子仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 原料(全脂大豆粉)主要成分分析

蛋白质含量测定方法采用 GB/T5009.5—2003;粗脂肪含量测定方法采用 GB/T5009.6—2003;水分含量测定方法采用 GB/T5009.3—2003。

1.3.2 AOT反胶束溶液的配制

按照反胶束质量浓度为 0.08 g/mL称取 0.8 g表面活性剂AOT,将其置于锥型瓶中,加入 10 mL异辛烷。磁力搅拌使AOT完全溶解,待溶液透明后,加入 0.04 mL浓度为 0.1 mol/L KCl的 KH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液 (pH值为 7.0),摇床振摇,室温下静置 12 h或离心机上以 3 000 r/min分离 20 min,溶液若透明则为反胶束,反之则不是。

1.3.3 蛋白质的前萃试验

取一定体积按 1.3.2要求配制的AOT/异辛烷反胶束溶液置于锥型瓶中,配成质量浓度为 0.08 g/mL的大豆粉溶液,振荡一定时间,以约 5 000 r/min的转速进行离心分离 10 min,萃取体系分为 2层,上层为萃入蛋白质的AOT层,下层为残渣,除去残渣,所得上清液用UV-1901型紫外分光光度计测定蛋白质的浓度,然后用 GB/T 5009.5—2003凯氏微量定氮法进行校正。可测定不同条件下的蛋白质前萃率[2]。

2 选取萃取动力学模型

反胶束萃取大豆蛋白的过程共包括 4个步骤:①反胶束从有机相主体扩散到固液界面上;②蛋白质从固体内部扩散到固液界面;③蛋白质在固液界面上与反胶束碰撞形成含有蛋白质的反胶束;④包含有蛋白质的反胶束从两相界面扩散到有机相中。理论上该萃取过程可能包括 4种阻力控制:外扩散阻力控制、界面反应阻力控制、物料内扩散阻力控制和混合阻力控制。

对于液 -固非催化反应模型,应用最多的是未反应核模型。在推导反应速率方程时,该模型做 3条假定:①反应发生在未反应核的明显界面上;②反应过程是拟稳态过程;③假设固体内温度是均匀的,且反应为拟一级不可逆反应。则一级液固反应未反应核模型数学表达式如下[13-14]:

式中 t为反应时间/min;α、b为化学反应计量系数;δ为反应区厚度/cm;ρB为固体反应物密度/ g·cm-3;r0为固体粒子半径 /cm;CA0为流体本体浓度/mol·L-1;χ为产物转化率/%;Dl为液态反应物通过液体边界层的有效扩散系数/cm2·s-1;kr为界面化学反应速率常数 /cm2·s-1;Ds为液态反应物通过固体产物层的有效扩散系数/cm2·s-1。

式(1)可以简化为:

反应由外扩散作用控制时,公式 (2)简化为:

反应由液 -固界面化学反应控制时,公式(2)简化为:

反应由内扩散作用控制时,公式 (2)简化为:

反应由液 -固界面化学反应控制和内扩散作用两者共同控制时,公式(2)简化为:

3 结果与讨论

3.1 原料主要成分分析

原料主要成分分析结果见表 1。

表 1 原料主要成分及其质量分数(干基)

3.2 振荡速度对蛋白萃取率的影响

振荡可以强化扩散,促使反胶束良好的分散,促进液态反应物通过固体产物层的有效扩散,从而增大相界面积和扩散系数。由图 1可知,当振荡速度小于 180 r/min时,蛋白质的萃取率随着振荡速度的增加而增加;当振荡速度大于 180 r/min时,蛋白的萃取率基本不再发生变化。

图1 振荡速度与蛋白前萃率的关系

振荡速度增大将会增加大豆蛋白与“空胶束”接触的机会;同时也会加强对“空胶束”的表面的冲击作用,使得反胶束的表面疏松,大豆蛋白较容易传递到反胶束的内部[16]。而当振荡速度达到大于 180 r/ min后,振荡速度对蛋白的萃取率已无影响。这说明外扩散阻力对萃取速率的影响基本可以消除,振荡速度作为一个变量可以忽略。但扩散作为速率控制步骤不能被消除,所以反应进入动力学区,萃取过程只能受界面反应控制、物料内扩散控制或二者的混合控制。

3.3 温度对蛋白萃取率的影响

萃取温度对蛋白萃取率的影响如表 2所示。由表 2可以发现,在同一萃取时间下,温度越高萃取率也越高;在同一温度下,随着萃取时间的增加,蛋白的萃取率也逐渐增加。温度对反胶束萃取大豆蛋白的影响主要有两个方面:一是温度升高时,分子的热运动的增加使萃取过程中的扩散速率上升,萃取速率加快,反之萃取率下降。二是温度变化对于蛋白生物活性的影响,一般在较低的温度萃取有利于保持蛋白质的生物活性,高温会使蛋白质的生物活性丧失。同时由于温度过高,将会引起反胶束体系的不稳定,不利于蛋白质的增溶。为达到较好的结果,选用的温度范围为 25～40℃。

表 2 不同温度和时间时蛋白的前萃率

将表 2的试验结果用尝试法代入未反应核模型的内扩散控制方程和界面反应控制方程中,如图 2和图 3所示。可以看出,在萃取过程中反应时间 t与1+2(1-x)-3(1-x)2/3呈线性关系,且过原点,与 1 -(1-x)1/3不呈线性关系,没有规律,表明该萃取过程属内扩散步骤控制类型。

图 2 不同温度时 1+2(1-x)-3(1-x)2/3与萃取时间的关系

图 3 不同温度时 1-(1-x)1/3与萃取时间的关系

3.4 胶束浓度对蛋白萃取率的影响

由于表面活性剂浓度太低时,不能形成反胶束或者所形成的聚集数太少,易造成蛋白的提取率偏低;若表面活性剂浓度太高,则黏度太大,胶束之间的分子碰撞作用减少,也不利于蛋白质的提取,而且会导致后萃工艺复杂,因此选择的反胶束浓度范围为 0.04～0.10 g/mL。结果表明,在同一萃取时间下蛋白的萃取率随着反胶束的浓度增大而增大;同一反胶束浓度下,随着反应时间的增加萃取率逐渐上升。将试验结果带入内扩散反应方程进行处理,如图4所示。

图4 不同浓度时浸出动力学曲线

根据不同浓度下萃取动力学曲线,可得其相应的表观速率常数 k3值。按式 (5)用 logk3对 logC作图,如图 5所示,经线性回归得到的直线斜率为0.974 5,因此萃取过程的反应级数可视为一级反应。

图 5 logk-logC曲线

3.5 全脂大豆粉粒度蛋白萃取率的影响

用筛分方法分别取60目,80目,100目和混合型的全脂大豆粉,萃取时间 10～80 min的条件下进行萃取试验,将数据带入式 (5),得到 1+2(1-x)-3 (1-x)2/3与时间 t的关系,并与混合全脂大豆粉的浸出结果进行对比,如图 6所示,可以看出图形皆呈直线,并且都过原点。在相同萃取时间,粒度越小萃取率就越高。这是由于在总质量一定的前提下,粒度越小,粒数就越多,从而反应面积就越大,浸出速率就越快[17]。

图6 不同粒度时萃取动力学曲线

3.6 建立宏观动力学方程

根据阿累尼乌斯 (Arrhenius)公式[18]:k3= kOe-Ea/RT,式中 k0为频率因子;Ea为表观活化能 /kJ· mol-1;R为气体常数 /8.314 J·mol-1·K-1);T为热力学温度/K。

以 lnk3～1/T绘图,如图 7所示。由图 7可得Ea/R=1 880.4,Ea=15.64 kJ/mol,表明反胶束萃取大豆蛋白的过程属于内扩散控制,与前面的结论相符。

通过试验,反胶束萃取动力学方程可以进一步表示为:

图 7 Ink3-1/T曲线

3.7 模型的验证

用 20、27、33和 45℃下反胶束萃取蛋白的试验数据,对式(8)进行验证,结果如图 8所示,由检验结果可以看出式 (8)与试验值吻合较好。因此可以说明未反应核模型能较好的应用于大豆蛋白萃取过程的动力学研究。

图8 萃取率与时间的关系

4 结论

4.1 试验研究了反胶束萃取大豆蛋白的过程,考察了影响反胶束萃取大豆蛋白的因素,结果表明温度升高,粒度降低,反胶束浓度的升高有利于反应的进行。

4.2 试验结果表明该固液反应对反胶束的浓度而言为一级反应,试验条件下的表观活化能为 15.64 kJ/mol。

4.3 通过验证,未反应核模型能较好的应用于反胶束萃取大豆蛋白的动力学研究,其中内扩散控制为该萃取过程的主要控制环节。宏观动力学方程为1.22exp(-1 880.4/T)t=1+2(1-x)-3(1-x)2/3表示。

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Kinetics of Extraction Process of Soybean Protein in ReverseMicelles

Chen Fusheng1Cheng Xiaoli1LiLite2Zhao Junting3
(Collegy of Food science and Engineering,Henan University of Technology1,Zhengzhou 45005)
(School Food Science and Nutrition Engineering,China Agriculture University2,Beijing 100083)
(Collegy of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University of Technology3,Zhengzhou 450052)

Bis-(2-ethylhexyl)sulfosuccinate(AOT)/isooctane reverse micelle solution system was adopted to extract soybean protein.Shrinking unreacted core modelwas applied to forming kinetic equation of the extraction. The effects of stirring intensity,extracting temperature,concentration of reverse micelle,particle size and extracting time were investigated.Results:The unreacted core model tallieswith experimental data well.The extraction processis the first order reaction,and the apparent activation energy of the reaction calculated is 15.64 kJ/mol.It is estab2 lished that the extraction process is diffusion through the ash layer and the kinetic process of extracting protein from soybean powder is conformable with 1.22exp(-1 880.4/T)t=1+2(1-x)-3(1-x)2/3.This work reveals the possibility of extracting protein from soybean powder by reverse micelles.

reverse micelles,extraction,soybean protein,kinetics

TS214.2 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)05-0024-06

国家自然科学基金(20976037),国家教育部科学技术重点资助 (205094),河南省杰出人才创新基金(05210005000)

2009-05-30

陈复生,男,1963年出生,教授,博士生导师,食品资源开发与利用