响应面分析法优化微波改善小麦蛋白纤维力学性能的工艺

柳翠青,马晓军

(江南大学食品学院,江苏无锡 214122)

响应面分析法优化微波改善小麦蛋白纤维力学性能的工艺

柳翠青,马晓军*

(江南大学食品学院,江苏无锡 214122)

以谷朊粉为原料,分别分离麦谷蛋白和麦醇溶蛋白后,按麦谷蛋白∶醇溶蛋白(w/w)=1∶1,蛋白浓度15%,凝固时间20 min进行湿法纺丝,并通过微波进行改性以提高蛋白纤维的力学性能并优化工艺条件。在单因素实验的基础上,选取微波功率、微波时间和pH为自变量,以断裂强度和断裂伸长率为响应值,利用响应面优化方法(RSM)中的Box-Behnken方法研究自变量及其交互作用对响应值的影响。得到的最优条件为:微波功率为206 W,微波时间为3 min,pH为8,所得的小麦蛋白纤维的断裂强度为0.69 cN/dtex,断裂伸长率为23.37%。与空白对照组相比,断裂强度增加了19%,断裂伸长率增加了302.43%。因此,微波可以明显提高小麦蛋白纤维的力学性能。

微波,小麦蛋白纤维,断裂强度,断裂伸长率,响应面分析法

微波是指频率为300 MHz～300 GHz的电磁波,能够引起极性分子振动从而对物料产生影响。研究表明,微波电磁场对物料相互作用能产生两方面的效果:一是微波的加热效应,微波能量通过物料中分子的急剧摩擦、碰撞而转化成热能,使物料温度升高;二是微波的非热效应或生物效应,微波与物料中生物活性组分(如蛋白质及酶)或混合物(如霉菌、细菌等)相互作用,使他们生物活性得到抑制或激励[1]。微波技术具有穿透力强、热惯性小、设备结构紧凑、无毒副作用、工艺流程易于控制、费用低且可改善产品的某些功能特性等优点[2]。

目前,随着石油、煤炭等资源额日益短缺,以及人们对绿色、环保、舒适要求的提高,制备纯天然的蛋白纤维具有广泛的应用前景。谷朊粉,又称小麦面筋蛋白,主要由分子量较小、呈球状、具有较好延伸性的麦醇蛋白与分子量较大、呈纤维状、具有较强弹性的麦谷蛋白组成。它能与水形成网络结构因而具有优良的黏弹性、延伸性、吸水性、吸脂乳化性、薄膜成型性,是制备高品质生物纤维的理想原料[3],但是制成的再生蛋白纤维物理机械性能和化学稳定性较差[4],因此本文利用微波对谷朊粉进行湿法改性后制备机械性能更高的小麦蛋白纤维,以拓宽其非食品性应用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

谷朊粉 中纺汇泽生物科技(德州)有限公司;尿素、亚硫酸钠、硫酸钠、硫酸 AR,国药集团。

1 mL注射器;FE20型pH计 德国IKA;高速搅拌机 上海弗鲁克机械有限公司;NJL07-3微波炉 南京杰全微波设备有限公司;旋转蒸发仪 德国IKA;ACPHA1-4型冷冻干燥机 CHRIST公司;DFT-100型粉碎机 温岭市林大机械有限公司;TA-XT2i型质构仪 STABLE MICROSYSTEMS公司。

1.2 实验方法

1.2.1 麦谷蛋白与醇溶蛋白的分离提取 二者分离方法参照文献[5]略做修改:谷朊粉按料液比1∶30加入65%的乙醇溶液,35 ℃下搅拌2.5 h,4500r/min离心20 min,收集上清液;将沉淀继续用65%的乙醇溶液提取两遍,收集上清液,将3次所得上清液混合用旋转蒸发仪浓缩后冷冻干燥即得醇溶蛋白。再将上述所剩沉淀按料液比1∶20加入水并调pH为10,55 ℃下搅拌2.5 h,4500 r/min离心20 min,收集上清液,所剩沉淀按上述方法重复提取两遍,收集上清液,将3次所得上清液混合后加入乙醇至其浓度为65%,并调节其pH至7.0,4℃静置12 h,离心得到的沉淀冷冻干燥即为麦谷蛋白。

将冻干的麦谷蛋白和醇溶蛋白粉碎后用正己烷按料液比1∶2混合,搅拌1 h后在3000 r/min离心5 min,所得沉淀再重复上述步骤2次,将沉淀干燥后过80目筛备用。

1.2.2 小麦蛋白溶液的制备及纤维的制备 根据文献[4]略做修改:按照醇溶蛋白∶麦谷蛋白(w/w)=1∶1混合,加入1%的亚硫酸钠和8 mol/L的尿素溶液至蛋白浓度为15%后,调节其pH并在不同功率和时间下进行微波处理,处理后的蛋白溶液用注射器挤入含10%硫酸钠和10%硫酸的凝固浴中20 min,用蒸馏水洗涤3遍晾干后,将纤维在55 ℃的水中浸泡15 s后拉伸至原纤维长度的3～4倍;将制得的纤维在85 ℃下加热1 h,再在125 ℃下加热1 h备用。

1.2.3 纤维力学性能测试 将纤维剪切成10cm长的纤维,固定在质构仪上,采用A/TG探头,夹持长度为40 mm,拉伸速度为2 mm/min,测定其力学性能:包括断裂强度和断裂伸长率。

断裂强度(cN/dtex)=纤维发生断裂时的最大应力(cN)/纤维线密度(dtex)

注:1分特克斯(dtex):10000米长的纤维或纱线在公定回潮率时的重量克数,为纤维线密度的单位。

断裂伸长率:纤维在拉断时的位移值与原长的比值，以百分比表示(%)。

1.2.4 微波工艺最优条件的确定

1.2.4.1 微波功率对纤维力学性能的影响 按方法1.2.2制备小麦蛋白溶液,调节pH=7后取蛋白溶液10 mL,在微波功率分别为100、200、300、400、500 W下加热2 min,按方法1.2.2制备小麦蛋白纤维后测其力学性能。

1.2.4.2 微波时间对纤维力学性能的影响 按方法1.2.2制备小麦蛋白溶液,调节pH=7后取蛋白溶液10 mL,在微波功率300 W下分别加热1、2、3、4、5 min,按方法1.2.2制备小麦蛋白纤维后测其力学性能。

1.2.4.3 pH对纤维力学性能的影响 按方法1.2.2制备小麦蛋白溶液,调节pH分别为5、6、7、8后取蛋白溶液10 mL,在微波功率300 W下分别加热1、2、3、4、5 min,按方法1.2.2制备小麦蛋白纤维后测其力学性能。

1.2.4.4 微波工艺最优条件的确定 在单因素实验的基础上,以断裂强度和断裂伸长率为评价指标进行研究和分析,并确定三因素三水平的响应面实验分析,并与不经微波处理的蛋白纤维(醇溶蛋白∶麦谷蛋白=1∶1,蛋白浓度=15%,pH=7,凝固时间=20 min)做空白对照。

表1 中心组合设计因素水平表

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

图1 微波功率对纤维力学性能的影响Fig.1 Effect of microwave power on themechanical properties of wheat protein fiber

微波功率、时间及pH对纤维力学性能的影响分别如图1～图3所示。从图1～图3可以看出,纤维的拉伸强度以及断裂伸长率均随微波功率、时间以及pH的增大呈先增强后降低的趋势,这可能是因为在较低的微波功率以及较短的微波时间下,随着微波功率及时间的增加,蛋白处于可逆变性阶段,随着温度的升高,在蛋白质展开的过程中,微波的加入促进了蛋白质的展开[6],更适合纺丝,使纺出的丝性能较好;随着功率及时间的继续增加,溶液温度继续增加,又使蛋白质链适度交联[7],使纤维的力学性能提高,随着功率和时间的进一步增加,会使蛋白交联过度,使纺出的纤维力学性能下降。而对于pH,在pH较低呈酸性时,对蛋白起水解作用,使蛋白分子链变短,纺出的丝力学性能较低;在中性及弱碱性时,蛋白分子链保持其原本的大分子状态,因此纺出的纤维力学性能较好。综上所述,为得到优异的纤维力学性能,选择微波功率为300 W,微波时间为2 min,pH为7进行响应面分析。

2.2 响应面法微波工艺优化

表3 断裂强度回归方程方差分析表

图2 微波时间对纤维力学性能的影响Fig.2 Effect of microwave time on themechanical properties of wheat protein fiber

图3 微波溶液的pH对纤维力学性能的影响Fig.3 Effect of pH on themechanical properties of wheat protein fiber

注:
注:**表示极显著(p<0.01),*表示显著(0.01

在单因素实验的基础上,以拉伸强度和断裂伸长率为响应值,利用响应面优化方法(RSM)中的Box-Behnken分析方法建立模型,对微波工艺进行优化，每组实验重复3次,响应面实验设计和结果如表2所示。

表2 响应面实验设计及结果

2.2.1 不同因素对断裂强度的影响

2.2.1.1 响应面模型分析 利用Designexpert7.0软件进行分析,以断裂强度为响应值得到方差分析表如表3所示。利用软件进行非线性回归的二次多项式拟合,得到的预测模型如下:断裂强度=0.61-1.250E-003A+0.076B+0.050C-0.023AB-0.015AC+0.030BC-0.049A2-0.014B2-0.032C2。

2.2.1.2 响应面图分析 微波功率、时间以及pH对纤维断裂强度的影响见图4～图6。从图4可以看出,微波功率和微波时间交互作用显著,纤维的断裂强度随微波功率的增加先增加后降低,随微波时间的增加而增加,所以微波选300 W左右,微波时间为3 min左右;从图5可以看出,微波功率和pH交互作用不明显,纤维的断裂强度随pH的增加而增加,因此选用微波功率为300 W左右,pH为8左右;从图6可以看出,pH和微波时间交互作用显著,纤维的断裂强度随pH和微波时间的增加而增加,因此选用pH为8左右,微波时间为3 min左右。

图4 微波功率和时间对断裂强度的影响Fig.4 Effect of microwave power andtime on breaking tenacity

图5 微波功率和pH对断裂强度的影响Fig.5 Effect of microwave powerand pH on breaking tenacity

图6 微波时间和pH对断裂强度的影响Fig.6 Effect of microwave timeand pH on breaking tenacity

2.2.2 不同因素对断裂伸长率的影响

2.2.2.1 响应面模型分析 利用Designexpert7.0软件进行分析,以断裂伸长率为响应值得到方差分析表如表4所示。利用软件进行非线性回归的二次多项式拟合,得到的预测模型如下:断裂伸长率=7.42+1.55A+4.09B+5.67C-0.37AB-0.57AC+2.27BC+2.48A2+1.80B2+0.37C2。

从方差分析表4可以看出,该模型显著。失拟项不显著,说明方程模拟较好。由F值可以看出,FC>FB>FA,说明pH对纤维的断裂伸长率影响最大,其次是微波时间,微波功率影响最小。由p值可知,B、C对断裂伸长率影响极显著。

表4 断裂伸长率回归方程方差分析表

2.2.2.2 响应面图分析 微波功率、时间以及pH对纤维断裂伸长率的影响见图7～图9所示。从图7～图9可以看出,微波功率、时间以及pH三者间的交互作用均不显著。纤维的断裂伸长率随微波时间的增加而增加,随微波功率的增加先增加后降低,随pH的增加逐渐增加。因此,选用微波功率为300 W左右,微波时间为3 min左右,pH为8左右。

图7 微波功率和微波时间对断裂伸长率的影响Fig.7 Effect of microwave power and timeon elongation at break

图8 微波功率和pH对断裂伸长率的影响Fig.8 Effect of microwave power and pHon elongation at break

图9 微波时间和pH对断裂伸长率的影响Fig.9 Effect of microwave timeand pH on elongation at break

2.3 微波工艺的确定

三因素中对断裂强度影响的大小顺序为:微波时间>pH>微波功率,对断裂伸长率影响的大小顺序为:pH>微波时间>微波功率,综合考虑两个响应值,利用Design-expert 7.0软件进行最优条件的选择,选择条件为:微波功率为206.41 W,微波时间为3 min,pH为8。为实验方便,微波功率采用206 W。预测的纤维的断裂强度为0.71 cN/dtex,断裂伸长率为23.22%。经过实验验证,得到的纤维的断裂强度为0.69 cN/dtex,断裂伸长率为23.37%。与空白对照组(断裂强度为0.58 cN/dtex,断裂伸长率为5.77%)相比,断裂强度增加了19%,断裂伸长率增加了302.43%。

3 结论

本实验采用微波改性的方法提高小麦蛋白纤维的力学性能,通过响应面法优化了微波改性的工艺,得到的最优条件为:微波功率为206 W,微波时间为3 min,pH为8,所得的小麦蛋白纤维的断裂强度为0.69 cN/dtex,断裂伸长率为23.37%。与空白对照组(断裂强度为0.58 cN/dtex,断裂伸长率为5.77%)相比,断裂强度增加了19%,断裂伸长率增加了302.43%。因此,微波可以明显提高小麦蛋白纤维的力学性能。

[1]万小乐,卞科,张慧. 微波湿法改性对小麦面筋蛋白基塑料板拉伸性能的影响[J].食品工程,2009(7):124-127.

[2]唐蔚波.大豆蛋白胶黏剂的合成与应用研究[D].无锡:江南大学,2008.

[3]Woerdeman D L,Veraverbeke W S,Pamas R S,et al. Designing new materials from wheat protein[J]. Biomacromolecules,2004(5):1262-1269.

[4]Narendra Reddy,Yiqi Yang. Novel Protein Fibers from Wheat Gluten[J]. Biomacromolecules,2007(8):638-643.

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[7]崔贵金,卞科,陶平平,等. 微波处理小麦蛋白胶黏剂的性能研究[J].中国酿造,2011(9):84-88.

Process optimization and improvement of wheat protein fiber mechanical properties through microwave by response surface methodology

LIU Cui-qing,MA Xiao-jun*

(Food Science College of Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Separating gluten and gliadin from wheat gluten,the fibers were spinned according to gluten∶gliadin(w/w)=1∶1,protein concentration of 15% and the coagulation time of 20 min. The spinning dope was modified by microwave to improve the fibers’ mechanical properties and optimize the process. Based on the single factor experiment,three parameters including microwave power,time and pH were optimized using Box-Behnken central composite design and response surface methodology for achieving maximum of breaking tenacity and elongation at break. The optimum process condition was microwave 206 W,microwave time 3 min,pH=8.The modified fibers’ breaking tenacity was 0.69 cN/dtex and elongation at break was 23.37%. Compared with the control group,breaking tenacity of fiber increased by 19% and the elongation increased by 302.43%. Therefore,microwave can significantly improve the mechanical properties of wheat protein fiber.

microwave;wheat protein fiber;breaking tenacity;elongation at break;response surface methodology

2014-09-22

柳翠青(1988-),女,硕士研究生,研究方向:谷物化学,E-mail:cuiqingliu@163.com。

*通讯作者:马晓军(1965-)，男，硕士，副教授，研究方向：谷物化学,E-mail:maxiaojun@jiangnan.edu.cn。

TS210

B

1002-0306(2015)15-0243-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.042