响应面法优化超高压改性谷朊粉溶解度的方法与流程

本发明属于谷朊粉深加工技术领域，具体涉及一种响应面法优化超高压改性谷朊粉溶解度的方法。

背景技术：

谷朊粉是生产小麦淀粉时副产品，包括麦醇溶蛋白和麦谷蛋白，是小麦籽粒主要储藏蛋白，占小麦蛋白质总含量85％左右。其来源丰富、价格低廉，是一种营养丰富、食用安全植物蛋白。据统计，全世界面筋蛋白年产量约60万吨，我国目前年产量约为10万吨，主要用于面粉、饲料、食品等领域。随着市场对小麦淀粉需求量不断增加，小麦面筋产量也持续增长；但传统领域对谷朊粉需求已饱和并囤积严重。因此研究开发谷朊粉新用途、拓宽其应用领域、开辟新途径，以使其能被充分利用，创造更高经济价值显得颇为重要。

目前谷朊粉在固体型食品中得到广泛应用，但在液体类食品(如饮料、乳制品)中研究受到很多限制，主要是其蛋白质结构中由于疏水性氨基酸(如谷氨酸、亮氨酸、脯氨酸等)在整个结构组成中所占比重大，使得谷阮粉蛋白分子内疏水作用区域较大，导致谷朊粉溶解、乳化和发泡等功能性质尚不能满足食品加工需要。因此，改善谷朊粉功能性质对拓宽其应用范围具有重要意义。

目前谷朊粉最常用的改性方法主要有磷酸化改性、酸法碱法去酰胺改性、酰化改性以及酶法改性。前三种改性发法的共同点就是通过化学的方法引入化学试剂来达到改善其功能特性的目的。尽管化学改性易于操作，但由于在营养和毒理方面对谷朊粉存在着有害作用效应的可能而受到一定的限制，如碱处理谷阮蛋白，由于氨基酸发生了消旋作用，使必需氨基酸的l-对映体减少和消化率降低，并产生有毒的d-氨基酸，使得谷阮蛋白的营养价值大大降低。蛋白酶解是一种常用的蛋白质改性方法，有研究者对酶法增溶小麦面筋蛋白进行大量研究，面筋蛋白溶解性直接影响其起泡、乳化等功能特性。但是这种方法有明显的不足之处在于大量破坏了谷朊粉蛋白结构中双硫键，虽然溶解性得到了提高，但改性后的谷肮粉在焙烤、面制品工业应用中面团粘弹性大副降低而不利于在面粉工业中的应用。以上分析可知，通过磷酸化、酸法碱法去酰胺、酰化及酶解等方法对面筋蛋白进行处理，均在一定程度上改变面筋蛋白的功能特性，但都存在不同程度的不足和缺陷。

超高压技术是蛋白质改性的一种物理方法。它是指将食品物料放置于超高压容器中，在静高压(一般不小于100mpa，常用的压力范围是100-1000mpa)和一定温度下处理适当的时间，以引起食品成分非共价键(氢键、离子键和疏水键等)的破坏或形成，从而使食品中酶、蛋白质、核酸和淀粉等生物大分子改变活性、变性或糊化，而对维生素、色素和风味物质等低分子化合物产生很小影响的一种加工方法。蛋白质的超高压加工是食品超高压加工技术领域的一个重要研究方向，在超高压作用下蛋白质出现变性、凝聚或凝胶化现象，而在此过程中食品的颜色、风味和营养价值不受或很少受影响。

据报道，超高压技术已经广泛应用在动物蛋白的改性上，如畜禽肉制品蛋白、水产品蛋白、蛋制品蛋白以及乳制品蛋白。在植物蛋白方面也有一些报道，如李汴生等对高压处理后大豆分离蛋白溶解性和流变特性的变化及其机理进行了研究，结果显示经400mpa、15min高压处理使低浓度大豆分离蛋白溶液中蛋白质溶解性的提高最为显著。张宏康等研究了超高压条件下，大豆分离蛋白溶液质量分数需达到一定值才能形成凝胶。毕会敏等则研究发现超高压处理使大豆分离蛋白膜液的稳定性提高，膜的抗张强度增大，断裂伸长率、透氧率减小，热水速溶率恒定，膜表面更加平滑、细致、透明。kato等将大米浸入蒸馏水中在100-400mpa条件下高压处理，发现大米中的过敏性蛋白溶入水溶液中，且溶解量达到0.2-0.5毫克(蛋白)/克(大米)。纵伟等研究超高压处理压力、时间、浓度、ph值等多种因素对花生分离蛋白溶解性的影响，发现在100mpa-500mpa范围内，在同一压力下，随加压时间延长，花生分离蛋白溶解性逐渐提高。刘坚等研究了超高压(100-600mpa)对鹰嘴豆分离蛋白功能性质的影响。结果表明:随着压力的增大和处理时间的延长，鹰嘴豆分离蛋白的溶解性不同程度的下降，而表面疏水性、乳化性和起泡性都显著提高。由前人的研究可见，超高压对食品蛋白质的功能特性能产生较好的改善作用。

当前，谷朊粉超高压加工改性研究只见apichartsrangkoon、kiefferls等国外几位学者的少数报道，国内还未见相关研究。国外学者研究主要侧重于超高压加工对谷阮粉粘弹性的影响，而未就超高压加工对谷阮粉溶解度等功能特性影响、超高压改性后谷阮粉在食品工业的具体应用等相关内容开展研究。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明采用超高压改性谷朊粉，研究超高压处理过程中有关参数的精确控制，建立box-behnnken模型，优化出改善其功能特性的最佳处理参数，为专用仪器的开发提供理论依据。藉此来实现谷朊粉超高压处理的工业化制备，在一定程度上解决谷朊粉功能特性差，应用面窄等问题。同时将超高压处理谷朊粉应用于面条、面包等的加工中，通过品质分析，确定超高压改性谷朊粉的最佳添加量。为面条、面包等面制产品的开发奠定基础。从而推动小麦加工产业的发展，服务于国民经济。

本发明响应面法优化超高压改性谷朊粉溶解度的方法，包括以下步骤：

s1、以溶解度为考察指标，分别对谷朊粉样品进行时间、压力、温度值的超高压改性单因素试验；

s2、在单因素试验的基础上，应用软件中的box-behnken原理设计三因素三水平试验，以时间、压力和温度为自变量，溶解度为响应值，进一步考察时间、压力和温度对溶解度的交互影响，并对其工艺进行优化；

s3、根据box-behnken组合设计试验结果，计算各项回归系数，以这些回归系数建立谷朊粉溶解度与时间、压力、温度三因子的数学回归模型；

s4、结合回归模型的数学分析得到超高压处理后谷朊粉溶解度的最优工艺参数；

s5、根据实验室条件及实际操作性，对s4中最优工艺参数进行修正；

s6、对s5中得到的最优工艺参数进行验证实验。

优选的，步骤s1和s2中，超高压改性的方法为：称取50g左右的谷朊粉样品于聚乙烯塑料袋中，抽真空密封，放入超高压设备压力容器腔内，以水为加压介质进行参数的设定，设置不同的条件进行处理，压力处理后的样品放置于冰箱中4℃保存备用。

优选的，步骤s1中，单因素试验具体为按以下条件对谷朊粉进行超高压处理：

(1)不同时间处理组：样品分别在高压腔内保压时间为5、10、15、20、25min的条件下进行超高压处理，设置温度20℃，压力300mpa；

(2)不同压力处理组：样品分别在高压腔内压力为100、200、300、400、500mpa的条件下进行超高压处理，设置温度20℃，时间10min；

(3)不同温度处理组：样品分别在高压腔内温度维持在15、20、25、30、35℃的条件下进行超高压处理，设置压力300mpa，时间10min。

优选的，本发明采用的软件为design-expert10软件。

优选的，步骤s2的因素水平包括：保压时间为5min、10min、15min；压力为200mpa、300mpa、400mpa；温度为15℃、20℃、25℃。

优选的，步骤s3得到的回归方程为：y＝0.48+0.086×x1+0.19×x2－0.00004×x3+0.018×x1x2+0.023×x1x3－0.04×x2x3－0.068×x1²－0.05×x2²－0.057×x3²。

优选的，步骤s4中，超高压处理后谷朊粉溶解度的最优工艺参数为：超高压时间13.656min、压力398.354mpa、温度18.969℃，此工艺条件下谷朊粉溶解度为0.658mg/ml。

优选的，步骤s5中，修正后的最优工艺参数为超高压时间14min、压力398mpa、温度19℃。

优选的，步骤s6中的验证方法为在试验条件下，进行验证实验，重复3次，得实际谷朊粉的溶解度为0.655±0.81％mg/ml。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、本发明超高压改性方法改善了谷朊粉的溶解、乳化和发泡等功能性质，解决谷朊粉功能特性差，应用面窄等问题；

(2)、本发明克服了谷朊粉常用改性方法在营养和毒理方面对谷朊粉存在着有害作用的缺陷，拓宽了谷朊粉的应用范围；

(3)、本发明采用应用软件中的box-behnken原理，研究超高压处理过程中有关参数的精确控制，建立box-behnnken模型，优化出改善其功能特性的最佳处理参数，为专用仪器的开发提供理论依据，藉此来实现了谷朊粉超高压处理的工业化制备。

附图说明

图1是超高压时间a、压力b和温度c三个因素对谷朊粉溶解性做出的响应面曲面；

图2是超高压时间a、压力b和温度c三个因素对谷朊粉溶解性做出的等高线图；

图3是超高压时间a与压力b交互影响对谷朊粉溶解度的响应面曲线；

图4是超高压时间a与压力b交互影响对谷朊粉溶解度的等高线图；

图5是超高压时间a与温度c交互影响对谷朊粉溶解度的响应面曲线；

图6是超高压时间a与温度c交互影响对谷朊粉溶解度的等高线图。

具体实施方式

响应面法优化超高压改性谷朊粉溶解度的工艺研究

一、试验方法

1.超高压处理

称取50g左右的谷朊粉样品于聚乙烯塑料袋中，抽真空密封，放入超高压设备压力容器腔内，以水为加压介质进行参数的设定，设置不同的条件进行处理，压力处理后的样品放置于冰箱中4℃保存备用；

2.单因素试验

以溶解度为考察指标，分别进行时间、压力、温度值的单因素试验，按以下条件对谷朊粉进行超高压处理：

(1)不同时间处理组：样品分别在高压腔内保压时间为5、10、15、20、25min的条件下进行超高压处理，设置温度20℃，压力300mpa；

(2)不同压力处理组：样品分别在高压腔内压力为100、200、300、400、500mpa的条件下进行超高压处理，设置温度20℃，时间10min；

(3)不同温度处理组：样品分别在高压腔内温度维持在15、20、25、30、35℃的条件下进行超高压处理，设置压力300mpa，时间10min；

3.二次旋转回归设计

在单因素试验的基础上，应用design-expert10软件中的box-behnken原理设计三因素三水平试验，以时间、压力和温度为自变量，溶解度为响应值，进一步考察时间、压力和温度对溶解度的交互影响，并对其工艺进行优化。因素水平编码表如下：

因素水平编码表

注：-1，0，1分别代表试验因素实际值的低水平、中水平、高水平的编码值；

二、结果与分析

2.1box-behnken试验设计与结果

根据单因素试验的结果，以溶解度为考察指标，对时间、压力和温度三个因素进行box-behnken组合设计，其试验设计与结果如表所示：

试验设计与结果

由表可知，计算各项回归系数，以这些回归系数建立谷朊粉溶解度与时间、压力、温度三因子的数学回归模型：

回归方程：y＝0.48+0.086×x1+0.19×x2－0.00004×x3+0.018×x1x2+0.023×x1x3－0.04×x2x3－0.068×x1²－0.05×x2²－0.057×x3²

回归模型方差分析

注：*代表该项具有显著性(p≤0.05)

方差分析显著性检验结果表明：二次多元模型中该模型回归系数f＝4.20，p＝0.0359<0.05，表明该模型显著，失拟项f＝2.08，p＝0.2452>0.05，表明失拟项不显著，回归方程拟合良好，自变量与响应值线性关系显著，可以用于超高压增溶改性谷朊粉工艺优化试验的理论预测；

2.2各因素间交互作用影响

采用design-expert10软件分析时间、压力和温度三个因素对谷朊粉溶解性的回归方程，由回归方程做出响应面曲面和等高线图；

由附图1-6可知，在其他因素确定的条件下，交互项ab、ac、bc响应面曲线对响应值的作用均表现为先上升后下降的趋势，在等高线图中，交互项ab、ac、bc对溶解度影响不明显，表现为等高线稀疏。同时，由响应面曲线的陡峭度可以得出结论，压力和时间对溶解度的影响较为明显，表现为曲线较为陡峭，而温度对溶解度的影响较小，表现为曲线较为平缓，即随其值的增大，响应值变化范围不大，因此，在所选因素水平范围内各因素对结果的影响排序为：压力>时间>温度；

2.3优化工艺的验证试验结果

结合回归模型的数学分析可知，超高压处理后谷朊粉溶解度的最优工艺参数为：时间13.656min、压力398.354mpa、温度18.969℃，此工艺条件下谷朊粉溶解度为0.658mg/ml。根据实验室条件及实际操作性，将改性工艺参数修正为超高压时间14min、压力398mpa、温度19℃。为进一步检验响应面分析法的可靠性，在修正后的工艺条件下，进行验证实验，重复3次，得实际谷朊粉的溶解度为0.655±0.81％mg/ml，平均值与理论计算值误差在1％左右。因此模型准确可靠，说明了优化条件的准确性。