響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助水酶法提取花生蛋白工藝

齊寶坤，江連洲，2，*，李 楊，2，韓宗元

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030; 2.國家大豆工程中心，黑龍江哈爾濱 150030)

響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助水酶法提取花生蛋白工藝

齊寶坤1，江連洲1，2，*，李 楊1，2，韓宗元1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030; 2.國家大豆工程中心，黑龍江哈爾濱 150030)

采用水酶法結(jié)合超聲波預(yù)處理提取花生蛋白，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選出最優(yōu)的超聲時(shí)間和超聲溫度，重點(diǎn)以酶用量、酶解pH、酶解溫度、酶解時(shí)間和料液比為考察的影響因子，花生蛋白提取率為響應(yīng)值。確定最優(yōu)復(fù)合酶水解的水酶法提取花生蛋白工藝條件為:加酶量為1.59%，溫度為56.5℃，酶解時(shí)間為3.9h，料水比為1∶4.4，pH為9.0，此時(shí)蛋白提取率為94.31%±0.37%。

花生蛋白，超聲波，水酶法

花生含有40%～50%的油脂和27%～29%左右的蛋白質(zhì)，不僅是主要的油料作物，也是優(yōu)質(zhì)植物蛋白資源［1］，但我國對花生蛋白的研究相對滯后，大部分花生蛋白產(chǎn)品只能在低端市場徘徊，無法與國外產(chǎn)品競爭。傳統(tǒng)堿提法速度慢、時(shí)間長，且蛋白提取率低、生產(chǎn)成本高，而水酶法是一種新興的提取蛋白方法，它是以機(jī)械和酶解為手段破壞植物細(xì)胞壁，該技術(shù)處理?xiàng)l件溫和，工藝路線簡單，而且可以同時(shí)提取油和蛋白質(zhì)，生產(chǎn)過程能耗相對低［2－3］。超聲波輔助提取技術(shù)是一種新的提取分離技術(shù)，具有獨(dú)特的物理性能，可促使植物細(xì)胞組織破壁或變形，能夠產(chǎn)生增溶作用，使有效成分提取更充分，提取率相比于傳統(tǒng)工藝有所提高。超聲波對油脂、蛋白萃取分離的強(qiáng)化作用主要源于其空化效應(yīng)，而超聲空化又引起了湍動(dòng)效應(yīng)、聚能效應(yīng)、微擾效應(yīng)和界面效應(yīng)，因而超聲波可強(qiáng)化萃取分離過程的傳質(zhì)速率和效果，從而有利于蛋白的提取，并且超聲波預(yù)處理會(huì)對花生細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷，同時(shí)對油脂與蛋白質(zhì)結(jié)合體進(jìn)行空化作用，有利于充分酶解［4－6］。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

花生 市售，其中水分7.9%、脂肪49.7%、蛋白質(zhì)25.5%;Alcalase2.4L堿性蛋白酶 最適溫度50～60℃，最適pH 8～10，酶活2000U/L，諾維信公司;氫氧化鈉、濃硫酸、無水硫酸銅等 均為市售分析純。

FA2004分析天平 上海市舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;pHS－3C酸度計(jì) 上海雷磁儀器廠; DZKW－S－4電熱恒溫水浴箱 北京市用光明醫(yī)療器械廠;JT－160W粉碎機(jī)、電動(dòng)攪拌機(jī) 金壇市醫(yī)療器械廠;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、自動(dòng)定氮儀、消化爐上海纖檢儀器有限公司;超聲波細(xì)胞破碎儀 寧波新芝生物科技股份有限公司;H－7650透射電子顯微鏡 日本HITACHI公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 花生油提取工藝流程 花生→烘干→脫紅衣→粉碎→加水調(diào)節(jié)料液比→超聲波處理→調(diào)節(jié)pH和溫度→酶解→滅酶→離心分離→花生蛋白

1.2.2 操作要點(diǎn) 脫紅衣∶將花生放于50℃烘箱中去除表皮水分，用手脫去花生紅衣。粉碎∶使用高速萬能粉碎機(jī)對脫皮花生進(jìn)行充分粉碎，直至物料呈半固態(tài)漿狀。超聲波處理∶將調(diào)好料液比的原料放于超聲波細(xì)胞破碎儀中處理20min。酶解∶調(diào)節(jié)好pH后，加入一定量的Alcalase 2.4L堿性蛋白酶。滅酶∶將水浴鍋中溫度升為100℃進(jìn)行滅酶，時(shí)間為10min。離心∶將物料趁熱轉(zhuǎn)移至具塞離心杯中進(jìn)行離心(4500r/min，20min)。

1.2.3 花生蛋白提取率的計(jì)算 總蛋白提取率(%) =(花生總含蛋白質(zhì)量－酶解提取后殘?jiān)鞍踪|(zhì)量)/花生總含蛋白質(zhì)量×100%

1.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素研究的基礎(chǔ)上，在最優(yōu)的超聲時(shí)間和超聲溫度條件下，選取加酶量、酶解溫度、酶解時(shí)間、料水比和酶解pH 5個(gè)因素為自變量，以總蛋白提取率y1為響應(yīng)值，根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，其因素水平編碼表見表1。

表1 因素水平編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波處理單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲時(shí)間對花生蛋白提取率的影響 在超聲溫度為45℃、酶解時(shí)間為3.5h、料液比為1∶4、酶用量2.0%、酶解溫度55℃、pH9條件下，考察超聲時(shí)間對花生蛋白提取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 超聲波處理時(shí)間對花生蛋白提取率的影響

由圖1可知，起初花生蛋白提取率隨時(shí)間的延長而增大，當(dāng)超聲波處理時(shí)間為15min時(shí)，達(dá)到最大值，之后隨時(shí)間的延長而逐漸下降。由于超聲波作用在開始的時(shí)間內(nèi)對細(xì)胞膜的破碎作用比較大，溶出物多，蛋白提取率不斷升高;但是隨著超聲時(shí)間的增加，溫度急劇升高，導(dǎo)致成分分解或揮發(fā)，故超聲波處理時(shí)間選擇15min。

2.1.2 超聲溫度對花生蛋白提取率的影響 在超聲時(shí)間為20min、酶解時(shí)間為3.5h、料液比為1∶4、酶用量2.0%、酶解溫度55℃、pH 9下，考察超聲溫度對花生蛋白提取率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 超聲波處理溫度對花生蛋白提取率的影響

由圖2可知，超聲波處理溫度為40℃時(shí)，花生蛋白提取率最大。因?yàn)槌暅囟鹊陀?0℃時(shí)，分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)小，物料的相互作用不夠完全，從而降低了花生蛋白提取率;而溫度高于40℃后，由于物料略有糊化，可能使得花生蛋白的提取率降低，故選擇超聲波處理溫度為40℃。

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)安排及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行過程優(yōu)化，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果

2.3 參數(shù)對花生蛋白提取率的響應(yīng)面結(jié)果分析

通過統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS9.1進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型如下∶

回歸分析與方差分析結(jié)果見表3。

表3 回歸與方差分析結(jié)果

應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化分析方法對回歸模型進(jìn)行分析，尋找最優(yōu)響應(yīng)結(jié)果為∶加酶量為1.59%，溫度為56.5℃，酶解時(shí)間為3.9h，料水比為1∶4.4，pH為9.0，響應(yīng)面有最優(yōu)值為94.31%±0.37%。交互項(xiàng)顯著的響應(yīng)面見圖3。

圖3 顯著交互項(xiàng)的響應(yīng)面圖

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在響應(yīng)面分析法求得的最佳條件下，進(jìn)行3組驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果分別為94.25%、93.88%、93.79%，取平均值為93.97%，因此采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，說明響應(yīng)值的實(shí)驗(yàn)值與回歸方程預(yù)測值吻合良好，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。在相同的酶解條件下未經(jīng)超聲處理樣品的總蛋白提取率僅為90.83%。

2.5 超聲處理前后花生電鏡圖

圖4中a、b分別為超聲前后花生透射電鏡圖，由圖4可以看出，超聲波處理改變了物料的狀態(tài)，由聚集變?yōu)榉稚ⅲ⑶覍τ椭c蛋白質(zhì)結(jié)合體產(chǎn)生了空化作用，有利于充分酶解，進(jìn)而有利于蛋白水解提取。

圖4 超聲前后花生透射電鏡圖

3 結(jié)論

利用響應(yīng)面分析方法對超聲波預(yù)處理后水酶法提取花生蛋白的酶解工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為以后工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)，并且得到了最優(yōu)酶解工藝條件為加酶量為1.59%，溫度為56.5℃，酶解時(shí)間為3.9h，料水比為1∶4.4，pH為9.0。在最優(yōu)酶解工藝條件下總蛋白提取率可達(dá)到94.31%±0.37%。

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Optimization of extraction of peanut protein with ultrasonic－assisted aqueous enzymatic methods by response surface methodology

QI Bao－kun1，JIANG Lian－zhou1，2，*，LI Yang1，2，HAN Zong－yuan1
(1.Food College，North East Agriculture University，Harbin 150030，China; 2.Soy Bean Engineering Technique Research Center，Harbin 150030，China)

Based on single factor experiment，the amount of complex enzymes，the optimum ultrasonic preirradiation temperature，time，enzyme hydrolysis pH，enzyme hydrolysis temperature and reaction time were chosen as influencing factors and the peanut protein yield was selected as response value.The optimum extraction conditions were as follows:amount of complex enzymes 1.59%，enzyme hydrolysis temperature 56.5℃，reaction time 3.9h，the ratio of material to liquid 1∶4.4 and enzyme hydrolysis pH 9.0.The peanut protein yield was 94.31%± 0.37%.

peanut protein;ultrasonic pre－irradiation;aqueous enzymatic method

TS201.2+1

B

1002－0306(2011)11－0253－04

2011－08－01 *通訊聯(lián)系人

齊寶坤(1986－)，男，碩士研究生，研究方向:糧食、油脂及植物蛋白工程。