醇法制取玉米胚芽蛋白的工藝

韓忠杰 熊 柳 孫慶杰 劉建輝

(青島農業(yè)大學食品科學與工程學院，青島 266109)

作為世界及我國的3種主要糧食作物之一的玉米，其年產量已超過1億噸，占糧食產量的22.4%，已超過水稻、小麥，達到世界糧食中的第一位［1］。

玉米胚芽是玉米生長的根基。玉米胚芽雖然只占籽粒的1/5，但所含有的功能性成分比胚乳更加全面［2］。玉米胚芽蛋白中蛋白質主要種類是球蛋白和白蛋白，其含量占總蛋白的3/5以上。玉米胚芽中的蛋白質性質優(yōu)良，在使用中具有良好的價值［3－4］。其中蛋白質的質量分數一般為23%～25%，其生物效應PER值基本上符合世界衛(wèi)生組織∕糧農組織的推薦值［5－6］。而國內對玉米蛋白的提取主要集中在玉米蛋白，如羅彩鴻［7］等對蛋白質提取新工藝的研究，還有林丹丹［8］等對玉米浸泡液中蛋白質提純的研究，對玉米胚芽蛋白的制備工藝研究的較少。

為了制備比一般堿溶酸沉法產品色澤風味好，功能性質高的產品，先用淀粉酶預處理后采用醇法來制取玉米胚芽蛋白。通過響應面分析優(yōu)化了醇法制取玉米胚芽蛋白的生產工藝，提高玉米胚芽蛋白的提取率。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器設備

玉米胚芽:魯洲生物科技(山東)有限公司提供;α－淀粉酶(3 000 U/g):Sigma公司;6號溶劑:購自天津喜利化工廠;其他試劑均為市售分析純試劑。

Anke TDL－40B型離心機:上海安亭儀器公司;KDN－04凱氏定氮儀:上海貝特儀電設備廠;DHG－9070A電熱恒溫鼓風干燥箱:上海精宏實驗設備有限公司;BS224S電子天平、MA45紅外水分測定儀:北京賽多利斯儀器系統有限公司;SX2－8－10馬弗爐:廣州滬瑞明儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米胚芽粉制備方法

經粉碎的玉米胚芽過40目篩按照料液比1∶3加入6號溶劑，在40℃下每次浸提4 h后抽濾，反復浸提、抽濾共6次。第一批料只用6號溶劑浸出，底部流出的“混合溶液”分部收集。按順序浸出下一批料，以此類推。最后一批用新鮮溶劑浸出，新鮮溶劑與玉米胚芽粉之比等于連續(xù)浸出時的料液比。脫脂后樣品在40℃烘箱進行鼓風干燥。將干燥后的樣品用高速萬能粉碎機粉碎，過100目篩備用。

1.2.2 玉米胚芽粉成分的測定

水分的測定:MA45型紅外水分測定儀;蛋白質質量分數的測定:參照GB 5009.5—2010凱氏定氮法《食品中蛋白質的測定》;粗脂肪的測定:參照GB/T 5009.6—2003索氏抽提法《食品中脂肪的測定》;灰分的測定:550℃灼燒法，參照GB/T 5505—2008《糧油檢驗 灰分測定法》;碳水化合物:碳水化合物=100% －水分－蛋白質－脂肪－灰分。

1.2.3 玉米胚芽蛋白制取方法

先用α－淀粉酶進行酶解。準確稱取50 g的脫脂玉米胚芽粉放于燒杯中，按液料比10∶1的比例加入pH 5.2的磷酸緩沖液，沸水浴30 min，之后冷卻至37℃。按照酶添加量3 000 U/g加入α－淀粉酶，37℃下反應3 h，離心干燥備用。

采用醇法制取玉米胚芽蛋白粉。準確稱取50 g已除去淀粉的玉米胚芽粉放于錐形瓶中，按液料比10∶1加入65%的乙醇溶液，放于45℃下封口攪拌，攪拌速度為50 r/min，第1次浸提60 min，抽濾。第2次、第3次均在上述條件下浸提30 min，抽濾。抽濾過后的樣品加入蒸餾水，離心洗滌2次，40℃下鼓風干燥。

1.2.4 不同條件下玉米胚芽蛋白粉的制備

1.2.4.1 不同乙醇體積分數條件

分別稱取淀粉酶處理后的玉米胚芽粉50 g放入錐形瓶中，分別加入體積分數為45%、55%、65%、75%、85%的乙醇溶液，按照1.2.3的步驟，制備得到不同乙醇體積分數條件的玉米胚芽蛋白樣品。

1.2.4.2 不同液料比條件

分別稱取淀粉酶處理后的玉米胚芽粉50 g放入錐形瓶中，加入體積分數65%的乙醇溶液，液料比分別為 8∶1、9∶1、10∶1、11∶1、12∶1，按照 1.2.3的步驟，制備得到不同液料比條件的玉米胚芽蛋白樣品。

1.2.4.3 不同浸提時間條件

分別稱取淀粉酶處理后的玉米胚芽粉50 g放入錐形瓶中，加入體積分數65%的乙醇溶液，浸提時間分別為30、60、90、120、150 min，按照 1.2.3 的步驟，制備得到不同時間條件的玉米胚芽蛋白樣品。

1.2.5 玉米胚芽蛋白提取率的測定［22］

玉米胚芽蛋白提取率計算:

蛋白質提取率=(m1×c1/m0×c0)×100%

式中:m1為玉米胚芽質量/g;c1為玉米胚芽的蛋白質量分數/%;m0為玉米胚芽粉質量/g;c0為玉米胚芽粉的蛋白質量分數/%。

2 結果與分析

2.1 脫脂玉米胚芽粉的主要化學成分

由表1可知脫脂后的玉米胚芽粉蛋白質質量分數為19.65%，主要成分為碳水化質量分數達到了64.57%，所以試驗采用了淀粉酶進行預處理。

表1 脫脂玉米胚芽粉的主要化學成分

2.2 玉米胚芽蛋白粉提取過程中的單因素試驗

2.2.1 乙醇體積分數對玉米胚芽蛋白提取率的影響乙醇體積分數對玉米胚芽蛋白提取率的影響見圖1。從圖1可以看出，隨著乙醇體積分數增大，蛋白質提取率逐漸增高，到達乙醇體積分數65%時達到最高;乙醇體積分數在65%之后，蛋白提取率逐漸降低。因為蛋白質在體積分數為65%左右的乙醇溶液中性質不夠穩(wěn)定，結構容易遭到破壞，易于變性，這時玉米胚芽粉中蛋白質沉淀最大，蛋白質提取率最高。但是隨著乙醇體積分數繼續(xù)增大，在洗去大量呈色、呈味物質的同時，蛋白質變性劇烈，造成了蛋白質的流失［9］。因此可以先選定一個浸出效果較好的乙醇溶液體積分數，也就是體積分數為65%的乙醇溶液，為下面的響應面工藝條件做初步的選擇。

圖1 乙醇體積分數對玉米胚芽蛋白提取率的影響

2.2.2 液料比對玉米胚芽蛋白提取率的影響

液料比對玉米胚芽蛋白提取率的影響見圖2。從圖2可以看出，隨著液料比增大，玉米胚芽蛋白提取率逐漸提高，且到達10∶1時提取率達到最高;液料比在10∶1之后，蛋白提取率逐漸降低。液料比在10∶1左右時，玉米胚芽粉中的呈色、呈味及醇溶性物質不斷溶出。但是在液料比大于一定比值時，所形成的蛋白質結構比較松散，溶解度升高，溶出較多［10］。這樣就會造成蛋白質流失較為嚴重，含量有所降低，從而提取率也降低。因此可以初步選擇玉米胚芽蛋白提取率較高的液料比為10∶1。

圖2 液料比對玉米胚芽蛋白提取率的影響

2.2.3 浸提時間對玉米胚芽蛋白提取率的影響

浸提時間對玉米胚芽蛋白提取率的影響見圖4。從圖3可以看出在60 min之前，隨著浸提時間的逐漸延長，蛋白質提取率增加，在60 min之后玉米胚芽蛋白提取率雖有所降低，但是變化不大。因為提取時間在60 min之后，隨著時間的增加，玉米胚芽蛋白中不只是糖類等物質溶解于乙醇，可能某些醇溶性蛋白也逐漸溶于乙醇溶液中。所以在這之后的蛋白含量反而減少，提取率降低，因此浸提時間不能太長;但若浸提時間過短，醇溶物質溶解不夠完全［11］。綜合考慮，為提高效率，減少資源浪費，最大程度的保留蛋白質，初步選擇浸提時間為60 min。

圖3 浸提時間對玉米胚芽蛋白提取率的影響

2.3 采用響應面分析法優(yōu)化玉米胚芽蛋白粉制取工藝

2.3.1 響應面分析試驗中因素和水平的選取

根據Box－Behnken中心組合試驗設計原理，綜合分析單因素試驗結果，確定制取溫度為45℃，選取對玉米胚芽蛋白的提取率影響較為顯著的3個因素(乙醇體積分數、液料比、提取時間)，設計了3因素3水平的響應面分析試驗。試驗設計中的水平及編碼表見表2。

表2 試驗設計中的水平及編碼表

2.3.2 響應面分析試驗結果

2.3.2.1 方差分析、回歸方程及期望參數分析

以X1(乙醇體積分數)、X2(液料比)、X3(浸提時間)為自變量，以玉米胚芽蛋白質提取率為響應值，進行響應面試驗分析，響應面試驗安排與結果見表3。

表3 響應面優(yōu)化試驗安排與結果

采用Design Expert8.0.5b軟件對試驗結果進行回歸分析，得到玉米胚芽蛋白質提取率的回歸方程為:

Y1=42.11 － 0.49X1+1.44X2+0.873X3－1.17X1X2－ 1.27X1X3－ 0.33X2X3－ 3.59X1X1－3.06X2X2－3.17X3X3

通過比較回歸方程一次項系數絕對值的大小，可以判斷影響玉米胚芽蛋白粉蛋白提取率的主要因素依次是:料液比＞時間＞乙醇體積分數。

對回歸方程做顯著性檢驗，試驗結果分析見表4。F回歸=96.37，P ＜0.000 1 表明模型極顯著，玉米胚芽蛋白粉蛋白濃度與各因素(乙醇體積分數、液料比、浸提時間)之間存在顯著性。其中X2、X3、X1X2、X1X3、X12、X22、X327項P＜0.01，它們對響應值Y的影響極顯著，其余項對Y不構成顯著影響。失擬項(反映的是試驗數據與模型不相符的情況)的F值為15.41，與整個模型的96.37相比是很小的，這說明不符合的數據相對純誤差是不顯著的，因此未知因素對試驗結果干擾很小。相關系數R2(因變量和全體自變量之間的線性關系)為0.992 0，表明響應值(提取率)的變化有99.20%來源于所選變量，即乙醇濃度、液料比和浸提時間。因此，該回歸方程對試驗擬合情況較好，能夠解釋絕大多數因變量變化。

表4 回歸模型方差分析表

2.3.2.2 交互作用分析

乙醇體積分數和液料比對玉米胚芽蛋白提取率的影響見圖4。由圖4可知，在乙醇體積分數為55%～65%時，玉米胚芽蛋白粉的蛋白提取率不斷增加，之后隨著乙醇濃度的增加，玉米胚芽蛋白提取率有下降的趨勢。液料比為9∶1～10∶1的范圍內蛋白提取率不斷增加，之后隨著液料比的增加，玉米胚芽蛋白提取率緩慢降低。等高線的形狀可以反映出兩個因素交互效應的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則表示交互作用不顯著［12］。從圖4b可以看出，乙醇體積分數和液料比兩個因素的交互作用顯著。上述結果表明在較低乙醇體積分數下，適當提高液料比有助于玉米胚芽蛋白提取率的提高。

圖4 乙醇體積分數和液料比及其交互作用

乙醇體積分數和浸提時間對玉米胚芽蛋白提取率的影響見圖5。由圖5可知，在乙醇體積分數為55%～65%和浸提時間為0.5～1.0 h的范圍內，玉米胚芽蛋白提取率不斷增加，之后隨著乙醇體積分數和浸提時間的增加，玉米胚芽蛋白提取率呈現下降的趨勢。從圖5b可以看出，乙醇體積分數和時間兩個因素之問的交互作用顯著。上述結果表明在較低乙醇體積分數下，適當延長浸提時間有助于玉米胚芽蛋白提取率的提高。

圖5 乙醇體積分數和浸提時間及其交互作用

液料比和浸提時間對玉米胚芽蛋白提取率的影響見圖6。從圖6中可以看出，當液料比在低水平范圍內取值時，玉米胚芽蛋白的蛋白提取率隨著處理時間的增加先快速升高而后呈現降低的趨勢。料液比較高時，玉米胚芽蛋白粉的蛋白提取率隨著浸提時間的增加變化不明顯。從圖6b可以看出，液料比和浸提時間兩個因素之間的交互作用顯著。上述結果表明在較低液料比下，適當延長浸提時間有助于玉米胚芽蛋白粉的蛋白提取率的提高。

圖6 液料比和浸提時間及其交互作用

由圖4～圖6得出玉米胚芽蛋白的最佳提取條件為:乙醇體積分數為63.67%，液料比為10.25∶1(mL∶g)，溫度為45℃，提取時間為1.06 h。在該提取條件下，蛋白質提取率可達82.37%。在乙醇體積分數63%，液料比為10∶1，溫度45℃，提取時間為1 h時，進行驗證試驗，得到的玉米胚芽蛋白的蛋白提取率為81.87%，蛋白質質量分數可達55.73%，與計算機模擬值基本接近，表明預測值和真實值之間有很好的擬合性，進一步驗證了模型的可靠性。

3 結論

3.1 通過單因素得出玉米胚芽蛋白的最佳提取條件為:乙醇體積分數為65%，液料比為10∶1(mL∶g)，溫度為45℃，提取時間為1 h。

3.2 響應面分析結果的表明:影響玉米胚芽蛋白提取率的主要因素依次是:液料比＞時間＞乙醇體積分數。玉米胚芽蛋白的最佳提取條件為乙醇體積分數為63.67%，液料比為10.25∶1(mL∶g)，溫度為 45℃，提取時間為1.06 h，蛋白質提取率可達82.37%。進行驗證試驗，得到的玉米胚芽蛋白的蛋白提取率為81.87%，蛋白質質量分數可達55.73%。

［1］陳礅.玉米淀粉工業(yè)手冊［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2009:1－5

［2］周惠明.谷物科學原理［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2008:11－15

［3］Paul Malumba，Caroline Vanderghem.Influence of drying temperature on the solubility，the purity of isolates and the eletrophoretic patterns of corn proteins［J］.Food Chemistry，2008，111:564 －572

［4］郭冬雪，張艷榮.大豆膳食纖維在面包生產中應用的研究［J］.食品科技，2006，(10):287 －290

［5］羅勤貴，廉小梅，歐陽韶暉.玉米胚芽粕在面包制作中的應用［J］.西北農林科技大學學報:自然科學版，2007，35(7):231－234

［6］Kulakova E V，Vainerman E S，Rogoshin S V.Contribution to the investigation of corn germ.1:Corn germ is valuable source of protein ［J］.J Nahrung，1982，26:451 －457

［7］羅彩鴻，倪培德，江志煒.玉米蛋白質、油脂提取新工藝［J］.中國油脂，1997，22(7):17 －18

［8］林丹丹，曹龍奎.玉米浸泡液中蛋白質提純的研究［J］.農產品加工［J］，2011，5:49－51

［9］石彥國，楊澤慧，孫冰玉.醇濃度對醇法大豆?jié)饪s蛋白浸提液中溶出蛋白的影響［J］.中國糧油學報，2005，20(4):65－67

［10］郭雪松，黃曉杰，王爍，等.醇法大豆?jié)饪s蛋白提取工藝的優(yōu)化［J］.食品工業(yè)科技，2007(5):181－217

［11］梁劍鋒，周曉薇，李紅，等.醇法提取大豆?jié)饪s蛋白工藝條件研究［J］.油脂工程·技術，2007(10):87－89

［12］湯磊.響應面法優(yōu)化白芍中芍藥苷的超臨界流體提取工藝及過程的數學模擬［D］.杭州:浙江大學，2010.