響應面法優(yōu)化野西瓜種子蛋白質(zhì)提取工藝

田童童，張 建

（石河子大學 食品學院，新疆 石河子 832003）

響應面法優(yōu)化野西瓜種子蛋白質(zhì)提取工藝

田童童，張 建*

（石河子大學 食品學院，新疆 石河子 832003）

運用響應面分析法優(yōu)化提取野西瓜種子蛋白質(zhì)的最佳工藝條件，以蛋白質(zhì)提取率作為響應值，對溫度、pH值、提取時間和液料比進行中心組合設計。試驗得出的二次模型的相關系數(shù)R2=96.7%。蛋白質(zhì)的提取率主要受溶液的pH和液料比的影響。經(jīng)過響應面分析得出野西瓜種子中蛋白質(zhì)提取最佳條件為液料比23∶1（mL:g），提取時間50 min，pH值8.40和溫度45℃，該條件下經(jīng)模型預測得到的蛋白質(zhì)提取率為17.63%，實際實驗值為（17.19±0.09）%。

響應面分析法；野西瓜子；優(yōu)化；蛋白質(zhì)提取

野西瓜（Capparis spinosa）為白花菜科山柑仔屬植物，又稱刺山柑、老鼠瓜、瓜兒菜、槌果藤、菠里克果和伯格-塔烏孜等[1-4]。野西瓜的藥用部位為葉、果和根皮，味辛苦，性溫。具有祛風、除濕、通鼻竅、止淤消腫、止痛活血之功效；外敷患處治風濕性關節(jié)炎和瘡毒。在新疆作為一種民族醫(yī)藥而被廣泛應用[5-7]。

目前國內(nèi)外對野西瓜的研究主要集中在對其成份進行分析及油的利用方面，有關野西瓜種子蛋白質(zhì)提取的研究很少，鑒于此，本試驗以新疆野西瓜為研究原料，通過響應面分析法優(yōu)化其種子蛋白質(zhì)提取條件，并且對優(yōu)化的工藝參數(shù)進行實際試驗考察以驗證響應面模型的正確性。此外，該研究對新疆野西瓜的附加值的增值具有一定的促進作用，同時為野西瓜今后的深度開發(fā)及利用提供一定的數(shù)據(jù)基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

野西瓜：購買于石河子市友好超市。KH2PO4、Na2HPO4、NaOH、HCl均為分析純：天津市福晨化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

Millio-Q Grandient超純水系統(tǒng)：美國密理博公司；BL-206-II高速冷凍離心機：上海安亭科學儀器廠；DHG-9053A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海智城分析儀器制造有限公司；PHS-3C精密酸度計：上海雷磁儀器廠；DFY-500搖擺式高速粉碎機：溫州溫嶺市機械有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理

將野西瓜去皮得其野西瓜種子，在45℃烘箱中干燥后經(jīng)粉碎機粉碎，過80目篩得野西瓜種子粉末。將粉碎后的野西瓜種子與正己烷以1∶5（g∶mL）的比例混合浸泡2.5 h以除去其中的脂肪。脫脂后的野西瓜種子粉末再在45℃的烘箱中進行干燥，然后繼續(xù)將其粉碎，粉碎后的樣品過120目篩，經(jīng)過上述處理的樣品裝入聚乙烯袋中在室溫下保藏備用。

1.3.2 野西瓜種子蛋白質(zhì)提取

稱取10 g的樣品于裝有0.05 mol/L磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer solution，PBS）及pH 8.0、0.01%聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）的玻璃燒杯中，在恒定的溫度下不斷的攪拌使其充分溶解。通過加入0.5 mol/L NaOH或0.5 mol/L HCl來調(diào)節(jié)水解液的pH值使其保持恒定。然后將水解液于4 500 r/min的條件下離心20 min，合并上清液。并且采用福林酚法測定其中可溶性蛋白質(zhì)的含量，標準曲線回歸方程為A660nm=8.132C+0.035 7（R2=0.997 8），所有的實驗至少重復3次。野西瓜種子蛋白質(zhì)提取率按下列公式計算：

式中：C為標準溶液蛋白（牛血清蛋白）質(zhì)量濃度，mg/mL；A待測為樣品蛋白質(zhì)在660 nm的波長下的吸光度值；m為試驗用樣品野西瓜種子的質(zhì)量，g。

1.3.3 野西瓜子主要組成成分的測定

粗脂肪含量的測定方法參照GB/T 5512—2008《糧油檢驗糧食中粗脂肪含量測定》；粗蛋白含量的測定方法參照GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白質(zhì)的測定》；水分含量的測定方法參照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》；灰分含量的測定方法參照GB/T 5009.4—2003《食品中灰分的測定》。

1.3.4 試驗設計和統(tǒng)計分析

對水解液pH值，液料比，提取溫度，提取時間進行單因素考察，然后利用響應面分析法優(yōu)化提取野西瓜子粗蛋白的條件。采用Design-Expert 8.0軟件的中心組合設計（centralcomposite designs，CCD）原理，以提取溫度（X1）、水解液pH值（X2）、提取時間（X3）、液料比（X4）4因素，以野西瓜子蛋白質(zhì)提取率（Y）為響應值，設計4因素5水平共29個試驗點，響應面中心組合設計的因素水平編碼如表1所示。

2 結果與分析

2.1 野西瓜子組成成分

野西瓜子的主要組成成分如表2所示。

由表2可知，野西瓜子粗蛋白的含量達到24.02%。但是QUANHANG L等[8]研究表明發(fā)芽的南瓜子中蛋白質(zhì)含量為24.5%～36.0%，MIZUBUTII Y等[9]研究表明樹豆中蛋白質(zhì)含量為15.5%～28.8%。RUSTOMIYS等[10]對花生中蛋白質(zhì)作了檢測，數(shù)據(jù)顯示花生蛋白的含量大概在22.04%左右。GUO T L等[11]利用響應面方法從毛竹筍中提取蛋白質(zhì)，其含量最大為13.05%。結果表明，與其他植物蛋白源相比，野西瓜子中蛋白質(zhì)含量比較豐富，可以作為一個潛在的補充人體蛋白質(zhì)的來源。

2.2 模擬方程的建立及方差分析

以提取溫度（X1）、水解液pH值（X2）、提取時間（X3）、液料比（X4）為響應變量，以野西瓜子蛋白質(zhì)提取率（Y）為響應值，響應面分析方案及試驗結果見表3。利用響應面軟件Design Expert8.0對表3給出的試驗結果進行多元擬合和方差分析，得到的野西瓜子蛋白質(zhì)提取的多元線性回歸方程：

相關系數(shù)R2=0.966 8。

通過對比響應面軟件中回歸模型給出的預測值與試驗所得的實際值，試驗得出結論，結果如圖1所示，從圖1中可以看出二者擬合程度較好，二次多項模型的方差分析結果見表4。

由表4可知，當P＜0.05時，影響因素對響應值影響為差異顯著，當P＜0.001時為差異高度顯著，P＜0.000 1時為差異極顯著[12-13]。方差分析表中顯示模型的P＜0.000 1，失擬項的P＞0.05，說明試驗選取的模型表現(xiàn)出高度的顯著性，失擬項不顯著，表明響應面中心組合試驗設計的模型與實際試驗擬合良好，模型的相關系數(shù)R2=0.966 8，更加說明該模型的可信度較高。一般情況下，如果變異系數(shù)≤10%就說明試驗模型具有良好的重復性[14-15]。經(jīng)計算得到變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）=1.65%，說明響應面中心組合設計模型的合理性，可行性。

2.3 提取條件的優(yōu)化

提取溫度、pH值、提取時間、液料比對野西瓜種子蛋白質(zhì)提取率影響的響應曲面及等高線見圖2。圖2A顯示了溫度和pH值對野西瓜種子蛋白質(zhì)的提取率的影響，可以觀察到pH值對蛋白質(zhì)提取率的影響表現(xiàn)出二次關系，而溫度則為線性關系。隨著pH值不斷增加，蛋白質(zhì)提取率也在逐漸升高，然而溫度則對其影響不是很顯著。圖2B顯示的提取溫度與提取時間對蛋白質(zhì)提取率的影響，可以明顯看出沒有曲面形成，沒有明顯表現(xiàn)出蛋白質(zhì)提取率增減的趨勢，又結合圖2A、圖2C可以得出提取時間與提取溫度對蛋白質(zhì)提取率的交互影響不顯著。圖2C顯示了溫度和液料比對野西瓜種子蛋白質(zhì)提取率的影響，可以明顯看出溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響是呈現(xiàn)出線性關系，而液料比則顯示出二次影響，隨著提取溫度不斷升高，蛋白質(zhì)提取率沒有表現(xiàn)明顯的變化，而隨著液料比的不斷上升，蛋白質(zhì)提取率呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。圖2D表明pH值和提取時間對蛋白質(zhì)提取率都顯示出二次影響，二者之間的交互作用對蛋白質(zhì)提取率的影響特別顯著。圖2E顯示的是pH值和液料比對蛋白質(zhì)提取率的影響，隨著pH值和液料比的增加，蛋白質(zhì)提取率也在不斷的上升。圖2F顯示的是提取時間和液料比對蛋白質(zhì)提取率的影響，隨著液料比的增加蛋白質(zhì)提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

2.4 驗證試驗

應用響應面軟件Design Expert 8.0本身自帶的最優(yōu)工藝參數(shù)統(tǒng)計模塊，由軟件給出的最優(yōu)野西瓜種子蛋白質(zhì)提取最佳工藝條件為：液料比23∶1（mL∶g），提取時間50 min，pH值8.40和溫度45℃，模型預測蛋白質(zhì)提取率為17.63%。按照軟件給出的最優(yōu)工藝參數(shù)，進行了至少3次試驗，得到的蛋白質(zhì)提取率的平均值為（17.19±0.09）%，模型預測值與試驗實際值相對偏差較小，說明本實驗所選模型具有很高的擬合性。

3 結論

從野西瓜種子中提取蛋白質(zhì)，通過響應面設計了29組實驗，其中考察的因素有溫度，pH值，液料比和提取時間。蛋白提取率的試驗值變化范圍為13.32%至17.72%。通過響應面軟件對蛋白質(zhì)提取率做了二次模型的擬合，其表現(xiàn)出了顯著性的影響。pH值和液料比是影響最顯著的因素。野西瓜種子中蛋白質(zhì)提取最佳條件是：液料比23∶1（mL∶g），提取時間50 min，pH 8.40和溫度45℃，該條件下經(jīng)模型預測得到的蛋白質(zhì)提取率為17.63%，實際實驗值為（17.19±0.09）%，要稍微偏低于預測值。這對未來野西瓜的綜合開發(fā)、利用及提高其經(jīng)濟價值，附加值具有一定的現(xiàn)實意義，同時為其提供了數(shù)據(jù)基礎。

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Optimization of protein extraction fromCapparis spinosa seeds by response surface methodology

TIAN Tongtong,ZHANG Jian*

(College of Food Science,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

The optimum conditions for protein extraction from Capparis spinosa seeds were determined by response surface methodology.Using protein extraction ratio as evaluation index,a centralcomposite design was conducted using temperature,pH,extraction time and solid to liquid ratio as indexes.The quadratic correlation coefficientof the modelwas 96.7%.Results showed thatprotein yield was primarily affected by pH and solid to liquid ratio,and the optimalprotein extraction conditions from C.spinosa seeds were solid to liquid ratio 23:1(ml:g),time 50 min,pH 8.4 and temperature 45℃.Under these conditions,the predicted protein extraction ratio was 17.63%,and the experimentalvalue was(17.19±0.09)%.

response surface methodology;Capparis spinosa seeds;optimization;protein extraction

TS209

A

0254-5071（2015）02-0096-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.02.022

2014-12-29

國家自然科學基金（31260366）；石河子大學青年骨干教師培訓（3152SPXY01027）

田童童（1990-），男，碩士研究生，研究方向為食品生物化學。

*通訊作者：張 建（1979-），男，副教授，博士，研究方向為食品生物化學。