超聲波輔助堿法提取玉米胚芽粕蛋白質(zhì)工藝研究

薛　穎，王聯(lián)結(jié)，黨艷妮，徐倩儒（陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021）

超聲波輔助堿法提取玉米胚芽粕蛋白質(zhì)工藝研究

薛穎，王聯(lián)結(jié)*，黨艷妮，徐倩儒
（陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021）

以蛋白質(zhì)提取率作為衡量指標(biāo)，利用超聲波輔助堿法提取玉米胚芽粕蛋白質(zhì)。通過單因素和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，得出最佳提取條件：液料比為25∶1mL/g，超聲功率為120W，超聲時(shí)間為40min，pH為10。在此條件下，得到的玉米胚芽粕蛋白提取率為41.93%。與單純堿法相比，超聲波輔助堿法得到的玉米胚芽粕蛋白提取率增加。而且超聲波輔助法能在室溫下進(jìn)行，并大大縮短了時(shí)間。

玉米胚芽粕，蛋白質(zhì)，超聲波，提取

玉米胚芽粕是玉米胚芽經(jīng)過榨油后得到的殘?jiān)?，是玉米油廠的一種主要副產(chǎn)品，它的主要成分是玉米胚芽蛋白和玉米纖維［1］。其粗蛋白含量占23%～25%［2］，含有人體必需的8種氨基酸，同時(shí)具有很好的吸油、持水、粘結(jié)、延展、乳化、凝膠等功能特性［3］，是人類可食用的一種優(yōu)質(zhì)蛋白［4］。國(guó)內(nèi)僅僅將玉米胚芽粕作為飼料處理，造成了資源的浪費(fèi)［5］。因此，通過對(duì)玉米胚芽粕進(jìn)行深加工來提高玉米產(chǎn)品的價(jià)值就顯得尤為重要。

目前，提取玉米胚芽蛋白的方法有堿溶酸沉法、酶解法或堿溶酸沉與酶解復(fù)合的方法［6］。據(jù)資料報(bào)道，堿法工藝成本低，但是存在pH高、制備的蛋白容易變性且提取率低等缺點(diǎn)；酶法制備玉米胚芽蛋白反應(yīng)條件較溫和，所得蛋白營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，但其工藝成本較堿法高［7］。

超聲波是一種新型的物理提取方法，安全可靠，對(duì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值破壞小。超聲波能將材料中的蛋白質(zhì)粉碎、液化，降低提取溫度，減少蛋白質(zhì)的變性沉淀，得到優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)［8］。利用超聲波輔助提取蛋白質(zhì)，可有效提高提取效率，縮短提取時(shí)間，節(jié)約成本。但到目前為止，國(guó)內(nèi)有關(guān)超聲波提取玉米胚芽粕蛋白的研究卻鮮有報(bào)道。

本文通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，對(duì)超聲波輔助提取玉米胚芽粕蛋白質(zhì)的工藝進(jìn)行了研究，確定了最佳提取工藝參數(shù)，為玉米胚芽粕深加工和綜合開發(fā)利用提供基礎(chǔ)理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

脫脂玉米胚芽粕西王集團(tuán)技術(shù)開發(fā)中心，高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎后過100目篩，烘干備用；氫氧化鈉天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司，分析純；磷酸（AR85%）、無(wú)水乙醇、考馬斯亮藍(lán)G-250天津市天力化學(xué)試劑有限公司，分析純；牛血清蛋白西安百靈克科技有限公司，分析純。

HAP-300超聲波處理儀寧波新芝生物科技股份有限公司；FW100型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)天津市泰斯特儀器有限公司；868型pH計(jì)熱電（上海）儀器有限公司；TDL-5A型離心機(jī)上海菲恰爾分析儀器有限公司；HZS．HA水浴振蕩器哈爾濱市東明醫(yī)療儀器廠；BS200S型電子天平北京賽多利斯天平有限公司；PHG-9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海浦東榮豐科學(xué)儀器公司；722E型可見分光光度計(jì)上海光譜儀器有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取的工藝流程脫脂玉米胚芽粕→粉碎→過100目篩→加蒸餾水（調(diào)節(jié)一定的料液比）→加氫氧化鈉溶液（調(diào)節(jié)pH）→超聲處理（設(shè)定超聲時(shí)間、超聲功率）→離心分離（3500r/min，30min）→取上清液→考馬斯亮藍(lán)染色→測(cè)定吸光度

1.2.2玉米胚芽粕蛋白質(zhì)的測(cè)定方法原料玉米胚芽粕中總蛋白含量的測(cè)定采用凱氏定氮法，參照GB 5009.5-85［9］。經(jīng)測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)中脫脂玉米胚芽粕的蛋白質(zhì)含量為18.46%。上清液中蛋白質(zhì)含量以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)，用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定［10］。玉米胚芽粕蛋白質(zhì)的提取率按式（1）計(jì)算。

1.2.3玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取的單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1液料比對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的影響稱取2.0g脫脂玉米胚芽粕粉，將液料比分別設(shè)置為10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1mL/g，在超聲時(shí)間為30min，超聲功率120W，pH為10的條件下，研究不同的液料比（mL/g）對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響。

1.2.3.2超聲功率對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的影響稱取2.0g脫脂玉米胚芽粕粉，加入50mL蒸餾水（液料比為25∶1，mL/g），將超聲功率分別設(shè)置為60、80、100、120、140W，在超聲時(shí)間為30min，pH為10的條件下，研究不同的超聲功率（W）對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響。

1.2.3.3超聲時(shí)間對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的影響稱取2.0g脫脂玉米胚芽粕粉，加入50mL蒸餾水（液料比為25∶1，mL/g），將超聲時(shí)間分別設(shè)置為20、30、40、50、60、70min，在pH為10，超聲功率120W的條件下，研究不同超聲時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響。

1.2.3.4pH對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的影響稱取2.0g脫脂玉米胚芽粕粉，加入50mL蒸餾水（液料比為25∶1，mL/g），將pH設(shè)置為7、8、9、10、11、12，設(shè)定超聲時(shí)間為40min，超聲功率120W，研究不同pH對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響。

1.2.4玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采用響應(yīng)面分析方法對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以影響玉米胚芽粕蛋白提取率的液料比（A）、超聲功率（B）、超聲時(shí)間（C）、pH（D）為實(shí)驗(yàn)因素，以玉米胚芽粕的蛋白提取率（Y）為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了四因素三水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中的因素和水平見表1。

表1　超聲波輔助提取玉米胚芽粕蛋白實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1　Experimental design of ultrasonic-assisted extraction of protein of corn germ meal

1.2.5數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)計(jì)分析軟件Design-Expert 8.05b對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2　結(jié)果與分析

2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

根據(jù)考馬斯亮藍(lán)法，以吸光度（y）為縱坐標(biāo)，牛血清蛋白質(zhì)量為橫坐標(biāo)（x）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（見圖1）：y=5.4736x-0.0636，R2=0.9951。

圖1　蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1　The standard curve of protein

2.2超聲波法提取玉米胚芽粕蛋白質(zhì)的單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1液料比對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的影響由圖2可知，隨著液料比的增大，超聲波輔助法得到的蛋白質(zhì)提取率先呈上升趨勢(shì)，這可能是隨著液料比的增大，蛋白質(zhì)在溶液中的溶出也增多。但當(dāng)液料比超過25∶1的時(shí)候，蛋白質(zhì)提取率下降。因此，超聲輔助提取的最佳液料比為25∶1。

圖2　液料比對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.2　Influences of liquid/solid ratio on extraction rate of protein yield of corn germ meal

2.2.2超聲功率對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的影響

由圖3可知，隨著超聲功率的不斷增大，超聲波輔助法得到的蛋白質(zhì)提取率不斷增大。超聲功率越大，超聲處理時(shí)提取液溫度升高越明顯，越容易造成蛋白質(zhì)的變性、淀粉糊化的現(xiàn)象，不利于蛋白質(zhì)的提取。考慮到實(shí)驗(yàn)儀器的限制和蛋白提取率的變化趨勢(shì)，故選取超聲功率120W為最適條件。

圖3　超聲功率對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.3　Influences of ultrasonic treatment power on extraction rate of protein yield of corn germ meal

2.2.3超聲時(shí)間對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的影響

由圖4可知，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲輔助法得到的蛋白提取率是先上升后下降，之后再上升后下降，在40min時(shí)達(dá)到最大值。剛開始提取率上升是因?yàn)槌暡芗铀籴尫偶?xì)胞內(nèi)物質(zhì)，利于其擴(kuò)散與溶解［11］。因此，蛋白質(zhì)提取率是隨著時(shí)間的增加而增加。但是隨著超聲波作用時(shí)間延長(zhǎng)，溶液溫度逐漸升高，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，如此便降低了提取率。超聲波的這兩種作用相互影響，可能造成了玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的波動(dòng)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)變性的數(shù)量達(dá)到一定程度，提取率便不會(huì)再上升。因此，超聲輔助提取的最佳超聲時(shí)間為40min。

圖4　超聲時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.4　Influences of ultrasonic treatment time on extraction rate of protein yield of corn germ meal

2.2.4pH對(duì)玉米胚芽粕蛋白提取率的影響由圖5可知，隨著pH的增大，超聲波輔助法得到的蛋白質(zhì)提取率是先上升，然后下降，最后又上升。這是因?yàn)閜H的變化，既促進(jìn)了細(xì)胞顆粒胞膜的破裂和溶解，利于蛋白質(zhì)的溶出；又改變了蛋白質(zhì)的帶電狀況，從而改變了蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)和水之間的相互作用，最后導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶出率的變化。但是蛋白質(zhì)經(jīng)強(qiáng)堿性作用后會(huì)導(dǎo)致粘度增加，擴(kuò)散系數(shù)降低，還可能會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)性質(zhì)的破壞甚至產(chǎn)生毒性［12］。此變化趨勢(shì)與張曉蕓等［13］用超聲波輔助堿法提取芡實(shí)蛋白工藝的研究是一致的。綜合考慮，在pH為10時(shí)提取玉米胚芽粕蛋白較為合適，因此選取pH9、10、11繼續(xù)做響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

圖5　pH對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.5　Influences of pH values on extraction rate of protein yield of corn germ meal

表2　超聲波輔助提取玉米胚芽粕蛋白的響應(yīng)面設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2　Experimental results of ultrasonic-assisted extraction of protein of corn germ meal

2.3響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以液料比（A）、超聲功率（B）、超聲時(shí)間（C）、pH（D）為自變量，以玉米胚芽粕蛋白的提取率（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分析，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)安排與結(jié)果見表2。

采用Design-Expert 8.0.5bTrial軟件的ANOVA程序?qū)Ρ?的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，可以得到影響蛋白質(zhì)提取率及其各因素變量間的標(biāo)準(zhǔn)回歸方程式，如下：

從回歸方程看出，液料比、超聲功率、超聲時(shí)間、pH的一次項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值分別是0.19、1.57、0.55、3.20，各因素的影響順序是：pH＞超聲功率＞超聲時(shí)間。二次項(xiàng)交互項(xiàng)BD、CD的系數(shù)的絕對(duì)值分別為1.75、1.07，影響較大而其余二次項(xiàng)AB、AC、AD、BC系數(shù)的絕對(duì)值較小，對(duì)蛋白質(zhì)提取率影響較小。

表3　方差分析結(jié)果Table 3　Variance analysis of experiment of protein of corn germ meal

由表3可知，F(xiàn)模型=70.13968，p＜0.0001，表明模型極顯著，液料比對(duì)提取率的影響不顯著，超聲時(shí)間對(duì)提取率影響顯著，提取功率和pH對(duì)提取率影響非常顯著，交互項(xiàng)BD、CD及所有二次項(xiàng)對(duì)蛋白質(zhì)含量影響顯著。模型相關(guān)系數(shù)的平方即R2為98.59%，回歸方程擬合程度良好，失擬性較小，實(shí)驗(yàn)誤差較小，可用該方程代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析。

響應(yīng)面結(jié)果分析：分別將模型中的液料比、超聲功率、超聲時(shí)間、pH的其中兩個(gè)影響因素確定為在0水平，可以得到另外的兩個(gè)因素的交互作用對(duì)蛋白質(zhì)提取率的子模型，并根據(jù)模型分別繪制三維曲面圖，見圖6。

圖6　蛋白質(zhì)提取率的響應(yīng)面Fig.6　Response surface and contour lines of extraction rate of protein

由圖6可知，當(dāng)液料比、超聲時(shí)間都固定在0水平時(shí)，考察超聲功率和pH的交互作用對(duì)提取率的影響，過高和過低的超聲功率和pH都會(huì)使玉米胚芽粕蛋白提取率下降。當(dāng)液料比、超聲功率都固定在0水平時(shí)，考察超聲時(shí)間和pH的交互作用對(duì)提取率的影響，超聲時(shí)間對(duì)提取率的影響要小于pH。由圖6可知，以上兩個(gè)響應(yīng)面都存在最高點(diǎn)，且響應(yīng)面為凸面，表明玉米胚芽粕蛋白提取率存在一個(gè)最大預(yù)測(cè)值。這個(gè)最大值就是在此條件下的最優(yōu)工藝。而且，凸的程度越大，對(duì)響應(yīng)值的影響就越大。因此，超聲功率和pH的交互作用對(duì)提取率的影響要大于超聲時(shí)間和pH的交互作用對(duì)提取率的影響，與回歸方程的分析相一致。

2.4響應(yīng)面結(jié)果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由軟件分析，可得出超聲波輔助堿法提取玉米胚芽粕蛋白質(zhì)的最佳工藝條件為：液料比為24.83∶1mL/g，超聲功率為124.39W，超聲時(shí)間為41.74min，pH為10.22，在此條件下，蛋白質(zhì)提取率可達(dá)42.205%。將最佳條件修正為液料比為25∶1mL/g，超聲功率為120W，超聲時(shí)間為40min，pH為10，在此條件下所得玉米胚芽粕蛋白質(zhì)的實(shí)際提取率為41.93%，比預(yù)測(cè)值低0.65%。由此可見，通過該模型得到的超聲波堿法提取玉米胚芽粕蛋白的最佳工藝條件具有可行性。

3　結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，可以看出液料比對(duì)玉米胚芽粕蛋白質(zhì)提取率的影響不顯著，而pH、超聲功率、超聲時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)的提取率的影響顯著，影響的順序?yàn)椋簆H＞超聲功率＞超聲時(shí)間。得到了玉米胚芽粕蛋白的最佳提取條件為：液料比為25∶1mL/g，超聲功率為120W，超聲時(shí)間為40min，pH為10，在此條件下所得玉米胚芽粕蛋白質(zhì)的實(shí)際提取率為41.93%。超聲輔助法提取與劉麗娜等［14］用單純堿法提取相比，玉米胚芽粕蛋白的提取率提高，而且超聲輔助法可在室溫下進(jìn)行，并大大縮短了提取時(shí)間。

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Study on ultrasonic-assisted alkali extraction techniques of protein from corn germ meal

XUE Ying，WANG Lian-jie*，DANG Yan-ni，XU Qian-ru
（College of Life Science，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China）

Taking the protein extraction rate as a measure indicator，ultrasonic-assisted technology was used to extract the protein from corn germ meal.By single factor investigation and response surface methodology，the optimum extraction conditions were obtained：ratio of liquid：material at 25∶1mL/g，ultrasonic power 120W，ultrasonic time 40min，and pH value 10.Under these conditions，the protein extraction yield ratio reached 41.93%.Compared with the alkali method extraction，protein extraction rate of corn germ meal was improved by ultrasonic-assisted extraction.Furthermore，ultrasound-assisted extraction could be finished under room temperature and the extraction time was greatly shortened.

corn germ meal；protein；ultrasonic wave；extraction

TS210.9

B

1002-0306（2015）02-0248-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.045

2014-05-22

薛穎（1990-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學(xué)與工程。

王聯(lián)結(jié)（1955-），男，碩士研究生，教授，研究方向：食品蛋白化學(xué)與功能研究。