響應(yīng)面法優(yōu)化蓮子蛋白提取工藝研究△

孫天霞，尹翌秋，張鵬飛，王敏，張麗軒，趙雨，王思明*

(1.長春中醫(yī)藥大學(xué) 中醫(yī)藥與生物工程研究開發(fā)中心，吉林 長春 130117；2.長春金賽藥業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130012)

·中藥工業(yè)·

響應(yīng)面法優(yōu)化蓮子蛋白提取工藝研究△

孫天霞1，尹翌秋2，張鵬飛1，王敏1，張麗軒1，趙雨1，王思明1*

(1.長春中醫(yī)藥大學(xué) 中醫(yī)藥與生物工程研究開發(fā)中心，吉林 長春 130117；2.長春金賽藥業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130012)

目的：研究蓮子蛋白質(zhì)水提取的最佳條件。方法：在單因素試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，采用合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，通過響應(yīng)面法優(yōu)化蓮子蛋白的提取條件。結(jié)果：提取蓮子蛋白的最佳工藝參數(shù)為提取pH值8.0，料液比1∶15，提取時(shí)間7 h，蛋白提取率為14.53%。結(jié)論：響應(yīng)面法優(yōu)化的蓮子蛋白提取條件簡便易行，準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性好，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

蓮子；蛋白質(zhì)；提取條件；響應(yīng)面法

蓮子又名水之丹，是我國特有的種質(zhì)資源，屬睡蓮科多年水生草本植物蓮的成熟種子。據(jù)《本草綱目》記載[1]，蓮子有“補(bǔ)中養(yǎng)神，止渴去熱，安心止痢，交心腎，固精氣，強(qiáng)筋骨，補(bǔ)虛損，利耳目，除寒濕”等功能?，F(xiàn)代研究表明[2]，蓮子中蛋白質(zhì)含量高，是較理想的優(yōu)質(zhì)植物蛋白，其中氨基酸數(shù)量和比例較平衡，蛋氨酸達(dá)到了世界衛(wèi)生組織規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，可有效補(bǔ)充豆類蛋白中蛋氨酸的不足。同時(shí)蓮子又富含賴氨酸，可彌補(bǔ)谷類蛋白質(zhì)中賴氨酸的不足，大大提高了蓮子的營養(yǎng)價(jià)值。

然而迄今為止，市場上以蓮子為主要成分的產(chǎn)品比較單一，蓮子作為營養(yǎng)珍品長期以來僅停留在糖水蓮子、制成蜜餞等簡單工藝加工上，未見與蓮子蛋白質(zhì)相關(guān)的保健食品[3]。其主要原因是蓮子蛋白質(zhì)的提取率普遍偏低，嚴(yán)重制約了對其系統(tǒng)研究和開發(fā)。

響應(yīng)面分析法是一種綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)模型優(yōu)化的分析方法，采用多元二次回歸方法作為函數(shù)估計(jì)的工具，將多因子實(shí)驗(yàn)中的因素與指標(biāo)之間的相互關(guān)系用多項(xiàng)式近似擬合，給出直觀等高線圖和三維立體圖，依此可對函數(shù)的響應(yīng)面和等高線進(jìn)行分析，可研究因子與響應(yīng)值之間、因子與因子之間的相互關(guān)系，并可進(jìn)行優(yōu)化[4-6]。與目前廣泛使用的“正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法”相比，其具有實(shí)驗(yàn)周期短、求得的回歸方程精度高、預(yù)測性能好，能研究幾種因素間交互作用、能設(shè)計(jì)最優(yōu)組合，和計(jì)算響應(yīng)目標(biāo)的最優(yōu)值等優(yōu)點(diǎn)[7]。

本研究針對蓮子蛋白提取率低的問題，結(jié)合響應(yīng)面分析法，著重對蓮子蛋白質(zhì)的提取方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過單因素試驗(yàn)確定各影響因子，優(yōu)化了蓮子蛋白質(zhì)的提取條件，為將蓮子用于生產(chǎn)蓮子蛋白粉或其他含蓮蛋白保健品及蓮子蛋白本身的進(jìn)一步研究提供參考。

1 儀器與試藥

1.1 儀器

pH計(jì)FE20(美國梅特勒-托利多公司)；冷凍離心機(jī)Gentrifuge 5804R(德國Eppendorf公司)；低溫真空冷凍干燥機(jī)LL3000(德國Heto)；Infinite M200Pro多功能酶標(biāo)儀(瑞士Tecan公司)；電子天平AL204(美國梅特勒-托利多公司)。

1.2 試藥

蓮子購于宏檢大藥房；Bradford蛋白定量試劑盒購于天根；磷酸鹽緩沖液(PBS)由實(shí)驗(yàn)室配置；氯化鈉、氯化鉀、磷酸氫二鈉(北京化工廠)。

2 方法

2.1 蛋白質(zhì)提取及含量測定

蓮子經(jīng)高速粉碎機(jī)粉碎，精密稱取1 g蓮子粉置于圓底燒瓶中，按照各項(xiàng)預(yù)設(shè)條件(料液比、pH值、提取時(shí)間、提取次數(shù))進(jìn)行水提，以6000 r·min-1離心10 min，取上清液，凍干(濃縮)后稱重，取凍干后的樣品，精密稱取1 mg，溶于1 mL水中，配置成質(zhì)量濃度為1 mg·mL-1的溶液。

采用考馬斯亮藍(lán)G250法[8]，分別準(zhǔn)確吸取1 mg·mL-1的牛血清蛋白0、1、2、3、4、5、6 μL，分別加入96孔板中，另加入PBS緩沖液15、14、13、12、11、10、9 μL，再各加入285 μL考馬斯亮藍(lán)G250，震蕩混勻，室溫放置6 min，于595 nm處測其吸光度。以蛋白濃度(mg·mL-1)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線。

樣品中蛋白質(zhì)濃度的測定：取15 μL不同實(shí)驗(yàn)條件下所提取的蛋白溶液，加入285 μL考馬斯亮藍(lán)G250，在595 nm處測其吸光度，從而計(jì)算出總蛋白的提取率。

2.2 提取條件單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 提取時(shí)間對蛋白提取率的影響 分別精密稱取蓮子粉1 g于100 mL容量瓶中，以料液比(W/V)1∶25，pH 7.0，提取時(shí)間分別為1.0、2.0、4.0、7.0、10.0、24.0 h，攪拌提取[9]。

2.2.2 pH值對蛋白提取率的影響 分別精密稱取蓮子粉1 g于100 mL容量瓶中，料液比(W/V)1∶25，用HCl、NaOH溶液調(diào)節(jié)提取液pH值，分別取pH 5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，攪拌提取5.0 h[10]。

2.2.3 料液比對蛋白提取率的影響 分別精密稱取蓮子粉1 g于100 mL容量瓶中，以料液比(W/V)1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，pH為7.0，攪拌提取5.0 h[11]。

2.2.4 提取次數(shù)對蛋白提取率的影響 別精密稱取蓮子粉1 g于100 mL容量瓶中，料液比(W/V)1∶25，pH 7.0，攪拌提取5.0 h，分別提取1、2、3、4次，將提取液合并[12]。

2.2.5 蓮子蛋白等電點(diǎn)對提取率的影響 將蓮子蛋白提取液用0.01 mol·L-1鹽酸調(diào)pH值分別為3、3.5、4、4.5、5，使蛋白質(zhì)沉淀，離心后取上清液進(jìn)行比色測定，吸光度最小的即為等電點(diǎn)。

2.3 響應(yīng)面法對蓮子蛋白提取條件進(jìn)行優(yōu)化

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Design-Expert.8.0軟件中的Box-Behnken[13]中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，對料液比、提取時(shí)間、pH值3個(gè)影響蛋白質(zhì)提取效果的因素進(jìn)行考察，以蓮子蛋白質(zhì)提取率為響應(yīng)值。共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中12個(gè)為析因子，5個(gè)為中心試驗(yàn)，用以評估誤差。設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)分析試驗(yàn)，建立二次多項(xiàng)式回歸模型，各因素水平及編碼見表1。

表1 Box-Behnken因素水平表

3 結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以牛血清蛋白濃度(mg·mL-1)為橫坐標(biāo)，吸光度(A)為縱坐標(biāo)，繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程：Y=1.649X+0.413，r=0.995 0，式中Y為吸光度，X為蛋白濃度(mg·mL-1)。

3.2 蓮子蛋白提取單因素試驗(yàn)

3.2.1 提取時(shí)間對提取率的影響 固定pH值、料液比、提取次數(shù)等影響因素，在不同提取時(shí)間下研究其對蓮子蛋白提取率的影響。見圖1。隨著提取時(shí)間的延長，蛋白提取率在7 h前增加較為明顯，7 h后急劇下降，從蛋白穩(wěn)定性考慮，確定最佳蓮子蛋白提取時(shí)間為7 h。

注：提取時(shí)間從左到右依次為1、2、4、7、10、24 h。圖1 提取時(shí)間與提取率的關(guān)系

3.2.2 料液比對提取率的影響 固定提取時(shí)間、pH值、提取次數(shù)等因素，研究料液比對蓮子蛋白提取率的影響。見圖2。料液比為1∶15時(shí)，蓮子蛋白的提取率最大，料液比從1∶5到1∶15蓮子蛋白提取率顯著增加，隨著其提取液體積的逐漸增大，蓮子蛋白提取率逐漸下降。同時(shí)大量提取液在后續(xù)工序中需經(jīng)濃縮，從提取效率和節(jié)約資源綜合來考慮，確定蓮子蛋白提取的最佳料液比為1∶15。

注：液料比從左到右依次為5、10、15、20、25。圖2 液料比與提取率的關(guān)系

3.2.3 pH值對提取率的影響 固定提取時(shí)間、料液比、提取次數(shù)等因素，研究pH值對蓮子蛋白提取率的影響。從圖3可以看出，隨著pH值在5.0到8.0，提取率明顯上升，8.0之后緩慢下降。預(yù)測該pH值與蓮子蛋白的等電點(diǎn)較接近。選擇最佳提取pH值為8.0。

注：pH值從左到右依次為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0。圖3 pH值與提取率的關(guān)系

3.2.4提取次數(shù)對提取率的影響 固定提取時(shí)間、料液比、pH值等因素，研究提取次數(shù)對蓮子蛋白提取率的影響。由圖4所示，隨著提取次數(shù)的增加，蓮子蛋白提取率逐漸下降，從工序的角度及成本節(jié)約考慮，將其提取次數(shù)固定為一次。

注：提取次數(shù)從左到右依次為1、2、3、4。圖4 提取次數(shù)與提取率的關(guān)系

3.2.5 蓮子蛋白等電點(diǎn)對提取率的影響 固定pH值、料液比、pH值、提取次數(shù)等因素，研究蓮子蛋白等電點(diǎn)對蓮子蛋白提取率的影響。pH值在3.0到4.5區(qū)間明顯下降，在4.5時(shí)提取率最低，之后蛋白提取率有明顯上升趨勢。因此判斷pH值4.5位蓮子蛋白等電點(diǎn)。

注：pH值從左到右依次為3、3.5、4、4.5、5。圖5 蓮子蛋白等電點(diǎn)與提取率的關(guān)系

3.3 提取條件的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，對蓮子蛋白提取工藝中的pH值、料液比、提取時(shí)間3個(gè)因素做進(jìn)一步優(yōu)化。以A=pH、B=料液比、C=提取時(shí)間為自變量，蓮子蛋白的提取率為響應(yīng)值R，3因素3水平的響應(yīng)面分析方案及結(jié)果見表2[14]。

表2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

表3 蓮子蛋白提取回歸分析

注：*表示對結(jié)果影響顯著(P<0.05)；**表示對結(jié)果影響極顯著(P<0.01)。

表4 回歸模型方差分析

按照Box-behnken Design(BBD)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的統(tǒng)計(jì)學(xué)要求，對提取率的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元非線性回歸分析，得到料液比、pH、提取時(shí)間對蓮子蛋白提取率(Y)的擬合方程：Y=14.46-0.015A-0.27B+0.41C-0.26AB+1.14AC+0.24BC-1.65A2-1.64B2-0.87C2。表3顯示，模型的P<0.005，表明本實(shí)驗(yàn)所采用的二次模型極顯著，可用來進(jìn)行響應(yīng)值(蓮子蛋白提取率)的預(yù)測[15]。由F檢驗(yàn)來判定，概率P(F>Fα)的值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高。在二次項(xiàng)中，PA，PB小于0.01，說明pH值和料液比對提取率(響應(yīng)值)的影響極顯著，而PC小于0.05，說明提取時(shí)間對提取率影響顯著。交互項(xiàng)中，PAC小于0.05，說明pH值與料液比交互作用對提取率的影響顯著。其他各個(gè)因素作用不顯著。由表4可知，蓮子蛋白提取率的負(fù)相關(guān)系數(shù)r為0.946 7，表明該回歸模型擬合情況良好，回歸方程代表性較好，可以準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)際情況；校正系數(shù)RAdj=0.878 2，表明87.82%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性可用該模型來解釋；變異系數(shù)CV=4.33%，變異系數(shù)越低說明本次實(shí)驗(yàn)的可信度與精密度越高；精密度(Adeq Precision)實(shí)驗(yàn)中此值大于4視為合理，本次實(shí)驗(yàn)精密度為9.86，表明該模型精密度良好。綜上所述，該模型可以較好地反應(yīng)響應(yīng)值的變化。根據(jù)回歸分析結(jié)果作出相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖進(jìn)一步直觀地確認(rèn)料液比、pH值、提取時(shí)間三因素的交互作用對蓮子蛋白提取率的影響，結(jié)果見圖3～8。

利用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行擬合，進(jìn)一步直觀了解料液比、pH值、提取時(shí)間之間兩兩交互作用對蓮子蛋白提取率的影響，結(jié)果見圖6～8。交互效應(yīng)的強(qiáng)弱根據(jù)等高線的形狀可反映，圓形表示兩因素交互作用較弱，而橢圓形則與之相反[16]。

對圖6～8進(jìn)行分析可得出，提取時(shí)間和pH值對蓮子蛋白提取率的影響較為顯著。由高線圖可知，pH值應(yīng)選擇在7.5～8.5，料液比應(yīng)該選擇在1∶12～1∶17；提取時(shí)間應(yīng)在5.5～10 h。以上響應(yīng)面圖和等高線圖的分析結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了通過單因素分析而獲得的最佳提取工藝參數(shù)。

圖6 pH與液料比的交互作用響應(yīng)面及等高線

圖7 pH與提取時(shí)間的交互作用響應(yīng)面及等高線

圖8 液料比與提取時(shí)間的交互作用響應(yīng)面及等高線

通過模型分析[17]，響應(yīng)值R取最大值時(shí)，提取條件的取值：料液比為1∶15，提取時(shí)間為7 h，提取pH值為8.0，蓮子蛋白理論提取率最大。在上述提取條件下，通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)對模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證[18]，重復(fù)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，得到的蓮子蛋白的平均提取率為14.53%，與預(yù)測值14.46%的誤差為0.54%，說明該回歸方程可以較好地預(yù)測蓮子蛋白的提取率。

4 結(jié)論

蓮子的藥用食用價(jià)值很大，但是現(xiàn)在還沒有得到完全開發(fā)，無論是從使用狀況方面還是經(jīng)濟(jì)效益方面來看都是沒有益處的。以前經(jīng)常用的方法是正交試驗(yàn)找到最佳提取條件，但是正交試驗(yàn)有很多缺點(diǎn)，可能會使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。而響應(yīng)面法就可以很大程度地彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)。

本研究以蓮子蛋白提取率為考察指標(biāo)，選取料液比、提取時(shí)間、pH值、提取次數(shù)四個(gè)因素，考察其對蛋白提取率的影響，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法建立料液比、提取時(shí)間、pH值與總蛋白提取率之間的數(shù)學(xué)回歸模型，并結(jié)合相關(guān)的方差分析，探討了關(guān)鍵因素及其相互作用，并結(jié)合Design-Expert.8.0軟件中的Box-Behnken進(jìn)行響應(yīng)試驗(yàn)分析。

回歸分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此提取方法簡單、合理、可行。得到蓮子蛋白提取的最佳條件：料液比 1∶15，提取時(shí)間7 h，提取pH值8.0，蛋白的實(shí)際提取率為14.53%。

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OptimizationofExtractionProcessofProteinfromLotusSeedbyResponseSurfaceMethodology

SUNTianxia1，YINYiqiu2，ZHANGPengfei1，WANGMin1，ZHANGLixuan1，ZHAOYu1，WANGSiming1*

(1.TraditionalChineseMedicineandBiotechnologyResearchandDevelopmentCenter，ChangchunUniversityofTraditionalChineseMedicine，JilinProvince，Changchun130117，China； 2.GenSciencePharmaceuticalsCo.，Ltd.JilinProvince，Changchun130012，China)

Objective：To optimize the extraction process for protein from lotus seed.Methods：Based on the single factor analysis，the lotus seed protein extraction conditions were optimized by the response surface method.Results：The results showed that the optima extraction conditions were as follows：initial pH 8.0，solid-liquid ratio 1∶15，extraction time 7 h，which resulted in in an extraction yield of 14.53%.Conclusion：By using the response surface methodology extraction technology，the extraction process was easy to operate and accurate and good reproducible and has a practical application value.

Lotus seed；protein；extraction condition；extraction technology

吉林省中藥生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(20140622003JC)

] 王思明，醫(yī)學(xué)碩士，研究方向：中藥蛋白質(zhì)；Email：lwsm126030@126.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.2.019

2016-07-12)

*[