超聲波輔助堿法提取藜麥蛋白的工藝研究

吳月紅

摘 要：以藜麥為原料，采用堿法結合超聲波提取藜麥蛋白，利用單因素試驗和響應面試驗優(yōu)化藜麥蛋白提取工藝。試驗結果表明，在超聲波功率為200 W、超聲時間為30 min、料液比為1∶25、浸提溫度為45 ℃、浸提時間為2.5 h、pH值為9.0的條件下，蛋白提取率為80.64%，蛋白含量為89.65%。

關鍵詞：藜麥蛋白；超聲波；堿提取法；蛋白提取率

Abstract： Using quinoa as raw material， the protein of quinoa was extracted by the ultrasonic-assisted alkaline. Single factor experiment and response surface experiments were used to optimize the extraction process of protein from quinoa. The test results showed that under the conditions of ultrasonic power of 200 W， ultrasonic time of 30 min， solid-liquid ratio of 1∶25， extraction temperature of 45 ℃， extraction time of 2.5 h， and pH value of 9.0， the protein extraction rate was 80.64%， and the protein content was 89.65%.

Keywords： protein of quinoa; ultrasound; alkaline extraction method; protein extraction rate

藜麥是一種全蛋白食品，也是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的唯一全營養(yǎng)食品。藜麥中的蛋白質(zhì)含量為12.9%～16.5%，含有豐富的人體所需的必需氨基酸，能夠起到預防癌癥、降低膽固醇、抗氧化等作用[1-2]。藜麥蛋白具有易于吸收、不易過敏等優(yōu)點，是一種優(yōu)質(zhì)的植物蛋白來源[3]。

目前，主要采用酶輔助提取法、鹽溶法和堿提酸沉法等多種方法提取藜麥蛋白。堿提酸沉法通過加入堿溶液使植物細胞中的蛋白質(zhì)溶出，再利用酸溶液控制浸提液的pH值，使其達到等電點沉淀下來，此方法具有操作簡單、提取快速和提取率較高等優(yōu)點，被廣泛應用于植物蛋白的提取中。超聲波可通過空穴效應破壞細胞壁及細胞膜，使細胞內(nèi)蛋白質(zhì)快速溶出，增加蛋白質(zhì)的提取率，降低提取時間[4-5]。本試驗采取超聲波輔助堿提酸沉法提取藜麥蛋白，通過單因素試驗分別分析料液比、超聲功率、超聲時間、浸提溫度、浸提時間和pH值對藜麥蛋白提取率的影響，結合響應面法對藜麥蛋白的提取工藝進行優(yōu)化。本試驗為藜麥蛋白提取加工利用和藜麥蛋白產(chǎn)品的全面開發(fā)等提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藜麥，北顯糧油有限公司；濃硫酸、氫氧化鈉、硼酸等，均為分析純。

1.2 儀器與設備

HA121-06超臨界萃取裝置，南通儀創(chuàng)有限公司；KS-900超聲波粉碎儀，新動力超聲電子設備有限公司；PL3000冷凍干燥器，上海匯分電子科技有限公司；K9860全自動凱氏定氮儀，河北潤聯(lián)機械設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 藜麥預處理

取適量藜麥，清水沖洗去除皂苷及雜質(zhì)，熱風干燥，過篩前用微型植物粉碎機進行粉碎，最終得到藜麥粉。稱取藜麥粉1 000 g，采用超臨界CO2萃取裝置進行脫脂，萃取溫度50 ℃，萃取壓力30 MPa，萃取120 min，脫脂后藜麥粉放入4 ℃冰箱，冷藏備用[6]。

1.3.2 超聲波輔助堿提酸沉法提取藜麥蛋白

稱取2.00 g脫脂藜麥粉與蒸餾水混合，磁力攪拌器充分攪拌，用0.5 mol·L-1 NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值，一定溫度下浸提一定時間后，采用超聲波輔助提?。ǔ? s，停歇3 s），所得漿液4 500 r·min-1離心30 min，調(diào)節(jié)上清液的pH值至等電點，靜置一定時間，4 500 r·min-1離心20 min，將沉淀水洗至中性，再經(jīng)過冷凍干燥，即為藜麥蛋白粉。

1.3.3 單因素試驗設計

設計料液比為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40，浸提溫度為30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃，浸提時間為1.0 h、2.0 h、3.0 h、4.0 h，pH值為8.0、9.0、10.0、11.0，以藜麥蛋白提取率為考察指標進行單因素試驗。固定試驗條件為浸提溫度40 ℃、浸提時間2.0 h、料液比1∶20、提取液pH=9.0。

1.3.4 超聲波輔助法響應面試驗設計

在單因素試驗基礎上，選擇自變量為料液比（A）、浸提溫度（B）、浸提時間（C），響應值為藜麥蛋白提取率（Y）進行響應面試驗，優(yōu)化藜麥蛋白的提取條件，試驗設計見表1。

1.3.5 藜麥成分測定

粗蛋白含量測定：GB 5009.5—2016；淀粉含量測定：GB 5009.9—2016；粗脂肪含量測定：GB 5009.6—2016；水分含量測定：GB 5009.3—2016；灰分含量測定：GB 5009.4—2016；粗纖維含量測定：GB/T 5009.10—2003。蛋白質(zhì)含量及提取率計算公式為

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel和Design-Expert軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 藜麥成分分析

依據(jù)1.3.5方法測得藜麥的主要成分見表2。

2.2 超聲波輔助提取藜麥蛋白的結果與分析

植物細胞中包含大量蛋白質(zhì)及其他營養(yǎng)物質(zhì)，細胞壁及細胞膜阻礙各種物質(zhì)的溶出，超聲波可促使細胞組織變形、細胞壁及細胞膜破裂，加快細胞中蛋白質(zhì)的溶出速度，增加植物蛋白提取率[7]。為確定超聲波輔助提取藜麥蛋白的最佳工藝，通過實驗對提取功率與時間進行了研究，結果見表3。由表3可知，超聲功率和超聲時間對蛋白提取率的影響顯著，超聲功率越大、時間越長，藜麥蛋白提取率越高。選取超聲功率200 W、超聲30 min作為超聲波輔助提取藜麥蛋白的最佳參數(shù)。

2.3 單因素試驗結果

2.3.1 料液比對藜麥蛋白提取率的影響

如圖1所示，蛋白提取率在增加料液比的情況下，先增大后減小，在料液比為1∶20時，蛋白提取率達到最大。料液比在1∶30～1∶40時，提取率變化不大。料液比過小時，藜麥粉在浸提液中占比較大，溶劑不能充分與藜麥粉水和，蛋白質(zhì)溶出受到阻礙，影響提取率；料液比增大時，溶劑充分與藜麥粉水合，提取率提高；繼續(xù)增加料液比，蛋白質(zhì)溶出接近飽和狀態(tài)，蛋白提取率變化較小[8]。

2.3.2 浸提溫度對藜麥蛋白提取率的影響

如圖2所示，浸提溫度為30～60 ℃時，藜麥蛋白提取率先升高后降低，40 ℃時提取率達到最大值。在堿性條件下，溫度過高會促使淀粉顆粒膨脹、糊化，浸提體系變得黏稠，部分蛋白質(zhì)會變性，影響蛋白質(zhì)的提取。

2.3.3 浸提時間對藜麥蛋白提取率的影響

如圖3所示，浸提時間為1.0～2.0 h時，藜麥蛋白提取率顯著上升，超過2.0 h蛋白提取率緩慢下降。延長浸提時間，藜麥蛋白充分溶解，蛋白提取率增加；繼續(xù)延長浸提時間，非蛋白組分過多溶出，蛋白質(zhì)的沉淀和純度受到了影響[9]。

2.3.4 pH值對藜麥蛋白提取率的影響

如圖4所示，在pH值為8～10時，藜麥蛋白提取率隨pH值的增加而增大，pH值為10時提取率最大。研究表明，堿性環(huán)境會破壞蛋白質(zhì)的次級鍵，帶相同電荷的蛋白質(zhì)之間的斥力增加，蛋白提取率提高；pH值過高可能會導致蛋白質(zhì)的空間結構被破壞，部分蛋白質(zhì)變性，蛋白提取率降低，影響藜麥蛋白的功能特性。綜合考慮藜麥蛋白提取率及蛋白質(zhì)功能特性，試驗過程中選取pH值為9.0。

2.4 藜麥蛋白提取工藝優(yōu)化

2.4.1 響應面試驗結果

響應面法優(yōu)化藜麥蛋白提取工藝的方案設計及測得的蛋白提取率見表4。

2.4.2 回歸模型擬合及方差分析

對表4中的響應值與各因素進行多元回歸擬合，得到回歸方程Y=80.07+0.68A+0.77B+0.91C+0.006 75AB-0.011AC+0.36BC-2.166A2-0.33B2-0.39C2。

由表5可知，回歸模型為極顯著（P＜0.000 1），回歸方程與試驗擬合良好；失擬項不顯著（P＞0.05），試驗數(shù)據(jù)中不存在異常點，相關系數(shù)R2＝0.983 4，回歸模型能夠反映試驗過程中各因素和響應值之間的關系并預測提取藜麥蛋白的最佳條件。由P值可知，A、B、C、A2對響應值影響極顯著，BC、C2影響顯著，各因素影響響應值的順序為C＞B＞A。

2.4.3 響應面分析

對回歸方程進行統(tǒng)計分析，得AB、BC及AC的交互作用響應面和等高線圖，如圖5所示。分析響應面可知，最佳藜麥蛋白提取工藝條件為浸提時間2.5 h、浸提溫度45 ℃、料液比1∶25，蛋白提取率的理論值為81.5%。在超聲波為200 W、超聲時間為30 min、浸提時間為2.5 h、浸提溫度為45 ℃、料液比為1∶25和pH值為9.0的條件下進行驗證試驗，得蛋白提取率為80.64%，與回歸模型預測值相近，表明利用此回歸模型對藜麥蛋白提取工藝進行優(yōu)化可行。

3 結論

通過方差分析，影響藜麥蛋白提取率的因素按強弱排序依次為浸提時間、浸提溫度、料液比。超聲波輔助堿法提取藜麥蛋白的最佳工藝條件為超聲波功率200 W、超聲時間30 min、浸提時間2.5 h、浸提溫度45 ℃、料液比1∶25、pH=9.0，在此條件下測得的蛋白質(zhì)提取率為80.64%，蛋白含量為89.65%。

參考文獻

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