響應面法提取玉米醇溶蛋白的工藝優化

趙華，王虹，任晶，陳磊

（天津市工業微生物重點實驗室，天津科技大學生物工程學院，天津 300457）

玉米醇溶蛋白是一種可再生的天然高分子蛋白，其平均分子量為44000 u，約占玉米蛋白總含量的40%，可形成韌性、光滑、疏水的防腐膜。它具有生物可降解性和生物相容性，已成為生產可食性全降解食品包裝材料的重要原料。目前，玉米醇溶蛋白的提取一般用醇作溶劑，從玉米粉及玉米蛋白粉、DDGS、CGM、DDG[1]中提取。除了用有機溶劑萃取外，可以用超聲波萃取[2]或酶解方法來提取玉米醇溶蛋白。

由于生產過程中成本太高，且制得的玉米醇溶蛋白白度較低，限制了玉米醇溶蛋白的規模化生產和大量應用。本研究采用玉米皮提取醇溶蛋白，首先用有機溶液對玉米皮進行脫色處理，在此過程中得到了玉米黃色素；再用脫色處理后的玉米皮提取玉米醇溶蛋白。采用此工藝提取醇溶蛋白，并與玉米黃色素相結合，不但提高其提取率和白度，并且節約了乙醇用量，提高了乙醇回收利用率，為玉米皮的深度開發奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米皮：取自玉米加工廠副產品。NaCl，無水乙醇，均為分析純。

1.2 玉米醇溶蛋白提取方法

先將原料經處理后，用無水乙醇浸提，離心分離取上清液，即得玉米黃色素浸提液；再將離心沉淀用75%乙醇溶液浸泡，離心分離得到上清液，通過鹽析、干燥得到玉米醇溶蛋白產品，見圖1。

圖1 玉米黃色素和醇溶蛋白提取工藝流程Fig.1 The process of the extraction of yellow pigment and zein

1.3 分析方法

1.3.1 玉米黃色素總量的測定[3]

用無水乙醇溶液在50℃、料液比1∶15的條件下，對玉米皮進行了多次浸提后，分別收集每次浸提的色素液，計算得到本試驗中玉米麩皮的玉米黃色素的總含量。

1.3.2 玉米黃色素提取率的測定

準確稱取一定量的玉米皮，提取其中的玉米黃色素，制備成玉米黃色素粉狀。然后配制系列濃度梯度的色素溶液，測定此系列在450 nm波長下的吸光值[4]，繪制色素濃度-吸光度值標準曲線[3]。根據所得玉米黃色素的吸光度值，由標準曲線計算色素提取量。

提取率/%=（提取液中玉米黃色素的含量/玉米黃色素的總量）×100

1.3.3 醇溶蛋白總量的測定

用75%乙醇溶液在60℃、料液比1∶8的條件下，對玉米醇溶蛋白進行了多次浸提后，分別收集每次浸提液，鹽析沉淀得到玉米醇溶蛋白，即本試驗中玉米皮中醇溶蛋白的總含量。

1.3.4 醇溶蛋白提取率的測定

2 結果與討論

2.1 玉米皮脫色工藝的優化

玉米黃色素提取率越高，說明玉米皮的脫水效果越好，因此對玉米黃色素提取工藝進行優化。分別對料液比、提取溫度、提取時間3個因素作了3組對比實驗（見表1），比較各組提取液的提取率，從而確定了玉米黃色素提取條件為：料液比1∶15，提取溫度50℃，提取時間3 h。按此條件提取兩次后，原料基本無色，干燥后用于玉米醇溶蛋白的提取。

2.2 玉米醇溶蛋白提取條件的優化

根據文獻[5]可知，影響玉米醇溶蛋白提取的主要因素有乙醇濃度、液料比、提取溫度、提取時間。根據Box-Behnken中心組合設計原理[6]，以4個主要因素為自變量，以醇溶蛋白提取率值為響應值，設計4因素3水平27個試驗點的響應面分析試驗。試驗設計及結果見表2，其F-檢驗結果見表3。

表1 不同因素對提取玉米黃色素的影響Table 1 Different factors on the extraction of yellow pigment of corn

表2 Box-Behnke響應面試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results of response surface

表3 各因素的F-檢驗Table 3 F-checkout of each factor

運用SAS RSREG程序對27個試驗點的響應值（醇溶蛋白提取率）進行回歸分析，得到回歸方程為：

從方差分析表可以看出，用上述回歸方程描述各因子與響應值之間的關系時，起因變量與全體自變量之間的線性關系是非常顯著的[F>F0.01（14，10）]，決定系數R2＝0.9896，說明回歸方程的擬合程度較好。而各項因素的方差分析見表4。

由表4可知，方程一次項，二次項的影響都是高度顯著的，失擬項F值較小，說明模型規定適當，可以用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結果進行分析。2.3響應因子水平的優化

表4 回歸方程各項因素的方差分析表Table 4 Variance analysis of regression equation of each factor

RSA的圖形可以直觀地反映各因素對響應值的影響，從實驗所得的響應面分析圖上可以找到它們在反應過程中的相互作用。結果見圖1。

圖1 響應面曲面圖Fig.1 Response surface plot

由圖1可知，乙醇濃度在75%及提取溫度為60℃、提取時間為2 h時回收率達到最大，再延長提取時間，回收率反而減少。而隨著液料比的增加，提取得到的醇溶蛋白的含量也不斷增加，回收率逐漸上升，但液料比過大，生產成本會隨之增加，故液料比不宜過大。根據SAS的預測，結果見表5。

由表5可知，添加液料比為8.7∶1的體積分數為72.7%的酒精水溶液，在58.7℃條件下浸提2.1 h，醇溶蛋白提取率達到最大。為檢驗RSA分析法的可靠性，并考慮到實際工藝控制的方便，將最佳提取條件修正為：添加液料比為9∶1的體積分數為75%的酒精水溶液，60℃浸提2 h后，離心分離，得到醇溶蛋白溶液。在此條件下，測得的提取率為71.25%，與理論預測值（71.49%）相比，相對誤差低于1%。由此可知采用RSA分析法優化得到的浸提條件參數準確可靠，具有實用價值。通過實驗確定提取玉米醇溶蛋白的最佳工藝條件為：添加液料比為9∶1的體積分數為75%的酒精溶液，在60℃浸提2 h后，離心分離，從而得到醇溶蛋白溶液。將脫色處理后的玉米皮和未處理的玉米皮分別用于提取玉米醇溶蛋白，其結果見表6。

表5 醇溶蛋白提取預測表Table 5 The forecast of zein extraction

表6 不同方法提取玉米醇溶蛋白的比較Table 6 Comparison of different methods on extraction of Zein

由表6可知，采用傳統方法提取玉米醇溶蛋白，由于原料中含有大量的色素，導致其醇溶蛋白提取液的顏色較深，產品呈黃色，影響了玉米醇溶蛋白的質量。而采用本實驗方法不但能提高醇溶蛋白的一次提取率，而且提取的玉米醇溶蛋白液顏色很淺，產品為白色，玉米醇溶蛋白質量的提高也有利于其后續的應用。

3 結論

1）提取玉米黃色素的最佳工藝條件為：料液比為1∶15的無水乙醇，在50℃浸提3 h后，離心，得到玉米黃色素提取液，提取率為83.7%。

2）將提取完玉米黃色素的玉米皮進行玉米醇溶蛋白的提取，通過響應面分析法確定，從浸泡過的玉米胚乳中提取玉米醇溶蛋白的最佳工藝條件為：添加液料比為9∶1的75%乙醇溶液，在60℃浸提2 h后，離心分離，得到醇溶蛋白提取液一次提取率為71.49%。得到的醇溶蛋白產品與傳統方法比較，提取率高，顏色純白。且對乙醇進行了更好的回收利用。

3）從玉米皮中先對玉米黃色素進行提取，后對玉米醇溶蛋白進行提取的方法是可行的，這為玉米皮的深度開發奠定了基礎。

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