菊芋渣蛋白的提取及功能性質研究

胡雅喃，范三紅，張曉麗

（山西大學生命科學學院，山西太原030006）

菊芋渣蛋白的提取及功能性質研究

胡雅喃，范三紅*，張曉麗

（山西大學生命科學學院，山西太原030006）

采用超聲波輔助堿法提取菊芋渣蛋白，并測定其部分功能特性。通過正交實驗確定最佳提取工藝，實驗結果表明，菊芋渣蛋白最佳提取條件為：pH13.5，料液比1∶40（mg/mL），超聲時間50min，超聲溫度60℃，在此條件下提取率可達71.2%±0.3%。菊芋渣分離蛋白的等電點在4.0左右，當pH=9.0時乳化能力可達80%，蛋白濃度4%時起泡性最好，70℃時溶解性最好。

菊芋渣蛋白，提取工藝，功能性質

菊芋（Jerusalem artichoke）又叫鬼子姜、洋姜，既是一種經濟作物，也是一種有利用價值的飼料作物，被稱為“21世紀人畜共用作物”。菊芋除了含有大量菊糖外，還含有一定量的其他成分，例如果膠、蛋白質和纖維素等［1］。目前對于菊芋的研究主要是菊粉的制備、用菊粉生產乙醇、菊芋葉活性成分的研究等。菊芋渣是菊芋生產菊粉后的主要副產物，其中粗蛋白含量達9.6%，且氨基酸的利用率相對較高，屬于一種優質植物蛋白質。1t菊芋塊莖加工后可得650kg菊芋渣［2］，產量巨大，這些資源大多被用作飼料或被堆積甚至直接廢棄，極大的造成了資源浪費和環境污染。因此利用菊芋渣生產蛋白質可以變廢為寶，具有現實的意義。

目前，國內外對于菊芋渣蛋白的研究較少，張維等［3］采用堿提酸沉法提取菊芋渣蛋白，提取率為22.7747mg/g。為了節省提取時間并提高提取率，本研究以菊芋渣為原料，采用超聲波輔助堿法研究相關因素對菊芋渣蛋白提取率的影響，并對分離蛋白進行功能性質的測定，大大提高其附加值和對菊芋渣資源的綜合利用率，為菊芋渣的深加工提供了基礎理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

菊芋渣山西益生元生物科技有限公司；考馬斯亮藍G-250美國Solarbio公司；福臨門一級大豆油中糧食品營銷有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、硼酸、硫酸銅、硫酸鉀、濃硫酸均為分析純。

TG16A-WS型高速離心機武漢愛斯佩科學儀器有限公司；DHG-9053A型電熱恒溫鼓風干燥箱上海一恒科技有限公司；BS 124 S型電子天平北京賽多利斯儀器系統有限公司；SP-2000UV型紫外可見分光光度計上海光譜儀器有限公司；HH4型數顯恒溫水浴鍋杭州儀表電機有限公司；JP-040ST型超聲波清洗機深圳市潔盟清洗設備有限公司；868型酸度計美國奧利龍公司。

1.2實驗方法

1.2.1菊芋渣基本成分的測定水分含量：GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》；灰分含量：GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》；粗蛋白含量：GB 5009.5—2010《食品中蛋白質的測定》；脂肪含量：GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》。

1.2.2菊芋渣蛋白的提取工藝流程菊芋渣→干燥粉碎（45目）→調pH，240W超聲浸提→3500r/min，離心10min→取上清液→調節pH等電點（PI）→3500r/min，離心10min→取沉淀物→水洗中和、干燥→粗蛋白［4］。

1.2.3蛋白提取率測定采用Bradford法測定蛋白質的質量［5］。

1.2.4單因素實驗設計

1.2.4.1料液比單因素的實驗設計超聲波法提取蛋白過程中控制體系時間20min，pH13.0，溫度50℃，超聲功率240W，分別在料液比為1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60（mg/mL）的條件下超聲波提取。

1.2.4.2pH單因素的實驗設計超聲波法提取蛋白過程中控制體系時間20min，料液比1∶40（mg/mL），溫度50℃，超聲功率240W，分別在pH為10、11、12、13、13.5、14的條件下超聲波提取。

1.2.4.3溫度單因素的實驗設計超聲波法提取蛋白過程中控制體系料液比1∶40（mg/mL），pH13.5，時間20min，超聲功率240W，分別在溫度為40、45、50、55、60、65℃的條件下超聲波提取。

1.2.4.4時間單因素的實驗設計超聲波法提取蛋白過程中控制體系料液比1∶40（mg/mL），pH13.5，溫度50℃，超聲功率240W，分別在時間為10、20、30、40、50min的條件下超聲波提取。

1.2.5正交實驗設計在單因素實驗基礎上，進行正交實驗，選擇料液比、超聲溫度、pH、超聲時間為自變量，結果用菊芋渣蛋白提取率表示，設計L9（34）正交實驗［6］。因素水平如表1。

表1 因素水平表Table 1　Different levels of factors

1.2.6菊芋渣蛋白質功能性質的測定

1.2.6.1乳化性稱取4g蛋白溶于150mL蒸餾水，調pH分別為3.0、4.0、5.0、7.0、9.0，再加150mL植物油，12000r/min均質2min，之后再1500r/min離心5min，記下乳化層高度；上述樣品60℃水浴30min，冷卻后再1500r/min離心5min，記下乳化層高度［7］。

1.2.6.2起泡性制備濃度分別為1%、2%、3%、4%、5%（pH至中性）、pH分別為3、4、5、7、9的蛋白溶液，12000r/min均質5min，記下均質前、后的泡沫體積，放置30min后泡沫體積［8］。

1.2.6.3溶解性制備濃度為1%的蛋白溶液，pH分別調成3、4、5、7、9（水浴溫度為60℃），置于40、50、60、70、80、90℃30min（蛋白濃度為1%），3000r/min離心10min，測上清液蛋白含量［9］。

1.2.6.4等電點用最佳提取工藝提取蛋白，將上清液的pH分別調成3.4、3.6、3.8、4.0、4.2、4.4、4.6、4.8、5.0、5.2，3500r/min離心5min，測上清液蛋白含量［10］。

1.2.6.5持水性取50mL離心管（m1），稱取1g蛋白放入，調pH分別為3.0、4.0、5.0、7.0、9.0，60℃水浴30min后冷卻1h，4000r/min離心15min，去除上清液，稱離心管質量（m2）［11-12］。

2　結果與討論

2.1菊芋渣基本成分通過對菊芋渣基本成分的測定，結果如表2所示，該菊芋渣的基本成分與參考文獻［13］有一定的差異，這是因為菊芋的產地不同，提取菊粉的方法不同，菊芋渣的成分有所不同。從成分可以看出，菊芋渣含粗蛋白量較多，占23.13%，為研究菊芋渣蛋白的理化性質打下了良好的基礎。

表2 菊芋渣基本成分Table 2　Basic chemical composition of Jerusalem artichoke

2.2單因素實驗

圖1　不同料液比對蛋白質提取率的影響Fig.1　Effect of material/liquid ratio on protein yield

2.2.1料液比對蛋白質提取率的影響料液比對蛋白質提取率的影響如圖1。當料液比1∶40時蛋白提取率最大，其他條件下均較少，說明在料液比1∶40時效果最好。這可能是由于料液比小時，菊芋渣內的蛋白質沒有溶解完全；料液比過大，蛋白含量過稀，其絕對含量降低，同時產生過量的廢液而增大成本［14］，綜合考慮，初步選擇料液比為1∶40。

2.2.2pH對蛋白質提取率的影響pH對蛋白質提取率的影響如圖2。在pH為10時菊芋渣蛋白質提取率較低，之后則變大，當pH為13.5時最大，之后降低。這可能是由于強堿使得蛋白質內部結構發生改變從而引起蛋白質變性的結果［15-16］，pH越大，帶電量就越多，分子間排斥力越大，極性增強，更易溶于水，提取率也隨之增大［17］。綜合考慮，初步選擇pH為13.5。

圖2　不同pH對蛋白提取率的影響Fig.2　Effect of extraction pH on protein yield

2.2.3超聲溫度對蛋白質提取率的影響超聲溫度對蛋白質提取率的影響如圖3。溫度在55℃時提取率最好，在其他溫度，蛋白提取率均較少。可能是因為在蛋白質變性溫度之前，蛋白溶解性隨溫度不斷增大，而超過變性溫度則容易導致蛋白質變性，造成分離困難［18］。初步選擇溫度為55℃。

圖3　不同溫度對蛋白質提取率的影響Fig.3　Effect of extraction temperature on protein yield

2.2.4超聲時間對蛋白質提取率的影響超聲時間對蛋白質提取率的影響如圖4。蛋白質提取率在40min最好，之后逐漸下降。長時間的浸提會使提取條件不穩定，且延長時間對提取率也不會產生很大的影響［19］。因此初步時間定為40min。

2.3菊芋渣蛋白提取工藝正交實驗

2.3.1正交實驗從表3極差可知，影響蛋白質提取率因素的主次順序依次為B＞A＞C＞D，即pH對其影響最大，料液比次之，其次是超聲溫度，最后為超聲時間。由k值可看出，本實驗最佳的水平組合為A2B2C3D3，即料液比1∶40，pH13.5，超聲溫度60℃，超聲時間50min。

圖4　不同超聲時間對蛋白質提取率的影響Fig.4　Effect of ultrasonic time on protein yield

表3　提取工藝正交實驗結果Table 3　Orthogonal array layout and experimental results

表4 方差分析表Table 4　Analysis of variance for the orthogonal array design

表4方差分析可以看出，對蛋白提取率影響顯著的因素是pH，其余因素影響都不顯著。

2.3.2驗證實驗最佳實驗組合A2B2C3D3不在正交表中，故按該條件提取菊芋渣蛋白，三次重復，求得平均值，得到提取率為71.2%±0.3%，比正交表中的任一組值都大，因此該條件可行。

2.4分離蛋白的功能性質

2.4.1乳化性及乳化穩定性從圖5可知，菊芋渣蛋白的乳化能力及其乳化穩定性呈V型，在pH4.0時最低，分別為32.43%和40%。可能是由于在等電點附近時，靜電推斥作用缺乏，乳化性低。pH小于或大于4.0時，蛋白質的水結合能力增大，從而乳化性增大，且堿性環境下比酸性環境較好，pH=9時乳化能力可達80%。

圖5　pH對蛋白乳化性的影響Fig.5　Effect of pH on emulsibility of the protein isolates

2.4.2起泡性及其泡沫穩定性由圖6可知，當濃度在4%時，起泡性及其泡沫穩定性最好，分別為92.86%，76.92%，在其他條件下均較差。可能是由于隨著濃度增大，使得界面膜厚度增大，從而減弱泡沫粗化，穩定性降低［20］。

圖6　蛋白質濃度對蛋白起泡性的影響Fig.6　Effect of protein concentrations on the foaming capacity of the protein isolates

圖7　pH對蛋白起泡性的影響Fig.7　Effect of pH on the foaming capacity of the protein isolates

由圖7可知，pH4.0時起泡性、泡沫穩定性最低，為60%和53.19%。此時泡沫消失的很快；而偏離4.0時則較好，pH越偏堿性，泡沫越細，穩定性也越好。這可能跟蛋白質溶解性有關系。

2.4.3溶解性由圖8可知，溶解性隨著溫度的變化呈拋物線型，溫度達到70℃時溶解性最大，為91.65%。溫度的變化導致蛋白結構發生改變。所以，70℃是蛋白質變性的臨界溫度。

圖8　溫度對菊芋渣蛋白質溶解性的影響Fig.8　Effect of temperature on the solubility of the protein isolates

圖9　不同pH對蛋白質溶解性的影響Fig.9　Effect of pH on the solubility of the protein isolates

從圖9可知，當pH為4時溶解度最小，為28.55%。小于和大于4.0時均較高，且堿性環境下最好，可能是因為pH=4.0時，所帶靜電荷少，蛋白易沉淀，所以溶解性低；當pH大于7.0時，溶解度超過80%，可能是因為菊芋渣蛋白含有較多堿性蛋白的緣故。

2.4.4等電點由圖10可以看出，當pH在4.0左右時，菊芋渣蛋白提取的上清液的吸光度最小，故此時的沉淀最多，由此得出，菊芋渣蛋白的等電點為4.0。

圖10　菊芋渣蛋白的等電點Fig.10　Isoelectric point of Jerusalem artichoke

2.4.5持水性由圖11可知，在pH4.0時持水性最低，為4.264%。pH的增大引起蛋白帶電量的變大，分子間相互排斥，蛋白質解聚，從而持水性增大［21］。

圖11　不同pH對蛋白質持水性的影響Fig.11　Effect of pH on the water-binding capacity of the protein isolates

3　結論

3.1影響菊芋渣蛋白提取的因素依次是pH＞料液比＞提取溫度＞提取時間。最佳工藝條件：超聲波240W下，料液比1∶40，pH13.5，超聲溫度60℃，超聲時間50min，此條件下得率達到71.2%±0.3%。

3.2菊芋渣分離蛋白的乳化性在pH=9條件下可達到80%以上；等電點為4.0；菊芋渣蛋白的變性溫度在70℃；pH4.0時起泡性最差。通過研究發現，菊芋渣蛋白的很多功能特性都與溶解性有著很大的關系，同時也會受到其他一些因素的影響。通過對菊芋渣分離蛋白的研究，可以將其應用于食品加工領域。

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Extraction and functional properties of protein from Jerusalem artichoke

HU Ya-nan，FAN San-hong*，ZHANG Xiao-li
（College of Life Science，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Protein from Jerusalem artichoke was extracted by ultrasonic auxiliary alkaline and some functional properties of the protein were analysed.The extraction process was optimized by orthogonal array design method.The results showed that the highest extraction vield of 71.2%±0.3%was achieved at pH of 13.5，solidto-liquid ratio 1∶40（mg/mL），ultrasonic duration 50min and ultrasonic temperature of 60℃.The isoelectric point of the protein was around 4.0 and the emulsifying capacity could reach 80%at pH9.0.Meanwhile，the foaming ability was highest with the protein concentration of 4%and the solubility was highest at 70℃.

Jerusalem artichoke residue protein；extraction process；functional properties

TS209

B

1002-0306（2015）10-0288-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.052

2014－09－12

胡雅喃（1989-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學。

范三紅（1963-），男，副教授，研究方向：食品科學。

山西省自然科學基金項目（2012011031-4）；山西省高等學校高新技術產業化項目（20111003）。