超聲波輔助提取黔江腎豆蛋白質提取率的經驗數學模型

肖沁林，譚九銘，覃小麗，鐘金鋒

(西南大學 食品科學學院，食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，重慶, 400715)

研究報告

超聲波輔助提取黔江腎豆蛋白質提取率的經驗數學模型

肖沁林，譚九銘，覃小麗，鐘金鋒

(西南大學 食品科學學院，食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，重慶, 400715)

超聲波；輔助提取；黔江腎豆；蛋白質；預測模型

腎豆，作為西南地區的傳統特色經濟作物，又名花豆、狀元豆、富貴豆，其營養價值豐富，感官品質優良，其中蛋白質是其主要組分。腎豆來源廣泛，被視為優良的植物蛋白質來源，具有較大的開發利用價值[1]。因此，腎豆蛋白質提取的相關研究是對其進行開發利用的關鍵環節，而提取率則是衡量提取工藝的重要指標。研究提取率的變化規律，對進一步開發我國特色食品資源具有十分重要的研究意義。

食品中蛋白質的提取方法有傳統的堿溶酸沉法和近年新興的超臨界、超聲波等輔助提取方法[2-3]。傳統的堿溶酸沉法操作簡單，應用范圍廣，但存在提取率較低、高溫使蛋白質變性等問題[4]；而超聲波輔助提取不僅可有效地縮短提取時間，提高提取率，并且能有效提高蛋白質在溶劑中的分散穩定性[2, 5-6]，因此在食品相關領域備受青睞[7-9]。目前，我國對腎豆蛋白質提取主要采用溶劑提取法[10]，關于超聲波輔助提取腎豆蛋白質的尚未見報道。因此，本論文將探索超聲波輔助提取腎豆蛋白質過程中各因素(提取溫度、超聲時間、液料比和超聲功率)對蛋白質提取率的影響。在此基礎上，借鑒前期研究[11-13]，建立預測蛋白質提取率的經驗數學模型，旨在獲得提取工藝參數與提取率之間的變化規律，以期為腎豆蛋白質的高效提取和進一步開發利用提供一定的理論指導和實踐依據。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

腎豆產于重慶黔江(E108°28′ 04″～108° 56′ 56″，N29° 04′29″～29° 52′10″)；牛血清白蛋白(進口分裝)，考馬斯亮藍G-250(進口分裝)，均購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其他試劑均為國產分析純試劑。

1.2儀器與設備

pHS-3C酸度計，上海儀電科學儀器股份有限公司；XF-100型高速多功能粉碎機，浙江永康市紅太陽機電有限公司；KQ-700DB型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；T6新世紀紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；Thermo Scientific Sorvall ST16R通用臺式離心機，賽默飛世爾科技有限公司；DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司。

1.3實驗方法

1.3.1 蛋白質提取

將腎豆去皮后，用粉碎機進行粉碎處理，過篩(80目)后烘干的粉末即為實驗用樣品。實驗中，稱取一定量的腎豆粉末置于100 mL錐形瓶中，按一定液料比量取相應體積的蒸餾水并調節其pH值為9.0，料液混勻后進行超聲波處理，然后離心(8 000 r/min，10 min)，收集所得上清液。分別探討提取溫度(30～60 ℃)、超聲時間(20～150 min)、液料比(10∶1～40∶1, mL∶g)和超聲功率(350～630 W)對提取率的影響。由于腎豆脂肪含量較低[10]，為避免脫脂處理對蛋白造成不利影響，實驗中不進行脫脂處理。

1.3.2 蛋白質測定

將以上操作提取得到的蛋白質采用考馬斯亮藍法[14]進行測定。具體步驟如下：將上述上清液稀釋10倍，用考馬斯亮藍試劑染色后在595 nm波長下測定吸光度，并建立牛血清白蛋白標準曲線，根據標準曲線最終計算得上清液可溶性蛋白含量。

樣品總蛋白含量的測定采用凱式定氮法測定，得到腎豆(干基)總蛋白含量為22.79%。以此為基礎，計算不同反應參數下腎豆蛋白質的提取率。以上數據均平行測定3次。

蛋白質提取率(E)的計算公式如下：

(1)

式中:Et為提取得到的蛋白質含量，mg；E0為所測樣品總蛋白質含量，mg；E為提取率，%。

2 結果與討論

2.1反應條件對腎豆蛋白質提取率的影響

2.1.1 提取溫度與提取率的關系

提取溫度對腎豆蛋白質提取率的影響如圖1所示。隨溫度的升高，蛋白質的提取率呈先升高后降低的趨勢。蛋白質提取率在40 ℃時達到最大，繼續升高提取溫度，提取率反而降低。這主要是由于在低于40 ℃時，提高溫度，可以加速分子運動，分子的劇烈運動加速了蛋白質的溶解，從而提高了蛋白質提取率；當溫度高于40 ℃時，提取率反而降低，這主要是因溫度過高破壞了蛋白質原有的空間結構，使其暴露了更多的疏水基團，在一定程度上降低了蛋白質在水中的溶解性[15]，最終導致蛋白質提取率降低。因此，本研究中，選擇40 ℃為提取溫度，考察其他反應因素對提取率的影響。

圖1 提取溫度對蛋白質提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment temperature on protein extraction rate

2.1.2 超聲時間與提取率的關系

圖2-a是超聲時間對腎豆蛋白質提取率的影響示意圖。由圖2-a可知，在超聲時間100 min內，提取率呈快速升高的趨勢；在100～150 min時，提取率升高的趨勢趨于平緩，可以得知延長超聲時間，可在一定程度上提高蛋白質提取率，但是，對于該提取體系而言，在100 min之后，提取率到達一定數值后，延長超聲時間，促進提取率提高的作用有限。從圖2-a中可以看出，提取率(E)與超聲時間(t)之間呈現出較好的指數關系，對實驗中的數據進行擬合后可得到如下方程：

E=a×tb

(2)

式中：E為腎豆蛋白質提取率；t為該提取體系的超聲時間，min；a和b是方程系數。

圖2-b對實際提取率與模型預測提取率進行比較，發現呈現較好線性關系，R2可達0.958 9。

圖2 超聲時間對蛋白提取率的影響Fig. 2 Effect of sonication time on protein extraction rate

2.1.3 液料比與提取率的關系

圖3-a是水的質量與腎豆豆粉質量的液料比值(L，g/g)對蛋白質提取率的影響示意圖。從圖3-a可以看出，增大液料比，可在一定程度上提高蛋白質的提取率。在L=10時，蛋白質的提取率為44.78%；隨著液料比的增大，提取率呈逐漸升高的趨勢；當L=30時，提取率為66.42%。可見，當液料比為10～30時，液料比對提高提取率的促進作用較為顯著。對圖3-a中數據進行擬合，可分析得提取率(E)與液料比(L)之間呈現良好的對數變化規律，可以得到方程(3)：

E=c×ln(d×L+1)

(3)

式中：E為蛋白質提取率，%；L為加入水的體積與樣品質量的液料比；c和d是方程系數。

圖3-b為提取率值與模型預測值之間的關系，可知，兩者的線性相關性較好，R2可達0.974 5。

圖3 液料比對蛋白質提取率的影響Fig.3 Effect of the ratio of liquid to liquid on protein extraction rate

2.1.4 超聲功率與提取率的關系

由圖 4 可知，提取率隨超聲功率的增大呈升高的趨勢，反映出超聲功率對蛋白質的提取率的影響顯著。因此，提高超聲功率可有效提高腎豆蛋白質的提取率。對蛋白質的提取率隨超聲功率變化的實驗數據進行擬合求解可得，提取率(E)與超聲功率(P)之間呈現出較好的規律性，將其進一步處理可得：

E=ln(f×e-h/P+1)

(4)

式中：E為腎豆蛋白質提取率，%；P為超聲功率，W；f和h為方程系數，e為自然對數的底數。

圖4 超聲功率對蛋白質提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on protein extraction rate

2.2預測腎豆蛋白質提取率數學經驗模型的建立與驗證

根據公式(2)～(4)確立的超聲時間、液料比、超聲功率與腎豆蛋白質提取率之間的數學關系和數學變換法則，可得到基于 3 種反應參數下的腎豆蛋白質提取率與反應條件的總關系式：

(5)

式中：E為腎豆蛋白質的提取率，%；t為反應時間，min；L為液料比；P為超聲功率，W；A、B、C、D分別是方程的系數，e為自然對數的底數。

圖5 蛋白質提取率實驗值和數學模型預測值之間的相關性Fig. 5 Correlation between-experimental value and the predicted value of the protein extraction rate

在改變上述提取參數(即超聲時間、液料比、超聲功率)的情況下，通過實驗測得不同條件下的蛋白質的提取率，代入該模型進行數值擬合，求得模型(5)中的各方程系數見表1。

表1 方程(5)的系數

由圖5可知，實驗值和模型預測值相近程度的線性相關判定系數(R2)可達到0.955 4。可見，式(5)可用于預測超聲輔助提取腎豆蛋白質的提取率，并且該式對于該提取過程影響因素的優化設計具有一定理論指導意義。

3 結論

本實驗系統地考察了超聲波輔助提取黔江腎豆蛋白質的過程中提取溫度、反應時間、液料比以及超聲功率對蛋白質提取率的影響，并根據實驗所得數據建立了一種預測該提取率變化規律的經驗數學模型。通過對比蛋白質提取率的實驗值和模型預測值，發現兩者的線性相關判定系數(R2)可達0.955 4，表明該模型可很好地預測超聲波輔助提取腎豆蛋白質體系中提取率的變化。

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StudyofamathmodelforQianjiangkidneybeanproteinsextractionratebyultrasonic-assistedmethod

XIAO Qin-lin, TAN Jiu-ming, QIN Xiao-li, ZHONG Jin-feng

(College of Food Sciences, National Demonstration Center for Experimental Food Science and Technology Education, Southwest University, Chongqing 400715, China)

ultrasound；assisted extraction；Qianjiang kidney bean；protein；forecasting model

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013617

本科生(鐘金鋒副教授為通訊作者，E-mail: jinfzhong@163.com)。

國家自然科學基金(31501446，31601430)；重慶市基礎科學與前沿技術研究專項(cstc2015jcyjA80013,cstc2017jcyjAx0036)；中央高校基本科研業務費專項(XDJK2016B034)；重慶市現代特色效益農業調味品產業技術體系：2017[7]；西南大學第九屆本科生科技創新基金(20161702004)

2016-12-14，改回日期：2017-01-04