響應面法優化超聲輔助提取菜籽蛋白工藝參數的研究

李逸鶴 程婷婷

摘要：菜籽蛋白是一種非常具有開發價值的植物蛋白，而利用超聲輔助提取可以有效提高菜籽蛋白的提取率。本研究通過響應面法優化了超聲輔助進行菜籽蛋白提取的工藝參數，結果表明：超聲頻率28kHz、超聲時間40.1min、超聲溫度51℃、超聲強度為44W/L時，菜籽蛋白的提取率為91.35%，在此條件下提取效果最好。

關鍵詞：超聲處理;菜籽蛋白;提取工藝;菜籽粕

中圖分類號：TS225.14

作者姓名：李逸鶴，男，碩士，講師，研究方向為谷物、食品加工教學。

菜籽粕中富含菜籽蛋白[1]，而菜籽蛋白是一種全價蛋白，沒有限制氨基酸，并且具有較高的營養價值和生理活性[2-3]。菜籽蛋白消化率在95%～100%，其蛋白效價比大豆蛋白還高，也高于酪蛋白[4]。因此，通過對菜籽蛋白的提取和開發，使之成為新型優質植物蛋白資源，擴大其在食品加工領域地應用，具有良好的市場前景。

目前，堿提酸沉法是菜籽蛋白目前科研和實際生產最常用的提取方法，但其缺點為蛋白質得率相對低[5]。超聲輔助提取技術被認為是一種有效的提取技術，可以顯著縮短工作時間，提高產量和質量[6]。超聲效應主要包括熱效應、機械效應和空化效應三種。其中空化效應是超聲波與液體介質相互作用的主要超聲效應[7]。通過空化效應可以破壞植物的細胞壁，使蛋白能夠更容易浸出，從而提高菜籽蛋白的提取率。因此，本文通過對超聲輔助提取菜籽蛋白的工藝進行研究，以得到最佳的工藝參數，為菜籽蛋白的開發利用提供有效的幫助。

1 試驗方法

1.1 試劑與材料

菜籽粕：中糧張家港東海糧油有限公司;濃硫酸、乙醚、乙醇、硫酸銅、硫酸鉀、氫氧化鈉、鹽酸：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器設備

超聲設備：江蘇大學食品與生物工程學院制造;DD-5M低速離心機：湖南湘儀試驗室儀器有限公司;數顯恒溫水浴鍋：金壇市雙捷試驗儀器廠;PHS-2C型數顯pH計：上海精密科學儀器有限公司;紫外分光光度計：上海棱光技術有限公司。

1.3 試驗步驟

（1）菜籽蛋白的提取工藝。菜籽粕去除雜質，研磨過60目篩，用石油醚浸泡2次（1h/次），干燥后放置于4℃冰箱中待用。試驗時，以液料比15∶1將10g菜籽粕分散到蒸餾水中，調節pH為12，在提取溫度50℃條件下浸提1h，浸提期間每間隔15min測一次pH，并用1mol/L的NaOH溶液調節至初始pH，然后用離心機以4 000r/min的轉速離心20min，收集上清液;再利用上述方法進行重復提取固體殘渣。最后將兩次提取的上清液混合，用Folin-酚試劑法（Lowry法）[8]測定上清液中的蛋白含量，用凱氏定氮法測定菜籽粕中蛋白含量，計算菜籽蛋白提取率。計算公式如下：

蛋白提取率（%）=提取液中蛋白含量÷樣品中蛋白含量×100? （1）

（2）超聲處理。將pH值調整后的菜籽粕溶液放入超聲池中，調節超聲參數，進行超聲處理。其中超聲頻率：20kHz、28kHz、35kHz、40kHz、50kHz和60kHz;超聲功率：10W/L、20W/L、30W/L、40W/L和50W/L;超聲時間10min、20min、30min、40min和50min;超聲溫度：35℃、40℃、45℃、50℃和55℃;超聲工作時間3s，超聲間歇時間2s。之后，按照上述菜籽蛋白提取工藝對處理后的菜籽粕溶液展開試驗，并計算菜籽蛋白的提取率。

2 結果與分析

2.1 超聲參數單因素試驗

2.1.1 超聲頻率對菜籽蛋白提取率的影響

如圖1所示，通過超聲處理后，菜籽蛋白的提取率都有所提高。這是因為超聲通過空化效應使菜籽粕的細胞結構遭到破壞從而使蛋白能夠更好地溶出。其中在超聲頻率為28kHz時，菜籽蛋白的提取率最高。這是因為超聲波頻率越高，其空化作用強度越低，從而使超聲的空化效應降低，所以當其他超聲參數不變時，超聲頻率越高，空化效果越低。同時，由于不同的物質對超聲波的敏感程度不同，發生共振的頻率不同，從而造成頻率方面的差異。因此，最終以超聲頻率28kHz進行后續試驗。

2.1.2 超聲時間對菜籽蛋白提取率的影響

如圖2所示，隨著超聲時間的增長，菜籽蛋白的提取率呈現先增加后降低的趨勢，在40min時，菜籽蛋白的提取率最大。這說明在超聲的空化效應作用下，菜籽粕的細胞結構遭到破壞，使蛋白在提取過程中更容易溶出。當作用時間過長，可能使得部分菜籽蛋白產生變性，降低蛋白的溶出效果，從而導致菜籽蛋白的提取率下降。因此，選定最佳超聲時間為40min。

2.1.3 超聲溫度對菜籽蛋白提取率的影響

如圖3所示，超聲溫度升高，菜籽蛋白的提取率呈現先增加后降低的趨勢，在50℃時，提取效果最佳。當溫度升高，有利于菜籽蛋白從菜籽粕細胞結構中溶出，同時提高菜籽蛋白的溶解度，從而使提取率增加。當溫度過高時，容易導致菜籽蛋白變性，使蛋白的溶解性下降從而降低菜籽蛋白的提取率。因此，最終確定最佳超聲溫度為50℃。

2.1.4 超聲強度對菜籽蛋白提取率的影響

超聲強度對菜籽蛋白提取率的影響如圖4所示。隨著超聲強度提高，菜籽蛋白的提取率逐漸增加，這說明隨著超聲強度的增加，菜籽蛋白更容易從菜籽粕中溶出，從而提高了菜籽蛋白的提取率。但是當超聲強度超過30W/L后，增加的速度變的平緩。因此，從試驗結果及能量消耗方面考慮，最終確定最佳的超聲強度為40W/L。

2.2 響應面法優化試驗及結果分析

根據單因素試驗結果，選擇超聲溫度、超聲時間、超聲強度三個因素進行中心組合試驗設計進一步優化工藝參數，以菜籽蛋白的提取率為響應值。響應面法優化試驗的因素水平如表4所示。利用Design Export軟件Box-Behnken設計試驗方案及結果如表5所示。

通過軟件對試驗結果進行擬合，建立回歸模型。其二次回歸方程為：

Y=91.11+0.27×A+0.67×B+0.95×C-0.34×AB-0.35×AC+0.72×BC-2.65×A2-2.24×B2-1.38×C2? （2）

如表6所示，根據分析結果可以看出該模型P值<0.000 1，說明數學模型非常顯著。模型相關系數的置信度為0.990 2，失擬誤差不顯著（P=0.066 8>0.05）說明本模型的擬合程度好，試驗誤差小，可以用于對蛋白提取率的預測。能解釋約99.02%的響應值與試驗數據擬合性良好。B、C、BC、A2、B2、C2是模型的的顯著因素，且單因素的影響大小排序為C>B>A。各交互項影響大小的排序為BC>AC>AB。根據軟件的分析結果得到預測的最佳蛋白提取條件為：超聲時間40.1min，超聲溫度51℃，超聲強度44W/L，在此條件下菜籽蛋白的提取率為91.37%。

2.3 響應面最優條件驗證結果

由于優化出來的最優組合未在17組試驗中出現，所以需要通過試驗來驗證其有效性和穩定性。采取最佳超聲條件進行預處理，然后得到提取率為91.35%，與預測值接近。

3 結論

本文采用了超聲輔助菜籽粕提取菜籽蛋白的工藝參數研究。通過超聲的空化效應加速菜籽蛋白的溶出，從而提高菜籽蛋白的提取率。在對超聲頻率、超聲時間、超聲強度和超聲溫度四個單因素進行試驗的基礎上，以菜籽蛋白提取率為響應值，利用Box-Benhnken設計影響提取率的超聲強度、超聲時間和超聲溫度三個主要因素進行了優化。利用軟件分析得出了回歸模型：Y=91.11+0.27×A+0.67×B+0.95×C-0.34×AB-0.35×AC+0.72×BC-2.65×A2-2.24×B2-1.38×C2。其中超聲強度和超聲溫度及兩者之間的交互作用是模型的顯著因素，并且優化了工藝參數。

參考文獻：

[1]汪蘭，陳冉，杜欣，等.菜籽蛋白氨基酸組成分析及與功能特性的相關性研究[J].中國油脂，2012，37（2）：1-7

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