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      響應(yīng)面優(yōu)化超聲波-微波協(xié)同提取高粱醇溶蛋白工藝

      2014-02-13 01:25:56劉振春耿存花孫慧娟
      食品科學(xué) 2014年4期
      關(guān)鍵詞:液料高粱微波

      劉振春,耿存花,孫慧娟,韓 宇

      (吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品與科學(xué)工程學(xué)院,吉林 長春 130118)

      高粱(Sorghum bicolor(L.) Moench)是世界主要的糧食作物之一,我國的高粱產(chǎn)量世界排名第二[1]。它營養(yǎng)豐富,是我國的傳統(tǒng)食物。據(jù)國外研究報道,高粱會給人們帶來新的健康理念,由于生長在干旱氣候條件下,其含有較多的二十烷醇的多酚復(fù)合物和高抗氧化水平的高粱蠟,對健康有獨(dú)特的益處,尤其對保護(hù)心血管的健康至關(guān)重要。高粱還含有較多的原花青素[2],它是一類由黃酮類物質(zhì)衍生的多酚物質(zhì)[3],而谷物里面的多酚物質(zhì)一直被人們認(rèn)為是營養(yǎng)的限制性因子[4]。因此高粱這種古老的作物作為21世紀(jì)的主要谷物作物引發(fā)了人們新的興趣[5]。高粱種子約含有6%~18%的蛋白質(zhì)[6],其中醇溶蛋白是高粱蛋白的主要貯存形式[7],約占高粱總蛋白質(zhì)的70%~90%[8]。根據(jù)分子質(zhì)量、氨基酸序列及免疫學(xué)的不同又把醇溶蛋白分為3種:α-、β-、γ-醇溶蛋白[9]。醇溶蛋白具有獨(dú)特的耐熱性、成膜性以及抗氧化性,有防潮、阻氣、保鮮、抑菌等作用[10],是比較理想的天然保鮮劑[11-12]。迄今為止,在醇溶蛋白膜研究和開發(fā)[13-14]上已投入了大量資源。但它在食品行業(yè)中的應(yīng)用仍相當(dāng)有限,因此具有廣闊的開發(fā)前景[15]。

      醇溶蛋白的提取主要用乙醇、叔丁醇、異丙醇等有機(jī)溶劑提取法[16-17]。也有研究用超臨界CO2萃取技術(shù)[18]先去除原料中的脂質(zhì)、色素等雜質(zhì)。有研究者[19]用86%的異丙醇作為溶劑提取醇溶蛋白,該方法產(chǎn)率高,但是產(chǎn)品有異味,不利于應(yīng)用于食品加工中[20],本實(shí)驗(yàn)利用乙醇溶液作為提取劑。除此以外,使用超聲波或者微波輔助溶劑提取可有效提高醇溶蛋白的得率[21-22]。由于提取醇溶蛋白需要消耗大量的提取劑,生產(chǎn)成本較高,急需優(yōu)化高粱醇溶蛋白的提取工藝,提高其得率,降低生產(chǎn)成本。本研究采用超聲波-微波協(xié)同技術(shù)提取高粱醇溶蛋白,旨在減少溶劑用量,提高生產(chǎn)效率,為高粱的綜合利用和開發(fā)提供理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 材料與試劑

      高粱 長春市售。

      無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、DTT(均為分析純)北京化工廠。

      1.2 儀器與設(shè)備

      FDV超微粉粹機(jī) 日本佑崎有限公司;微型植物試樣粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司;微波爐 美的公司;JY99-2D超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;KDN-消化爐、KDN-08定氮儀 北京通潤源機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司;LXJ-ⅡB離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠。

      1.3 方法

      1.3.1 提取工藝流程

      高粱→粉碎過篩→無水乙醇脫色→離心分離→收集濾餅→75%乙醇→調(diào)pH 10.0→超聲波處理→微波處理→離心(4 000 r/min,5 min)→取上清液→冷水稀釋乙醇體積分?jǐn)?shù)至40%→調(diào)pH 6.0→靜置24 h→洗滌沉淀→熱風(fēng)干燥→粉碎→高粱醇溶蛋白

      1.3.2 蛋白質(zhì)測定

      采用GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》凱氏定氮法,蛋白質(zhì)系數(shù)為6.25。

      1.3.3 高粱醇溶蛋白的鑒定和得率的計算

      用紫外分光光度計測成品與高粱醇溶蛋白標(biāo)準(zhǔn)品的紫外吸收圖譜,最大吸收波長為278 nm,并與標(biāo)準(zhǔn)比較,判斷提取物是否為醇溶蛋白[23]。

      1.3.4 單因素試 驗(yàn)

      稱取5.0 g粉碎所得到的高粱粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別研究不同的超聲功率、超聲處理時間、液料比、微波功率、微波處理時間對高粱醇溶蛋白得率的影響。提取的基本條件是:pH 10.0二硫蘇糖醇用量1%[24]、75%的乙醇溶液作為提取劑、液料比9∶1(mL/g)、超聲功率480 W、超聲溫度控制在50℃以內(nèi)、超聲處理時間25 min、微波功率450 W、微波處理次數(shù)5次(每次45 s,2次處理間隔時間需樣液冷卻為止)。各因素水平為:超聲功率300、360、420、480、540 W;超聲時間15、20、25、30、35 min;液料比8∶1、9∶1、10∶1、11∶1、12∶1(mL/g);微波功率270、360、450、540、630 W;微波處理時間45、135、225、315、405 s。

      1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)方案

      采用響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,選用Box-Behnken模型對影響超聲-微波協(xié)同技術(shù)提取高粱醇溶蛋白得率的因素進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計,以高粱醇溶蛋白得率為響應(yīng)值進(jìn)行優(yōu)化。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 單因素試驗(yàn)

      2.1.1 超聲功率對高粱醇溶蛋白得率的影響

      由圖1可見,超聲功率對高粱醇溶蛋白得率影響較小,醇溶蛋白得率隨超聲功率的增加而增加,但是當(dāng)功率超過420 W后,醇溶蛋白得率略有下降,所以選擇超聲功率420 W提取高粱醇溶蛋白。根據(jù)SAS 8.2數(shù)據(jù)分析軟件處理知,P>0.05,說明超聲功率對高粱醇溶蛋白得率影響不顯著。

      2.1.2 超聲時間對高粱醇溶蛋白得率的影響。

      圖2 超聲時間對高粱醇溶蛋白得率的影響Fig.2 Effect of extraction time on kafirin yield

      由圖2可知,超聲時間對醇溶蛋白得率產(chǎn)生了比較明顯的影響,隨著時間的延長,高粱醇溶蛋白的得率不斷增加,當(dāng)超聲時間為25 min時,得率最高,超過25 min后,得率下降,故選用超聲時間為25 min。由SAS 8.2數(shù)據(jù)分析軟件分析,P<0.05,說明超聲時間對高粱醇溶蛋白得率影響高度顯著。

      2.1.3 液料比對高粱醇溶蛋白得率的影響

      由圖3可知,在試驗(yàn)選取的液料比范圍內(nèi),提取液用量少時得率較小,隨著提取液用量的增加,得率呈逐漸上升的趨勢,但當(dāng)液料比到10∶1(mL/g)后,得率增勢平緩,從節(jié)約成本的角度考慮,選擇液料比為10∶1(mL/g),這與Watterson等[25]結(jié)果相同。根據(jù)SAS 8.2軟件分析,P<0.05,液料比對高粱醇溶蛋白得率有顯著性的影響。

      圖3 液料比對高粱醇溶蛋白得率的影響Fig.3 Effect of solvent-to-material ratio on kafirin yield

      2.1.4 微波功率對高粱醇溶蛋白得率的影響

      圖4 微波功率對高粱醇溶蛋白得率的影響Fig.4 Effect of microwave power on kafirin yield

      由圖4可知,當(dāng)微波功率為450 W時,得率最大,超過450 W,可能由于強(qiáng)烈的熱效應(yīng)使有效成分遭到破壞,導(dǎo)致得率降低,因此,選取微波功率為450 W。根據(jù)SAS 8.2數(shù)據(jù)分析軟件處理知,P>0.05,說明微波功率對高粱醇溶蛋白得率影響不顯著。

      2.1.5 微波處理時間對高粱醇溶蛋白得率的影響

      圖5 微波處理時間對高粱醇溶蛋白得率的影響Fig.5 Effect of microwave treatment time on kafirin yield

      由圖5可以看出,在微波處理時間為45~225 s范圍內(nèi)時,由于細(xì)胞壁破裂程度不斷增加,225 s時,細(xì)胞破裂程度達(dá)到最大,從而使高粱醇溶蛋白得率緩慢上升,在225 s以后,高粱細(xì)胞壁基本破壁完全,同時由于持續(xù)的加熱破壞了高粱醇溶蛋白成分,而使得率下降,所以選微波時間為225 s(即微波處理5次,每次45 s)。由SAS 8.2數(shù)據(jù)分析軟件分析,P<0.01,說明微波時間對高粱醇溶蛋白得率影響高度顯著。

      2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

      2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

      綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,選超聲時間、液料比、微波時間3個因素,在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用三因素三水平利用Design-Expert 7.0軟件按照Box-Behnken原理進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計,根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計確定的試驗(yàn)方案對高粱醇溶蛋白提取進(jìn)行優(yōu)化,試驗(yàn)方案及結(jié)果見表1。

      表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 1 Scheme and results of Box-Behnken design

      2.2.2 回歸方程的建立與檢驗(yàn)

      根據(jù)表1,利用Design Expert 7.0.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,由此得到超聲波-微波協(xié)同輔助提取高粱醇溶蛋白得率對超聲時間、液料比、微波時間的二次多項(xiàng)回歸方程為:Y=6.72+0.20A+0.26B+0.36C-0.075AB-0.088AC+0.097BC-0.73A2-1.04B2-0.50C2。

      通過方差分析從表2可以看出,該模型P<0.001,表明回二次歸方程模型極顯著,模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.996 8,校正決定系數(shù)R2Adj=0.992 7,表明模型實(shí)際值與預(yù)測值擬合較好,失擬項(xiàng)P=0.752 6>0.05,失擬不顯著,試驗(yàn)誤差較小,因此可用該模型對醇溶蛋白提取試驗(yàn)進(jìn)行分析和預(yù)測。

      表2 回歸模型各項(xiàng)方差分析Table 2 Analysis of variance for the fitted quadratic polynomial regression mooddeell

      由表2可知,各因素對高粱醇溶蛋白得率的影響都極顯著,表明超聲時間、液料比和微波時間對高粱醇溶蛋白得率影響都很大,交互項(xiàng)中除AB之間不顯著,其余均顯著,即超聲時間與微波時間,液料比與微波時間都存在交互作用,因此表明各因素對高粱醇溶蛋白得率的影響不是簡單的線性關(guān)系。

      2.2.3 雙因素交互作用分析

      圖6 各兩因素交互作用對高粱醇溶蛋白得率影響的響應(yīng)面分析Fig.6 Response surface plots showing the interactive effects of three extraction parameters on kafirin yield

      由圖6a可以看出,當(dāng)微波時間固定在225 s時,超聲時間和液料比的交互作用不顯著,在所選范圍內(nèi)無極值;從圖6b可以看出當(dāng)液料比固定在10∶1(mL/g)時,研究超聲時間和微波時間對高粱醇溶蛋白得率的交互影響,由圖6b看出,高粱醇溶蛋白得率隨著超聲時間和微波時間的延長而提高,當(dāng)超聲時間在26 min左右,微波時間在240 s左右時得率最高,超聲時間與微波時間對高粱醇溶蛋白得率影響顯著,兩者對醇溶蛋白得率的提高起到了一定的作用。圖6c顯示,當(dāng)超聲時間為25 min時,高粱醇溶蛋白得率受液料比和微波時間交互作用影響較大,微波時間短,液料比低,高粱醇溶蛋白得率小,但微波時間過長、液料比過大則會導(dǎo)致高粱醇溶蛋白得率下降。

      2.2.4 優(yōu)化提取工藝參數(shù)的驗(yàn)證

      采用Design Expert軟件,分析得到的最佳工藝條件是:超聲時間25.55 min、液料比10.14∶1(mL/g)、微波時間257.30 s,在此條件下高粱醇溶蛋白得率為6.81%??紤]到實(shí)際操作的便利,確定提取高粱醇溶蛋白的工藝條件為超聲時間為26 min、液料比為10∶1(mL/g)、微波時間260 s,經(jīng)過3次平行實(shí)驗(yàn),高粱醇溶蛋白的得率為6.79%,與理論值相差不大。

      3 結(jié) 論

      本研究運(yùn)用響應(yīng)面法對超聲波-微波協(xié)同輔助高粱醇溶蛋白提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,通過Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計建立數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行響應(yīng)面分析,結(jié)果表明超聲時間、液料比、微波時間對高粱醇溶蛋白得率影響均顯著,超聲時間和微波時間、微波時間和液料比之間的交互作用顯著,但超聲時間和液料比的交互作用不顯著。超聲-微波協(xié)同輔助高粱醇溶蛋白提取工業(yè)條件為超聲時間26 min、液料比10∶1(mL/g)、微波時間260 s,在此工藝條件下驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),高粱醇溶蛋白得率為6.79%。利用響應(yīng)面分析方法對超聲波-微波協(xié)同輔助提取高粱醇溶蛋白提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,可以獲得最佳的工藝參數(shù),從而為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供依據(jù)。

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