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(中國藥科大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京 211198)

響應(yīng)面法優(yōu)化黃芪下腳料蛋白提取工藝

黃浩,秦高一鑫,陳貴堂*,綦國紅,程抒劼,楊志萍

(中國藥科大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京 211198)

為確定黃芪下腳料蛋白的最佳提取工藝,有利于其進一步的活性研究,為其資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù),使其變廢為寶。通過單因素實驗考察了提取溫度、料液比、pH、提取時間和提取次數(shù)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響,并通過響應(yīng)面法優(yōu)化了提取條件。結(jié)果表明,凱氏定氮法測得黃芪下腳料中蛋白含量為10.74%±0.13%,蛋白最佳提取工藝為提取溫度64 ℃、液料比47∶1 (mL·g-1)、pH12.0、提取時間4.3 h,提取2次,在此條件下,提取率的理論最大值為46.96%,實驗驗證值為47.03%±0.78%,采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到黃芪下腳料蛋白提取工藝的參數(shù)準確可靠,該回歸模型具有較好的預(yù)測性能,可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐,為黃芪下腳料蛋白的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的技術(shù)參考。

黃芪下腳料,蛋白,堿提酸沉法,響應(yīng)面法

黃芪為豆科植物蒙古黃芪Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge. Var. monghoicus(Bge.)Hsiao 或膜莢黃芪Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge.的干燥根[1]。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)證明它具有降壓、利尿、強心、抗菌、抗腫瘤等藥理作用[2]。黃芪中含有多達25種氨基酸[3],氨基酸含量為8.05%[4],說明黃芪中蛋白含量較為豐富。此外,黃芪蛋白還具有較強的免疫抑制[5-6]和抗氧化活性[7]。黃芪是大宗藥材,每年炮制黃芪飲片時會產(chǎn)生大量的碎粒和碎末,即黃芪下腳料,因此開發(fā)黃芪下腳料蛋白資源具有重要的研究意義。

蛋白提取的主要方法有堿提酸沉法、酶法提取、物理提取法等。酶法提取的反應(yīng)條件溫和,不會產(chǎn)生有害物質(zhì),能更多地保留蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值,但由于蛋白酶價格昂貴、生產(chǎn)成本高,限制了蛋白酶法的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[8]。常用的物理提取法包括微波、超聲波、反復(fù)凍融和高速剪切等。物理法提取的蛋白質(zhì)不經(jīng)過化學(xué)反應(yīng),保持了蛋白質(zhì)原有的結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)價值,但存在設(shè)備投資較高、提取率較低等缺點[9]。工業(yè)上大多采用堿提酸沉法來制備蛋白,堿提酸沉法制備的蛋白具有較好的起泡性、泡沫穩(wěn)定性、持水性和持油性等功能特性,更適合用于食品加工中[10]。蛋白質(zhì)組分間存在較強的聚結(jié)作用和廣泛的二硫鍵交聯(lián),給提取帶來一定困難,高濃度堿可以水解蛋白組分間的氫鍵、酰胺鍵、二硫鍵,從而釋放更多的蛋白質(zhì)[11-12]。此外,堿提酸沉法還具有提取率高、成本低的優(yōu)點,其缺點主要是提取過程中使用大量的酸堿,給分離純化帶來一定困難。響應(yīng)面法采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,通過對回歸方程分析來尋求最優(yōu)條件,已廣泛用于蛋白提取工藝的優(yōu)化[13-16]。因此本實驗采用堿提酸沉法,利用響應(yīng)面法優(yōu)化黃芪下腳料蛋白的提取工藝,可為黃芪下腳料蛋白的后續(xù)研究奠定一定的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本實驗采用的黃芪下腳料均為同一批次產(chǎn)品,購于安徽亳州,產(chǎn)自甘肅岷縣,是黃芪藥材根部在進行產(chǎn)地初加工時被切藥機制成黃芪飲片后經(jīng)4目篩分出的碎粒和碎末。用超微粉碎機粉碎后經(jīng)300目篩分,制成黃芪下腳料超微粉。

牛血清白蛋白(LR) Roche公司;考馬斯亮藍G-250(AR) 國藥集團化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉(AR) 西隴化工股份有限公司;鹽酸、磷酸(AR) 南京化學(xué)試劑股份有限公司;無水乙醇(AR) 無錫市亞盛化工有限公司。

HH-42數(shù)顯恒溫攪拌循環(huán)水箱 常州國華電器有限公司;PHS-3B型pH計 上海雷磁儀器廠;WFJ-15型超微粉碎機 江陰市百華粉體工程機械有限公司;KDN-08D凱氏定氮儀 上海新嘉電子有限公司;TU-1901雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;LXJ-ⅡB型低速大容量多管離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;JJ-1A數(shù)顯測速電動攪拌器 金壇市白塔新寶儀器廠;ATX224型分析天平 島津(香港)有限公司;FD-1C-50冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 黃芪下腳料蛋白提取的一般工藝 精確稱取一定量黃芪下腳料超微粉,加入一定料液比的蒸餾水,用1 mol·L-1的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH,在一定溫度條件下恒溫攪拌浸提一定時間,其中每隔30 min調(diào)節(jié)一次pH,維持提取液pH穩(wěn)定。4000 r·min-1離心15 min得上清液,用1 mol·L-1的鹽酸調(diào)節(jié)上清液的pH至黃芪下腳料蛋白的等電點,待蛋白質(zhì)以絮狀沉淀到杯底后,放入冰箱中冷藏靜置過夜,使蛋白質(zhì)進一步沉淀。4000 r·min-1離心10 min,收集沉淀,用95%乙醇洗滌沉淀,至離心(4000 r·min-1、10 min)后上清液顏色為無色[17],冷凍干燥,即得黃芪下腳料蛋白成品。

1.2.2 單因素實驗 分別考察料液比、提取溫度、pH、提取時間和提取次數(shù)對蛋白提取率的影響,每組實驗重復(fù)3次,取平均值。

1.2.2.1 液料比對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 在固定提取溫度60 ℃、pH9.0、提取時間3 h的條件下攪拌提取一次,考察不同液料比(20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1 mL·g-1)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響。

1.2.2.2 提取溫度對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 在固定料液比50∶1 (mL·g-1)、pH9.0、提取時間3 h的條件下攪拌提取一次,考察不同提取溫度(30、40、50、60、70、80 ℃)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響。

1.2.2.3 pH對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 在固定提取溫度60 ℃、液料比50∶1 (mL·g-1)、提取時間3 h的條件下攪拌提取一次,考察不同pH(8、9、10、11、12、13)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響。

1.2.2.4 提取時間對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 在固定提取溫度60 ℃、液料比50∶1 (mL·g-1)、pH12的條件下攪拌提取一次,考察不同提取時間(1、2、3、4、5、6 h)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響。

1.2.2.5 提取次數(shù)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 在固定提取溫度60 ℃、液料比50∶1 (mL·g-1)、pH12、提取時間4 h的條件下,考察不同提取次數(shù)(1、2、3次)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響[18]。

1.2.3 響應(yīng)曲面實驗設(shè)計 根據(jù)Box-Behnken原理設(shè)計實驗,結(jié)合上述單因素影響實驗結(jié)果,選取提取溫度、液料比、pH、提取時間4個影響因素,以蛋白提取率為考察指標,在單因素實驗的基礎(chǔ)上,確定響應(yīng)面實驗的因素和水平,見表1,每個因素低、中、高水平分別以-1、0、1進行編碼[19]。

表1 Box-Behnken實驗因素水平表Table 1 Level of experimental factors in Box-Behnken design

1.3 分析方法

1.3.1 黃芪下腳料中蛋白含量測定 參照GB 5009.5-2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》(凱氏定氮法)[20],測定出黃芪下腳料中蛋白質(zhì)的含量為10.74%±0.13%。

1.3.2 標準曲線的制作 標準蛋白溶液:精確稱取一定量牛血清白蛋白,配成120 μg·mL-1?？捡R斯亮藍G-250溶液:精確稱取100mg考馬斯亮藍G-250,溶于50 mL 95%乙醇中,加入100 mL 85%(w·v-1)的磷酸,用蒸餾水定容到1000 mL棕色容量瓶中,貯存在棕色瓶中于4 ℃下避光保存[21]。取6支具塞試管并編號1、2、3、4、5、6,各加入0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 mL牛血清白蛋白標準溶液,2至6號試管用蒸餾水補足至1.0 mL,1號試管加入2 mL蒸餾水。2至6號試管各加入5 mL考馬斯亮藍G-250溶液,1號試管加入10 mL考馬斯亮藍G-250溶液,振蕩搖勻3 min,于595 nm處,以1號試管中的溶液作參比,測定紫外吸光度。以牛血清白蛋白含量(μg·mL-1)為橫坐標,吸光度為縱坐標,繪制標準曲線,得回歸方程y=0.0061x+0.0234,R2=0.9991。

1.3.3 黃芪下腳料蛋白等電點測定 精確稱取10.000 g黃芪下腳料超微粉,按40∶1 (mL·g-1)的料液比加入蒸餾水,調(diào)pH至12.0,在70 ℃的恒溫水浴箱中攪拌提取4 h。離心(4000 r·min-1、15 min),分別取上清液9份各20 mL,用1 mol·L-1的鹽酸調(diào)pH至2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0,靜置1 h,離心(4000 r·min-1、10 min),將上清液定容至50 mL,通過考馬斯亮藍染料比色法于 595 nm波長下測紫外吸光度,根據(jù)標準曲線計算上清液中蛋白質(zhì)的質(zhì)量,利用公式(1)計算黃芪下腳料蛋白的沉淀率,上清液中蛋白沉淀率最大值對應(yīng)的pH即為黃芪下腳料蛋白的等電點。[22]

沉淀率(%)=(酸沉淀前上清液中蛋白質(zhì)的質(zhì)量-酸沉淀后上清液中蛋白質(zhì)的質(zhì)量)/酸沉淀前上清液中蛋白質(zhì)的質(zhì)量×100

式(1)

1.3.4 蛋白提取率的測定 蛋白提取率(%)=提取液中的蛋白質(zhì)量(g)/原料中的蛋白質(zhì)量(g)×100。提取液中的蛋白質(zhì)量通過考馬斯亮藍染料比色法測定[23],原料中的蛋白質(zhì)量采用凱氏定氮法測定[20]。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 每個樣品重復(fù)測定3次,用Microsoft Office Excel 2007數(shù)據(jù)處理軟件求出平均值和標準誤差,數(shù)據(jù)用均值±標準偏差(x±s)表示。利用Designexpert 8.0.5.0軟件進行響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析和SPSS 22.0進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃芪下腳料蛋白等電點測定

由圖1可知,黃芪下腳料蛋白的沉淀率隨著pH的升高而上升,在達到pH3.5后顯著下降。故黃芪下腳料蛋白在pH3.5時沉淀率達到最大值,此時其蛋白溶解度最小,也就是它的等電點。

圖1 黃芪下腳料蛋白等電點測定Fig.1 Isoelectric point of protein from Astragali radix waste

2.2 單因素實驗

2.2.1 料液比對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 圖2結(jié)果表明,提取率隨著料液比的增加而增加,可能是因為料液比較小時,提取體系的黏度過大,不利于物料擴散,導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶出速率小,隨著料液比的增加,黃芪下腳料與提取液接觸面積越大,蛋白不斷溶出。當(dāng)液料比為50∶1 (mL·g-1)時,提取率達到最大,液料比繼續(xù)增加,提取率基本不變。說明在液料比在50∶1 (mL·g-1)時,蛋白已充分溶解出來,故選較優(yōu)液料比為50∶1 (mL·g-1)。

圖2 液料比對黃芪下腳料蛋白提取率的影響Fig.2 Effect of solvent/solid ratio on the extraction rate of protein from Astragali radix waste

2.2.2 提取溫度對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 從圖3可以看出,提取溫度在30～60 ℃之間,黃芪下腳料蛋白提取率隨著提取溫度的升高而升高,當(dāng)提取溫度大于60 ℃后,提取率有略微的下降?？赡茈S著提取溫度升高,溶液的黏度降低,蛋白分子的熱運動開始加強,分子間的相互作用減弱[18],使得蛋白溶解度增加,蛋白提取率提高,溫度60 ℃時提取率達到最高,所以最佳提取溫度為60 ℃。

圖3 提取溫度對黃芪下腳料蛋白提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the extraction rate of protein from Astragali radix waste

2.2.3 pH對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 從圖4結(jié)果可以看出,在pH為8～12的范圍內(nèi),提取率隨著pH的增大而增大,可能是因為在較低的堿性環(huán)境中,黃芪下腳料蛋白和水的結(jié)合能力增加,蛋白的溶解度增加。在pH為12時,提取率達最大,此時蛋白溶解較充分,繼續(xù)升高pH,提取率不再增加,故而選擇較優(yōu)pH為12。

圖4 pH對黃芪下腳料蛋白提取率的影響Fig.4 Effect of pH on the extraction rate of protein from Astragali radix waste

2.2.4 提取時間對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 圖5結(jié)果表明,提取率隨著提取時間的延長而增加,當(dāng)提取時間超過4 h后,提取率增幅變緩,可能是隨著時間的延長,蛋白能夠充分的溶解,提取一定時間后,蛋白的溶解基本達到最大,再延長時間也無法溶解更多蛋白,故而較優(yōu)的提取時間為4 h。

圖5 提取時間對黃芪下腳料蛋白提取率的影響Fig.5 Effect of extraction time on the extraction rate of protein from Astragali radix waste

2.2.5 提取次數(shù)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響 對該實驗結(jié)果進行單因素方差分析,結(jié)果表明,提取1次和提取2次對提取率的影響有顯著性差異,提取2次和提取3次對提取率的影響無顯著性差異。從圖6中可看出,提取2次比提取1次的提取率顯著增加,提取2次之后,繼續(xù)增加提取次數(shù),提取率基本不再增加,故而,較優(yōu)提取次數(shù)為提取2次。

圖6 提取次數(shù)對黃芪下腳料蛋白提取率的影響Fig.6 Effect of extraction times on the extraction rate of protein from Astragali radix waste注：a表示有顯著性差異，b表示無顯著性差異。

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化提取條件

2.3.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果 利用Design-Expert 8.0.5.0軟件對表2數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合,得到蛋白提取率(Y)對溫度(A)、料液比(B)、pH(C)和時間(D)四個因素的二次多項回歸模型為:Y=45.74+2.20A-2.01B+2.76C+1.71D-0.98AB-1.62AC+0.81AD+0.40BC+1.68BD-2.28CD-3.38A2-3.00B2-3.42C2-1.75D2

表2 實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and results

對上述模型進行方差分析,結(jié)果見表3。由表3可知,該模型達到極顯著水平(p<0.01),失擬項不顯著(p>0.05),并且該模型的決定系數(shù)R2=0.9574,校正決定系數(shù)R2=0.9148,說明建立的模型能夠解釋91.48%響應(yīng)值的變化,回歸方程的擬合度很高,可以用此模型來分析和預(yù)測堿法提取黃芪下腳料蛋白的工藝結(jié)果。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

注:**差異極顯著(p<0.01);*差異顯著(p<0.05)。

方差分析結(jié)果還表明,回歸方程的一次項A、B、C、D影響極顯著(p<0.01),交互項AC和BD影響顯著(p<0.05),CD影響極顯著(p<0.01),平方項均達到極顯著水平(p<0.01),由此可見,提取溫度、料液比、pH和提取時間對黃芪下腳料蛋白的提取率都有極顯著的影響。方差分析中各因素的F值可以反映各因素對于實驗指標的影響大小,F越大,影響效果越大[24]。從表3可知,FC(66.23)>FA(41.79)>FB(35.19)>FD(25.29),因此,各因素對黃芪下腳料蛋白提取率的影響依次是pH>提取溫度>料液比>提取時間。

2.3.2 兩因素間的交互效應(yīng)分析 為了進一步考察4個實驗因素的交互作用,利用Design Expert 8.0.5.0 軟件繪制出響應(yīng)面圖來進行分析。響應(yīng)面圖可以直觀地看出兩變量交互作用的顯著程度。如果一個響應(yīng)曲面坡度相對平緩,表示其對響應(yīng)值影響不大,相反,如果一個響應(yīng)曲面坡度比較陡峭,表示其對響應(yīng)值影響較大[25]。圖7中等高線沿pH軸向較提取溫度軸向密集,說明pH對蛋白提取率的影響較提取溫度大,等高線中心點為兩者的最優(yōu)值,表3中,提取溫度與pH交互作用p=0.0154<0.05,并且圖7中響應(yīng)曲面坡度比較陡峭,說明提取溫度與pH對蛋白提取率有顯著影響。圖8中,等高線沿料液比軸向較提取時間軸向密集,說明料液比對蛋白提取率的影響較提取時間大,等高線中心點為兩者的最優(yōu)值,表3中,液料比與提取時間交互作用p=0.0129<0.05,并且圖8中響應(yīng)曲面坡度比較陡峭,說明料液比與提取時間對蛋白提取率有顯著影響。圖9中,等高線沿pH軸向較提取時間軸向密集,說明pH對蛋白提取率的影響較提取時間大,等高線中心點為兩者的最優(yōu)值,表3中,pH與提取時間交互作用p=0.0017<0.01,并且圖9中響應(yīng)曲面坡度陡峭,說明pH與提取時間對蛋白提取率有極顯著影響。

圖7 提取溫度與pH對黃芪下腳料蛋白提取率影響的響應(yīng)面與等高線Fig.7 Response surface and contour plot showing the effect of extraction temperature and pH on the extraction rate of protein from Astragali radix waste

圖8 料液比與提取時間對黃芪下腳料蛋白提取率影響的響應(yīng)面與等高線Fig.8 Response surface and contour plot showing the effect of solvent/solid ratio and extraction time on the extraction rate of protein from Astragali radix waste

圖9 pH與提取時間對黃芪下腳料蛋白提取率影響的響應(yīng)面與等高線Fig.9 Response surface and contour plot showing the effect of pH and extraction time on the extraction rate of protein from Astragali radix waste

2.3.3 最佳條件優(yōu)化及驗證結(jié)果 利用Design Expert 8.0.5.0軟件對實驗?zāi)Ｐ瓦M行分析,得到最佳提取工藝條件為提取溫度63.54 ℃、液料比47.03∶1 (mL·g-1)、pH12.20、提取時間4.29 h,在此條件下提取2次,黃芪下腳料蛋白提取率的最大理論值為46.96%?？紤]實際操作情況,確定黃芪下腳料蛋白的最佳提取工藝為提取溫度64 ℃、料液比47∶1 (mL·g-1)、pH12.0、提取時間4.3 h,提取2次。為了確定建立的模型與實驗結(jié)果是否相符,進行3組平行實驗,實測平均提取率為47.03%±0.78%,表明該回歸模型具有較好的預(yù)測性能,可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。

3 結(jié)論

凱氏定氮法測得黃芪下腳料的蛋白含量為10.74%±0.13%,蛋白質(zhì)含量較為豐富,具有較大的開發(fā)利用前景。優(yōu)化得到黃芪下腳料蛋白的最佳提取工藝條件為:提取溫度64 ℃、料液比為47∶1 (mL·g-1)、pH12.0、提取時間4.3 h,提取2次,提取率的理論最大值為46.96%,實測平均提取率為47.03±0.78%,表明該模型具有較好的預(yù)測性能。本研究系統(tǒng)地研究了黃芪下腳料蛋白的提取工藝,得出的最優(yōu)提取條件可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐,為工業(yè)化生產(chǎn)黃芪下腳料蛋白及其后續(xù)的研究奠定一定的基礎(chǔ),實現(xiàn)黃芪下腳料的廢物再利用。

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OptimizationofproteinextractionfromAstragaliradixwastebyresponsesurfacemethodology

HUANGHao,QINGao-yi-xin,CHENGui-Tang*,QIGuo-hong,CHENGShu-jie,YANGZhi-ping

(College of Engineering,China Pharmaceutical University,Nanjing 211198,China)

In order to further research on its activity and providing scientific basis for its resource development and utilization,we determine the best extraction technology ofAstragaliradixwaste protein,making waste into treasure ofAstragaliradixwaste. The effects of extraction temperature,solvent/solid ratio,pH,extraction time and extraction times on the extraction rate ofAstragaliradixwaste were investigated by single factor test. In addition,the extraction conditions were optimized by response surface methodology. Results showed that the protein content ofAstragaliradixwaste was 10.74%±0.13% by kjeldahl method. The optimal extraction conditions ofAstragaliradixwaste protein were as follows:the extraction temperature was 64 ℃,the solvent/solid ratio was 47∶1 (mL·g-1),pH was 12.0 and extraction time was 4.3 h. Under this condition,the theoretical maximum of extraction rate was 46.96%,and the experimental value was 47.03%±0.78%. The extraction condition ofAstragaliradixwaste protein optimized by response surface methodology was accurate and reliable and the regression model has good predictive performance,which can guide the production practice and provide some technical reference for industrial production ofAstragaliradixwaste protein.

Astragaliradixwaste;protein;alkali extraction and acid precipitation;response surface methodology

2017-05-08

黃浩(1993-), 男，碩士研究生,研究方向：食品與藥物分析，E-mail:huanghao1993@126.com。

*通訊作者:陳貴堂(1977-), 男，博士,副教授，研究方向：營養(yǎng)與功能性食品學(xué)，E-mail:caucgt@163.com。

中國藥科大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費重點項目(2016ZZD001)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)23-0170-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.032