響應(yīng)面法優(yōu)化燕麥麩蛋白的擠壓提取工藝

張佳嬋，李小鵬，2，李赫宇，王昌濤，*

（1.北京工商大學(xué)植物資源研究開發(fā)北京市重點實驗室，北京 100048；2.石河子大學(xué)食品學(xué)院，新疆石河子 832000；3.天津市益倍建生物技術(shù)有限公司，天津 300457）

燕麥蛋白主要由谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和清蛋白組成[1]，氨基酸含量高，且配比合理，被認(rèn)為是谷類的最佳平衡蛋白，營養(yǎng)保健價值很高[2]。燕麥麩皮是燕麥加工的副產(chǎn)物，其中含16%～30%蛋白質(zhì)，是一種良好的蛋白資源[3]。以此為原料提取蛋白質(zhì)，廉價易得，但目前燕麥麩皮僅用作飼料，尚沒有深入開發(fā)。

目前，對燕麥蛋白提取方法的研究主要有堿法[4]、酶法[5]、超聲法[6]及復(fù)合法[7]等方法，但應(yīng)用擠壓法對燕麥麩蛋白的提取工藝研究尚未見報道。

擠壓技術(shù)指經(jīng)預(yù)處理的原料通過喂料機借螺桿推動作用連續(xù)均勻進(jìn)入擠壓機，經(jīng)強烈的擠壓、剪切及高溫處理，通過一個專門設(shè)計的孔口而擠出的方法。擠壓機在結(jié)構(gòu)上由4個部分組成即擠壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、加熱（冷卻）系統(tǒng)和模頭系統(tǒng)[8]。擠壓過程是一個高溫、高壓的過程，利用擠壓技術(shù)的熱、壓效應(yīng)，強化出料汽、汁、廢料的排料分流，控制腔體內(nèi)的溫度和壓力參數(shù)，對物料擠壓調(diào)質(zhì)，可以在短時間內(nèi)高效提取物料中不同理化性質(zhì)的天然產(chǎn)物[9]。響應(yīng)面法（Response Surface Methodology，RSM）可以采用二次回歸方程擬合多個因素與多個響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過回歸方程分析尋求最佳工藝參數(shù)[10－12]。本實驗首次將擠壓法引入到對燕麥麩皮蛋白的提取研究中，并采用響應(yīng)面分析法對提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，對燕麥麩蛋白的快速、高效提取進(jìn)行了積極的理論探索。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥麩皮：張家口面粉廠。

考馬斯亮藍(lán)G－250：北京迪朗生化科技有限公司；檸檬酸：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；磷酸、95%乙醇、鹽酸、氫氧化鈉均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備SJSZ－35

錐型雙螺桿擠壓機：張家港市萬塑機械有限公司；DSHZ－300數(shù)顯恒溫水浴鍋：國華電器有限公司；T6紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；3－18K離心機：Sigma公司。

1.3 方法

1.3.1 燕麥麩皮的擠壓工藝

烘干的燕麥麩皮→過20目～60目的篩→調(diào)整水分含量和檸檬酸含量→一定溫度和轉(zhuǎn)速下擠壓→擠壓燕麥麩皮

1.3.2 燕麥蛋白提取工藝[13－14]

擠壓燕麥麩皮烘干粉碎，以料液比1∶16、溫度50℃、pH 9.6于恒溫振蕩水浴鍋120 r/min提取60 min，浸提液4 000 r/min離心25 min，得蛋白提取上清液。

1.3.3 蛋白含量的測定

采用考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白含量[15]。準(zhǔn)確量取1 mL蛋白上清液，加入0.1 mg/mL的考馬斯亮藍(lán)液5 mL，常溫反應(yīng)5 min，于595 nm處測定吸光值。由回歸方程y=7.530 7x+0.048 3，R2=0.995 1（式中y為吸光度值，x為蛋白濃度mg/mL）計算得到蛋白含量。

1.3.4 影響擠壓法提取燕麥麩皮蛋白的單因素試驗

對擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料水分含量、檸檬酸含量進(jìn)行單因素研究，分別考察這4個因素對燕麥麩皮蛋白提取率的影響。

1.3.5 響應(yīng)面法試驗優(yōu)化設(shè)計[16－18]

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)用SAS8.0軟件，根據(jù)Box－Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，選擇擠壓溫度X1、水分含量X2、螺桿轉(zhuǎn)速X3和檸檬酸含量X44個因素為自變量，按方程 xi=（Xi－X0）/ΔX 對自變量進(jìn)行編碼。其中，xi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實值，X0為試驗中心點處自變量的真實值，為ΔX自變量的變化步長，蛋白質(zhì)提取率（y）為響應(yīng)值，設(shè)計四因素五水平的響應(yīng)面分析設(shè)計。試驗因素水平及編碼見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平及編碼Table 1 Independent variables and levels in Box-Behnken CCD

1.4 蛋白提取率計算

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥麩蛋白提取工藝單因素試驗

2.1.1 擠壓溫度對蛋白提取率的影響

在物料水分含量50%、螺桿轉(zhuǎn)速10 r/min、檸檬酸含量1.2%的條件下，擠壓溫度對蛋白提取率的影響如圖1所示。

結(jié)果表明，溫度小于140℃時，蛋白提取率隨溫度的增加變化不明顯，溫度達(dá)到170℃時，蛋白提取率達(dá)到最大。

2.1.2 物料水分含量對蛋白提取率的影響

在擠壓溫度170℃、螺桿轉(zhuǎn)速10 r/min、檸檬酸含量1.2%的條件下，物料水分含量對蛋白提取率的影響見圖2。

結(jié)果表明，水分含量從40%到50%時，蛋白提取率增加顯著，之后隨著水分含量的增加蛋白提取率下降，并且在水分含量70%時出現(xiàn)給機器喂料困難，故確定水分含量50%為最佳物料水分含量。

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對蛋白提取率的影響

在擠壓溫度170℃、物料水分含量50%、檸檬酸含量1.2%的條件下，螺桿轉(zhuǎn)速對蛋白提取率的影響見圖3。

由圖3可知，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為9 r/min時，蛋白提取率最高為15.94 mg/g。之后隨著轉(zhuǎn)速的提高蛋白提取率逐漸降低，且在18 r/min時出現(xiàn)輕微噴料現(xiàn)象。

2.1.4 檸檬酸含量對蛋白提取率的影響

在擠壓溫度170℃、物料水分含量50%、螺桿轉(zhuǎn)速9 r/min的條件下，檸檬酸含量對蛋白提取率的影響如圖4所示。

結(jié)果表明，隨著檸檬酸含量的增加蛋白提取率略有提高，在1.4%時達(dá)到最大值9.78 mg/g，之后蛋白提取率下降。

2.2 擠壓法提取燕麥麩皮蛋白的響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

擠壓法提取燕麥蛋白的結(jié)果見表2。

表2 擠壓法提取燕麥麩蛋白的響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Center composite design arrangement and experimental resuits

采用SAS8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到試驗因素對響應(yīng)值的回歸方程為：

2.3 回歸模型的方差分析

為了說明各因素對擠壓法提取蛋白的影響程度大小和回歸模型的有效性，對回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3和表4。

表3 二次回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

由表3可知，4個因素對擠壓法提取燕麥麩蛋白的影響都極其顯著（P＜0.01），F(xiàn)值的大小反應(yīng)了該因素對響應(yīng)值的影響程度大小，所以影響擠壓法提取蛋白率的因素由大到小依次為：水分含量X3＞檸檬酸含量 X4＞擠壓溫度 X1＞螺桿轉(zhuǎn)速 X2。

表4 響應(yīng)值的方差分析Table 4 Variance analysis of response value

由表4可知，4個因素的一次項、二次項極其顯著（P＜0.01），交互項顯著（P＜0.05），說明各個因素和各因素之間的交互作用對提取率都有顯著的影響?？偦貧w模型的均方值為0.935 9，這表明有93.59%數(shù)據(jù)都可以通過回歸方程來解釋，該回歸方程模型達(dá)到極其顯著。

2.4 擠壓法提取蛋白的條件優(yōu)化

采用SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到擠壓法提取燕麥麩蛋白的最優(yōu)因素編碼為：X1在0.967 19水平、X2在-0.823 53 水平、X3在 0.613 271 水平、X4在-0.184 295水平，其相對應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)為：擠壓溫度199.01℃、螺桿轉(zhuǎn)速7.06 r/min、水分含量59.19%、檸檬酸含量1.289%。此最優(yōu)條件下蛋白的提取率預(yù)測值為13.51mg/g。為便于操作，確定擠壓溫度為199℃、螺桿轉(zhuǎn)速為7 r/min、水分含量為59%、檸檬酸含量為1.3%，在此條件下進(jìn)行驗證試驗，得到的蛋白提取率為13.69 mg/g，與預(yù)測值基本一致，說明回歸方程與試驗數(shù)據(jù)擬合性好，響應(yīng)面優(yōu)化擠壓法提取燕麥蛋白工藝可行。

3 結(jié)論

1）采用響應(yīng)面法對擠壓提取燕麥蛋白工藝的擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量、檸檬酸含量4個主要因素進(jìn)行方差分析。結(jié)果表明：X1、X2、X3、X4、X32、X42、X3X4對蛋白提取率的影響極其顯著，其它變異項影響不顯著，說明試驗因素與響應(yīng)值不是簡單的線性關(guān)系。

2）利用SAS統(tǒng)計軟件分析得到擠壓法提取燕麥蛋白的工藝參數(shù)為：擠壓溫度199℃、螺桿轉(zhuǎn)速7 r/min、水分含量59%、檸檬酸含量1.3%?；貧w模型預(yù)測的蛋白提取率為13.51 mg/g，在此最優(yōu)條件下，通過驗證實驗得到的蛋白提取率為13.69 mg/g，與模型預(yù)測值基本一致，說明此模型可靠，可用于生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)。

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