響應(yīng)面法優(yōu)化甘薯莖中可溶性蛋白的超聲輔助提取工藝

高琦，孫怡，程健，劉梓蘅，吳嘉樂，薛友林，*

（1.遼寧大學(xué)輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院，遼寧沈陽110036；2.中共遼寧省委黨校，遼寧沈陽110161）

甘薯是屬旋花科甘薯屬的一年生草本植物，四百多年前由南美洲傳入我國(guó)，并在我國(guó)得到廣泛種植，如今我國(guó)甘薯產(chǎn)量約占世界的80%。甘薯富含多種營(yíng)養(yǎng)成分以及氨基酸、維生素、黏液蛋白等多種功能因子，歐洲人評(píng)價(jià)它是“第二面包”，前蘇聯(lián)的科學(xué)家們說它會(huì)是未來的“宇航食品”[1]。目前我國(guó)實(shí)驗(yàn)室中甘薯葉的利用量較大，而甘薯莖的利用量相對(duì)較少。甘薯在我國(guó)種植及其廣泛，其葉在南方作蔬菜食用，而在收獲季節(jié)時(shí)易變黃萎蔫不能食用，剩下的是大量的莖，甘薯莖富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其中含有大量蛋白質(zhì)，有很大的開發(fā)利用價(jià)值[2-9]，本試驗(yàn)即以甘薯莖為試驗(yàn)對(duì)象，探討甘薯莖蛋白提取的優(yōu)化方法。

可溶性蛋白質(zhì)的提取方法有很多種，其中最常用的方法就是堿提酸沉法，除此之外還有離子交換法和超濾膜法。甘薯葉可溶性蛋白可以用堿提酸沉法，乳酸發(fā)酵酸法[10]，響應(yīng)面法優(yōu)化纖維素酶提取葉蛋白工藝方法[11]，泡沫法分離提取葉蛋白等多種方式[12]，而甘薯莖可溶性蛋白的提取方法尚未開發(fā)出特別的方法，所以與大多數(shù)提取甘薯塊根蛋白采用的方法相同，本試驗(yàn)采用堿提酸沉法提取甘薯莖中的蛋白質(zhì)，該方法操作簡(jiǎn)單、條件易于控制、試驗(yàn)成本低，是目前提取蛋白質(zhì)應(yīng)用最多的方法[13]。堿性環(huán)境能夠使植物細(xì)胞的緊密結(jié)構(gòu)變得疏松，蛋白質(zhì)更容易從細(xì)胞內(nèi)部溶出，同時(shí)，體系中的料液比、pH 值以及溫度也會(huì)引起蛋白質(zhì)提取率的變化。近年來的研究表明，超聲波輔助提取蛋白質(zhì)對(duì)提取率也有一定的影響，因此，本試驗(yàn)先進(jìn)行單因素試驗(yàn)來初步確定堿提酸沉法提取甘薯莖中蛋白質(zhì)的主要參數(shù)，然后利用響應(yīng)面法對(duì)超聲波輔助提取甘薯莖蛋白的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，為日后甘薯莖的開發(fā)利用提供理論依據(jù)[14-17]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯莖：市售。

亞硫酸氫鈉、氫氧化鈉、鹽酸、考馬斯亮藍(lán)G-250、牛血清蛋白（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FB124 電子電子分析天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；722N 可見分光光度計(jì)：上海精密儀器有限公司；TG16G 臺(tái)式高速離心機(jī)：長(zhǎng)沙英泰儀器有限公司；PHS-3CB 型pH 計(jì)：上海越平科學(xué)儀器有限公司；SZ-500A-3 超高速多功能粉碎機(jī)：永康市善竹貿(mào)易有限公司；TH-400 BQ 型數(shù)控超聲波清洗機(jī)：濟(jì)寧天華超聲電子儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 甘薯莖可溶性蛋白提取工藝流程

將新鮮的甘薯莖烘干，進(jìn)行打粉過篩，得到甘薯莖粉，取一定量的甘薯莖粉，加入一定體積的含有0.05%亞硫酸氫鈉的溶液將甘薯莖粉混勻。用1 mol/L 的氫氧化鈉和1 mol/L 的鹽酸調(diào)節(jié)溶液的pH 值達(dá)到一定的值后，將得到的溶液放入離心機(jī)中進(jìn)行離心（6 000 r/min，30 min），然后將離心后得到的上清液的pH 值調(diào)到等電點(diǎn)進(jìn)行酸沉，攪拌3 min～5 min 后，離心（6 000 r/min，30 min），得到的沉淀物加水回溶，并將pH 值調(diào)回到7，再經(jīng)冷凍干燥后即可得到甘薯莖蛋白粉[18-19]。

1.3.2 理化指標(biāo)測(cè)定

1.3.2.1 水分的測(cè)定

采用GB 5009.3-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》，標(biāo)準(zhǔn)第一法即直接干燥法，對(duì)甘薯莖粉的水分進(jìn)行測(cè)定。先把洗凈的錐形瓶放于105 ℃的干燥箱中，烘1 h～2 h 后取出，冷卻至室溫25 ℃后進(jìn)行稱重，并重復(fù)上述操作直至恒重。稱取甘薯莖粉樣品5 g放入錐形瓶中，稱重后用紙巾封口放入烘箱中，在105 ℃下烘2 h，取出錐形瓶冷卻至室溫25 ℃后去掉紙巾進(jìn)行稱重，重復(fù)上述操作至兩次稱重差值不超過0.4 mg 為止。水分含量按以公式計(jì)算：

式中：m1為干燥前錐形瓶與樣品的總重量，g；m2為干燥后錐形瓶與樣品的總質(zhì)量，g；w 為樣品的質(zhì)量，g。

1.3.2.2 國(guó)標(biāo)法測(cè)定甘薯莖總蛋白含量

原料中蛋白質(zhì)含量參照GB 5009.5-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》[20]凱氏定氮的方法進(jìn)行測(cè)定：

式中：V1為消化液消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積，mL；V2為空白試液消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積，mL；V3為消化液的體積，mL；c 為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，mol/L。

1.3.2.3 考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量

考馬斯亮藍(lán)G-250 的配制：稱取考馬斯亮藍(lán)G-250樣品100 mg，將其溶解于50 mL 90%的乙醇中，再加入85%的磷酸100 mL，最后在容量瓶中定容至1 000 mL，獲考馬斯亮藍(lán)G-250 溶液，將制得的溶液用中性濾紙過濾，放在棕色瓶中保存以備用。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：取6 支試管，分別加200 μg/mL牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液 0.0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mL，各管以去離子水補(bǔ)齊至0.5 mL。各管加考馬斯亮藍(lán)G-250 工作液2.5 mL，旋渦混合器混勻，2 min 后于分光光度計(jì)595 nm 處測(cè)吸光值，1 h 內(nèi)測(cè)完。以試管中牛血清白蛋白微克數(shù)為橫坐標(biāo)，吸光值為縱坐標(biāo)，繪制牛血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2.4 可溶性蛋白的提取率

本試驗(yàn)中蛋白質(zhì)提取率以甘薯莖中可溶性蛋白占總蛋白比率為指標(biāo)。甘薯莖中可溶性蛋白提取率用以下公式計(jì)算。

式中：X 為甘薯莖中可溶性蛋白提取率，%；m1為可溶性蛋白質(zhì)量，g；m2為總蛋白的質(zhì)量，g。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

1.3.3.1 料液比對(duì)甘薯莖可溶性蛋白質(zhì)的提取率的影響

在提取液pH 值為10.0，酸沉pH 值為4.5 的條件下，分別設(shè)定料液比為 1 ∶1、1 ∶20、1 ∶30、1 ∶40、1 ∶50、1 ∶60、1 ∶70、1 ∶80（g/mL）進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算甘薯莖蛋白在不同的料液比之下的提取率，進(jìn)而得到最佳的料液比。

1.3.3.2 堿提pH 值對(duì)甘薯莖可溶性蛋白提取率的影響

稱取10 份甘薯莖粉，每份5 g，配制0.05%的亞硫酸氫鈉溶液 1 500 mL，以 1 ∶30（g/mL）的料液比將甘薯莖粉溶解，調(diào)節(jié) pH 值（分別為 7.0、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0）進(jìn)行蛋白質(zhì)的提取，計(jì)算出甘薯莖蛋白在不同的pH 值下的提取率，以得到最佳的堿提pH 值。

1.3.3.3 酸沉pH 值對(duì)甘薯莖可溶性蛋白質(zhì)的提取率的影響

在料液比為 1 ∶40（g/mL），堿提 pH 值為 10.0 的條件下，分別設(shè)定酸沉 pH 值為 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 進(jìn)行蛋白質(zhì)提取，計(jì)算甘薯莖蛋白在不同的酸沉pH 值下的提取率，確定最佳的酸沉pH 值。

1.3.3.4 超聲功率對(duì)甘薯莖可溶性蛋白質(zhì)的提取率的影響

在料液比為 1 ∶40（g/mL），堿提 pH 值為 10.0，酸沉pH 值為4.0，超聲溫度為40 ℃的條件下，設(shè)定不同的超聲功率（分別為 160、240、320、400 W）對(duì)甘薯莖中的蛋白質(zhì)進(jìn)行提取，計(jì)算甘薯莖蛋白在不同的超聲功率下的提取率，確定最佳的超聲功率。

1.3.3.5 超聲時(shí)間對(duì)甘薯莖可溶性蛋白質(zhì)的提取率的影響

在料液比為 1 ∶40（g/mL），堿提 pH 值為 10.0，酸沉pH 值為4.0，超聲功率為240 W，超聲溫度為40 ℃的條件下，設(shè)定不同的超聲時(shí)間（分別為10、20、30 min）對(duì)甘薯莖蛋白進(jìn)行提取，計(jì)算甘薯莖蛋白在不同的超聲時(shí)間下的提取率，確定最佳的超聲時(shí)間。

1.3.3.6 超聲溫度對(duì)甘薯莖可溶性蛋白質(zhì)的提取率的影響

在料液比為 1 ∶40（g/mL），堿提 pH 值為 10.0，酸沉pH 值為4.0 的條件下，分別設(shè)定超聲溫度為20、30、40、50 ℃對(duì)甘薯莖可溶性蛋白進(jìn)行提取，計(jì)算甘薯莖可溶性蛋白不同的超聲溫度下的提取率，最終確定最佳的超聲溫度。

1.3.4 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用Design-Expert8.0.6 軟件，應(yīng)用Box-Behnken設(shè)計(jì)，把甘薯莖可溶性蛋白質(zhì)提取率做為響應(yīng)值，比較各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，并對(duì)主要影響因素進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，從中篩選出甘薯莖可溶性蛋白質(zhì)的最優(yōu)提取條件。根據(jù)Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[21]，對(duì)超聲時(shí)間（A）、超聲溫度（B）、超聲功率（C）3 個(gè)影響因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定響應(yīng)面試驗(yàn)的因素和水平，進(jìn)行回歸擬合建立回歸模型見表1。

表1 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken design

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)每組處理重復(fù)3 次，取平均值作為結(jié)果。采用OriginLab Origin Pro v7.5 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖和分析；Design-Expert8.0.6 軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)和結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 考馬斯亮藍(lán)G-250 標(biāo)準(zhǔn)曲線

測(cè)定6 個(gè)濃度的牛血清蛋白在波長(zhǎng)595 nm 處的吸光值，以每個(gè)濃度的平均吸收值（A595）為縱坐標(biāo)，蛋白質(zhì)溶液濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。由圖1可知得到曲線方程為：Y=0.007 6X-0.003，R2=0.997 9，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，回歸關(guān)系達(dá)到顯著水平。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 料液比對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響

料液比對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響見圖2。

圖1 考馬斯亮藍(lán)G-250 標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of the coomassie brilliant blue G-250 solution

圖2 料液比對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響Fig.2 Effect of solid/liquid ratio on the yield of sweet potato stem proteins

甘薯莖中的可溶性蛋白質(zhì)的提取率隨著料液比的增加而增加，其增速先快后緩慢。在料液比為1 ∶10（g/mL）時(shí)，蛋白質(zhì)的提取率最低，為 33.73%，此后隨著料液比的增加，蛋白質(zhì)提取率也增加，在料液比為 1 ∶40（g/mL）時(shí)，提取率達(dá)到 43.05%，這是由于在料液比較低時(shí)，甘薯莖粉得不到充分的溶解，因此蛋白質(zhì)的溶出速率也較低。隨著提取液的量的增加，稀釋作用變強(qiáng)，提取液的黏度降低，蛋白質(zhì)的濃度也降低，蛋白質(zhì)的溶出量增加，從而使提取率增加[22]。當(dāng)料液比大于1 ∶40（g/mL）時(shí)，溶液的黏度以及蛋白質(zhì)的濃度都很低，隨著溶液的稀釋，蛋白質(zhì)的溶解增加作用不再顯著，因此，蛋白質(zhì)提取率的增加變得緩慢。綜上所述，以及結(jié)合經(jīng)濟(jì)方面因素，選擇 1 ∶40（g/mL）為最佳的料液比。

2.2.2 堿提pH 值對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響

堿提pH 值對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響見圖3。

甘薯莖蛋白隨著抽提pH 值的增加，提取率先升高后降低。在pH 值在7～10 時(shí)，甘薯莖的蛋白質(zhì)提取率隨著pH 值的增加而升高，當(dāng)pH 值為10 時(shí)提取率達(dá)到最大值，為42.15%。這是由于堿液能使細(xì)胞自身的緊密結(jié)構(gòu)變得疏松，破壞蛋白質(zhì)的氫鍵，使蛋白質(zhì)分子表面帶同種電荷，從而提取率升高。當(dāng)pH 值大于10 時(shí)，由于堿性過度引起了脫羧、脫氨和肽鍵的斷裂，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性和過度水解，同時(shí)提取物中的非蛋白質(zhì)物質(zhì)含量增加，蛋白質(zhì)提取率降低[22-25]。因此選取pH10 為最佳的堿提pH。

圖3 堿提pH 對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響Fig.3 Effect of extraction pH on the precipitation of sweet potato stem proteins

2.2.3 酸沉pH 值對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響

酸沉pH 值對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響見圖4。

圖4 pH 對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響Fig.4 Effect of pH on the yield of sweet potato stem proteins

隨著pH 值的增加，甘薯莖蛋白的提取率先升高后降低，在pH 值等于4 時(shí)，蛋白質(zhì)提取率達(dá)到最大，為43.27%，這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)顆粒在等電點(diǎn)時(shí)溶液中不存在同種電荷的相互排斥作用，容易發(fā)生相互碰撞而沉淀，因此最佳酸沉pH 值為4。

2.2.4 超聲功率對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響

超聲功率對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響見圖5。

隨著超聲功率的增加，甘薯莖蛋白的提取率先升高后降低而后又有小幅上升，這可能是由于微波功率過大易造成溫度過高使蛋白質(zhì)分解，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的得率降低[26]。綜上所述，選擇240 W 為最佳超聲功率。

2.2.5 超聲時(shí)間對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響

超聲時(shí)間對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響見圖6。

圖5 超聲功率對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic power on the yield of sweet potato stem proteins

圖6 超聲時(shí)間對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic time on the yield of sweet potato stem proteins

隨著超聲時(shí)間的增加，甘薯莖蛋白的提取率先升高后降低。當(dāng)超聲時(shí)間小于20 min 時(shí)，超聲波空化作用強(qiáng)，使細(xì)胞破碎程度增大，加速了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的溶出，當(dāng)時(shí)間超過20 min 時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)部分蛋白質(zhì)變性，甘薯莖粉顆粒表面對(duì)蛋白的吸附力增強(qiáng)[26-29]，使蛋白質(zhì)溶出量下降。因此選擇20 min 為最佳超聲時(shí)間。

2.2.6 超聲溫度對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響

超聲溫度對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響見圖7。

圖7 超聲溫度對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響Fig.7 Effect of ultrasonic temperature on the yield of sweet potato stem proteins

隨著超聲溫度的升高，蛋白質(zhì)質(zhì)量增加，但是隨溫度升高蛋白質(zhì)純度先升高后降低，推測(cè)多糖等物質(zhì)也因超聲而沉淀析出[26-29]，因此選擇40 ℃時(shí)為最佳。

2.3 超聲協(xié)同堿提酸沉工藝的優(yōu)化

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取合理的因素和水平進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，確定最佳的提取條件。甘薯莖蛋白提取的Box-Benhnken 試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Box-Behnken design with experimental results

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

利用設(shè)計(jì)軟件Design-Expert 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得超聲時(shí)間（A）、超聲溫度（B）、超聲功率（C）的二次回歸方程為：

從表3 中可以看出，模型的P＜0.000 1，模型顯著，失擬項(xiàng)P=0.157 9，失擬項(xiàng)不顯著。由F 值的大小可以看出各因素影響結(jié)果的主次順序?yàn)锽（超聲溫度）＞A（超聲時(shí)間）＞C（超聲功率）。模型的確定系數(shù)為R2=0.984 0，表明模型能夠解釋絕大多數(shù)因變量變化。綜上所述，模型擬合良好，模型成立。

2.3.2 各因素交互作用的響應(yīng)面分析

為了對(duì)超聲時(shí)間（A）、超聲溫度（B）以及超聲功率（C）3 者之間的交互作用進(jìn)行更進(jìn)一步的探究，并確定最優(yōu)點(diǎn)，對(duì)得到的模型使用降維法，得到兩種因素的回歸模型，并通過Design-Expert 8.0 軟件繪制出響應(yīng)面曲線圖，以便進(jìn)行更直觀的分析。圖8a～d 分別顯示了2 組以甘薯莖蛋白提取率為響應(yīng)值的趨勢(shì)圖，從圖中可以直觀地看出兩變量交互作用的顯著程度。

圖8 響應(yīng)面分析圖和相應(yīng)等高圖Fig.8 Response surfaces and contour plots for the interactions

圖8a～d 直觀的反映出了各個(gè)因素之間的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。從圖8a 和圖8b 可知，當(dāng)超聲時(shí)間一定時(shí)，甘薯莖蛋白的提取率隨著超聲溫度的增加先增加后減少，當(dāng)超聲溫度一定時(shí)，隨著超聲時(shí)間的增加，甘薯莖蛋白提取率呈上升趨勢(shì)，從等高線的圖形和疏密程度可知，超聲時(shí)間和超聲溫度的交互作用明顯，超聲溫度對(duì)提取率的影響稍大于超聲時(shí)間。從圖8c 和圖8d 可知，當(dāng)超聲功率一定時(shí)，隨著超聲溫度的增加，甘薯莖蛋白的提取率減少，由等高線的形狀及其疏密程度可知，超聲溫度和超聲功率的交互作用較顯著，超聲溫度對(duì)甘薯莖蛋白的提取率的影響大于超聲功率的影響。

2.3.3 最優(yōu)工藝的確定與驗(yàn)證

通過Design-Expert 8.0.6 軟件分析，得到甘薯莖蛋白最佳提取工藝參數(shù)為超聲溫度30 ℃、超聲時(shí)間25 min，超聲功率280 W，此條件下得到蛋白理論提取率為51.75%，對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行3 次重復(fù)驗(yàn)證，蛋白提取率為48.75%，蛋白質(zhì)純度為46.27%。軟件的預(yù)測(cè)值與驗(yàn)證試驗(yàn)所得的結(jié)果較為接近，偏差較小。該結(jié)果說明利用響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行的優(yōu)化，其結(jié)果較為準(zhǔn)確、可靠，有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

依照單因素試驗(yàn)得出的結(jié)果確定出提取甘薯莖蛋白的最佳提取條件為：堿提pH10，料液比為1 ∶40（g/mL），酸沉 pH4，提取溫度為 40 ℃，超聲功率為240 W，超聲時(shí)間為20 min。然后在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法，選取超聲溫度、超聲時(shí)間和超聲功率作為3 個(gè)影響因素進(jìn)行分析，經(jīng)試驗(yàn)得到各因素對(duì)甘薯莖蛋白提取率的影響大小依次為：超聲溫度＞超聲時(shí)間＞超聲功率，最佳提取工藝為超聲溫度30 ℃，超聲時(shí)間25 min，超聲功率280 W，此條件下甘薯莖蛋白提取率的理論值為51.75%。以得到的最佳條件做3 組試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到甘薯莖蛋白的提取率為48.75%，并測(cè)得所得的蛋白質(zhì)純度為46.27%，預(yù)測(cè)值與實(shí)際試驗(yàn)所得值較為接近，試驗(yàn)結(jié)果比較理想。