超聲波/微波協同提取豆渣蛋白質的研究

相玉琳，相玉秀，王立鵬，焦玉榮

（1.榆林學院化學與化工學院，陜西榆林719000；2.齊齊哈爾大學化學與化學工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006）

超聲波/微波協同提取豆渣蛋白質的研究

相玉琳1，相玉秀2，王立鵬1，焦玉榮1

（1.榆林學院化學與化工學院，陜西榆林719000；2.齊齊哈爾大學化學與化學工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006）

為了提高豆渣蛋白質的提取率，對豆渣進行了超聲波/微波協同提取實驗。考察了超聲波功率、超聲波時間、微波功率、微波時間、液固比及pH對蛋白質提取率的影響。在單因素實驗的基礎上，對工藝條件進行了響應曲面實驗優化。結果表明，超聲波/微波協同提取豆渣蛋白質是一種切實可行的辦法，最佳工藝條件是：超聲時間30min、微波時間5min、液固比10.30∶1、pH9.5，微波功率440W，超聲功率400W，在該條件下豆渣蛋白質的提取率可達94.14%，此時實測提取率為93.43%，與預測值高度擬合，所得的蛋白質分子量介于13.427×103～338.96×103u，質地均勻，感官品質好。

蛋白質，超聲波/微波協同提取，豆渣

我國是大豆消費大國，平均每年大豆消費量超過0.55億噸［1］。其中約0.39億噸用于榨油，剩下的多半用于加工傳統豆制品—豆腐、豆乳、豆皮等，而豆渣（多以濕豆渣的形式存在）則是這些豆制品的副產物，目前我國每年約產生0.2億噸的濕豆渣［2］。這些濕豆渣通常只是簡單的用于動物飼料，其中含有的蛋白質、多糖、膳食纖維、異黃酮等營養物質［3-6］并未得到有效的利用，若采用先進的科學技術將這些有益成分提取出來，必將具有較高的經濟效益和環境效益。

超聲波技術因其高效節能、綠色環保、不破壞目標物結構等優點［7-9］，常作為蛋白質及其他天然產物等提取的首選方法［10-11］；而微波技術因其顯著的熱效應、電效應、磁效應及化學效應等特點，經常應用于天然產物提取中。目前有研究將二者聯合作用提取苦瓜皂苷、樺褐孔菌多糖、玉米蛋白粉黃色素等，均取得了較好的效果［12-14］。然而采用超聲波、微波聯合作用提取豆渣蛋白質的研究還未見報道。鑒于此，本研究以豆渣蛋白質的提取率為目標，考察超聲波功率、超聲處理時間、液固比、微波功率、微波處理時間及pH對目標值的影響。并應用響應面法對超聲波/微波協同提取豆渣蛋白質的工藝條件進行優化，主要目的是研究超聲波/微波聯合應用于豆渣蛋白質提取工藝的可行性及優越性，并且研究出最佳的提取工藝條件。為豆渣的資源化利用提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

大豆豆渣采樣于榆林李記老字號豆腐坊；無水硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、無水乙醇、氫氧化鈉均為分析純。

MH250電子調溫電熱套黃驊市渤海電器廠；PHS-25 pH計、FA2204B型電子天平上海精密科學儀器有限公司；TL80-2型醫用離心機姜堰市天力醫療有限公司；DZF-6020A型真空干燥箱北京中興偉業儀器有限公司；KQ5200DE型數控超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司；GX-02型多功能粉碎機上海高翔食品機械廠；80目80吋篩浙江省上虞市大亨橋化驗儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1樣品的準備豆渣樣品選自天津市某豆制品加工廠。干豆渣主要成分含量見表1。

表1　干豆渣主要成分［15］（%）Table 1　Main components in dry soybean dregs［15］（%）

1.2.2工藝流程及方法60℃恒溫烘干，過80目篩，稱取烘干后過篩的豆渣蛋白粉約10g，按預先設定比例加入95%乙醇，于室溫（20±2）℃，在一定功率下進行超聲波處理一定時間，然后放入微波爐中微波提取，反應結束后冷卻至室溫，臺式離心機進行液固分離，得到蛋白質上清液以及殘渣。檢測蛋白質含量，根據式（1）計算豆渣蛋白質提取率。

式中：c0—原豆渣蛋白質含量（%）；c1—濾液中蛋白質含量（%）；m0—原豆渣總質量（g）；m1—濾液質量（g）；Y—蛋白質提取率（%）。

圖1　豆渣蛋白質提取流程Fig.1　Extraction process of soybean dreg protein

1.2.3分析與檢測蛋白質含量采用半微量凱氏定氮法測定（GB/T 5009.5-2003）；蛋白質分子量采用SDS-PAGE（聚酰胺凝膠電泳法）測定。

1.2.4單因素實驗分別考察超聲波功率（200～500W，間隔50W）、超聲處理時間（10～40min，間隔5min）、液固比（6∶1～12∶1）、微波功率（200～680W，間隔80W）、微波處理時間（1～7min，間隔1min）及pH（7～10，間隔0.5）對豆渣蛋白質提取率的影響。

1.2.5Box-Behnken實驗設計在單因素實驗的基礎上，采用Design-Expert軟件設計響應曲面實驗（見表2），選取超聲時間、微波時間、液固比及pH為實驗因素，豆渣蛋白質提取率為響應值。對豆渣蛋白質提取工藝條件進行優化。

表2 因素水平表Table 2　The table of factors and levels

1.2.6數據處理應用SAS 9.2、Origin和Design-Expert軟件進行數據處理。

2　結果與討論

2.1單因素實驗

2.1.1超聲功率的影響圖2顯示固液比10∶1，pH9，微波功率360W，超聲時間20min，微波時間4min時，超聲波功率對豆渣蛋白質提取率的影響。在200～400W內，蛋白質提取率隨超聲波功率增加而增加，當超聲波功率超過400W后，蛋白質提取率有所下降。這主要是由于在較高的超聲波功率下，聲空化作用產生的強烈聲沖流及伴隨產生的化學效應將部分溶出的蛋白質分子降解，致使蛋白質提取率降低。利用SAS 9.2軟件分析，超聲功率對豆渣蛋白質提取率的影響不顯著（p＞0.05）。

圖2　超聲功率對蛋白質提取率的影響Fig.2　Effect of ultrasonic power on protein extraction yield

2.1.2超聲時間的影響當固液比10∶1，pH9，微波功率360W，超聲功率300W，微波時間4min時，超聲波作用時間對豆渣蛋白質提取率的影響見圖3。

在10～30min內，豆渣蛋白質提取率隨著時間的延長不斷的增加，當作用時間為30min時，提取率最高（87.39%），隨后，提取率開始下降。由于豆渣蛋白質的提取率主要取決于兩個過程：首先，豆渣中的蛋白質在溶劑的作用下溶出；其次，在外力的作用下，溶液中的蛋白質分子發生降解，致使提取率下降。兩個過程的抗衡決定著蛋白質的提取率。在初期，溶液中蛋白質量少，聲空化產生的各種效應主要作用于豆渣，使大量蛋白質溶出；隨著時間的延長，豆渣中的蛋白質含量下降，溶液中的蛋白質量增加，這時，聲空化效應對蛋白質降解作用占主導地位，致使蛋白質提取率下降。利用SAS 9.2軟件分析，在10～30min內，超聲波作用時間對豆渣蛋白質提取率的影響顯著（p＜0.05）。

2.1.3微波功率的影響圖4可知，當固液比10∶1，pH9，超聲時間20min，超聲功率300W，微波時間4min時，微波功率對豆渣蛋白質提取率的影響與超聲波功率的較相似。微波功率設定為440W較好。利用SAS 9.2軟件分析，微波功率對豆渣蛋白質提取率的影響不顯著（p＞0.05）。

圖3　超聲波作用時間對蛋白質提取率的影響Fig.3　Effect of ultrasonic process time on protein extraction

圖4　微波功率對蛋白質提取率的影響Fig.4　Effect of microwave power on protein extraction yield

2.1.4微波時間的影響圖5表示固液比10∶1，pH9，微波功率360W，超聲功率300W，超聲時間20min時，微波作用時間對豆渣蛋白質提取率的影響情況。作用時間從1min延長至5min時，隨時間的增加，蛋白質提取率增加，當作用時間大于5min時，提取率開始下降。利用SAS 9.2軟件分析，在1～4min內，微波作用時間對豆渣蛋白質提取率的影響顯著（p＜0.05）。

2.1.5液固比的影響圖6出示超聲時間20min，pH9，微波功率360W，超聲功率300W，微波時間4min時，液固比對提取率的影響。在研究范圍6∶1～12∶1范圍內，萃取液量少時，豆渣蛋白質提取率小，隨著萃取液量的增加，提取率增加，但當液固比超過10∶1（V∶W）后，提取率增加不再顯著，考慮經濟效益，液固比選為10∶1。利用SAS 9.2軟件分析，液固比對豆渣蛋白質提取率的影響顯著（p＜0.05）。

2.1.6pH的影響由圖7可見，當超聲時間20min，固液比10∶1，微波功率360W，超聲功率300W，微波時間4min時，在pH7～9的范圍內，豆渣蛋白質提取率隨pH增加而增加；隨著pH的繼續增加，蛋白質提取率有所下降。利用SAS 9.2軟件分析，在pH7～9的范圍內，pH對豆渣蛋白質提取率的影響顯著（p＜0.05）。

圖5　微波作用時間對蛋白質提取率的影響Fig.5　Effect of microwave process time on protein extraction yield

圖6　液固比對蛋白質提取率的影響Fig.6　Effect of solvent-to-material ratio on protein extraction

圖7　pH對蛋白質提取率的影響Fig.7　Effect of pH on protein extraction yield

2.2響應面實驗

2.2.1實驗結果與分析在單因素實驗的基礎上，固定微波功率440W，超聲波功率400W，應用Box-Behnken實驗設計，選擇pH、固液比、超聲時間和微波時間為實驗可控變量，每個因素取三水平進行響應面分析（見表3）。

采用Design Expert軟件對實驗數據進行回歸擬合，得到豆渣蛋白質提取率（Y）對pH（A）、超聲時間（B）、微波時間（C）和液固比（D）的二次多元回歸方程：

表3　泡沫性能響應面實驗設計及結果Table 3　Experiment design and results for response surface analysis of foaming properties

回歸模型方差分析結果見表4。對豆渣蛋白質提取率，模型p＜0.0001，表明回歸模型極顯著，失擬項p＝0.08＞0.05，不顯著，說明模型是合適的，R2=0.9775，模型擬合度良好，R2Adj=0.9551，表明模型較好地反映pH（A）、超聲時間（B）、微波時間（C）和液固比（D）與豆渣蛋白質提取率（Y）的關系，總變異中有4.04%不能用該模型解釋，可以用該模型來分析和預測豆渣蛋白質提取率。此外，所有一次項、二次項和交互項AB對蛋白質提取率的影響差異極顯著，方程交互項BD差異顯著，剩余項差異不顯著。

表4 回歸模型方差分析Table 4　Variance analysis for the established regression model

2.2.2交互作用分析響應曲面等高線的形狀可確定交互作用的強弱，橢圓形表明兩因素交互作用顯著，而圓形則相反［16］。響應曲面見圖8。由圖8（a）可知，pH和超聲時間的交互作用影響極顯著。豆渣蛋白質提取率隨pH和超聲時間的增大而升高，但隨超聲時間的延長，物系溫度也升高，溫度過高將影響豆渣蛋白質的感官品質，宜選擇超聲時間為30min為優化條件；由圖8b可知，液固比和超聲時間的交互作用影響顯著，豆渣蛋白質提取率隨超聲時間的延長而升高；當液固比低于10.30∶1時，蛋白質提取率隨液固比的增加而增加，當液固比高于10.30∶1時，蛋白質提取率隨液固比的升高出現輕微降低。

2.2.3驗證實驗由于超聲/微波處理時間較長，蛋白質分子部分將會發生降解，因此，超聲時間不超過30min，微波時間不超過5min。應用軟件Design-Expert求解方程，當預測值最大時，四個因素最佳值為：pH 9.5、超聲時間30min、微波時間5min、液固比10.28∶1，預測提取率為94.1464%。由于實驗設備精度所限，液固比10.28∶1較難達到，將其修正為10.30∶1，其他因素不變，得預測提取率為94.1363%，同時進行驗證實驗，結果顯示蛋白質提取率可達93.43%，與預測值接近，驗證了該回歸模型能較好的反應豆渣蛋白質提取的最佳條件。

2.2.4豆渣蛋白質SDS-PAGE分析圖9為應用Gel-Pro analyzer分析所得豆渣蛋白質光密度圖。提取的豆渣蛋白質分子量在13.427×103～338.96×103u之間。蛋白液質地均勻，感官品質較好。

圖9　豆渣蛋白質光密度分析Fig.9　Soybean dreg protein light intensity analysis

3　結論

實驗結果表明超聲波/微波協同提取豆渣蛋白質具有較強的可行性。在豆渣蛋白質的提取過程中，由于在豆制品生產中其中的蛋白質已被應用常規方法提取過，繼續應用常規方法提取收效甚微。超聲波作為一種物理能量形式，可使介質粒子振動，這種振動在亞微觀范圍內引起超聲空化現象，導致固液體系中液體介質質點運動增加、固體（生物體）內部結構變化，強化了微孔擴散；在此基礎上，微波以其顯著地熱效應、電磁效應等，進一步加速生物體的微孔擴散，強化了豆渣蛋白質的溶出速度，使提取率非常顯著。通過響應面實驗得最佳工藝條件：pH9.5、超聲時間30min，微波時間5min，液固比10.30∶1，微波功率440W，超聲功率400W，蛋白質提取率預測值為94.14%。在最佳條件下進行實驗驗證，測得實際蛋白質提取率93.43%，與預測值吻合較好，表明所得回歸方程可靠。經過對產品性狀分析，所得的蛋白質質地均勻，感官品質良好。

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Study on ultrasonic/microwave synergistic extraction of protein from soybean dreg

XIANG Yu-lin1，XIANG Yu-xiu2，WANG Li-peng1，JIAO Yu-rong1
（1.Yulin University of Chemistry and Chemical Engineering，Yulin 719000，China；2.Qiqihar University Institute of Chemistry and Chemical Engineering，Qiqihar 161006，China）

In order to increase extraction yield of soybean dreg protein，the synergistic extraction experiment of soybean dreg by ultrasonic/microwave was executed.The effects of ultrasonic power，ultrasonic time，microwave power，microwave time，solvent-to-material ratio and pH on protein extraction yield were discussed.On the basis of single-factor experiments，the process conditions were optimized using orthogonal test.The results showed that the synergistic extraction by ultrasonic/microwave was a feasible method for the extraction of soybean dreg protein.The best process conditions were as follows：ultrasonic time 30min，microwave time 5min，solvent-to-material ratio 10.30∶1，pH9.5，microwave 440W and ultrasonic 400W.In this process conditions，the extraction yield of dreg protein could reach about 94.14%.And the actual value of the extraction yield was 93.43%and was in good agreement with the predicted value.The obtained protein molecular weight was between 13.427×103～338.96×103u.The protein exhibited homogeneous texture，good sensory quality.

protein；ultrasonic/microwave synergistic extraction；soybean dreg

TS210.1

B

1002-0306（2015）14-0266-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.046

2014－10－13

相玉琳（1982-），女，博士，講師，主要從事三廢資源化利用方面的研究。

陜西省教育廳自然科學專項（2013JK0880）；榆林學院高層次人才科研基金資助項目（12GK04）。