響應面優化酶法提取金針菇根部蛋白的工藝研究

張樂，周林燕，宋洪波，李鵬，李亞茹，曹珍珍，魏明，李淑榮，*

（1.中國農業科學院農產品加工研究所農業部農產品加工綜合性重點實驗室，北京100193；2.福建農林大學食品科學學院，福建福州350002）

響應面優化酶法提取金針菇根部蛋白的工藝研究

張樂1，2，周林燕1，宋洪波2，李鵬2，李亞茹1，曹珍珍1，魏明1，2，李淑榮1，*

（1.中國農業科學院農產品加工研究所農業部農產品加工綜合性重點實驗室，北京100193；2.福建農林大學食品科學學院，福建福州350002）

以廢棄的金針菇菌根為原料，采用復合酶法提取蛋白。在單因素試驗的基礎上，選擇加酶量、pH、提取溫度、時間為自變量，以蛋白提取率為響應值，利用Box-Behnken試驗設計方案和響應面分析法，建立總蛋白提取率的二次回歸模型，確定了影響提取率的因素依次為溫度＞時間＞酶加量＞pH；最佳提取工藝條件為：酶加量1.03%、pH 6.49、溫度43.92℃、時間33.03 min，在此條件下蛋白提取率預測值為64.16%，驗證試驗中蛋白的得率為63.86%，預測值和實際值沒有顯著差別。

金針菇；蛋白；酶法提取；響應面法

金針菇（Flammulina velutipes），擔子菌目金錢菌 屬，又名冬菇、樸菇、枸菇等，因其金黃細嫩的柄如金針而得名［1］。金針菇營養豐富，其中的多糖、火菇素、倍半萜、免疫調節蛋白、核糖體失活蛋白等活性成分具有很高的藥用價值，是珍貴的食用菌之一［2-3］。

隨著人們對金針菇營養價值的認識，金針菇的消費量越來越高。產生的大量金針菇菌柄基部（俗稱金針菇根）因其雜質、纖維素等成分較多，口感較差，售前或食用前被切下來直接被當作垃圾扔掉。這些下腳料中仍然含有大量的蛋白質、纖維素等營養成分和活性成分，這就造成極大浪費［4］。

目前，國內外學者對金針菇功能成分提取的研究主要集中在子實體和菌絲體上［5-7］，金針菇菌柄基部中含有大量的蛋白質，活性蛋白具有抗氧化、抗疲勞、提高記憶力、減緩細胞衰老、延年益壽等功效，但利用金針菇菌柄基部為原料提取蛋白的研究還鮮有報道。關于植物蛋白提取方法主要有堿法和酶法。堿法雖然操作簡單、生產成本低，但在提取率、衛生安全、營養特性等方面存在缺陷；酶法是利用酶對細胞壁或蛋白的降解，促使蛋白溶出，具有條件溫和、提取率高，能更多保留蛋白質營養價值，是一種高效、環保的植物蛋白提取技術。國內外已有利用酶法提取大豆、花生、大米等植物物蛋白的研究報道［8-9］。

本文以金針菇菌根為研究對象，研究影響金針菇根部蛋白浸提率的因素，并利用響應面分析法進行提取工藝優化，獲得最佳工藝參數。通過本研究能有效提高金針菇副產物和下腳料的價值，有效保護環境，減少污染，增加農戶和生產企業的收入。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金針菇購于北京市天秀路菜市場，取菌根部分50℃電熱鼓風干燥至恒重，萬能粉碎機粉碎，過100目篩貯于干燥器備用。NaCl、NaOH、鹽酸等購于國藥化學試劑有限公司，分析純；牛血清蛋白、考馬斯亮藍G-250購于美國Sigma公司；Cellulase1.5L纖維素酶（酶活9 973.6 U/g）、Protamex復合蛋白酶（酶活22 191.4 U/g）、Alcalase 2.4 L堿性蛋白酶（酶活25 228.8 U/g）、Neutrase0.8L中性蛋白酶（酶活21 148.7 U/g），購于丹麥諾維信公司。

1.2 儀器與設備

DHP-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；SL-100型高速多功能粉碎機：浙江省永康市松青五金廠；pB-10 sartorius普及型pH計：美國賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；GL-20G-Ⅱ型高速冷凍離心機：上海安亭科學儀器廠；全自動凱氏定氮儀：丹麥FOSS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責任公司。

1.3 方法

1.3.1 金針菇菌根蛋白的提取

稱取已制備好的金針菇菌根粉末，按料液比1∶ 15（g/mL）加入蒸餾水搖勻，調pH為酶的適宜pH，加酶，一定溫度下浸提一定時間后，80℃滅酶10 min，之后將料液轉入離心管，8 000 r/min離心20 min，取上清液，測蛋白含量。

1.3.2 牛血清白蛋白標準曲線的繪制

準確稱取10 mg牛血清白蛋白，溶于蒸餾水并定容至100 mL，配制成100μg/mL的牛血清白蛋白標準溶液，分別取出0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于6支具塞試管，分別加水補足到1 mL，然后各加入5 mL考馬斯亮藍G-250蛋白試劑蓋上塞子，搖勻，室溫靜置2 min后在595 nm波長下比色測定。以牛血清白蛋白含量（μg）為橫坐標，以吸光度為縱坐標，繪出標準曲線，得回歸方程Y=0.006 4X+0.005 6，相關系數R2=0.999 1。

1.3.3 蛋白提取率測定

蛋白提取率（%）=（上清液中蛋白質量/菌根粉中總蛋白質量）×100%；菌根粉總蛋白測定采用凱氏定氮法（GB/T 15673-2009《GBT 15673-2009食用菌中粗蛋白含量的測定》）；提取液蛋白的測定采用考馬斯亮藍G-250法［10-11］。水分含量測定采用直接干燥法（GB5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》）；纖維素酶活力測定采用3、5—二硝基水楊酸法；蛋白酶活力測定采用福林法（GB/T23527-2009《蛋白酶制劑》）。

1.3.4 單因素試驗

在其它條件一致時，改變一個因素，分別研究不同酶制劑：堿性蛋白酶、中性蛋白酶、復合蛋白酶、纖維素酶；酶用量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%；pH 5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5；酶反應時間 15、30、45、60、75、90 min；酶反應溫度35、40、45、50、55、60℃對蛋白提取率的影響。

1.3.5 響應面試驗設計

在單因素試驗基礎上，確定酶制劑為復合蛋白酶，以酶加量、提取溫度、時間、pH為自變量，蛋白提取率為響應值（y），采用Box-Behnken中心組合試驗和響應面分析法［12］，建立金針菇根蛋白提取率的二次多項式數學模型。自變量因素及編碼水平見表1。

表1 試驗因素水平及編碼Table 1 Variables and experimental design levels for response surface

1.3.6 數據分析

采用Origin 8.0軟件進行數據處理和繪圖；通過Design-Expert.8.05b軟件進行響應曲面模型建立和分析。

2 結果與分析

2.1 酶制劑篩選

本試驗選用堿性蛋白酶、中性蛋白酶、復合蛋白酶、纖維素酶四種常見酶，在各自適宜的pH、溫度等作用條件下對金針菇菌根蛋白進行提取，試驗結果見表2。

表2 不同酶制劑對蛋白提取率的影響Table 2 Effects of enzyme on extraction rate of protein

由表2可以看出，復合蛋白酶提取效果最好，中性蛋白酶、堿性蛋白酶次之，纖維素酶效果較差，原因可能是金針菇經過粉碎過篩，細胞壁被破壞，纖維素起到的阻礙作用幾乎可以忽略，因此纖維素酶并沒有起到很大作用。復合蛋白酶能將大的蛋白質分子水解成短肽鏈等較小的分子，有利于蛋白質溶解，有效提高了蛋白的提取率［13］。因此，在后續的試驗中選用復合蛋白酶作為提取蛋白的酶試劑。

2.2 酶法提取單因素實驗結果

2.2.1 酶添加量對蛋白提取率的影響

酶的添加量對蛋白提取率具有顯著的影響，不同酶添加量對金針菇菌根中蛋白提取率的影響見圖1。

圖1 復合蛋白酶加量對蛋白提取率的影響Fig.1 Effects of protamex dose on extraction rate of protein

由圖1可知，蛋白提取率隨著酶添加量的增加呈現先增加后降低的趨勢，當酶添加量為1.0%時提取率最高。這是因為隨著提取液中酶濃度的升高，與底物的接觸面積增大，酶解反應速率增大。但當酶的濃度達到過飽和時，底物濃度相對較低，酶與底物競爭，會對酶產生抑制作用。同時過多的酶可能作用于已經溶出的蛋白質使其水解［14］，從而降低了提取率。

2.2.2 pH對蛋白提取率的影響

pH對蛋白提取率的影響見圖2。

圖2 pH對蛋白提取率的影響Fig.2 Effects of pH on extraction rate of protein

由圖2可看出，當提取液pH在5～6.5時，蛋白提取率隨著提取液pH的升高顯著增大有顯著差異（P＜0.05），當pH大于6.5后，蛋白質提取率略有降低。蛋白酶活力受pH影響很大，復合蛋白酶的最適pH為6.5。在最適pH下蛋白酶催化反應的速率最高，這是因為pH會影響底物和酶的構象，從而影響酶的活力及其與底物的結合［15］。

2.2.3 酶反應時間對蛋白提取率的影響

酶不同反應時間對蛋白提取率的影響見圖3。

圖3 酶反應時間對蛋白提取率的影響Fig.3 Effects of time on extraction rate of protein

由圖3可看出，在反應初期，隨著時間的延長，蛋白提取率增加較快，在30 min時，蛋白提取率最高，這是因為隨著時間的延長，酶活力得到充分利用，酶解反應進行得較完全，酶反應時間達到30 min時，蛋白基本被提取出來；隨著時間的延長，蛋白提取率迅速下降，這可能因為反應產物的積累抑制了酶的活力，同時部分溶出蛋白被水解，生成多肽或氨基酸，最終造成考馬斯亮藍法測定出的蛋白含量降低［16］。故酶解時間控制在30 min左右為宜。

2.2.4 酶反應溫度對蛋白提取率的影響

酶反應溫度對金針菇菌根中蛋白提取率影響結果見圖4。

圖4 提取溫度對蛋白質提取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction rate of protein

由圖4可看出，酶反應溫度在35℃～45℃時，蛋白提取率隨溫度的升高而增大，45℃達最大值，而后隨溫度的增大蛋白提取率減小。這是因為在一定溫度范圍內，溫度升高，酶活性增強、反應速度加快、酶與底物結合程度提高，有利于蛋白質提取；但當溫度升高超過酶作用的適宜溫度，不僅使酶活性降低，而且會引起蛋白質的聚集和沉淀，使其溶解度下降，從而降低了蛋白提取率［17］。同時高溫還會破壞原本已被提取出來的蛋白的結構，造成蛋白的不可逆變性。

2.3 響應面試驗結果分析

2.3.1 回歸方程的建立與方差分析

本試驗在單因素實驗基礎上，采用Box-Behnken設計四因素三水平試驗，共有29個試驗點。試驗方案及結果見表3。

對表中的試驗結果進行回歸分析，得到金針菇根部蛋白提取率與酶加量（A）、pH（B）溫度（C）和時間（D）4個因素的二次多項回歸方程為：

Y=+63.82+0.43A+0.22B-1.98C+0.72D+0.97AB+ 3.60AC+1.60AD+1.65BC-0.18BD-1.40CD-1.15A2-5.83B2-5.18 C2-1.84D2。對二次回歸模型進行方差分析，結果見表4。

表3 響應曲面試驗設計及結果Table 3 Experimental designs and extraction results

表4 回歸模型的方差分析Table 4 ANOVA for Response Surface Quadratic Model

表4 回歸模型的方差分析Table 4 ANOVA for Response Surface Quadratic Model

由表4可知，該模型的F=5.4，表明該模型有意義且達到極顯著水平（P＜0.01）。失擬項的F值為0.32，說明失擬項相對于誤差項來講不顯著；其中決定系數R2為0.893 7，說明該模型的擬合性較好，可用此模型對蛋白的提取率進行分析和預測。

從表4還可以看出，一次項與二次項中的C，AC，B2，C2這幾項為顯著性的模型項。由F檢驗可以得到因子貢獻率為：C＞D＞A＞B，即溫度＞時間＞酶加量＞pH。

2.3.2 單因素效應分析

為進一步分析試驗中各因素對蛋白提取率的影響，對回歸模型進行降維處理。固定任意3個因素于零水平，依次得到各個單因素與蛋白提取率的效應方程，根據方程可得到單因素效應曲線如圖5。

圖5 單因素效應分析圖Fig.5 Domino effect analysis of single factor

由圖5可知，各因素對蛋白提取率的影響均呈先增大后減小的趨勢，其中C酶解溫度變化幅度最大，說明酶解溫度對蛋白提取率影響最大。圖中各曲線的變化趨勢與前面單因素試驗結果基本吻合，說明所建立的數學模型是合適的。

2.3.3 交互作用分析

方差分析結果表明，模型中AB，AD，BC，BD，CD無明顯的交互作用，AC的交互作用顯著，即酶加量和溫度之間的交互作用對蛋白提取率有顯著影響，其交互作用響應曲面和等高線如圖6所示。

圖6 酶加量和提取溫度交互影響蛋白質提取率的曲面圖及等高線圖Fig.6 Influence of protamex dose and extracting temperature on extraction rate of protein

從圖6可以看出，當酶加量一定時，提取溫度在40℃至50℃之間變化，蛋白的提取率先上升后下降；當提取溫度一定時，酶加量對蛋白提取率的影響與溫度相同。從圖等高線的疏密度和形狀還可以看出，橢圓形明顯，二者的交互作用顯著。

2.3.4 回歸模型驗證

由Design-Expert.8.05b軟件對試驗模型進行典型性分析結果表明，提取蛋白的最佳條件為：酶加量1.03%、pH 6.49、溫度43.92℃、時間33.03 min，蛋白提取率的理論值為64.16%。采取上述最優條件進行試驗，同時考慮到實際操作，將蛋白提取條件修正為酶加量1%、pH6.5、溫度44℃、時間33 min，實測提取率為63.86%，相對偏差0.47%。說明采用響應面法優化得到的酶解提取工藝參數準確可靠，根據建立的模型進行預測蛋白提取時可行的。

3 結論

本試驗首先通過比較堿性蛋白酶、中性蛋白酶、復合蛋白酶、纖維素酶的提取效果，確定復合蛋白酶為提取蛋白的酶試劑。對影響金針菇菌根蛋白提取的因素：酶添加量、pH、提取溫度、時間進行了研究，在此單因素基礎上，利用Box-Behnken試驗設計方案和響應面分析建立了回歸方程。通過方差分析和失擬項分析，證明該模型擬合度較好且合理可靠，能夠較準確的預測金針菇菌根蛋白的提取率。得出的金針菇菌根蛋白的最佳提取條件為：酶加量1.03%、pH 6.49、溫度43.92℃、時間33.03 min。為了充分開發利用金針菇廢棄菌根，有效提高金針菇副產物和下腳料的價值仍需加大科研力度，完善蛋白提取分離基本理論和方法，滿足工業產業化生產的要求。

［1］于榮利，秦旭升，宋鳳菊.金針菇研究概況［J］.食用菌學報，2004，11（4）：63-68

［2］王文亮，徐同成，劉麗娜，等.金針菇的保健功能及其開發前景［J］.中國食物與營養，2011，17（7）：18-19

［3］蔡和暉，廖森泰，葉運壽，等．金針菇的化學成分生物活性及加工研究進展［J］.食品研究與開發，2008，29（11）：171-175

［4］王麗威，郭旭穎，陳梁成，等.水浴法和微波法提取金針菇下腳料多糖的優化及比較研究［J］.食品工業科技，2012，33（8）：322-325

［5］Yang W，Fang Y，Liang J，et al.Optimization of Ultrasonic Extraction of Flammulina velutipes Polysaccharides and Evaluation of its Acetylcholinesterase Inhibitory Activity［J］.Food Research International，2011，44（5）：1269-1275

［6］Wang H X，Ng T B.Flammulin：a Novel Ribosome-inactivating Protein from Fruiting Bodies of the Winter Mushroom Flammulina velutipes［J］.Biochemistry and Cell Biology，2000，78（6）：699-702

［7］Park S E，Li M H，Kim J S，et al.Purification and Characterization of a Fibrinolytic Protease from a Culture Supernatant of Flammulina velutipes Mycelia［J］.Bioscience，Biotechnology，and Biochemistry，2007，71（9）：2214-2222

［8］楊柳，江連洲，李楊，等.水酶法提取的大豆蛋白功能特性研究［J］.食品與發酵工業，2010，36（6）：80-84

［9］Puchongkavarin H，Varavinit S，Bengthaller W.Comparative Study of Pilot Scale Rice Starch Production by an Alkaline and an Enzymatice Process［J］.Starch，2005，57（3/4）：134-144

［10］陳毓荃.生物化學實驗方法和技術［M］.北京：科學出版社，2002：895-897

［11］Bhattacharjee R，Sil P C.Protein Isolate from the Herb，Phyllanthus niruriL.（Euphorbiaceae），Plays Hepatoprotective Role against Carbon Tetrachloride Induced Liver Damage via its Antioxidant Properties［J］.Food and Chemical Toxicology，2007，45（5）：817-826

［12］王成恩，黃章俊.基于高斯函數和信賴域更新策略的Kriging響應面法［J］.計算機集成制造系統，2011，17（4）：740-746

［13］靳偉剛，張洋，羅鋆琳，等.茶渣資源的開發與利用--茶渣中茶葉蛋白的酶法提取和酶法水解［J］.中國食品添加劑，2011，4（8）：54-58

［14］王雪飛，于國萍，徐紅華.不同酶類提取米糠蛋白的研究［J］.中國糧油學報，2004，19（1）：8-11

［15］李楊，江連洲，隋曉楠，等.復合酶水酶法提取大豆蛋白的工藝優化［J］.食品科學，2011，32（14）：130-133

［16］Jebrail M J，Wheeler A R.Digital Microfluidic Method for Protein Extraction by Precipitation［J］.Analytical Chemistry，2009，81（1）：330-335

［17］馮磊，麻成金，黃群，等.二次通用旋轉組合設計法優化酶法提取茶葉籽蛋白工藝［J］.食品工業科技，2012，33（17）：215-219

Optimization of Enzymatic Extraction of Protein from Root of Flammulina velutipes by Response Surface Methodology

ZHANG Le1，2，ZHOU Lin-yan1，SONG Hong-bo2，LI Peng2，LI Ya-ru1，CAO Zhen-zhen1，WEI Ming1，2，LI Shu-rong1，*
（1.Key Laboratory of Agro-product Processing and Quality Control/Institute of Agro-Products Processing Science and Technology，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193，China；2.College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，Fujian，China）

Protein in root of Flammulina velutipes was extracted with the assistance of protamex proteinase in this study.Based on single factor experiments，dosage of protamex protease，pH value，enzymatic extraction time and temperature were optimized using Box-Behnken design and response surface methodology for achieving maximum extraction rate of proteins.Factor contribution rate obtained from the F-test were as follows：extraction temperature＞extraction time＞dosage of protamex protease＞pH value.The optimum extraction parameters obtained from response surface analysis were as follows：dosage of protamex protease 1.03%，pH 6.49，extraction temperature 43.92℃and extraction time 33.03 min.By using the optimized extraction parameters，the predicated extraction rate of proteins from base of Flammulina velutips was 64.16%，meanwhile the rate of proteins was 63.86%in the validated experiment.There was no significant difference between predictive value and actual value.

Flammulina velutipes；protein；enzymatic extraction；response surface methodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.04.011

2013-10-15

公益性行業（農業）科研專項（201303080）

張樂（1987—），女（漢），碩士研究生，研究方向：食品加工理論與應用。

*通信作者：李淑榮（1967—），女（漢），研究員，博士，研究方向：農產品加工與貯藏。