乙醇浸提法提取啤酒糟中醇溶蛋白工藝的研究

姜福佳,翟思羽,代云飛,杜佳欣,吳 浩,馬金秋,麻婷婷,馬 帥,逯家富

(長春職業技術學院,吉林長春 130033)

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乙醇浸提法提取啤酒糟中醇溶蛋白工藝的研究

姜福佳,翟思羽,代云飛,杜佳欣,吳 浩,馬金秋,麻婷婷,馬 帥,逯家富*

(長春職業技術學院,吉林長春 130033)

采用乙醇浸提法提取啤酒糟中的醇溶蛋白,對乙醇濃度、固液比、提取溫度、振蕩時間4因素進行單因素實驗。在單因素實驗的基礎上,以乙醇濃度、固液比、提取溫度三個因素為自變量,啤酒糟中蛋白質的得率為響應值,進行響應面優化,確定最佳工藝參數。結果表明,啤酒糟中蛋白質最佳提取條件:乙醇濃度為81%、固液比為1∶21(g/mL)、提取溫度為48 ℃、振蕩時間50 min。當滿足最佳條件時,醇溶蛋白得率的理論預測值可達到7.8%。根據最佳提取條件進行驗證實驗,醇溶蛋白的得率為7.67%,相對誤差為1.71%。此方法實現了對啤酒糟醇溶蛋白較高純度的提取。

啤酒糟,響應面法,醇溶蛋白,乙醇浸提法

啤酒糟又稱為麥芽糟,是啤酒工業中的主要副產物。啤酒糟含有豐富的蛋白質,據測定,干啤酒糟中粗蛋白含量為22%～27%,而醇溶蛋白占粗蛋白的65%左右[1-3]。我國是啤酒生產大國,啤酒產量已經連續12年居世界第一,啤酒糟的產量也隨之大幅提高[4]。但是由于啤酒糟的含水率高、易腐爛、不宜長久貯藏與運輸,大多數廠家便將其排放或者作為粗飼料直接低價出售,造成嚴重的資源浪費和環境污染,使啤酒糟的價值未充分利用[5-8]。啤酒糟中的醇溶蛋白具有良好的持油性、乳化性及乳化穩定性等優良性質[9]。其可應用于大麥品種的鑒定[10]、食品、藥品等領域。本研究利用響應面法優化啤酒糟中醇溶蛋白的得率,提高了啤酒糟的綜合利用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

烘干、粉碎的啤酒糟 華潤雪花啤酒長春有限公司產品;NaCl(規格500 g)無水乙醇(規格500 mL)北京化工廠;離心機(規格型號DL-5C) 上海安亭科學儀器廠;水浴恒溫振蕩器(規格型號SHZ-88) 金壇市開發區吉特實驗儀器廠。

1.2 原料的預處理

將新鮮的啤酒糟放在烘箱內在70 ℃條件下烘干、粉碎過100目篩儲存備用。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗流程 啤酒糟粉3.00 g→乙醇浸提→振蕩40 min→一次離心(轉速4500 r/min,離心3 min)→棄沉淀,取上清液→鹽析(1%的NaCl)→靜止12 h→二次離心(轉速4500 r/min,離心5 min)→沉淀干燥→啤酒糟醇溶蛋白。

1.3.2 醇溶蛋白得率計算方法

醇溶蛋白得率(%)=提取出的醇溶蛋白的質量/啤酒糟粉的質量×100

1.3.3 單因素實驗方法

1.3.3.1 乙醇濃度對醇溶蛋白得率的影響 稱取備用啤酒糟7份,每份3.00 g置燒杯中,以固液比1∶20的比例加入濃度分別為68%、72%、76%、80%、84%、88%、92%的乙醇,放入溫度為45 ℃水浴恒溫振蕩器中振蕩40 min后,離心3 min(轉速4500 r/min)棄沉淀;將上清液倒入燒杯中并用等體積濃度為1%的NaCl進行鹽析,靜置12 h進行二次離心5 min(轉速4500 r/min)沉淀干燥并稱重,計算求得醇溶蛋白的得率。

1.3.3.2 固液比對醇溶蛋白得率的影響 稱取備用啤酒糟7份,每份3.00 g置燒杯中,分別以固液比1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24、1∶28的比例加入濃度為80%的乙醇,放在溫度為45 ℃水浴恒溫振蕩器中振蕩40 min后,離心3 min(轉速4500 r/min)棄沉淀;將上清液倒入燒杯中并用等體積濃度為1%的NaCl進行鹽析,靜置12 h進行二次離心5 min(轉速4500 r/min)沉淀干燥并稱重,計算求得醇溶蛋白的得率。

1.3.3.3 提取溫度對醇溶蛋白得率的影響 稱取備用啤酒糟7份,每份3.00 g置燒杯中,以固液比1∶20的比例加入濃度為80%的乙醇放在溫度分別為35、40、45、50、55、60、65 ℃水浴恒溫振蕩器中振蕩40 min后,離心3 min(轉速4500 r/min)棄沉淀;將上清液倒入燒杯中并用等體積濃度為1%的NaCl進行鹽析,靜置12 h進行二次離心5 min(轉速4500 r/min)沉淀干燥并稱重,計算求得醇溶蛋白的得率。

1.3.3.4 振蕩時間對醇溶蛋白得率的影響 稱取備用啤酒糟7份,每份3.00 g置燒杯中,以固液比1∶20的比例加入濃度為80%的乙醇放在溫度為45 ℃水浴恒溫振蕩器中分別振蕩10、20、30、40、50、60、70 min 后,離心3 min(轉速4500 r/min)棄沉淀;將上清液倒入燒杯中并用等體積濃度為1%的NaCl進行鹽析,靜置12 h進行二次離心5 min(轉速4500 r/min)沉淀干燥并稱重,計算求得醇溶蛋白的得率。

1.3.4 響應面實驗設計 在單因素實驗的基礎上,采用Box-Benhnken實驗設計,數據處理利用統計軟件Design-Expert。以乙醇濃度、固液比、提取溫度3個影響較大的實驗因素作為自變量,啤酒糟中醇溶蛋白的得率為響應值,當p<0.05時表示兩交互項顯著,p<0.01時表示兩交互項極其顯著。響應面分析因素與水平見表1。

表1 響應面分析因素與水平
Table 1 Factors and levels of response surface analysis

因子水平-101X1乙醇濃度(%)768084X2固液比(g/mL)1∶161∶201∶24X3提取溫度(℃)455055

1.4 數據處理方法

文章數據均由origin 7.5軟件處理得出。

2 結果與分析

2.1 乙醇浸提法提取醇溶蛋白的單因素實驗結果

2.1.1 乙醇濃度對醇溶蛋白得率的影響 從圖1中可以看出乙醇濃度對醇溶蛋白得率的影響情況。醇溶蛋白的得率隨著乙醇濃度的增加而上升;當乙醇濃度為80%時,醇溶蛋白得率達到最大值;當乙醇濃度繼續增加,醇溶蛋白的得率稍有下降。這可能是由于啤酒糟中的醇溶蛋白高比例的非極性氨基酸和堿性、酸性氨基酸的缺乏的緣故。

圖1 乙醇濃度對醇溶蛋白得率的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on the extraction rate of alcohol soluble protein

2.1.2 固液比對醇溶蛋白得率的影響 從圖2中可以看出固液比對醇溶蛋白得率的影響情況。醇溶蛋白的得率隨著固液比的增加而上升,當固液比達到1∶20時,得率達到最大值;當固液比繼續增加,醇溶蛋白的得率幾乎不變。這可能是由于較大的固液比可降低溶液的粘稠度和浸出啤酒糟中的醇溶蛋白的緣故。

圖2 固液比對醇溶蛋白得率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of alcohol soluble protein

2.1.3 提取溫度對醇溶蛋白得率的影響 從圖3中可以看出提取溫度對醇溶蛋白得率的影響情況。醇溶蛋白的得率隨著提取溫度的增加而上升;當提取溫度為50 ℃時,醇溶蛋白得率達到最大值;隨著提取溫度的增加,醇溶蛋白的得率大幅度下降。這可能是由于在較高溫度長時間作用下啤酒糟中的醇溶蛋白部分發生變性的緣故。

圖3 提取溫度對醇溶蛋白得率的影響Fig.3 Effect of temperature on the extraction rate of extraction of alcohol soluble protein

2.1.4 振蕩時間對醇溶蛋白得率的影響 從圖4中可以看出振蕩時間對醇溶蛋白得率的影響情況。振蕩時間對醇溶蛋白得率的影響并不大,醇溶蛋白的得率隨著振蕩時間的增加而上升;當振蕩時間為50 min時,醇溶蛋白得率達到最大值;隨著振蕩時間的增加,醇溶蛋白的得率幾乎不變。這是由于振蕩時間過少,醇溶蛋白和乙醇接觸不充分。由于振蕩時間對醇溶蛋白得率影響不大,因此不參與響應面優化實驗選50 min。

圖4 振蕩時間對醇溶蛋白得率的影響Fig.4 Effect of shaking time on the extraction rate of alcohol soluble protein

2.2 響應面優化啤酒糟中醇溶蛋白的提取工藝

在單因素實驗的基礎上,以乙醇濃度、固液比、提取溫度3個影響較大的實驗因素作為自變量,啤酒糟中醇溶蛋白的得率為響應值,用響應面分析法在3因素3水平基礎上進行工藝優化,以確定最大得率時的工藝參數。響應面分析方案及實驗結果見表2。

表2 響應面分析方案及實驗結果
Table 2 Response surface analysis and test results of the program

實驗號X1X2X3醇溶蛋白得率(%)1-1-107.242-1107.7231-107.1341107.1450-1-17.260-117.3701-17.6480117.239-10-17.471010-17.0711-1017.29121016.84130007.48140007.57150007.56

采用多元二次回歸方程擬合實驗結果,再用F檢驗統計分析工具和響應面圖研究考察因子之間的交互關系及因子與響應值間的關系。

對表2中數據進行回歸分析,獲得醇溶蛋白得率對編碼自變量乙醇濃度、固液比、提取溫度的二次多項回歸方程:

Y(%)=7.536667-0.1925X1+0.1075X2-0.09X3-0.202083X12-0.1175X1X2-0.0125X1X3-0.027083X22-0.1275X2X3-0.167083X32

通過表2實驗結果進行統計分析,得到方差分析結果見表3。由表3可知,模型p=0.000383,表明模型顯著。其中一次項X1、X2、X3,交互作用項X1X2,二次項X12、X32對響應值Y影響顯著;其余項均不顯著。失擬項p=0.578441>0.05,表明模型失擬度不顯著,說明殘差均由隨機誤差引起,建立的回歸模型能代表實驗真實點解釋響應結果。模型決定系數R2=0.985說明該模型可以解釋98.5%的實驗,方程的擬合度較高。由此可見,此模型可用于乙醇浸提法提取啤酒糟醇溶蛋白工藝的分析和預測。

表3 回歸分析
Table 3 Regression analysis

方差來源自由度平方和均方F值p>FX11029645029645133335800001X2100924500924541581710001334X31006480064829145430002945X121015078501507856781946000043X1X210055225005522524838830004162X1X310000625000062502811090618667X221000270800027081218141031999X2X3100650250065025292466301029X3210103078010307846361720001041回歸90810657009007340512580000383線性304537015123368020990000179平方3023608200786943539455000086交互30120875004029218122190004065參差500111170002223失擬項3000625000208308561640578441純誤差200048670002433總離差140821773R2985%

根據以上回歸分析的結果繪制相應的曲線圖及其等高線。形象直觀的描述乙醇濃度、固液比、提取溫度對醇溶蛋白得率的影響。結果如圖5～圖7。

圖5 乙醇濃度和固液比對啤酒糟中醇溶蛋白得率影響的響應面及等高線Fig.5 Ethanol concentration and solid-liquid ratio of the response surface and contour BSG in alcohol soluble protein Extraction Rate

圖6 固液比和提取溫度對啤酒糟中醇溶蛋白得率影響的響應面及等高線Fig.6 Solid-liquid ratio and extraction temperature on BSG alcohol soluble protein extraction rate and the impact of response surface contour

圖7 乙醇濃度和提取溫度對啤酒糟中醇溶蛋白得率影響的響應面及等高線Fig.7 Response surface temperature on the ethanol concentration and extraction of alcohol soluble protein BSG extraction rate effects and Contour

響應曲面越陡說明該因素對醇溶蛋白得率影響顯著,曲面平緩說明該因素對醇溶蛋白得率影響不顯著。等高線的形狀反映兩個因素間交互作用的強弱。圓形說明交互作用不顯著,橢圓形說明交互作用顯著。從以上三個響應曲面圖及其等高線圖中可明顯觀察到,三個曲面圖開口均為向下凸形曲面,表明在該范圍內響應值Y(醇溶蛋白得率)存在著極大值,表明該多元二次回歸模型能夠較好的用于描述響應值和自變量之間的顯著性。由圖5可知,當X3(提取溫度)取0水平時,X1(乙醇濃度)和X2(固液比)的交互作用對響應值Y的影響,從響應曲面看,二者曲面均表現較陡斜,X1曲面的陡斜程度大于X2曲面,表明X1對響應值Y的影響比X2更為顯著。由圖6可知,當X1取0水平時,X2和X3的交互作用對響應值Y的影響，二者曲面均較為平緩。圖7表現出與圖6相似的規律,表明X1X3交互項對響應值Y無明顯顯著的交互作用。經響應面優化,當醇溶蛋白的最佳提取工藝滿足乙醇濃度為82%、固液比為1∶21,提取溫度為48 ℃,振蕩時間為50 min時醇溶蛋白的得率可達到7.8%。

2.3 驗證實驗

為了檢驗模型預測的準確性,按優化后的最佳提取條件乙醇濃度為81%、固液比為1∶21,提取溫度為48 ℃,振蕩時間50 min進行提取,實驗重復三次。結果三個平行的得率分別為7.67%、7.78%、7.55%。平均得率為7.67%,與理論預測值相比相對誤差為1.71%。可見該模型能較好地模擬和預測實驗得率。

3 結論

本實驗通過單因素實驗對影響啤酒糟中醇溶蛋白提取的主要因素:乙醇濃度、固液比、提取溫度、振蕩時間進行了探索。應用響應面法對乙醇濃度、固液比、提取溫度3個因素的最佳水平范圍及交互作用進行了研究。最終得到利用乙醇浸提法提取啤酒糟中的醇溶蛋白的最佳工藝條件為:乙醇濃度為81%、固液比為1∶21 (g/mL),提取溫度為48 ℃,振蕩時間50 min,醇溶蛋白的得率可達到7.67%。

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Extraction of alcohol soluble protein from beer grains by ethanol extraction

JIANG Fu-jia,ZHAI Si-yu,DAI Yun-fei,DU Jia-xin,WU Hao, MA Jin-qiu,MA Ting-ting,MA Shuai,LU Jia-fu*

(Changchun Vocational Institute of Technology,Changchun 130033,China)

Ethanol soluble protein in beer grains was extracted by ethanol extraction,and the 4 factors inducling ethanol concentration,solid-liquid ratio,extraction temperature and oscillation time were tested by single factor test. Based on single factor test,ethanol concentration,solid-liquid ratio,extraction temperature were selected as independent variables,and BSG protein extraction rate was response.The process parameters were optimized by response surface method.The results showed that the optimum extraction conditions of BSG protein were 81% of ethanol concentration,solid-liquid ratio of 1∶21 (g/mL),extraction temperature of 48 ℃,oscillation time of 50 min. Under the optimum conditions,theoretical predictions zein extraction rate could reach 7.8%. The optimal conditions according to the verification test,zein extraction rate was 7.67% relative error of 1.71%.This method was realized to extract the higher purity of the soluble protein of beer grains.

Brewer’s grains;response surface analysis;alcohol soluble protein;ethanol extraction

2016-05-23

姜福佳(1983-)，男，碩士研究生，講師，主要從事生物技術及應用方面的研究，E-mail:lujiafu888@163.com。

*通訊作者:逯家富(1961-)，男，本科，教授，從事食品與發酵工業的研究，E-mail:604771032@qq.com。

吉林省科技廳重點科技攻關項目(20140204007SF)；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(吉教科合字【2013】第549號)。

TS201.2

B

1002-0306(2016)23-0239-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.036