超聲波輔助提取黔江腎豆蛋白質(zhì)提取率的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

肖沁林，譚九銘，覃小麗，鐘金鋒

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，食品科學(xué)與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，重慶, 400715)

研究報(bào)告

超聲波輔助提取黔江腎豆蛋白質(zhì)提取率的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

肖沁林，譚九銘，覃小麗，鐘金鋒

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，食品科學(xué)與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，重慶, 400715)

超聲波；輔助提取；黔江腎豆；蛋白質(zhì)；預(yù)測模型

腎豆，作為西南地區(qū)的傳統(tǒng)特色經(jīng)濟(jì)作物，又名花豆、狀元豆、富貴豆，其營養(yǎng)價(jià)值豐富，感官品質(zhì)優(yōu)良，其中蛋白質(zhì)是其主要組分。腎豆來源廣泛，被視為優(yōu)良的植物蛋白質(zhì)來源，具有較大的開發(fā)利用價(jià)值[1]。因此，腎豆蛋白質(zhì)提取的相關(guān)研究是對其進(jìn)行開發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而提取率則是衡量提取工藝的重要指標(biāo)。研究提取率的變化規(guī)律，對進(jìn)一步開發(fā)我國特色食品資源具有十分重要的研究意義。

食品中蛋白質(zhì)的提取方法有傳統(tǒng)的堿溶酸沉法和近年新興的超臨界、超聲波等輔助提取方法[2-3]。傳統(tǒng)的堿溶酸沉法操作簡單，應(yīng)用范圍廣，但存在提取率較低、高溫使蛋白質(zhì)變性等問題[4]；而超聲波輔助提取不僅可有效地縮短提取時(shí)間，提高提取率，并且能有效提高蛋白質(zhì)在溶劑中的分散穩(wěn)定性[2, 5-6]，因此在食品相關(guān)領(lǐng)域備受青睞[7-9]。目前，我國對腎豆蛋白質(zhì)提取主要采用溶劑提取法[10]，關(guān)于超聲波輔助提取腎豆蛋白質(zhì)的尚未見報(bào)道。因此，本論文將探索超聲波輔助提取腎豆蛋白質(zhì)過程中各因素(提取溫度、超聲時(shí)間、液料比和超聲功率)對蛋白質(zhì)提取率的影響。在此基礎(chǔ)上，借鑒前期研究[11-13]，建立預(yù)測蛋白質(zhì)提取率的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型，旨在獲得提取工藝參數(shù)與提取率之間的變化規(guī)律，以期為腎豆蛋白質(zhì)的高效提取和進(jìn)一步開發(fā)利用提供一定的理論指導(dǎo)和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

腎豆產(chǎn)于重慶黔江(E108°28′ 04″～108° 56′ 56″，N29° 04′29″～29° 52′10″)；牛血清白蛋白(進(jìn)口分裝)，考馬斯亮藍(lán)G-250(進(jìn)口分裝)，均購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2儀器與設(shè)備

pHS-3C酸度計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；XF-100型高速多功能粉碎機(jī)，浙江永康市紅太陽機(jī)電有限公司；KQ-700DB型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；Thermo Scientific Sorvall ST16R通用臺式離心機(jī)，賽默飛世爾科技有限公司；DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 蛋白質(zhì)提取

將腎豆去皮后，用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎處理，過篩(80目)后烘干的粉末即為實(shí)驗(yàn)用樣品。實(shí)驗(yàn)中，稱取一定量的腎豆粉末置于100 mL錐形瓶中，按一定液料比量取相應(yīng)體積的蒸餾水并調(diào)節(jié)其pH值為9.0，料液混勻后進(jìn)行超聲波處理，然后離心(8 000 r/min，10 min)，收集所得上清液。分別探討提取溫度(30～60 ℃)、超聲時(shí)間(20～150 min)、液料比(10∶1～40∶1, mL∶g)和超聲功率(350～630 W)對提取率的影響。由于腎豆脂肪含量較低[10]，為避免脫脂處理對蛋白造成不利影響，實(shí)驗(yàn)中不進(jìn)行脫脂處理。

1.3.2 蛋白質(zhì)測定

將以上操作提取得到的蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)法[14]進(jìn)行測定。具體步驟如下：將上述上清液稀釋10倍，用考馬斯亮藍(lán)試劑染色后在595 nm波長下測定吸光度，并建立牛血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線最終計(jì)算得上清液可溶性蛋白含量。

樣品總蛋白含量的測定采用凱式定氮法測定，得到腎豆(干基)總蛋白含量為22.79%。以此為基礎(chǔ)，計(jì)算不同反應(yīng)參數(shù)下腎豆蛋白質(zhì)的提取率。以上數(shù)據(jù)均平行測定3次。

蛋白質(zhì)提取率(E)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中:Et為提取得到的蛋白質(zhì)含量，mg；E0為所測樣品總蛋白質(zhì)含量，mg；E為提取率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)條件對腎豆蛋白質(zhì)提取率的影響

2.1.1 提取溫度與提取率的關(guān)系

提取溫度對腎豆蛋白質(zhì)提取率的影響如圖1所示。隨溫度的升高，蛋白質(zhì)的提取率呈先升高后降低的趨勢。蛋白質(zhì)提取率在40 ℃時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)升高提取溫度，提取率反而降低。這主要是由于在低于40 ℃時(shí)，提高溫度，可以加速分子運(yùn)動，分子的劇烈運(yùn)動加速了蛋白質(zhì)的溶解，從而提高了蛋白質(zhì)提取率；當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí)，提取率反而降低，這主要是因溫度過高破壞了蛋白質(zhì)原有的空間結(jié)構(gòu)，使其暴露了更多的疏水基團(tuán)，在一定程度上降低了蛋白質(zhì)在水中的溶解性[15]，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)提取率降低。因此，本研究中，選擇40 ℃為提取溫度，考察其他反應(yīng)因素對提取率的影響。

圖1 提取溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment temperature on protein extraction rate

2.1.2 超聲時(shí)間與提取率的關(guān)系

圖2-a是超聲時(shí)間對腎豆蛋白質(zhì)提取率的影響示意圖。由圖2-a可知，在超聲時(shí)間100 min內(nèi)，提取率呈快速升高的趨勢；在100～150 min時(shí)，提取率升高的趨勢趨于平緩，可以得知延長超聲時(shí)間，可在一定程度上提高蛋白質(zhì)提取率，但是，對于該提取體系而言，在100 min之后，提取率到達(dá)一定數(shù)值后，延長超聲時(shí)間，促進(jìn)提取率提高的作用有限。從圖2-a中可以看出，提取率(E)與超聲時(shí)間(t)之間呈現(xiàn)出較好的指數(shù)關(guān)系，對實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后可得到如下方程：

E=a×tb

(2)

式中：E為腎豆蛋白質(zhì)提取率；t為該提取體系的超聲時(shí)間，min；a和b是方程系數(shù)。

圖2-b對實(shí)際提取率與模型預(yù)測提取率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)較好線性關(guān)系，R2可達(dá)0.958 9。

圖2 超聲時(shí)間對蛋白提取率的影響Fig. 2 Effect of sonication time on protein extraction rate

2.1.3 液料比與提取率的關(guān)系

圖3-a是水的質(zhì)量與腎豆豆粉質(zhì)量的液料比值(L，g/g)對蛋白質(zhì)提取率的影響示意圖。從圖3-a可以看出，增大液料比，可在一定程度上提高蛋白質(zhì)的提取率。在L=10時(shí)，蛋白質(zhì)的提取率為44.78%；隨著液料比的增大，提取率呈逐漸升高的趨勢；當(dāng)L=30時(shí)，提取率為66.42%。可見，當(dāng)液料比為10～30時(shí)，液料比對提高提取率的促進(jìn)作用較為顯著。對圖3-a中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可分析得提取率(E)與液料比(L)之間呈現(xiàn)良好的對數(shù)變化規(guī)律，可以得到方程(3)：

E=c×ln(d×L+1)

(3)

式中：E為蛋白質(zhì)提取率，%；L為加入水的體積與樣品質(zhì)量的液料比；c和d是方程系數(shù)。

圖3-b為提取率值與模型預(yù)測值之間的關(guān)系，可知，兩者的線性相關(guān)性較好，R2可達(dá)0.974 5。

圖3 液料比對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.3 Effect of the ratio of liquid to liquid on protein extraction rate

2.1.4 超聲功率與提取率的關(guān)系

由圖 4 可知，提取率隨超聲功率的增大呈升高的趨勢，反映出超聲功率對蛋白質(zhì)的提取率的影響顯著。因此，提高超聲功率可有效提高腎豆蛋白質(zhì)的提取率。對蛋白質(zhì)的提取率隨超聲功率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求解可得，提取率(E)與超聲功率(P)之間呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性，將其進(jìn)一步處理可得：

E=ln(f×e-h/P+1)

(4)

式中：E為腎豆蛋白質(zhì)提取率，%；P為超聲功率，W；f和h為方程系數(shù)，e為自然對數(shù)的底數(shù)。

圖4 超聲功率對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on protein extraction rate

2.2預(yù)測腎豆蛋白質(zhì)提取率數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑴c驗(yàn)證

根據(jù)公式(2)～(4)確立的超聲時(shí)間、液料比、超聲功率與腎豆蛋白質(zhì)提取率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系和數(shù)學(xué)變換法則，可得到基于 3 種反應(yīng)參數(shù)下的腎豆蛋白質(zhì)提取率與反應(yīng)條件的總關(guān)系式：

(5)

式中：E為腎豆蛋白質(zhì)的提取率，%；t為反應(yīng)時(shí)間，min；L為液料比；P為超聲功率，W；A、B、C、D分別是方程的系數(shù)，e為自然對數(shù)的底數(shù)。

圖5 蛋白質(zhì)提取率實(shí)驗(yàn)值和數(shù)學(xué)模型預(yù)測值之間的相關(guān)性Fig. 5 Correlation between-experimental value and the predicted value of the protein extraction rate

在改變上述提取參數(shù)(即超聲時(shí)間、液料比、超聲功率)的情況下，通過實(shí)驗(yàn)測得不同條件下的蛋白質(zhì)的提取率，代入該模型進(jìn)行數(shù)值擬合，求得模型(5)中的各方程系數(shù)見表1。

表1 方程(5)的系數(shù)

由圖5可知，實(shí)驗(yàn)值和模型預(yù)測值相近程度的線性相關(guān)判定系數(shù)(R2)可達(dá)到0.955 4。可見，式(5)可用于預(yù)測超聲輔助提取腎豆蛋白質(zhì)的提取率，并且該式對于該提取過程影響因素的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定理論指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地考察了超聲波輔助提取黔江腎豆蛋白質(zhì)的過程中提取溫度、反應(yīng)時(shí)間、液料比以及超聲功率對蛋白質(zhì)提取率的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)建立了一種預(yù)測該提取率變化規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。通過對比蛋白質(zhì)提取率的實(shí)驗(yàn)值和模型預(yù)測值，發(fā)現(xiàn)兩者的線性相關(guān)判定系數(shù)(R2)可達(dá)0.955 4，表明該模型可很好地預(yù)測超聲波輔助提取腎豆蛋白質(zhì)體系中提取率的變化。

[1] SUSSMANN D, HALTER T, PICKARDT C, et al. An Optimization approach for the production of fatlike protein isolates from different leguminous seeds using response surface methodology [J]. Journal of Food Process Engineering, 2013, 36(6): 715-730.

[2] 吳倩, 張麗芬, 陳復(fù)生. 超聲波對蛋白質(zhì)提取及改性影響的研究進(jìn)展 [J]. 食品與機(jī)械, 2015,31(4): 256-259.

[3] PARK J Y, BACK S S, CHUN B S. Protein properties of mackerel viscera extracted by supercritical carbon dioxide [J]. J Environ Biol, 2008, 29(4):443-448.

[4] 楊葉波, 蔡培培, 何文森. 大豆蛋白質(zhì)的提取技術(shù)的研究進(jìn)展 [J]. 廣州化工, 2015, 43(9): 26-27.

[5] PREECE K E, HOOSHYAR N, KRIJGSMAN, et al. Intensified soy protein extraction by ultrasound [J].Chemical Engineering and Processing: Process Intensification,2016,113:94-101.

[6] JAMBRAK A R, LELAS V, MASON T J, et al. Physical properties of ultrasound treated soy proteins [J]. Journal of Food Engineering, 2009, 93(4): 386-393.

[7] BOT F, ANESE M, LEMOS M A, et al. Use of time‐resolved spectroscopy as a method to monitor carotenoids present in tomato extract obtained using ultrasound treatment [J]. Phytochemical Analysis, 2016, 27(1): 32-40.

[8] TOMADONI B, CASSANI L, PONCE A, et al. Optimization of ultrasound, vanillin and pomegranate extract treatment for shelf-stable unpasteurized strawberry juice [J]. LWT-Food Science and Technology, 2016,72:475-484.

[9] KADAM S U,LVAREZ C, TIWARI B K, et al. Extraction and characterization of protein from Irish brown seaweed ascophyllum nodosum [J]. Food Research International, 2016, http://dx.doi.org/10.1016/j.foodres.2016.07.018.

[10] 熊家艷, 鄧?yán)? 范超敏,等. 黔江腎豆蛋白質(zhì)提取工藝優(yōu)化及其功能性質(zhì)研究 [J].食品科學(xué), 2012, 33(18): 25-31.

[11] 鐘金鋒, 覃小麗, 柴欣生. 丁二酸纖維素酯合成過程取代度的預(yù)測模型 [J].食品科學(xué), 2014, 35(23): 104-107.

[12] 鐘金鋒, 覃小麗, 王永華. 脂肪酶催化合成乳酸正丁酯過程中酯化率的預(yù)測模型 [J].現(xiàn)代食品科技, 2013, 29(11): 2 612-2 615.

[13] 覃小麗, 李道明, 王永華,等. rProROL脂肪酶催化大豆油水解反應(yīng)的半經(jīng)驗(yàn)動力學(xué)模型 [J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2016, 42(6): 67-72.

[14] BRADFORD M M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding [J]. Analytical Biochemistry, 1976, 72(1-2): 248-254.

[15] O'SULLIVAN J, PARK M, BEEVERS J. The effect of ultrasound upon the physicochemical and emulsifying properties of wheat and soy protein isolates [J]. Journal of Cereal Science, 2016, 69:77-84.

StudyofamathmodelforQianjiangkidneybeanproteinsextractionratebyultrasonic-assistedmethod

XIAO Qin-lin, TAN Jiu-ming, QIN Xiao-li, ZHONG Jin-feng

(College of Food Sciences, National Demonstration Center for Experimental Food Science and Technology Education, Southwest University, Chongqing 400715, China)

ultrasound；assisted extraction；Qianjiang kidney bean；protein；forecasting model

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013617

本科生(鐘金鋒副教授為通訊作者，E-mail: jinfzhong@163.com)。

國家自然科學(xué)基金(31501446，31601430)；重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究專項(xiàng)(cstc2015jcyjA80013,cstc2017jcyjAx0036)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(XDJK2016B034)；重慶市現(xiàn)代特色效益農(nóng)業(yè)調(diào)味品產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系：2017[7]；西南大學(xué)第九屆本科生科技創(chuàng)新基金(20161702004)

2016-12-14，改回日期：2017-01-04