響應面法優化超聲輔助提取紅薯粗蛋白工藝研究

何春玫 李潤峰 覃水琳

（廣西農業職業技術學院，廣西 南寧 530007）

紅薯，學名番薯，是我國僅次于水稻、小麥和玉米的第四大糧食作物。紅薯富含胡蘿卜素、維生素、膳食纖維、蛋白質、淀粉以及鉀、鐵、鎂、鈣等礦物元素,為營養價值較高的天然保健食品[1，2]，有防癌、抑制膽固醇、有益心臟健康等功效[3]。據《本草綱目》記載：紅薯有“補虛，健脾開胃，強腎陰”“使人長壽少疾”等功效[4]。

廣西紅薯種植歷史悠久，一年四季均可種植。近年來，廣西紅薯種植面積均穩定在26.6 萬hm2左右，隨著種植技術不斷發展，廣西紅薯年產量可達600 萬t，紅薯資源十分豐富[6]。紅薯中含有豐富的粗蛋白，經檢測，廣西“紅姑娘”紅薯品種的蛋白質含量達1.40%。目前，紅薯除了作為初級農產品食用外，主要用于淀粉、粉絲生產。在此過程中產生的大量廢水含有蛋白質、膳食纖維等具有功能性作用的有機物質，不但浪費，還對環境造成污染。本試驗擬以新鮮市售“西瓜紅”紅薯為原料，通過響應面法優化超聲輔助法提取粗蛋白，旨為廣西紅薯資源綜合利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

“西瓜紅”紅薯：產自廣西，購自超市。

試劑：牛血清白蛋白（上海源葉生物科技有限公司），考馬斯亮藍G250；磷酸；95%乙醇，均為分析純試劑。

1.2 儀器設備

KQ-300DB 型數控親水性超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；JP-1000B 型高速多功能粉碎機（永康市久品工貿有限公司）；EL204 型電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；UPT-II-20T 型優普系列超純水機（四川優普超純科技有限公司）；V-1800型分光光度計（翱藝儀器上海有限公司）；電熱鼓風干燥箱；800B臺式離心機。

1.3 試驗方法

1.3.1 標準曲線的制作 采用考馬斯亮藍法測定蛋白質含量。分別吸取0.1mg/mL 牛血清白蛋白標準溶液0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mL 分別放入比色管中，分別加入蒸餾水至1mL，分別加入5.0mL考馬斯亮藍G-250試劑，混勻，靜置5min后，以蒸餾水為空白，在595nm 處測定吸光度[5]。如圖1 所示，蛋白質含量在0～0.1mg范圍內與A595值有良好的線性關系。

圖1 蛋白標準曲線

1.3.2 紅薯粗蛋白的提取工藝和提取率的計算

（1）提取工藝：鮮薯去皮切片烘干→粉碎過40目篩→精密稱量2.00 g紅薯粉→超聲輔助水浸提→離心（3000r/min,10min）→精密移取1.00 mL 上清液→稀釋→加入5.0mL考馬斯亮藍G-250顯色劑→搖勻靜置5min→波長595nm 處測定樣品吸光度→計算粗蛋白提取率。

（2）計算公式：

式中：Ai-紅薯提取液的吸光度；n-稀釋倍數；m-紅薯粗粉質量（g）。

1.4 試驗設計

按1.3.2，在其他條件固定不變的情況下對紅薯粗蛋白進行超聲輔助提取，考察超聲功率、超聲時間和液料比等因素對紅薯粗蛋白提取的影響。單因素試驗因素水平表見表1。

表1 單因素試驗因素水平表

1.5 響應面分析

根據1.4單因素試驗考察超聲時間、超聲功率及液料比對紅薯粗蛋白提取的影響，利用Design Ex?pert10.0.4軟件進行Box-Behnken響應面優化試驗方案設計，響應面試驗因素水平表見表2。

表2 Box-Behnken響應面試驗因素水平表

1.6 最佳工藝條件驗證

對1.5 擬合所得到最佳工藝條件進行3 次重復性實驗，將結果取算術平均值后，與模型給出的理論數據進行比較，驗證回歸模型的可靠性。

2 結果與分析

2.1 紅薯粗蛋白提取的單因素試驗結果

2.1.1 超聲功率對紅薯粗蛋白提取的影響 由圖2可見，在超聲功率為0～240W 時，隨著超聲功率增大，紅薯細胞破碎率越大，粗蛋白提取率越大，240W時達到最大提取率，再增大超聲功率，提取率不增反而逐漸降低。因此，最佳超聲功率初步確定為240W。經單因素方差分析，P=0.0036＜0.01，結果表明超聲功率對粗蛋白提取率影響達極顯著水平。

圖2 超聲功率對紅薯粗蛋白提取率的影響

2.1.2 超聲時間對紅薯粗蛋白提取的影響 由圖3可見，隨著時間的推移，紅薯粗蛋白的提取率呈現先增大后減小的趨勢。當提取時間在0～80min 時，植物細胞壁破碎程度加大，更有利于細胞內物質的溶出。超聲80min 后提取率呈現下降趨勢，可能是因為隨超聲時間的增長細胞破壁程度更細碎，細碎的細胞面積較大，對粗蛋白有一定的吸附作用，從而導致粗蛋白提取率呈現下降趨勢。因此，最佳超聲時間初步確定為80min。經單因素方差分析，P=0.0001＜0.01，結果表明超聲時間對紅薯粗蛋白的提取影響極顯著。

圖3 超聲時間對紅薯粗蛋白提取率的影響

2.1.3 液料比對紅薯粗蛋白提取的影響 由圖4可見，隨著液料比比值的增大，紅薯粗蛋白提取率先升高后降低。其中液料比為10：1（mL/g）時，粗蛋白提取率達到最大值，之后液料比繼續增加，粗蛋白提取率慢慢減小，因此最佳液料比初步確定為10：1（mL/g）。經單因素方差分析，P=0.00002＜0.01，結果表明超聲功率對紅薯粗蛋白提取影響極顯著。

圖4 液料比對紅薯粗蛋白提取率的影響

2.2 響應面實驗結果與分析

由表3可知，3個因素均對紅薯粗蛋白的提取率有不同程度的影響，其中，超聲時間的最優水平為80min、液料比的最優水平為10：1（mL/g）、超聲功率的最優水平為240W。選擇超聲時間、液料比、超聲功率3個因素的3個較優水平，以紅薯粗蛋白提取率為響應值，采用Box-Behnken設計響應面試驗方案。

對表3數據進行回歸擬合，可得響應變量A、B、C 對紅薯粗蛋白提取率（Y）的回歸方程為：Y(%)=0.95+0.077A+0.032B+0.059C-0.019AB+0.011AC-0.015BC-0.062A2-0.038B2-0.036C2，利用Design Ex?pert10.0.4軟件對表2數據進行ANOVA方差分析，結果如表4所示。

表3 響應面實驗設計及結果

表4 ANOVA方差分析表

經分析，回歸模型的R2=0.9844，R2Adj=0.96344，P＜0.0001，說明模型擬合度較好，模型可靠；失擬項P=0.7791，影響不顯著，可見試驗結果受非試驗因素影響不大；變異系數C.V.%=1.83＜5，精密度值=22.29＞4，說明該模型合理，可信度較高。因此，可應用該模型預測和分析紅薯粗蛋白的提取條件。對紅薯粗蛋白提取率受各因素影響的順序為：A(液料比)＞C(超聲功率)＞B(超聲時間)，三個因素對紅薯粗蛋白提取的影響均極顯著（P ＜0.01），該結果與單因素試驗的單因素方差分析結果一致。

2.3 各因素間交互作用分析

根據表4方差分析結果可見，影響因素A（液料比）與B（超聲時間）之間的交互影響顯著（P＜0.05），其他因素之間的交互作用不顯著。交互顯著項的響應面圖和等高線圖。

圖5 兩因素交互作用的響應面圖和等高線圖

由圖5 可見，A、B 兩因素的等高線圖呈現橢圓形，響應面圖呈現傘形，表明兩者具有顯著的交互作用，與表4 ANOVA方差分析結果一致。觀察圖中可見，沿液料比方向的曲線密度較大，可見液料比的變化對粗蛋白的提取率有較大影響，符合表4 ANOVA方差分析結果。

2.4 響應面最優工藝條件驗證

經采用Design-Expert 10.0.4軟件對表2結果進行數據分析，紅薯粗蛋白提取的最優工藝條件為液料比11：1，超聲時間81.126 min，超聲功率295.565 W，預測提取率為1.003%。根據實驗儀器的實際情況，調整最優提取工藝為液料比11：1，超聲時間81 min，超聲功率300 W，平行提取3 次，測得紅薯粗蛋白提取率平均值為1.004%，與預測值相對誤差為0.10%，說明該工藝條件用于提取紅薯粗蛋白具有可靠性。

3 結論

本研究以市售廣西產“西瓜紅”紅薯為原料，采用超聲波輔助提取紅薯粗蛋白，在單因素試驗結果的基礎上，通過響應面試驗優化提取工藝。實驗結果表明，紅薯粗蛋白提取率受各因素影響的大小順序為：A(液料比)＞C(超聲功率)＞B(超聲時間)，得到紅薯粗蛋白提取的最優工藝條件為超聲功率300 W，超聲時間81min，液料比11：1，預測提取率為1.003%。田璐等[10]采用超聲波輔助熱水浸提法提取北京大興區甘薯粗蛋白，最佳提取工藝為取溫度40℃,時間80 min,功率205 W,料液比1∶20(g/mL)，提取率為1.01572%。羅秋水等[11]研究表明，在超聲功率150W、料液比1∶10(g/mL)、提取數量3 次、超聲時間30min 條件下，紫紅薯粗蛋白提取得率為0.4529%。李衛林等[12]以水浸提222min,浸提溫度為64.3℃,液固比值33 mL/g,提取次數3 次，紫薯粗蛋白粗品提取率為1.247%。與前人研究設計的因素略微不同，因為超聲本身具有一定的發熱作用，在本試驗條件下未進行溫度的特別設置。

綜上可知，通過控制液料比、超聲時間和超聲功率三因素，對廣西紅薯粗蛋白提取率是有不同程度影響的，且工藝簡單穩定，可操作性強。該提取工藝適合應用于廣西紅薯粗蛋白提取。