响应面法优化燕麦麸蛋白的挤压提取工艺

张佳婵，李小鹏，2，李赫宇，王昌涛，*

（1.北京工商大学植物资源研究开发北京市重点实验室，北京 100048；2.石河子大学食品学院，新疆石河子 832000；3.天津市益倍建生物技术有限公司，天津 300457）

燕麦蛋白主要由谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和清蛋白组成[1]，氨基酸含量高，且配比合理，被认为是谷类的最佳平衡蛋白，营养保健价值很高[2]。燕麦麸皮是燕麦加工的副产物，其中含16%～30%蛋白质，是一种良好的蛋白资源[3]。以此为原料提取蛋白质，廉价易得，但目前燕麦麸皮仅用作饲料，尚没有深入开发。

目前，对燕麦蛋白提取方法的研究主要有碱法[4]、酶法[5]、超声法[6]及复合法[7]等方法，但应用挤压法对燕麦麸蛋白的提取工艺研究尚未见报道。

挤压技术指经预处理的原料通过喂料机借螺杆推动作用连续均匀进入挤压机，经强烈的挤压、剪切及高温处理，通过一个专门设计的孔口而挤出的方法。挤压机在结构上由4个部分组成即挤压系统、传动系统、加热（冷却）系统和模头系统[8]。挤压过程是一个高温、高压的过程，利用挤压技术的热、压效应，强化出料汽、汁、废料的排料分流，控制腔体内的温度和压力参数，对物料挤压调质，可以在短时间内高效提取物料中不同理化性质的天然产物[9]。响应面法（Response Surface Methodology，RSM）可以采用二次回归方程拟合多个因素与多个响应值之间的函数关系，通过回归方程分析寻求最佳工艺参数[10－12]。本实验首次将挤压法引入到对燕麦麸皮蛋白的提取研究中，并采用响应面分析法对提取工艺进行了优化，对燕麦麸蛋白的快速、高效提取进行了积极的理论探索。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦麸皮：张家口面粉厂。

考马斯亮蓝G－250：北京迪朗生化科技有限公司；柠檬酸：国药集团化学试剂有限公司；磷酸、95%乙醇、盐酸、氢氧化钠均为分析纯。

1.2 仪器与设备SJSZ－35

锥型双螺杆挤压机：张家港市万塑机械有限公司；DSHZ－300数显恒温水浴锅：国华电器有限公司；T6紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；3－18K离心机：Sigma公司。

1.3 方法

1.3.1 燕麦麸皮的挤压工艺

烘干的燕麦麸皮→过20目～60目的筛→调整水分含量和柠檬酸含量→一定温度和转速下挤压→挤压燕麦麸皮

1.3.2 燕麦蛋白提取工艺[13－14]

挤压燕麦麸皮烘干粉碎，以料液比1∶16、温度50℃、pH 9.6于恒温振荡水浴锅120 r/min提取60 min，浸提液4 000 r/min离心25 min，得蛋白提取上清液。

1.3.3 蛋白含量的测定

采用考马斯亮蓝法测定蛋白含量[15]。准确量取1 mL蛋白上清液，加入0.1 mg/mL的考马斯亮蓝液5 mL，常温反应5 min，于595 nm处测定吸光值。由回归方程y=7.530 7x+0.048 3，R2=0.995 1（式中y为吸光度值，x为蛋白浓度mg/mL）计算得到蛋白含量。

1.3.4 影响挤压法提取燕麦麸皮蛋白的单因素试验

对挤压温度、螺杆转速、物料水分含量、柠檬酸含量进行单因素研究，分别考察这4个因素对燕麦麸皮蛋白提取率的影响。

1.3.5 响应面法试验优化设计[16－18]

在单因素试验的基础上，应用SAS8.0软件，根据Box－Behnken中心组合试验设计原理，选择挤压温度X1、水分含量X2、螺杆转速X3和柠檬酸含量X44个因素为自变量，按方程 xi=（Xi－X0）/ΔX 对自变量进行编码。其中，xi为自变量的编码值，Xi为自变量的真实值，X0为试验中心点处自变量的真实值，为ΔX自变量的变化步长，蛋白质提取率（y）为响应值，设计四因素五水平的响应面分析设计。试验因素水平及编码见表1。

表1 响应面因素水平及编码Table 1 Independent variables and levels in Box-Behnken CCD

1.4 蛋白提取率计算

2 结果与分析

2.1 燕麦麸蛋白提取工艺单因素试验

2.1.1 挤压温度对蛋白提取率的影响

在物料水分含量50%、螺杆转速10 r/min、柠檬酸含量1.2%的条件下，挤压温度对蛋白提取率的影响如图1所示。

结果表明，温度小于140℃时，蛋白提取率随温度的增加变化不明显，温度达到170℃时，蛋白提取率达到最大。

2.1.2 物料水分含量对蛋白提取率的影响

在挤压温度170℃、螺杆转速10 r/min、柠檬酸含量1.2%的条件下，物料水分含量对蛋白提取率的影响见图2。

结果表明，水分含量从40%到50%时，蛋白提取率增加显著，之后随着水分含量的增加蛋白提取率下降，并且在水分含量70%时出现给机器喂料困难，故确定水分含量50%为最佳物料水分含量。

2.1.3 螺杆转速对蛋白提取率的影响

在挤压温度170℃、物料水分含量50%、柠檬酸含量1.2%的条件下，螺杆转速对蛋白提取率的影响见图3。

由图3可知，当螺杆转速为9 r/min时，蛋白提取率最高为15.94 mg/g。之后随着转速的提高蛋白提取率逐渐降低，且在18 r/min时出现轻微喷料现象。

2.1.4 柠檬酸含量对蛋白提取率的影响

在挤压温度170℃、物料水分含量50%、螺杆转速9 r/min的条件下，柠檬酸含量对蛋白提取率的影响如图4所示。

结果表明，随着柠檬酸含量的增加蛋白提取率略有提高，在1.4%时达到最大值9.78 mg/g，之后蛋白提取率下降。

2.2 挤压法提取燕麦麸皮蛋白的响应面试验设计及结果

挤压法提取燕麦蛋白的结果见表2。

表2 挤压法提取燕麦麸蛋白的响应面实验设计及结果Table 2 Center composite design arrangement and experimental resuits

采用SAS8.0软件对试验数据进行回归分析，得到试验因素对响应值的回归方程为：

2.3 回归模型的方差分析

为了说明各因素对挤压法提取蛋白的影响程度大小和回归模型的有效性，对回归模型进行方差分析，结果见表3和表4。

表3 二次回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

由表3可知，4个因素对挤压法提取燕麦麸蛋白的影响都极其显著（P＜0.01），F值的大小反应了该因素对响应值的影响程度大小，所以影响挤压法提取蛋白率的因素由大到小依次为：水分含量X3＞柠檬酸含量 X4＞挤压温度 X1＞螺杆转速 X2。

表4 响应值的方差分析Table 4 Variance analysis of response value

由表4可知，4个因素的一次项、二次项极其显著（P＜0.01），交互项显著（P＜0.05），说明各个因素和各因素之间的交互作用对提取率都有显著的影响。总回归模型的均方值为0.935 9，这表明有93.59%数据都可以通过回归方程来解释，该回归方程模型达到极其显著。

2.4 挤压法提取蛋白的条件优化

采用SAS软件对试验数据进行分析，得到挤压法提取燕麦麸蛋白的最优因素编码为：X1在0.967 19水平、X2在-0.823 53 水平、X3在 0.613 271 水平、X4在-0.184 295水平，其相对应的最优工艺参数为：挤压温度199.01℃、螺杆转速7.06 r/min、水分含量59.19%、柠檬酸含量1.289%。此最优条件下蛋白的提取率预测值为13.51mg/g。为便于操作，确定挤压温度为199℃、螺杆转速为7 r/min、水分含量为59%、柠檬酸含量为1.3%，在此条件下进行验证试验，得到的蛋白提取率为13.69 mg/g，与预测值基本一致，说明回归方程与试验数据拟合性好，响应面优化挤压法提取燕麦蛋白工艺可行。

3 结论

1）采用响应面法对挤压提取燕麦蛋白工艺的挤压温度、螺杆转速、水分含量、柠檬酸含量4个主要因素进行方差分析。结果表明：X1、X2、X3、X4、X32、X42、X3X4对蛋白提取率的影响极其显著，其它变异项影响不显著，说明试验因素与响应值不是简单的线性关系。

2）利用SAS统计软件分析得到挤压法提取燕麦蛋白的工艺参数为：挤压温度199℃、螺杆转速7 r/min、水分含量59%、柠檬酸含量1.3%。回归模型预测的蛋白提取率为13.51 mg/g，在此最优条件下，通过验证实验得到的蛋白提取率为13.69 mg/g，与模型预测值基本一致，说明此模型可靠，可用于生产实践的指导。

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