响应面法提取玉米醇溶蛋白的工艺优化

赵华，王虹，任晶，陈磊

（天津市工业微生物重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津 300457）

玉米醇溶蛋白是一种可再生的天然高分子蛋白，其平均分子量为44000 u，约占玉米蛋白总含量的40%，可形成韧性、光滑、疏水的防腐膜。它具有生物可降解性和生物相容性，已成为生产可食性全降解食品包装材料的重要原料。目前，玉米醇溶蛋白的提取一般用醇作溶剂，从玉米粉及玉米蛋白粉、DDGS、CGM、DDG[1]中提取。除了用有机溶剂萃取外，可以用超声波萃取[2]或酶解方法来提取玉米醇溶蛋白。

由于生产过程中成本太高，且制得的玉米醇溶蛋白白度较低，限制了玉米醇溶蛋白的规模化生产和大量应用。本研究采用玉米皮提取醇溶蛋白，首先用有机溶液对玉米皮进行脱色处理，在此过程中得到了玉米黄色素；再用脱色处理后的玉米皮提取玉米醇溶蛋白。采用此工艺提取醇溶蛋白，并与玉米黄色素相结合，不但提高其提取率和白度，并且节约了乙醇用量，提高了乙醇回收利用率，为玉米皮的深度开发奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米皮：取自玉米加工厂副产品。NaCl，无水乙醇，均为分析纯。

1.2 玉米醇溶蛋白提取方法

先将原料经处理后，用无水乙醇浸提，离心分离取上清液，即得玉米黄色素浸提液；再将离心沉淀用75%乙醇溶液浸泡，离心分离得到上清液，通过盐析、干燥得到玉米醇溶蛋白产品，见图1。

图1 玉米黄色素和醇溶蛋白提取工艺流程Fig.1 The process of the extraction of yellow pigment and zein

1.3 分析方法

1.3.1 玉米黄色素总量的测定[3]

用无水乙醇溶液在50℃、料液比1∶15的条件下，对玉米皮进行了多次浸提后，分别收集每次浸提的色素液，计算得到本试验中玉米麸皮的玉米黄色素的总含量。

1.3.2 玉米黄色素提取率的测定

准确称取一定量的玉米皮，提取其中的玉米黄色素，制备成玉米黄色素粉状。然后配制系列浓度梯度的色素溶液，测定此系列在450 nm波长下的吸光值[4]，绘制色素浓度-吸光度值标准曲线[3]。根据所得玉米黄色素的吸光度值，由标准曲线计算色素提取量。

提取率/%=（提取液中玉米黄色素的含量/玉米黄色素的总量）×100

1.3.3 醇溶蛋白总量的测定

用75%乙醇溶液在60℃、料液比1∶8的条件下，对玉米醇溶蛋白进行了多次浸提后，分别收集每次浸提液，盐析沉淀得到玉米醇溶蛋白，即本试验中玉米皮中醇溶蛋白的总含量。

1.3.4 醇溶蛋白提取率的测定

2 结果与讨论

2.1 玉米皮脱色工艺的优化

玉米黄色素提取率越高，说明玉米皮的脱水效果越好，因此对玉米黄色素提取工艺进行优化。分别对料液比、提取温度、提取时间3个因素作了3组对比实验（见表1），比较各组提取液的提取率，从而确定了玉米黄色素提取条件为：料液比1∶15，提取温度50℃，提取时间3 h。按此条件提取两次后，原料基本无色，干燥后用于玉米醇溶蛋白的提取。

2.2 玉米醇溶蛋白提取条件的优化

根据文献[5]可知，影响玉米醇溶蛋白提取的主要因素有乙醇浓度、液料比、提取温度、提取时间。根据Box-Behnken中心组合设计原理[6]，以4个主要因素为自变量，以醇溶蛋白提取率值为响应值，设计4因素3水平27个试验点的响应面分析试验。试验设计及结果见表2，其F-检验结果见表3。

表1 不同因素对提取玉米黄色素的影响Table 1 Different factors on the extraction of yellow pigment of corn

表2 Box-Behnke响应面试验设计及结果Table 2 Experimental design and results of response surface

表3 各因素的F-检验Table 3 F-checkout of each factor

运用SAS RSREG程序对27个试验点的响应值（醇溶蛋白提取率）进行回归分析，得到回归方程为：

从方差分析表可以看出，用上述回归方程描述各因子与响应值之间的关系时，起因变量与全体自变量之间的线性关系是非常显著的[F>F0.01（14，10）]，决定系数R2＝0.9896，说明回归方程的拟合程度较好。而各项因素的方差分析见表4。

由表4可知，方程一次项，二次项的影响都是高度显著的，失拟项F值较小，说明模型规定适当，可以用该回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析。2.3响应因子水平的优化

表4 回归方程各项因素的方差分析表Table 4 Variance analysis of regression equation of each factor

RSA的图形可以直观地反映各因素对响应值的影响，从实验所得的响应面分析图上可以找到它们在反应过程中的相互作用。结果见图1。

图1 响应面曲面图Fig.1 Response surface plot

由图1可知，乙醇浓度在75%及提取温度为60℃、提取时间为2 h时回收率达到最大，再延长提取时间，回收率反而减少。而随着液料比的增加，提取得到的醇溶蛋白的含量也不断增加，回收率逐渐上升，但液料比过大，生产成本会随之增加，故液料比不宜过大。根据SAS的预测，结果见表5。

由表5可知，添加液料比为8.7∶1的体积分数为72.7%的酒精水溶液，在58.7℃条件下浸提2.1 h，醇溶蛋白提取率达到最大。为检验RSA分析法的可靠性，并考虑到实际工艺控制的方便，将最佳提取条件修正为：添加液料比为9∶1的体积分数为75%的酒精水溶液，60℃浸提2 h后，离心分离，得到醇溶蛋白溶液。在此条件下，测得的提取率为71.25%，与理论预测值（71.49%）相比，相对误差低于1%。由此可知采用RSA分析法优化得到的浸提条件参数准确可靠，具有实用价值。通过实验确定提取玉米醇溶蛋白的最佳工艺条件为：添加液料比为9∶1的体积分数为75%的酒精溶液，在60℃浸提2 h后，离心分离，从而得到醇溶蛋白溶液。将脱色处理后的玉米皮和未处理的玉米皮分别用于提取玉米醇溶蛋白，其结果见表6。

表5 醇溶蛋白提取预测表Table 5 The forecast of zein extraction

表6 不同方法提取玉米醇溶蛋白的比较Table 6 Comparison of different methods on extraction of Zein

由表6可知，采用传统方法提取玉米醇溶蛋白，由于原料中含有大量的色素，导致其醇溶蛋白提取液的颜色较深，产品呈黄色，影响了玉米醇溶蛋白的质量。而采用本实验方法不但能提高醇溶蛋白的一次提取率，而且提取的玉米醇溶蛋白液颜色很浅，产品为白色，玉米醇溶蛋白质量的提高也有利于其后续的应用。

3 结论

1）提取玉米黄色素的最佳工艺条件为：料液比为1∶15的无水乙醇，在50℃浸提3 h后，离心，得到玉米黄色素提取液，提取率为83.7%。

2）将提取完玉米黄色素的玉米皮进行玉米醇溶蛋白的提取，通过响应面分析法确定，从浸泡过的玉米胚乳中提取玉米醇溶蛋白的最佳工艺条件为：添加液料比为9∶1的75%乙醇溶液，在60℃浸提2 h后，离心分离，得到醇溶蛋白提取液一次提取率为71.49%。得到的醇溶蛋白产品与传统方法比较，提取率高，颜色纯白。且对乙醇进行了更好的回收利用。

3）从玉米皮中先对玉米黄色素进行提取，后对玉米醇溶蛋白进行提取的方法是可行的，这为玉米皮的深度开发奠定了基础。

[1]Victor W.Neutral sugar contents of corn gluten meal and corn gluten feed[J].Agric food chem,1996,44(1):136

[2]黄国平,温其标,杨晓泉,等.超声波法提取玉米醇溶蛋白的研究[J].食品与发酵工业,2003,28(10):1-5

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[6]Box,G E P,Hunter W G,Hunter J S.Statistics for Experiments:An Introduction to design,data analysis and model building[M].New York:Wiley,1990