响应面法优化野西瓜种子蛋白质提取工艺

田童童，张 建

（石河子大学 食品学院，新疆 石河子 832003）

响应面法优化野西瓜种子蛋白质提取工艺

田童童，张 建*

（石河子大学 食品学院，新疆 石河子 832003）

运用响应面分析法优化提取野西瓜种子蛋白质的最佳工艺条件，以蛋白质提取率作为响应值，对温度、pH值、提取时间和液料比进行中心组合设计。试验得出的二次模型的相关系数R2=96.7%。蛋白质的提取率主要受溶液的pH和液料比的影响。经过响应面分析得出野西瓜种子中蛋白质提取最佳条件为液料比23∶1（mL:g），提取时间50 min，pH值8.40和温度45℃，该条件下经模型预测得到的蛋白质提取率为17.63%，实际实验值为（17.19±0.09）%。

响应面分析法；野西瓜子；优化；蛋白质提取

野西瓜（Capparis spinosa）为白花菜科山柑仔属植物，又称刺山柑、老鼠瓜、瓜儿菜、槌果藤、菠里克果和伯格-塔乌孜等[1-4]。野西瓜的药用部位为叶、果和根皮，味辛苦，性温。具有祛风、除湿、通鼻窍、止淤消肿、止痛活血之功效；外敷患处治风湿性关节炎和疮毒。在新疆作为一种民族医药而被广泛应用[5-7]。

目前国内外对野西瓜的研究主要集中在对其成份进行分析及油的利用方面，有关野西瓜种子蛋白质提取的研究很少，鉴于此，本试验以新疆野西瓜为研究原料，通过响应面分析法优化其种子蛋白质提取条件，并且对优化的工艺参数进行实际试验考察以验证响应面模型的正确性。此外，该研究对新疆野西瓜的附加值的增值具有一定的促进作用，同时为野西瓜今后的深度开发及利用提供一定的数据基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

野西瓜：购买于石河子市友好超市。KH2PO4、Na2HPO4、NaOH、HCl均为分析纯：天津市福晨化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

Millio-Q Grandient超纯水系统：美国密理博公司；BL-206-II高速冷冻离心机：上海安亭科学仪器厂；DHG-9053A电热恒温鼓风干燥箱：上海智城分析仪器制造有限公司；PHS-3C精密酸度计：上海雷磁仪器厂；DFY-500摇摆式高速粉碎机：温州温岭市机械有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 原料预处理

将野西瓜去皮得其野西瓜种子，在45℃烘箱中干燥后经粉碎机粉碎，过80目筛得野西瓜种子粉末。将粉碎后的野西瓜种子与正己烷以1∶5（g∶mL）的比例混合浸泡2.5 h以除去其中的脂肪。脱脂后的野西瓜种子粉末再在45℃的烘箱中进行干燥，然后继续将其粉碎，粉碎后的样品过120目筛，经过上述处理的样品装入聚乙烯袋中在室温下保藏备用。

1.3.2 野西瓜种子蛋白质提取

称取10 g的样品于装有0.05 mol/L磷酸盐缓冲液（phosphate buffer solution，PBS）及pH 8.0、0.01%聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）的玻璃烧杯中，在恒定的温度下不断的搅拌使其充分溶解。通过加入0.5 mol/L NaOH或0.5 mol/L HCl来调节水解液的pH值使其保持恒定。然后将水解液于4 500 r/min的条件下离心20 min，合并上清液。并且采用福林酚法测定其中可溶性蛋白质的含量，标准曲线回归方程为A660nm=8.132C+0.035 7（R2=0.997 8），所有的实验至少重复3次。野西瓜种子蛋白质提取率按下列公式计算：

式中：C为标准溶液蛋白（牛血清蛋白）质量浓度，mg/mL；A待测为样品蛋白质在660 nm的波长下的吸光度值；m为试验用样品野西瓜种子的质量，g。

1.3.3 野西瓜子主要组成成分的测定

粗脂肪含量的测定方法参照GB/T 5512—2008《粮油检验粮食中粗脂肪含量测定》；粗蛋白含量的测定方法参照GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白质的测定》；水分含量的测定方法参照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》；灰分含量的测定方法参照GB/T 5009.4—2003《食品中灰分的测定》。

1.3.4 试验设计和统计分析

对水解液pH值，液料比，提取温度，提取时间进行单因素考察，然后利用响应面分析法优化提取野西瓜子粗蛋白的条件。采用Design-Expert 8.0软件的中心组合设计（centralcomposite designs，CCD）原理，以提取温度（X1）、水解液pH值（X2）、提取时间（X3）、液料比（X4）4因素，以野西瓜子蛋白质提取率（Y）为响应值，设计4因素5水平共29个试验点，响应面中心组合设计的因素水平编码如表1所示。

2 结果与分析

2.1 野西瓜子组成成分

野西瓜子的主要组成成分如表2所示。

由表2可知，野西瓜子粗蛋白的含量达到24.02%。但是QUANHANG L等[8]研究表明发芽的南瓜子中蛋白质含量为24.5%～36.0%，MIZUBUTII Y等[9]研究表明树豆中蛋白质含量为15.5%～28.8%。RUSTOMIYS等[10]对花生中蛋白质作了检测，数据显示花生蛋白的含量大概在22.04%左右。GUO T L等[11]利用响应面方法从毛竹笋中提取蛋白质，其含量最大为13.05%。结果表明，与其他植物蛋白源相比，野西瓜子中蛋白质含量比较丰富，可以作为一个潜在的补充人体蛋白质的来源。

2.2 模拟方程的建立及方差分析

以提取温度（X1）、水解液pH值（X2）、提取时间（X3）、液料比（X4）为响应变量，以野西瓜子蛋白质提取率（Y）为响应值，响应面分析方案及试验结果见表3。利用响应面软件Design Expert8.0对表3给出的试验结果进行多元拟合和方差分析，得到的野西瓜子蛋白质提取的多元线性回归方程：

相关系数R2=0.966 8。

通过对比响应面软件中回归模型给出的预测值与试验所得的实际值，试验得出结论，结果如图1所示，从图1中可以看出二者拟合程度较好，二次多项模型的方差分析结果见表4。

由表4可知，当P＜0.05时，影响因素对响应值影响为差异显著，当P＜0.001时为差异高度显著，P＜0.000 1时为差异极显著[12-13]。方差分析表中显示模型的P＜0.000 1，失拟项的P＞0.05，说明试验选取的模型表现出高度的显著性，失拟项不显著，表明响应面中心组合试验设计的模型与实际试验拟合良好，模型的相关系数R2=0.966 8，更加说明该模型的可信度较高。一般情况下，如果变异系数≤10%就说明试验模型具有良好的重复性[14-15]。经计算得到变异系数（coefficient of variation，CV）=1.65%，说明响应面中心组合设计模型的合理性，可行性。

2.3 提取条件的优化

提取温度、pH值、提取时间、液料比对野西瓜种子蛋白质提取率影响的响应曲面及等高线见图2。图2A显示了温度和pH值对野西瓜种子蛋白质的提取率的影响，可以观察到pH值对蛋白质提取率的影响表现出二次关系，而温度则为线性关系。随着pH值不断增加，蛋白质提取率也在逐渐升高，然而温度则对其影响不是很显著。图2B显示的提取温度与提取时间对蛋白质提取率的影响，可以明显看出没有曲面形成，没有明显表现出蛋白质提取率增减的趋势，又结合图2A、图2C可以得出提取时间与提取温度对蛋白质提取率的交互影响不显著。图2C显示了温度和液料比对野西瓜种子蛋白质提取率的影响，可以明显看出温度对蛋白质提取率的影响是呈现出线性关系，而液料比则显示出二次影响，随着提取温度不断升高，蛋白质提取率没有表现明显的变化，而随着液料比的不断上升，蛋白质提取率呈现出先增加后减少的趋势。图2D表明pH值和提取时间对蛋白质提取率都显示出二次影响，二者之间的交互作用对蛋白质提取率的影响特别显著。图2E显示的是pH值和液料比对蛋白质提取率的影响，随着pH值和液料比的增加，蛋白质提取率也在不断的上升。图2F显示的是提取时间和液料比对蛋白质提取率的影响，随着液料比的增加蛋白质提取率呈现先上升后下降的趋势。

2.4 验证试验

应用响应面软件Design Expert 8.0本身自带的最优工艺参数统计模块，由软件给出的最优野西瓜种子蛋白质提取最佳工艺条件为：液料比23∶1（mL∶g），提取时间50 min，pH值8.40和温度45℃，模型预测蛋白质提取率为17.63%。按照软件给出的最优工艺参数，进行了至少3次试验，得到的蛋白质提取率的平均值为（17.19±0.09）%，模型预测值与试验实际值相对偏差较小，说明本实验所选模型具有很高的拟合性。

3 结论

从野西瓜种子中提取蛋白质，通过响应面设计了29组实验，其中考察的因素有温度，pH值，液料比和提取时间。蛋白提取率的试验值变化范围为13.32%至17.72%。通过响应面软件对蛋白质提取率做了二次模型的拟合，其表现出了显著性的影响。pH值和液料比是影响最显著的因素。野西瓜种子中蛋白质提取最佳条件是：液料比23∶1（mL∶g），提取时间50 min，pH 8.40和温度45℃，该条件下经模型预测得到的蛋白质提取率为17.63%，实际实验值为（17.19±0.09）%，要稍微偏低于预测值。这对未来野西瓜的综合开发、利用及提高其经济价值，附加值具有一定的现实意义，同时为其提供了数据基础。

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Optimization of protein extraction fromCapparis spinosa seeds by response surface methodology

TIAN Tongtong,ZHANG Jian*

(College of Food Science,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

The optimum conditions for protein extraction from Capparis spinosa seeds were determined by response surface methodology.Using protein extraction ratio as evaluation index,a centralcomposite design was conducted using temperature,pH,extraction time and solid to liquid ratio as indexes.The quadratic correlation coefficientof the modelwas 96.7%.Results showed thatprotein yield was primarily affected by pH and solid to liquid ratio,and the optimalprotein extraction conditions from C.spinosa seeds were solid to liquid ratio 23:1(ml:g),time 50 min,pH 8.4 and temperature 45℃.Under these conditions,the predicted protein extraction ratio was 17.63%,and the experimentalvalue was(17.19±0.09)%.

response surface methodology;Capparis spinosa seeds;optimization;protein extraction

TS209

A

0254-5071（2015）02-0096-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.02.022

2014-12-29

国家自然科学基金（31260366）；石河子大学青年骨干教师培训（3152SPXY01027）

田童童（1990-），男，硕士研究生，研究方向为食品生物化学。

*通讯作者：张 建（1979-），男，副教授，博士，研究方向为食品生物化学。