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碱提法提取栝楼籽蛋白工艺条件的优化

2015-10-09林树花谭兴和李高阳

湖南农业科学 2015年2期
关键词:栝楼固液粒度

林树花,谭兴和,李高阳,刘 阳

(1. 湖南农业大学食品科技学院,湖南 长沙410125;2. 湖南省农产品加工研究所,湖南 长沙410125)

栝楼,又名吊瓜、瓜蒌、药瓜,属葫芦科栝楼属多年生草本植物,是我国传统常用的中药材,具有扩张冠脉,抗肿瘤、抗菌、抗衰老、抗艾滋病、抑制血小板凝集等功效,对消化系统有预防溃疡和泻下的作用[1]。栝楼籽外表有坚壳,呈深褐色,长椭圆形,籽肉略有涩味,富含油脂、蛋白等多种营养成分[2]。目前,国内外对栝楼籽蛋白提取的研究还少见报道。碱提法作为一种传统的蛋白质提取方法,因其适应性广、成本低、易操作而成为植物蛋白提取的首选方法[3]。因此,试验拟通过正交优化设计,确定碱提法提取栝楼籽分离蛋白的最佳工艺参数,为栝楼籽这一优质蛋白的生产应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试栝楼籽由湖南永州市金腾栝楼发展有限公司提供。试验主要试剂有盐酸、氢氧化钠、硫酸、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、95%乙醇、无水乙醚等,均为分析纯。试验主要仪器有ZK 组织捣碎机(江苏盐城科学仪器厂)、79-1 磁力搅拌器(湖南湘仪科学仪器设备有限公司)、RE-5286A 旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)、DHG9071A 电热恒温干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)、ES-200 电子天平(长沙湘平科技发展有限公司)、AL204 分析天平(梅特勒-托利多仪器上海有限公司)、DELTA 320pH 计(METTLERTOLEDO)、501型恒温水浴锅(金坛市岸头国瑞实验仪器厂)、TG16-WS 离心机(长沙湘智离心机有限公司)、全自动蛋白质测定仪(福斯)、全自动凯氏定氮消化仪(福斯)、DB-2 不锈钢电热板(北京市永光明医疗仪器厂)、FREEZONE4.5L 立式冷冻干燥机(LABCONCO)。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程 (1)脱脂栝楼籽粉的制备:栝楼籽→去壳→破碎→加入无水乙醚脱脂→过滤→蒸发滤液→烘干→脱脂栝楼籽粉末(以下简称栝楼籽粉)。(2)碱提法制备蛋白的过程:准确称取一定量栝楼籽粉于50 m L 离心管中,按一定固液比加水混匀,用1 mol/L 氢氧化钠调节碱提pH 值,放入水浴锅中,在适宜的温度下浸提一定的时间。然后取出冷却,调节酸沉pH 值,沉淀后于5 500 r/m in 离心15 min,弃上清,取沉淀调pH 值至中性,冷冻干燥得分离蛋白粉。

1.2.2 试验设计 (1)单因素试验设计:①栝楼籽粉粒度大小,在固液比为1︰20,碱提pH 值为9.0,提取温度50℃,提取时间60 m in 的条件下,分别考察过20目、60 目、100 目、140 目、180 目筛对栝楼籽蛋白得率的影响;②酸沉pH 值,在固液比为1︰20,碱提pH 值为9.0,提取温度50℃,提取时间60 m in 的条件下,考察酸沉pH 值3.4、3.6、3.8、4.0、4.2 对栝楼籽蛋白得率的影响;③提取时间,在粒度大小100 目,固液比为1︰20,碱提pH 值为9.0,提取温度50℃的条件下,分别考察40、50、60、70、80、90、100、110 m in 的提取时间对栝楼籽蛋白得率的影响;④提取温度,在粒度大小100 目,固液比为1︰20,碱提pH 值为9.0,提取时间60 m in 的条件下,分别考察30、40、50、60、70℃温度对栝楼籽蛋白得率的影响;⑤固液比,在粒度大小100目,碱提pH 值为9.0,提取温度50℃,提取时间60 m in 的条件下,分别考察1︰10、1︰15、1︰20、1︰25、1︰30 的固液比(w︰v)对栝楼籽蛋白得率的影响;⑥碱溶pH 值,在粒度大小100 目,固液比为1︰20,提取温度50℃,提取时间60 m in 的条件下,分别考察碱溶pH 值8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5 对栝楼籽蛋白得率的影响。(2)正交试验:在单因素试验的基础上以提取时间、提取温度、固液比、碱溶pH 值为考察对象,栝楼籽蛋白得率为响应值,应用L9(34)的正交设计优化碱提法提取栝楼籽蛋白的工艺条件。正交试验因素水平表见表1。

表1 碱提法正交试验因素水平表

1.2.3 测定方法与计算 蛋白质测定(GB 5009.5-2010)采用凯氏定氮法。蛋白质得率计算公式如下:

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 栝楼籽粉粒度大小的选择 从图1 中可以看出,当栝楼籽粉粒度在20~100 目时,栝楼籽蛋白的得率几乎呈线性上升趋势,这是因为目数增加则颗粒越细小,其与溶液接触的表面积越大,反应加快,因此提取率增加;在100 目时,栝楼籽蛋白质的得率达最大值(37.77%);在100~140 目时,栝楼籽蛋白的得率逐渐下降,这可能是此时的粘度增大,对反应反而形成了阻碍,因而造成提取率下降;而在140~180 目时,栝楼籽蛋白的得率又有所上升。这也许是因为随着目数的增加,单位质量的栝楼籽粉所含蛋白质含量也随之增加。因此,选择100 目作为栝楼籽粉的最适粒度。

图1 栝楼籽粉粒度大小对栝楼籽蛋白得率的影响

2.1.2 酸沉pH 值的确定 等电点法提取蛋白质具有避免蛋白质变性、尽可能减少杂质、缩短工艺流程、降低生产成本等优点[4]。由图2 可知,pH 值在3.4~3.8 范围时,栝楼籽蛋白的得率由26.97%上升至36.29%;当pH 值在3.8~4.0 时,得率有所下降;而在4.0~4.2 时,得率的变化不大。当pH 值为3.8 时,栝楼籽蛋白的得率最高(36.29%),即沉淀所得的栝楼籽蛋白质最多,这是因为蛋白质分子间的静电排斥作用使蛋白质聚集、沉淀、溶解度降低,而大多数食物蛋白质的最低溶解度一般出现在等电点附近[5-6],因此确定酸沉pH 值为3.8。

图2 酸沉pH 值对栝楼籽蛋白得率的影响

2.1.3 最佳提取时间的选择 从图3 中可以看出,在40~70 m in 时,随着时间的延长,栝楼籽蛋白的得率增加不明显,这可能是因为水温透过离心管传导至样液需要一定时间,故导致这一时间段内栝楼籽蛋白的得率增加缓慢;而当提取时间由70 m in 增加至90 m in时,栝楼籽蛋白的得率陡然增加并达到最大值(36.41%);而后随着时间的延长得率变化不大。因此,选择90 m in 为最佳提取时间。

图3 提取时间对栝楼籽蛋白得率的影响

2.1.4 最适提取温度的确定 由图4 可知,在20~60℃时,随着提取温度的升高,栝楼籽蛋白的得率几乎呈直线急剧上升;这是由于随着温度的升高,溶液中的分子运动活跃,反应速度加快,因而得率上升显著;在60℃时,栝楼籽蛋白的得率达到最大值(36.73%);随后,当温度继续增加时,栝楼籽蛋白的得率却快速下降,这可能与部分蛋白质由于高温变性而未能被充分溶解有关。因此,确定60℃为最适提取温度。

2.1.5 最佳固液比的确定 从图5 中可以看出,随着溶液量的增加,栝楼籽蛋白的得率呈现出现上升后下降的趋势,在固液比为1︰20 时,得率达到最大值(35.08%)。因此,选择1︰20 为最佳固液比。

2.1.6 碱溶pH 值的确定 由图6 可知,当pH 值在8.0~8.5 时,栝楼籽蛋白的得率上升趋势不明显;当pH值在8.5~9.0 时,得率急剧上升;随着pH 值的继续增加,得率持续升高,并在9.5 时,达到最大值(35.09%);当pH 值在9.5~10.5 时,得率有所降低,但降低幅度不大,此时的栝楼籽蛋白得率在30%以上。由此可见,栝楼籽蛋白在强碱环境下更容易溶入水中,故选择pH 值9.5 为最适碱溶pH 值。

图4 提取温度对栝楼籽蛋白得率的影响

图5 固液比对栝楼籽蛋白得率的影响

图6 碱溶pH 值对栝楼籽蛋白得率的影响

2.2 正交试验结果

由表2 可知,各因素对栝楼籽蛋白得率的影响由大到小依次排列为B(温度)>D(碱提pH 值)>C(固液比)>A(提取时间);各因素的最优水平分别是A1、B3、C2、D3;即碱提法提取栝楼籽蛋白的最佳工艺条件为:提取温度70℃,碱提pH 值10.0,固液比1︰20,提取时间80 min。在此工艺条件下重复试验3 次,栝楼籽蛋白的得率分别是42.89%、46.33%、43.88%,平均得率为44.37%。

表2 正交试验结果

3 结论

试验结果表明,以过100 目筛的脱脂栝楼籽粉为材料,在酸沉pH 值为3.8 的条件下通过碱提法提取其中的蛋白质,最优工艺条件如下:提取温度70℃,碱提pH 值10.0,固液比1︰20,提取时间80 m in,在该工艺条件下蛋白质的平均得率为44.37%。同时,在试验过程中还发现碱提法具有适应性广、成本低、易操作等优点,提取所获得的栝楼籽蛋白能保持其原有的功能特性,可作为食品加工、保健品、食品添加剂等的原辅用料,为栝楼籽的进一步开发利用拓宽了途径。

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[3]熊 拯,陈敏娥,张炳亮.油茶籽粕蛋白质提取工艺及功能特性研究[J].粮油食品科技,2013,21(1):28-30.

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