超声波辅助碱法提取玉米胚芽粕蛋白质工艺研究

薛　颖，王联结，党艳妮，徐倩儒（陕西科技大学生命科学与工程学院，陕西西安710021）

超声波辅助碱法提取玉米胚芽粕蛋白质工艺研究

薛颖，王联结*，党艳妮，徐倩儒
（陕西科技大学生命科学与工程学院，陕西西安710021）

以蛋白质提取率作为衡量指标，利用超声波辅助碱法提取玉米胚芽粕蛋白质。通过单因素和响应面实验，得出最佳提取条件：液料比为25∶1mL/g，超声功率为120W，超声时间为40min，pH为10。在此条件下，得到的玉米胚芽粕蛋白提取率为41.93%。与单纯碱法相比，超声波辅助碱法得到的玉米胚芽粕蛋白提取率增加。而且超声波辅助法能在室温下进行，并大大缩短了时间。

玉米胚芽粕，蛋白质，超声波，提取

玉米胚芽粕是玉米胚芽经过榨油后得到的残渣，是玉米油厂的一种主要副产品，它的主要成分是玉米胚芽蛋白和玉米纤维［1］。其粗蛋白含量占23%～25%［2］，含有人体必需的8种氨基酸，同时具有很好的吸油、持水、粘结、延展、乳化、凝胶等功能特性［3］，是人类可食用的一种优质蛋白［4］。国内仅仅将玉米胚芽粕作为饲料处理，造成了资源的浪费［5］。因此，通过对玉米胚芽粕进行深加工来提高玉米产品的价值就显得尤为重要。

目前，提取玉米胚芽蛋白的方法有碱溶酸沉法、酶解法或碱溶酸沉与酶解复合的方法［6］。据资料报道，碱法工艺成本低，但是存在pH高、制备的蛋白容易变性且提取率低等缺点；酶法制备玉米胚芽蛋白反应条件较温和，所得蛋白营养价值高，但其工艺成本较碱法高［7］。

超声波是一种新型的物理提取方法，安全可靠，对营养价值破坏小。超声波能将材料中的蛋白质粉碎、液化，降低提取温度，减少蛋白质的变性沉淀，得到优质的蛋白质［8］。利用超声波辅助提取蛋白质，可有效提高提取效率，缩短提取时间，节约成本。但到目前为止，国内有关超声波提取玉米胚芽粕蛋白的研究却鲜有报道。

本文通过单因素实验和响应面实验，对超声波辅助提取玉米胚芽粕蛋白质的工艺进行了研究，确定了最佳提取工艺参数，为玉米胚芽粕深加工和综合开发利用提供基础理论参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

脱脂玉米胚芽粕西王集团技术开发中心，高速万能粉碎机粉碎后过100目筛，烘干备用；氢氧化钠天津市恒兴化学试剂制造有限公司，分析纯；磷酸（AR85%）、无水乙醇、考马斯亮蓝G-250天津市天力化学试剂有限公司，分析纯；牛血清蛋白西安百灵克科技有限公司，分析纯。

HAP-300超声波处理仪宁波新芝生物科技股份有限公司；FW100型高速万能粉碎机天津市泰斯特仪器有限公司；868型pH计热电（上海）仪器有限公司；TDL-5A型离心机上海菲恰尔分析仪器有限公司；HZS．HA水浴振荡器哈尔滨市东明医疗仪器厂；BS200S型电子天平北京赛多利斯天平有限公司；PHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱上海浦东荣丰科学仪器公司；722E型可见分光光度计上海光谱仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1玉米胚芽粕蛋白质提取的工艺流程脱脂玉米胚芽粕→粉碎→过100目筛→加蒸馏水（调节一定的料液比）→加氢氧化钠溶液（调节pH）→超声处理（设定超声时间、超声功率）→离心分离（3500r/min，30min）→取上清液→考马斯亮蓝染色→测定吸光度

1.2.2玉米胚芽粕蛋白质的测定方法原料玉米胚芽粕中总蛋白含量的测定采用凯氏定氮法，参照GB 5009.5-85［9］。经测定，本实验中脱脂玉米胚芽粕的蛋白质含量为18.46%。上清液中蛋白质含量以牛血清蛋白为标准，用考马斯亮蓝法测定［10］。玉米胚芽粕蛋白质的提取率按式（1）计算。

1.2.3玉米胚芽粕蛋白质提取的单因素实验

1.2.3.1液料比对玉米胚芽粕蛋白质提取率的影响称取2.0g脱脂玉米胚芽粕粉，将液料比分别设置为10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1mL/g，在超声时间为30min，超声功率120W，pH为10的条件下，研究不同的液料比（mL/g）对蛋白质提取率的影响。

1.2.3.2超声功率对玉米胚芽粕蛋白质提取率的影响称取2.0g脱脂玉米胚芽粕粉，加入50mL蒸馏水（液料比为25∶1，mL/g），将超声功率分别设置为60、80、100、120、140W，在超声时间为30min，pH为10的条件下，研究不同的超声功率（W）对蛋白质提取率的影响。

1.2.3.3超声时间对玉米胚芽粕蛋白质提取率的影响称取2.0g脱脂玉米胚芽粕粉，加入50mL蒸馏水（液料比为25∶1，mL/g），将超声时间分别设置为20、30、40、50、60、70min，在pH为10，超声功率120W的条件下，研究不同超声时间对蛋白质提取率的影响。

1.2.3.4pH对玉米胚芽粕蛋白质提取率的影响称取2.0g脱脂玉米胚芽粕粉，加入50mL蒸馏水（液料比为25∶1，mL/g），将pH设置为7、8、9、10、11、12，设定超声时间为40min，超声功率120W，研究不同pH对蛋白质提取率的影响。

1.2.4玉米胚芽粕蛋白质提取的响应面实验根据单因素实验的结果，采用响应面分析方法对玉米胚芽粕蛋白质提取工艺进行优化，以影响玉米胚芽粕蛋白提取率的液料比（A）、超声功率（B）、超声时间（C）、pH（D）为实验因素，以玉米胚芽粕的蛋白提取率（Y）为目标，设计了四因素三水平的响应面分析实验。实验中的因素和水平见表1。

表1　超声波辅助提取玉米胚芽粕蛋白实验设计Table 1　Experimental design of ultrasonic-assisted extraction of protein of corn germ meal

1.2.5数据处理采用统计分析软件Design-Expert 8.05b对数据进行响应面分析。

2　结果与分析

2.1标准曲线的绘制

根据考马斯亮蓝法，以吸光度（y）为纵坐标，牛血清蛋白质量为横坐标（x）绘制标准曲线（见图1）：y=5.4736x-0.0636，R2=0.9951。

图1　蛋白质标准曲线Fig.1　The standard curve of protein

2.2超声波法提取玉米胚芽粕蛋白质的单因素实验

2.2.1液料比对玉米胚芽粕蛋白质提取率的影响由图2可知，随着液料比的增大，超声波辅助法得到的蛋白质提取率先呈上升趋势，这可能是随着液料比的增大，蛋白质在溶液中的溶出也增多。但当液料比超过25∶1的时候，蛋白质提取率下降。因此，超声辅助提取的最佳液料比为25∶1。

图2　液料比对蛋白质提取率的影响Fig.2　Influences of liquid/solid ratio on extraction rate of protein yield of corn germ meal

2.2.2超声功率对玉米胚芽粕蛋白质提取率的影响

由图3可知，随着超声功率的不断增大，超声波辅助法得到的蛋白质提取率不断增大。超声功率越大，超声处理时提取液温度升高越明显，越容易造成蛋白质的变性、淀粉糊化的现象，不利于蛋白质的提取。考虑到实验仪器的限制和蛋白提取率的变化趋势，故选取超声功率120W为最适条件。

图3　超声功率对蛋白质提取率的影响Fig.3　Influences of ultrasonic treatment power on extraction rate of protein yield of corn germ meal

2.2.3超声时间对玉米胚芽粕蛋白质提取率的影响

由图4可知，随着超声时间的延长，超声辅助法得到的蛋白提取率是先上升后下降，之后再上升后下降，在40min时达到最大值。刚开始提取率上升是因为超声波能加速释放细胞内物质，利于其扩散与溶解［11］。因此，蛋白质提取率是随着时间的增加而增加。但是随着超声波作用时间延长，溶液温度逐渐升高，最终导致蛋白质变性，如此便降低了提取率。超声波的这两种作用相互影响，可能造成了玉米胚芽粕蛋白质提取率的波动。当蛋白质变性的数量达到一定程度，提取率便不会再上升。因此，超声辅助提取的最佳超声时间为40min。

图4　超声时间对蛋白质提取率的影响Fig.4　Influences of ultrasonic treatment time on extraction rate of protein yield of corn germ meal

2.2.4pH对玉米胚芽粕蛋白提取率的影响由图5可知，随着pH的增大，超声波辅助法得到的蛋白质提取率是先上升，然后下降，最后又上升。这是因为pH的变化，既促进了细胞颗粒胞膜的破裂和溶解，利于蛋白质的溶出；又改变了蛋白质的带电状况，从而改变了蛋白质和蛋白质、蛋白质和水之间的相互作用，最后导致蛋白质溶出率的变化。但是蛋白质经强碱性作用后会导致粘度增加，扩散系数降低，还可能会导致蛋白质营养性质的破坏甚至产生毒性［12］。此变化趋势与张晓芸等［13］用超声波辅助碱法提取芡实蛋白工艺的研究是一致的。综合考虑，在pH为10时提取玉米胚芽粕蛋白较为合适，因此选取pH9、10、11继续做响应面实验。

图5　pH对蛋白质提取率的影响Fig.5　Influences of pH values on extraction rate of protein yield of corn germ meal

表2　超声波辅助提取玉米胚芽粕蛋白的响应面设计结果Table 2　Experimental results of ultrasonic-assisted extraction of protein of corn germ meal

2.3响应面实验结果分析

以液料比（A）、超声功率（B）、超声时间（C）、pH（D）为自变量，以玉米胚芽粕蛋白的提取率（Y）为响应值，进行响应面实验分析，响应面实验安排与结果见表2。

采用Design-Expert 8.0.5bTrial软件的ANOVA程序对表2的实验的结果进行二次回归分析，可以得到影响蛋白质提取率及其各因素变量间的标准回归方程式，如下：

从回归方程看出，液料比、超声功率、超声时间、pH的一次项系数的绝对值分别是0.19、1.57、0.55、3.20，各因素的影响顺序是：pH＞超声功率＞超声时间。二次项交互项BD、CD的系数的绝对值分别为1.75、1.07，影响较大而其余二次项AB、AC、AD、BC系数的绝对值较小，对蛋白质提取率影响较小。

表3　方差分析结果Table 3　Variance analysis of experiment of protein of corn germ meal

由表3可知，F模型=70.13968，p＜0.0001，表明模型极显著，液料比对提取率的影响不显著，超声时间对提取率影响显著，提取功率和pH对提取率影响非常显著，交互项BD、CD及所有二次项对蛋白质含量影响显著。模型相关系数的平方即R2为98.59%，回归方程拟合程度良好，失拟性较小，实验误差较小，可用该方程代替真实实验点进行分析。

响应面结果分析：分别将模型中的液料比、超声功率、超声时间、pH的其中两个影响因素确定为在0水平，可以得到另外的两个因素的交互作用对蛋白质提取率的子模型，并根据模型分别绘制三维曲面图，见图6。

图6　蛋白质提取率的响应面Fig.6　Response surface and contour lines of extraction rate of protein

由图6可知，当液料比、超声时间都固定在0水平时，考察超声功率和pH的交互作用对提取率的影响，过高和过低的超声功率和pH都会使玉米胚芽粕蛋白提取率下降。当液料比、超声功率都固定在0水平时，考察超声时间和pH的交互作用对提取率的影响，超声时间对提取率的影响要小于pH。由图6可知，以上两个响应面都存在最高点，且响应面为凸面，表明玉米胚芽粕蛋白提取率存在一个最大预测值。这个最大值就是在此条件下的最优工艺。而且，凸的程度越大，对响应值的影响就越大。因此，超声功率和pH的交互作用对提取率的影响要大于超声时间和pH的交互作用对提取率的影响，与回归方程的分析相一致。

2.4响应面结果验证实验

由软件分析，可得出超声波辅助碱法提取玉米胚芽粕蛋白质的最佳工艺条件为：液料比为24.83∶1mL/g，超声功率为124.39W，超声时间为41.74min，pH为10.22，在此条件下，蛋白质提取率可达42.205%。将最佳条件修正为液料比为25∶1mL/g，超声功率为120W，超声时间为40min，pH为10，在此条件下所得玉米胚芽粕蛋白质的实际提取率为41.93%，比预测值低0.65%。由此可见，通过该模型得到的超声波碱法提取玉米胚芽粕蛋白的最佳工艺条件具有可行性。

3　结论

在单因素实验基础上，通过响应面实验，可以看出液料比对玉米胚芽粕蛋白质提取率的影响不显著，而pH、超声功率、超声时间对蛋白质的提取率的影响显著，影响的顺序为：pH＞超声功率＞超声时间。得到了玉米胚芽粕蛋白的最佳提取条件为：液料比为25∶1mL/g，超声功率为120W，超声时间为40min，pH为10，在此条件下所得玉米胚芽粕蛋白质的实际提取率为41.93%。超声辅助法提取与刘丽娜等［14］用单纯碱法提取相比，玉米胚芽粕蛋白的提取率提高，而且超声辅助法可在室温下进行，并大大缩短了提取时间。

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Study on ultrasonic-assisted alkali extraction techniques of protein from corn germ meal

XUE Ying，WANG Lian-jie*，DANG Yan-ni，XU Qian-ru
（College of Life Science，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China）

Taking the protein extraction rate as a measure indicator，ultrasonic-assisted technology was used to extract the protein from corn germ meal.By single factor investigation and response surface methodology，the optimum extraction conditions were obtained：ratio of liquid：material at 25∶1mL/g，ultrasonic power 120W，ultrasonic time 40min，and pH value 10.Under these conditions，the protein extraction yield ratio reached 41.93%.Compared with the alkali method extraction，protein extraction rate of corn germ meal was improved by ultrasonic-assisted extraction.Furthermore，ultrasound-assisted extraction could be finished under room temperature and the extraction time was greatly shortened.

corn germ meal；protein；ultrasonic wave；extraction

TS210.9

B

1002-0306（2015）02-0248-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.045

2014-05-22

薛颖（1990-），女，硕士研究生，研究方向：食品科学与工程。

王联结（1955-），男，硕士研究生，教授，研究方向：食品蛋白化学与功能研究。