超声波辅助提取黔江肾豆蛋白质提取率的经验数学模型

肖沁林，谭九铭，覃小丽，钟金锋

(西南大学 食品科学学院，食品科学与工程国家级实验教学示范中心，重庆, 400715)

研究报告

超声波辅助提取黔江肾豆蛋白质提取率的经验数学模型

肖沁林，谭九铭，覃小丽，钟金锋

(西南大学 食品科学学院，食品科学与工程国家级实验教学示范中心，重庆, 400715)

超声波；辅助提取；黔江肾豆；蛋白质；预测模型

肾豆，作为西南地区的传统特色经济作物，又名花豆、状元豆、富贵豆，其营养价值丰富，感官品质优良，其中蛋白质是其主要组分。肾豆来源广泛，被视为优良的植物蛋白质来源，具有较大的开发利用价值[1]。因此，肾豆蛋白质提取的相关研究是对其进行开发利用的关键环节，而提取率则是衡量提取工艺的重要指标。研究提取率的变化规律，对进一步开发我国特色食品资源具有十分重要的研究意义。

食品中蛋白质的提取方法有传统的碱溶酸沉法和近年新兴的超临界、超声波等辅助提取方法[2-3]。传统的碱溶酸沉法操作简单，应用范围广，但存在提取率较低、高温使蛋白质变性等问题[4]；而超声波辅助提取不仅可有效地缩短提取时间，提高提取率，并且能有效提高蛋白质在溶剂中的分散稳定性[2, 5-6]，因此在食品相关领域备受青睐[7-9]。目前，我国对肾豆蛋白质提取主要采用溶剂提取法[10]，关于超声波辅助提取肾豆蛋白质的尚未见报道。因此，本论文将探索超声波辅助提取肾豆蛋白质过程中各因素(提取温度、超声时间、液料比和超声功率)对蛋白质提取率的影响。在此基础上，借鉴前期研究[11-13]，建立预测蛋白质提取率的经验数学模型，旨在获得提取工艺参数与提取率之间的变化规律，以期为肾豆蛋白质的高效提取和进一步开发利用提供一定的理论指导和实践依据。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

肾豆产于重庆黔江(E108°28′ 04″～108° 56′ 56″，N29° 04′29″～29° 52′10″)；牛血清白蛋白(进口分装)，考马斯亮蓝G-250(进口分装)，均购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其他试剂均为国产分析纯试剂。

1.2仪器与设备

pHS-3C酸度计，上海仪电科学仪器股份有限公司；XF-100型高速多功能粉碎机，浙江永康市红太阳机电有限公司；KQ-700DB型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；T6新世纪紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；Thermo Scientific Sorvall ST16R通用台式离心机，赛默飞世尔科技有限公司；DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司。

1.3实验方法

1.3.1 蛋白质提取

将肾豆去皮后，用粉碎机进行粉碎处理，过筛(80目)后烘干的粉末即为实验用样品。实验中，称取一定量的肾豆粉末置于100 mL锥形瓶中，按一定液料比量取相应体积的蒸馏水并调节其pH值为9.0，料液混匀后进行超声波处理，然后离心(8 000 r/min，10 min)，收集所得上清液。分别探讨提取温度(30～60 ℃)、超声时间(20～150 min)、液料比(10∶1～40∶1, mL∶g)和超声功率(350～630 W)对提取率的影响。由于肾豆脂肪含量较低[10]，为避免脱脂处理对蛋白造成不利影响，实验中不进行脱脂处理。

1.3.2 蛋白质测定

将以上操作提取得到的蛋白质采用考马斯亮蓝法[14]进行测定。具体步骤如下：将上述上清液稀释10倍，用考马斯亮蓝试剂染色后在595 nm波长下测定吸光度，并建立牛血清白蛋白标准曲线，根据标准曲线最终计算得上清液可溶性蛋白含量。

样品总蛋白含量的测定采用凯式定氮法测定，得到肾豆(干基)总蛋白含量为22.79%。以此为基础，计算不同反应参数下肾豆蛋白质的提取率。以上数据均平行测定3次。

蛋白质提取率(E)的计算公式如下：

(1)

式中:Et为提取得到的蛋白质含量，mg；E0为所测样品总蛋白质含量，mg；E为提取率，%。

2 结果与讨论

2.1反应条件对肾豆蛋白质提取率的影响

2.1.1 提取温度与提取率的关系

提取温度对肾豆蛋白质提取率的影响如图1所示。随温度的升高，蛋白质的提取率呈先升高后降低的趋势。蛋白质提取率在40 ℃时达到最大，继续升高提取温度，提取率反而降低。这主要是由于在低于40 ℃时，提高温度，可以加速分子运动，分子的剧烈运动加速了蛋白质的溶解，从而提高了蛋白质提取率；当温度高于40 ℃时，提取率反而降低，这主要是因温度过高破坏了蛋白质原有的空间结构，使其暴露了更多的疏水基团，在一定程度上降低了蛋白质在水中的溶解性[15]，最终导致蛋白质提取率降低。因此，本研究中，选择40 ℃为提取温度，考察其他反应因素对提取率的影响。

图1 提取温度对蛋白质提取率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic treatment temperature on protein extraction rate

2.1.2 超声时间与提取率的关系

图2-a是超声时间对肾豆蛋白质提取率的影响示意图。由图2-a可知，在超声时间100 min内，提取率呈快速升高的趋势；在100～150 min时，提取率升高的趋势趋于平缓，可以得知延长超声时间，可在一定程度上提高蛋白质提取率，但是，对于该提取体系而言，在100 min之后，提取率到达一定数值后，延长超声时间，促进提取率提高的作用有限。从图2-a中可以看出，提取率(E)与超声时间(t)之间呈现出较好的指数关系，对实验中的数据进行拟合后可得到如下方程：

E=a×tb

(2)

式中：E为肾豆蛋白质提取率；t为该提取体系的超声时间，min；a和b是方程系数。

图2-b对实际提取率与模型预测提取率进行比较，发现呈现较好线性关系，R2可达0.958 9。

图2 超声时间对蛋白提取率的影响Fig. 2 Effect of sonication time on protein extraction rate

2.1.3 液料比与提取率的关系

图3-a是水的质量与肾豆豆粉质量的液料比值(L，g/g)对蛋白质提取率的影响示意图。从图3-a可以看出，增大液料比，可在一定程度上提高蛋白质的提取率。在L=10时，蛋白质的提取率为44.78%；随着液料比的增大，提取率呈逐渐升高的趋势；当L=30时，提取率为66.42%。可见，当液料比为10～30时，液料比对提高提取率的促进作用较为显著。对图3-a中数据进行拟合，可分析得提取率(E)与液料比(L)之间呈现良好的对数变化规律，可以得到方程(3)：

E=c×ln(d×L+1)

(3)

式中：E为蛋白质提取率，%；L为加入水的体积与样品质量的液料比；c和d是方程系数。

图3-b为提取率值与模型预测值之间的关系，可知，两者的线性相关性较好，R2可达0.974 5。

图3 液料比对蛋白质提取率的影响Fig.3 Effect of the ratio of liquid to liquid on protein extraction rate

2.1.4 超声功率与提取率的关系

由图 4 可知，提取率随超声功率的增大呈升高的趋势，反映出超声功率对蛋白质的提取率的影响显著。因此，提高超声功率可有效提高肾豆蛋白质的提取率。对蛋白质的提取率随超声功率变化的实验数据进行拟合求解可得，提取率(E)与超声功率(P)之间呈现出较好的规律性，将其进一步处理可得：

E=ln(f×e-h/P+1)

(4)

式中：E为肾豆蛋白质提取率，%；P为超声功率，W；f和h为方程系数，e为自然对数的底数。

图4 超声功率对蛋白质提取率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on protein extraction rate

2.2预测肾豆蛋白质提取率数学经验模型的建立与验证

根据公式(2)～(4)确立的超声时间、液料比、超声功率与肾豆蛋白质提取率之间的数学关系和数学变换法则，可得到基于 3 种反应参数下的肾豆蛋白质提取率与反应条件的总关系式：

(5)

式中：E为肾豆蛋白质的提取率，%；t为反应时间，min；L为液料比；P为超声功率，W；A、B、C、D分别是方程的系数，e为自然对数的底数。

图5 蛋白质提取率实验值和数学模型预测值之间的相关性Fig. 5 Correlation between-experimental value and the predicted value of the protein extraction rate

在改变上述提取参数(即超声时间、液料比、超声功率)的情况下，通过实验测得不同条件下的蛋白质的提取率，代入该模型进行数值拟合，求得模型(5)中的各方程系数见表1。

表1 方程(5)的系数

由图5可知，实验值和模型预测值相近程度的线性相关判定系数(R2)可达到0.955 4。可见，式(5)可用于预测超声辅助提取肾豆蛋白质的提取率，并且该式对于该提取过程影响因素的优化设计具有一定理论指导意义。

3 结论

本实验系统地考察了超声波辅助提取黔江肾豆蛋白质的过程中提取温度、反应时间、液料比以及超声功率对蛋白质提取率的影响，并根据实验所得数据建立了一种预测该提取率变化规律的经验数学模型。通过对比蛋白质提取率的实验值和模型预测值，发现两者的线性相关判定系数(R2)可达0.955 4，表明该模型可很好地预测超声波辅助提取肾豆蛋白质体系中提取率的变化。

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StudyofamathmodelforQianjiangkidneybeanproteinsextractionratebyultrasonic-assistedmethod

XIAO Qin-lin, TAN Jiu-ming, QIN Xiao-li, ZHONG Jin-feng

(College of Food Sciences, National Demonstration Center for Experimental Food Science and Technology Education, Southwest University, Chongqing 400715, China)

ultrasound；assisted extraction；Qianjiang kidney bean；protein；forecasting model

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013617

本科生(钟金锋副教授为通讯作者，E-mail: jinfzhong@163.com)。

国家自然科学基金(31501446，31601430)；重庆市基础科学与前沿技术研究专项(cstc2015jcyjA80013,cstc2017jcyjAx0036)；中央高校基本科研业务费专项(XDJK2016B034)；重庆市现代特色效益农业调味品产业技术体系：2017[7]；西南大学第九届本科生科技创新基金(20161702004)

2016-12-14，改回日期：2017-01-04