响应面法优化超声辅助提取红薯粗蛋白工艺研究

何春玫 李润峰 覃水琳

（广西农业职业技术学院，广西 南宁 530007）

红薯，学名番薯，是我国仅次于水稻、小麦和玉米的第四大粮食作物。红薯富含胡萝卜素、维生素、膳食纤维、蛋白质、淀粉以及钾、铁、镁、钙等矿物元素,为营养价值较高的天然保健食品[1，2]，有防癌、抑制胆固醇、有益心脏健康等功效[3]。据《本草纲目》记载：红薯有“补虚，健脾开胃，强肾阴”“使人长寿少疾”等功效[4]。

广西红薯种植历史悠久，一年四季均可种植。近年来，广西红薯种植面积均稳定在26.6 万hm2左右，随着种植技术不断发展，广西红薯年产量可达600 万t，红薯资源十分丰富[6]。红薯中含有丰富的粗蛋白，经检测，广西“红姑娘”红薯品种的蛋白质含量达1.40%。目前，红薯除了作为初级农产品食用外，主要用于淀粉、粉丝生产。在此过程中产生的大量废水含有蛋白质、膳食纤维等具有功能性作用的有机物质，不但浪费，还对环境造成污染。本试验拟以新鲜市售“西瓜红”红薯为原料，通过响应面法优化超声辅助法提取粗蛋白，旨为广西红薯资源综合利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

“西瓜红”红薯：产自广西，购自超市。

试剂：牛血清白蛋白（上海源叶生物科技有限公司），考马斯亮蓝G250；磷酸；95%乙醇，均为分析纯试剂。

1.2 仪器设备

KQ-300DB 型数控亲水性超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；JP-1000B 型高速多功能粉碎机（永康市久品工贸有限公司）；EL204 型电子天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；UPT-II-20T 型优普系列超纯水机（四川优普超纯科技有限公司）；V-1800型分光光度计（翱艺仪器上海有限公司）；电热鼓风干燥箱；800B台式离心机。

1.3 试验方法

1.3.1 标准曲线的制作 采用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量。分别吸取0.1mg/mL 牛血清白蛋白标准溶液0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mL 分别放入比色管中，分别加入蒸馏水至1mL，分别加入5.0mL考马斯亮蓝G-250试剂，混匀，静置5min后，以蒸馏水为空白，在595nm 处测定吸光度[5]。如图1 所示，蛋白质含量在0～0.1mg范围内与A595值有良好的线性关系。

图1 蛋白标准曲线

1.3.2 红薯粗蛋白的提取工艺和提取率的计算

（1）提取工艺：鲜薯去皮切片烘干→粉碎过40目筛→精密称量2.00 g红薯粉→超声辅助水浸提→离心（3000r/min,10min）→精密移取1.00 mL 上清液→稀释→加入5.0mL考马斯亮蓝G-250显色剂→摇匀静置5min→波长595nm 处测定样品吸光度→计算粗蛋白提取率。

（2）计算公式：

式中：Ai-红薯提取液的吸光度；n-稀释倍数；m-红薯粗粉质量（g）。

1.4 试验设计

按1.3.2，在其他条件固定不变的情况下对红薯粗蛋白进行超声辅助提取，考察超声功率、超声时间和液料比等因素对红薯粗蛋白提取的影响。单因素试验因素水平表见表1。

表1 单因素试验因素水平表

1.5 响应面分析

根据1.4单因素试验考察超声时间、超声功率及液料比对红薯粗蛋白提取的影响，利用Design Ex⁃pert10.0.4软件进行Box-Behnken响应面优化试验方案设计，响应面试验因素水平表见表2。

表2 Box-Behnken响应面试验因素水平表

1.6 最佳工艺条件验证

对1.5 拟合所得到最佳工艺条件进行3 次重复性实验，将结果取算术平均值后，与模型给出的理论数据进行比较，验证回归模型的可靠性。

2 结果与分析

2.1 红薯粗蛋白提取的单因素试验结果

2.1.1 超声功率对红薯粗蛋白提取的影响 由图2可见，在超声功率为0～240W 时，随着超声功率增大，红薯细胞破碎率越大，粗蛋白提取率越大，240W时达到最大提取率，再增大超声功率，提取率不增反而逐渐降低。因此，最佳超声功率初步确定为240W。经单因素方差分析，P=0.0036＜0.01，结果表明超声功率对粗蛋白提取率影响达极显著水平。

图2 超声功率对红薯粗蛋白提取率的影响

2.1.2 超声时间对红薯粗蛋白提取的影响 由图3可见，随着时间的推移，红薯粗蛋白的提取率呈现先增大后减小的趋势。当提取时间在0～80min 时，植物细胞壁破碎程度加大，更有利于细胞内物质的溶出。超声80min 后提取率呈现下降趋势，可能是因为随超声时间的增长细胞破壁程度更细碎，细碎的细胞面积较大，对粗蛋白有一定的吸附作用，从而导致粗蛋白提取率呈现下降趋势。因此，最佳超声时间初步确定为80min。经单因素方差分析，P=0.0001＜0.01，结果表明超声时间对红薯粗蛋白的提取影响极显著。

图3 超声时间对红薯粗蛋白提取率的影响

2.1.3 液料比对红薯粗蛋白提取的影响 由图4可见，随着液料比比值的增大，红薯粗蛋白提取率先升高后降低。其中液料比为10：1（mL/g）时，粗蛋白提取率达到最大值，之后液料比继续增加，粗蛋白提取率慢慢减小，因此最佳液料比初步确定为10：1（mL/g）。经单因素方差分析，P=0.00002＜0.01，结果表明超声功率对红薯粗蛋白提取影响极显著。

图4 液料比对红薯粗蛋白提取率的影响

2.2 响应面实验结果与分析

由表3可知，3个因素均对红薯粗蛋白的提取率有不同程度的影响，其中，超声时间的最优水平为80min、液料比的最优水平为10：1（mL/g）、超声功率的最优水平为240W。选择超声时间、液料比、超声功率3个因素的3个较优水平，以红薯粗蛋白提取率为响应值，采用Box-Behnken设计响应面试验方案。

对表3数据进行回归拟合，可得响应变量A、B、C 对红薯粗蛋白提取率（Y）的回归方程为：Y(%)=0.95+0.077A+0.032B+0.059C-0.019AB+0.011AC-0.015BC-0.062A2-0.038B2-0.036C2，利用Design Ex⁃pert10.0.4软件对表2数据进行ANOVA方差分析，结果如表4所示。

表3 响应面实验设计及结果

表4 ANOVA方差分析表

经分析，回归模型的R2=0.9844，R2Adj=0.96344，P＜0.0001，说明模型拟合度较好，模型可靠；失拟项P=0.7791，影响不显著，可见试验结果受非试验因素影响不大；变异系数C.V.%=1.83＜5，精密度值=22.29＞4，说明该模型合理，可信度较高。因此，可应用该模型预测和分析红薯粗蛋白的提取条件。对红薯粗蛋白提取率受各因素影响的顺序为：A(液料比)＞C(超声功率)＞B(超声时间)，三个因素对红薯粗蛋白提取的影响均极显著（P ＜0.01），该结果与单因素试验的单因素方差分析结果一致。

2.3 各因素间交互作用分析

根据表4方差分析结果可见，影响因素A（液料比）与B（超声时间）之间的交互影响显著（P＜0.05），其他因素之间的交互作用不显著。交互显著项的响应面图和等高线图。

图5 两因素交互作用的响应面图和等高线图

由图5 可见，A、B 两因素的等高线图呈现椭圆形，响应面图呈现伞形，表明两者具有显著的交互作用，与表4 ANOVA方差分析结果一致。观察图中可见，沿液料比方向的曲线密度较大，可见液料比的变化对粗蛋白的提取率有较大影响，符合表4 ANOVA方差分析结果。

2.4 响应面最优工艺条件验证

经采用Design-Expert 10.0.4软件对表2结果进行数据分析，红薯粗蛋白提取的最优工艺条件为液料比11：1，超声时间81.126 min，超声功率295.565 W，预测提取率为1.003%。根据实验仪器的实际情况，调整最优提取工艺为液料比11：1，超声时间81 min，超声功率300 W，平行提取3 次，测得红薯粗蛋白提取率平均值为1.004%，与预测值相对误差为0.10%，说明该工艺条件用于提取红薯粗蛋白具有可靠性。

3 结论

本研究以市售广西产“西瓜红”红薯为原料，采用超声波辅助提取红薯粗蛋白，在单因素试验结果的基础上，通过响应面试验优化提取工艺。实验结果表明，红薯粗蛋白提取率受各因素影响的大小顺序为：A(液料比)＞C(超声功率)＞B(超声时间)，得到红薯粗蛋白提取的最优工艺条件为超声功率300 W，超声时间81min，液料比11：1，预测提取率为1.003%。田璐等[10]采用超声波辅助热水浸提法提取北京大兴区甘薯粗蛋白，最佳提取工艺为取温度40℃,时间80 min,功率205 W,料液比1∶20(g/mL)，提取率为1.01572%。罗秋水等[11]研究表明，在超声功率150W、料液比1∶10(g/mL)、提取数量3 次、超声时间30min 条件下，紫红薯粗蛋白提取得率为0.4529%。李卫林等[12]以水浸提222min,浸提温度为64.3℃,液固比值33 mL/g,提取次数3 次，紫薯粗蛋白粗品提取率为1.247%。与前人研究设计的因素略微不同，因为超声本身具有一定的发热作用，在本试验条件下未进行温度的特别设置。

综上可知，通过控制液料比、超声时间和超声功率三因素，对广西红薯粗蛋白提取率是有不同程度影响的，且工艺简单稳定，可操作性强。该提取工艺适合应用于广西红薯粗蛋白提取。