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(1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002;2. 福建省水產(chǎn)研究所,福建廈門(mén) 361013)

魷魚(yú)營(yíng)養(yǎng)豐富,富含多種人體必需氨基酸,是一種高蛋白、低脂肪、低熱量,深受人們喜愛(ài)的水產(chǎn)品。其含有多種人體必需的氨基酸,且必需氨基酸組成接近全蛋白[1],具有緩解疲勞、滋補(bǔ)、抗衰老、抗氧化、養(yǎng)顏等作用。近年來(lái),魷魚(yú)加工產(chǎn)量日益擴(kuò)大,但在加工過(guò)程中一般僅對(duì)其酮體進(jìn)行加工,產(chǎn)生50%左右的內(nèi)臟等副產(chǎn)物,其中生殖腺(纏卵腺、精巢、卵巢等)占了魷魚(yú)內(nèi)臟的20%～30%。魷魚(yú)加工副產(chǎn)物中含有大量具有高價(jià)值、含量大的功能活性成分,現(xiàn)已逐漸被開(kāi)發(fā)和高值化利用,如林彩平等[2]以魷魚(yú)內(nèi)臟為原料,研究了酶法提取魷魚(yú)肝油的生產(chǎn)工藝;宋茹等[3]采用酶解法提取了魷魚(yú)墨囊中的墨黑色素;章建設(shè)等[4]從魷魚(yú)內(nèi)臟中提取了糖蛋白,具有一定的免疫活性。纏卵腺在頭足類中普遍存在,位于直腸兩側(cè)內(nèi)臟囊壁上,墨囊的兩側(cè),呈白色卵狀,與頭足類的生殖活動(dòng)密切相關(guān)[5]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于頭足類纏卵腺的研究很少。Yu等[6]在柔魚(yú)Ommastrephid squid的纏卵腺中發(fā)現(xiàn)一種特殊的海洋粘蛋白,用制成高保濕和皮膚保護(hù)的化妝品。糖蛋白是一類由寡糖鏈與肽鏈中的一定氨基酸殘基以糖苷鍵共價(jià)連接而成的蛋白質(zhì),具有調(diào)節(jié)免疫、降血糖、抗腫瘤、降血脂、抗氧化等多種生物活性。因此,本文以魷魚(yú)的加工副產(chǎn)物纏卵腺為原料,通過(guò)單因素結(jié)合響應(yīng)面分析方法研究?jī)?yōu)化糖蛋白的最佳提取工藝,為魷魚(yú)加工副產(chǎn)物的高附加值利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魷魚(yú)纏卵腺(秋季產(chǎn)) 福建省閩南水產(chǎn)有限公司提供,除去外層薄膜后分裝,凍藏于-18℃;NaOH、NaBH4、無(wú)水乙醇、NaCl、苯酚、濃硫酸、酒石酸鉀鈉、硫酸銅、無(wú)水碳酸鈉等 國(guó)產(chǎn)分析純。

5804R離心機(jī) 德國(guó)艾本德(eppendorf)公司;LET132膠體磨 深圳市雷通實(shí)業(yè)有限公司;752型紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司;大盤(pán)面磁力攪拌器 德國(guó)IKA實(shí)驗(yàn)室技術(shù)公司;XW-80A旋渦混合器 上?？等A生化儀器制造有限公司;LGJ-12冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;2ZX-2型旋片式真空泵 浙江黃巖寧溪醫(yī)療器械有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 測(cè)定方法 采用苯酚-硫酸法測(cè)定糖蛋白中的總糖含量[7];Folin-酚法測(cè)定糖蛋白中的蛋白含量[8];硫酸鋇比濁法測(cè)定糖蛋白中硫酸基的含量[9]。

1.2.2 魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取工藝流程 取100g預(yù)處理的魷魚(yú)纏卵腺,去膜后勻漿。在有一定料液比的勻漿液中添加不同濃度NaOH和NaBH4的混合液,混勻,并在不同的溫度、時(shí)間條件下間隔攪拌提取,8000r/min離心10min,取上清液,經(jīng)不同的醇沉倍數(shù)沉淀并透析,凍干得糖蛋白。

1.2.3 魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取工藝參數(shù)單因素實(shí)驗(yàn) 在保持其它因素相同條件下,分別考察不同的NaOH濃度、NaBH4濃度、液料比、提取時(shí)間、提取溫度、醇沉倍數(shù)等各因素對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白得率、總糖、蛋白質(zhì)和溶解度的影響。重復(fù)進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn),取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.3.1 NaOH濃度的選擇 液料比30∶1,NaBH4濃度0.1mol/L,加入0.05、0.1、0.4、0.7、1.0、1.5mol/L濃度的NaOH,4℃提取4h,8000r/min離心10min,取上清,加入1倍無(wú)水乙醇醇沉,取沉淀透析,凍干,測(cè)定纏卵腺糖蛋白的得率。

1.2.3.2 NaBH4濃度的選擇 液料比30∶1,NaOH濃度0.4mol/L,加入0、0.1、0.2、0.3、0.4mol/L濃度的NaBH4,4℃提取4h,8000r/min離心10min,取上清,加入1倍無(wú)水乙醇醇沉,取沉淀透析,凍干,測(cè)定纏卵腺糖蛋白的得率。

1.2.3.3 液料比的選擇 NaOH濃度0.4mol/L,NaBH4濃度0.1mol/L,分別加入10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1的提取緩沖液,4℃提取4h,8000r/min離心10min,取上清,加入1倍無(wú)水乙醇醇沉,取沉淀透析,凍干,測(cè)定纏卵腺糖蛋白的得率。

1.2.3.4 提取時(shí)間的選擇 液料比30∶1,NaOH濃度0.4mol/L,NaBH4濃度0.1mol/L,4℃條件下分別提取0.5、1、2、3、4、5h,8000r/min離心10min,取上清,加入1倍無(wú)水乙醇醇沉,取沉淀透析,凍干,測(cè)定纏卵腺糖蛋白的得率。

1.2.3.5 提取溫度的選擇 液料比30∶1,NaOH濃度0.4mol/L,NaBH4濃度0.1mol/L,分別在4、15、25、35、45℃下提取時(shí)間4h,8000r/min離心10min,取上清,加入1倍無(wú)水乙醇醇沉,取沉淀透析,凍干,測(cè)定纏卵腺糖蛋白的得率。

1.2.3.6 醇沉倍數(shù)的選擇 液料比30∶1,NaOH濃度0.4mol/L,NaBH4濃度0.1mol/L,4℃提取4h,8000r/min離心10min,取上清。分別加入0.8、1、2、3、4倍的無(wú)水乙醇醇沉,取沉淀透析,凍干,測(cè)定纏卵腺糖蛋白的得率。

1.2.4 提取工藝響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)以提取時(shí)間(A)、提取溫度(B)和NaOH濃度(C)3個(gè)主要因素為自變量進(jìn)行組合優(yōu)化,提取率(Y)為響應(yīng)值,采用Box-Benhnken中心組合模型進(jìn)行響應(yīng)面分析,共15個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)安排如表1。

表1 Box-Benhnken實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Box-Benhnken test factor-levels Table

2 結(jié)果與分析

2.1 NaOH濃度對(duì)提取率的影響

從圖1可以看出,在一定范圍內(nèi),隨著NaOH濃度的增加,魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白的提取率呈先升高后下降的趨勢(shì),提取率在NaOH濃度0.4mol/L時(shí)達(dá)最高,為11.9%。當(dāng)NaOH濃度較低時(shí),糖蛋白富集程度較低,提取率也就較低;NaOH濃度過(guò)高時(shí),高濃度堿會(huì)使糖鏈斷裂而破壞糖蛋白的結(jié)構(gòu)[10],從而導(dǎo)致提取率的降低。因而選擇NaOH濃度為0.4mol/L作為響應(yīng)面優(yōu)化的參數(shù)。

圖1 NaOH濃度對(duì)糖蛋白提取率的影響 Fig.1 Effect of NaOH concentration on extraction ratio of glycoprotein

2.2 NaBH4濃度對(duì)提取率的影響

NaBH4具有還原性,可以防止糖鏈發(fā)生過(guò)度β-消除反應(yīng),減少糖鏈的斷裂,從而達(dá)到保護(hù)糖鏈的目的,且其強(qiáng)還原性可將羰基、醛基還原為羥基[11]。NaBH4濃度對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取率的影響如圖2所示,提取率隨著NaBH4濃度的增加呈上升的趨勢(shì),但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,提取的魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白的溶解度卻隨著NaBH4濃度的升高而逐漸減小,當(dāng)NaBH4濃度達(dá)到0.4mol/L時(shí),溶解性很差。因此,綜合考慮溶解度和提取率,確定NaBH4濃度為0.1mol/L。

圖2 NaBH4濃度對(duì)糖蛋白提取率的影響 Fig.2 Effect of NaBH4 concentration on extraction ratio of glycoprotein

2.3 液料比對(duì)提取率的影響

液料比對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取率的影響如圖3所示。從圖3中可以看出,當(dāng)液料比10∶1時(shí)提取率較低,隨著液料比增加到20∶1時(shí),提取率大大升高,之后略有降低,但無(wú)明顯變化。由于液料比較低時(shí),提取液中的NaOH的含量相對(duì)偏低,使得糖蛋白無(wú)法充分富集,在醇沉?xí)r也相對(duì)不易收集,導(dǎo)致提取率較低。同時(shí),低液料比處理組在造成提取率較低的現(xiàn)象。液料比低于30∶1,勻漿時(shí)很粘稠,離心難以質(zhì)液分離,不好操作,綜合實(shí)驗(yàn)操作難易情況選取30∶1作為提取的液料比。

圖3 液料比對(duì)糖蛋白提取率的影響 Fig.3 Effect of ratio of water/material on extraction ratio of glycoprotein

2.4 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

從圖4可以看出,隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng),糖蛋白的提取率也隨著增加,當(dāng)提取3h時(shí)提取率達(dá)最高,之后變化不明顯。可能是因?yàn)棣?消除米氏加成反應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)無(wú)法充分進(jìn)行,從而影響糖蛋白的富集;當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后,反應(yīng)已充分完成,提取率就趨于平衡。因此,確定糖蛋白的提取時(shí)間為3h。

圖4 提取時(shí)間對(duì)糖蛋白提取率的影響 Fig.4 Effect of extraction time on extraction ratio of glycoprotein

2.5 提取溫度對(duì)提取率的影響

提取溫度對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取率的影響如圖5所示,隨著溫度的升高,提取率逐漸下降,因?yàn)檩^高的溫度會(huì)加劇β-消除米氏加成反應(yīng)的發(fā)生,從而造成糖鏈的斷裂,小分子糖蛋白在50%的乙醇中難以沉淀,提取率降低;并且溶解度隨溫度的升高而增大。因此綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及溶解度因素,確定在室溫25℃下進(jìn)行魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白的提取。

圖5 提取溫度對(duì)糖蛋白提取率的影響 Fig.5 Effect of extraction temperature on extraction ration of glycoprotein

2.6 醇沉倍數(shù)對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取率的影響

采用無(wú)水乙醇沉淀物質(zhì)時(shí),當(dāng)乙醇濃度為50%～60%時(shí),可用來(lái)沉淀粘液質(zhì)、淀粉等大分子物質(zhì),濃度達(dá)到75%可沉淀蛋白質(zhì)等,當(dāng)達(dá)到80%以上時(shí),基本可以沉淀所有的蛋白質(zhì)、多糖和無(wú)機(jī)鹽等[12]。從圖6中可以看出,隨著乙醇添加量的增加,提取率逐漸升高,當(dāng)添加量超過(guò)1倍后,提取率增加緩慢。當(dāng)添加0.8倍乙醇時(shí),沉淀效果較差,不易收集;當(dāng)乙醇添加量增加至1倍時(shí),醇沉效果好且不需離心即可撈起沉淀進(jìn)行收集;當(dāng)乙醇添加量繼續(xù)增加時(shí),提取物可能有無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)、多糖等雜質(zhì)。因此,選擇乙醇添加量為底物體積的1倍。

2.7 響應(yīng)面法優(yōu)化魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白的提取工藝

2.7.1 回歸模型的建立及顯著性檢驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,綜合考慮溶解性及操作方便性,選取主要影響因素提取時(shí)間(A)、提取溫度(B)和NaOH濃度(C)為響應(yīng)因子,利用Design-Expert 8.0.6中的Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)響應(yīng)面,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示。

表3 回歸模型的方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis of the regression model

圖6 不同醇沉倍數(shù)的糖蛋白得率 Fig.6 Effect of ethanol adding volume on extraction ratio of glycoprotein

根據(jù)響應(yīng)面統(tǒng)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到關(guān)于提取時(shí)間、提取溫度和NaOH濃度的編碼方程式:Y=12.47+0.078A-0.20B-0.66C-7.500E-3AB+2.500E-3AC+0.13BC-0.096A2+0.13B2-3.72C2。由編碼方程一次項(xiàng)回歸系數(shù)的絕對(duì)值大小可以得到各響應(yīng)因子對(duì)響應(yīng)值的影響程度依次為:NaOH濃度(C)>提取溫度(B)>提取時(shí)間(A)。

建立響應(yīng)值對(duì)自變量編碼值的二次回歸實(shí)際模型方程為:Y=12.43324+0.69417A-0.38408B+28.37546C-1.50000E-3AB+8.33333E-3AC+0.083333BC-0.095833A2+5.26667E-3B2-41.37037C2。為檢驗(yàn)方程的有效性,利用分析軟件進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

由表3二次回歸模型的方差分析結(jié)果可見(jiàn),該模型顯著性檢驗(yàn)p<0.0001,有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,能很好地解釋數(shù)據(jù)的差異性。3個(gè)自變量中B和C對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白的提取率影響顯著(p<0.05),C2對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取率的影響極顯著(p<0.01),A2、B2和各因素交互作用對(duì)提取率的影響均不顯著(p>0.05)。

該模型失擬項(xiàng)顯著性水平p=0.2363不顯著(p>0.05),說(shuō)明回歸方程對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的擬合度較好。從表4可信度分析結(jié)果可以看出,模型預(yù)測(cè)R2(Pred R-Square)=0.9445,表明該模型可以較好地預(yù)測(cè)新觀測(cè)值的好壞;R2(R-Square)=0.9960,表明該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的適配度達(dá)到99.6%,具有較高的擬合度;修正R2(Adj R-Square)=0.9887,表明該模型能解釋98.87%實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性。同時(shí)R2(R-Square)與修正R2(Adj R-Square)接近,更說(shuō)明該模型擬合程度好,具有可靠性,適合對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取工藝進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Schedule of response surface methodology and corresponding experimental results

表4 回歸模型的可信度分析Table 4 The credibility analysis of the regression model

2.7.2 響應(yīng)面分析 圖7反映的是響應(yīng)函數(shù)與變量間的影響效應(yīng)。在一定的因素水平范圍內(nèi),魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白的提取率隨著NaOH濃度和時(shí)間水平的增大而增加,但隨著因素水平的進(jìn)一步增大,提取率反而降低。然而,提取率隨著溫度的升高反而降低。高溫加劇了β-消除米氏加成反應(yīng),可能破壞糖鏈和使蛋白變性,從而影響提取率。

圖7 各因素交互作用的響應(yīng)面圖 Fig.7 Responsive surface of interaction between factors

運(yùn)用回歸模型優(yōu)化的魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白的最佳提取工藝為:提取時(shí)間3.44h,提取溫度25℃,NaOH濃度0.37mol/L,預(yù)測(cè)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取率為12.85%。

2.7.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 為了實(shí)驗(yàn)方便將響應(yīng)面法優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件修改為:提取時(shí)間3.5h,提取溫度25℃,NaOH濃度0.37mol/L。該條件下重復(fù)3次,提取率分別為12.75%、12.80%、12.81%,平均12.79%,相對(duì)誤差為0.47%,說(shuō)明通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)有效、可靠,能較好地模擬魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取工藝,預(yù)測(cè)提取率。

2.8 魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白基本成分測(cè)定

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化法修正的最優(yōu)提取工藝提取魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白,經(jīng)凍干后測(cè)定其基本成分,結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出所提取的糖蛋白中糖含量為72.5%,超過(guò)50%的糖鏈,占糖蛋白組成的絕大部分,是一種高分子糖蛋白分[13]。另外,該糖蛋白中還含有3.0%的硫酸根,說(shuō)明魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白可能是一種在非還原末端發(fā)生了硫酸化的粘蛋白。

表5 魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取物基本成分分析Table 5 Composition analysis of the extraction of glycoprotein from squid

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取過(guò)程中可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的NaOH濃度、NaBH4濃度、液料比、提取時(shí)間、提取溫度和醇沉倍數(shù)等6個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),確定影響魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取的最主要因素為NaOH濃度、提取時(shí)間和提取溫度;以3種因素為響應(yīng)因子,應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白提取的最佳工藝條件,結(jié)果表明,最佳提取工藝條件為提取時(shí)間3.5h,提取溫度25℃,NaOH濃度0.37mol/L,在該條件下的提取率為12.79%,與實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果相符。在優(yōu)化的最佳提取工藝條件下獲得的魷魚(yú)纏卵腺糖蛋白的糖含量72.5%,蛋白含量22.7%,硫酸根含量3.0%,是一種硫酸化的粘蛋白。

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