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        響應(yīng)面分析法優(yōu)化亞麻籽粕水解工藝研究

        2019-08-27 10:06:08馮結(jié)鏵婁華鐘先鋒區(qū)錫敏耿濤
        中國(guó)調(diào)味品 2019年8期

        馮結(jié)鏵,婁華,鐘先鋒*,區(qū)錫敏,耿濤

        (1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 佛山 528231;2.廣東省傳統(tǒng)發(fā)酵食品工程技術(shù)研究中心,廣東 佛山 528231;3.廣東省食品流通安全控制工程技術(shù)研究中心,廣東 佛山 528231;4.佛山市釀造工程技術(shù)研究中心,廣東 佛山 528231;5.佛山農(nóng)業(yè)生物制造工程技術(shù)研究中心,廣東 佛山 528231;6.深圳誠(chéng)致生物開(kāi)發(fā)有限公司,廣東 深圳 518000)

        亞麻(Linumusitatissimum),又稱胡麻,亞科屬亞麻科植物,是世界上最古老的經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。我國(guó)是亞麻的主產(chǎn)國(guó)之一,亞麻種植面積和產(chǎn)量?jī)H次于加拿大,主要分布于我國(guó)的西北、華北地區(qū)[2]。亞麻籽(flaxseed)為亞麻的種子,其主要營(yíng)養(yǎng)成分為脂肪(40%~45%)和蛋白質(zhì)(20%~25%),此外含有較高的膳食纖維和木酚素等成分[3-5]。目前,亞麻籽的加工主要集中在榨油上,榨油后剩余大量的副產(chǎn)物餅粕,大部分當(dāng)成廢棄物處理,其含有的大量蛋白質(zhì)、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)成分并未被充分利用,造成了資源浪費(fèi)[6]。

        研究表明,亞麻籽餅粕中蛋白質(zhì)含量高達(dá)35%以上,其中氨基酸總量超過(guò)15%,氨基酸的組成和比例符合或接近WHO/FAO規(guī)定的適宜人體氨基酸模式的要求[7]。如:亞麻分離蛋白(flaxseed protein isolate)中賴氨酸/精氨酸的比率為0.25,這是心臟健康食品和嬰兒奶粉配方期望的比值[8]。有研究報(bào)道,亞麻籽蛋白生物活性肽具有抗糖尿病、降血壓等功能[9,10]。由此可見(jiàn),亞麻籽粕有望成為優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)和氨基酸資源。

        目前,植物蛋白質(zhì)的提取方法主要有堿提酸沉法、泡沫分離法、酶法、超聲輔助法等[11-14]。其中,酶法條件溫和,環(huán)境友好,目前已被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)、油脂、纖維素等物質(zhì)的提取分離研究。超聲是利用機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng),促進(jìn)物質(zhì)的破碎,從而提高產(chǎn)物得率[15]。研究表明,適當(dāng)?shù)某曁幚砜捎行岣邅喡樽哑傻鞍滋崛÷蔥16]。

        鑒于亞麻籽粕潛在的高附加值,本文擬采用超聲波處理,結(jié)合雙酶水解方法,對(duì)亞麻籽粕進(jìn)行水解,以水解度為考察指標(biāo),在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)行水解方案的優(yōu)化,旨在為亞麻籽粕制備功能性短肽、氨基酸提供理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        亞麻籽粕:深圳誠(chéng)致生物開(kāi)發(fā)有限公司;堿性蛋白酶、中性蛋白酶:北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;甲醛溶液(AR)、NaOH溶液(AR):天津大茂化學(xué)試劑廠。

        1.2 儀器設(shè)備

        ME104型分析天平、FE28-Standard酸度計(jì) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;SY-2230恒溫水浴鍋 美國(guó)精騏有限公司;JYL-C50T型多功能粉碎機(jī) 九陽(yáng)股份有限公司;Sonics VCX800超聲破碎儀 美國(guó)Sonics公司;L-550低速離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司;安捷倫1260型高效液相色譜儀 美國(guó)安捷倫科技有限公司。

        2 試驗(yàn)方法

        2.1 亞麻籽粕前處理

        將亞麻籽餅粕粉碎,過(guò)100目篩,得到亞麻籽粕粉末,備用。

        2.2 超聲輔助酶法水解亞麻籽粕工藝

        稱取一定量的亞麻籽粕粉末,加入蒸餾水配制成底物濃度為3%的樣品溶液,超聲處理10 min,滴加少量NaOH溶液(0.1 mol/L)調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH,再加入一定量的復(fù)合酶(堿性蛋白酶∶中性蛋白酶為1∶1),在設(shè)定的溫度下恒溫水浴酶解,水解結(jié)束后,升溫滅酶(100 ℃下水浴10 min),自然冷卻,5000 r/min下離心10 min,取上清液測(cè)定水解度。

        2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        針對(duì)超聲頻率、加酶量、pH、溫度、水解時(shí)間5個(gè)影響因素,以水解度為考察指標(biāo),分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。控制底物濃度為3%,每個(gè)單因素設(shè)置5個(gè)變量,即超聲頻率(5000,6000,7000,8000,9000 Hz)、加酶量(1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%)、pH(7.8,8.2,8.6,9.0,9.4)、溫度(35,40,45,50,55 ℃)、水解時(shí)間(2.5,3,3.5,4,4.5 h),每組試驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果取其平均值。

        2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取超聲頻率、加酶量、pH、溫度4個(gè)因素,以水解度為響應(yīng)值,根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)四因素三水平試驗(yàn),其試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

        表1 響應(yīng)面分析法試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology

        2.5 水解度的測(cè)定

        采用甲醛滴定法[17]:取3 mL水解滅酶后的酶解液,置于200 mL燒杯中,加入50 mL蒸餾水,加入少量堿液調(diào)節(jié)pH為8.20,再加10 mL中性甲醛溶液, 用0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液調(diào)節(jié)體系pH值至9.20,記錄消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V(mL)。

        同時(shí)取未酶解相同濃度蛋白質(zhì)溶液3 mL,按上述方法作空白試驗(yàn),記錄消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V0(mL)。DH按下式計(jì)算:

        式中:c為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度,mol/L;V為酶解液消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積,mL;V0為空白液消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積,mL;0.014為氮毫克當(dāng)量;N為底物樣品總氮含量。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

        3.1.1 超聲頻率對(duì)亞麻籽粕水解度的影響

        圖1 超聲頻率對(duì)水解度的影響Fig.1 Effect of ultrasonic frequency on the degree of hydrolysis

        由圖1可知,隨著超聲頻率的增大,水解度也逐漸增大,在超聲頻率為7000 Hz時(shí),水解度達(dá)最大值,隨后隨著超聲頻率的繼續(xù)增大,水解度明顯下降。這是由于超聲頻率增大,空化作用加劇,細(xì)胞壁破裂能力增強(qiáng),從而增大了分子熱運(yùn)動(dòng)速率,增加了蛋白質(zhì)的溶解度,從而使水解度增加[18]。但當(dāng)超聲頻率超過(guò)7000 Hz時(shí),可能是由于頻率的繼續(xù)增大,空化趨于飽和,并破壞了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),使蛋白質(zhì)變性,因此水解度降低。故初步得出最適超聲頻率為7000 Hz。

        3.1.2 加酶量對(duì)亞麻籽粕水解度的影響

        圖2 加酶量對(duì)水解度的影響Fig.2 Effect of enzyme dosage on the degree of hydrolysis

        由圖2可知,隨著加酶量的增大,亞麻籽粕的水解度逐漸提高,酶添加量達(dá)到2.5%之后,繼續(xù)增加加酶量,水解度增加的趨勢(shì)減緩。這是由于酶濃度較低時(shí),底物過(guò)量,酶與底物接觸充分,隨著酶濃度的增加,水解程度逐漸增大。當(dāng)加酶量達(dá)到一定限度時(shí),酶分子與底物的結(jié)合趨于飽和,過(guò)量的酶與底物不能充分接觸,因而無(wú)法作用底物,水解度也將趨于平衡[19]。初步得出最適加酶量為3.5%。

        3.1.3 pH對(duì)亞麻籽粕水解度的影響

        由圖3可知,pH在7.8~8.6范圍內(nèi),pH越小,越接近中性蛋白酶的最適pH,隨著pH值增大,水解度逐漸下降,這是由于逐漸偏離了中性蛋白酶的最適pH,而未達(dá)到堿性蛋白酶的最適pH。當(dāng)pH>8.6之后,水解度逐漸上升,在pH為9.4時(shí),水解度達(dá)到最大值。酶與底物均是蛋白質(zhì),pH會(huì)影響酶和底物分子上氨基、羧基等基團(tuán)的解離狀態(tài),從而影響酶與底物的結(jié)合,進(jìn)一步影響酶對(duì)底物的催化效率。在水解過(guò)程中采用兩種或多種蛋白酶,由于其具有不同作用位點(diǎn),水解效果會(huì)優(yōu)于運(yùn)用單一酶[20]。初步確定最適pH為9.4。

        圖3 pH對(duì)水解度的影響Fig.3 Effect of pH value on the degree of hydrolysis

        3.1.4 水解溫度對(duì)亞麻籽粕水解度的影響

        圖4 水解溫度對(duì)水解度的影響Fig.4 Effect of hydrolysis temperature on the degree of hydrolysis

        由圖4可知,亞麻籽粕水解度隨著溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。溫度較低時(shí)酶活也較低,水解速度慢,而當(dāng)溫度升高時(shí),蛋白酶會(huì)因變性而失活,造成水解度的下降。當(dāng)水解溫度為50 ℃時(shí),水解度達(dá)到最大值,因此初步確定最適反應(yīng)溫度為50 ℃。

        3.1.5 水解時(shí)間對(duì)亞麻籽粕水解度的影響

        圖5 水解時(shí)間對(duì)水解度的影響Fig.5 Effect of hydrolysis time on the degree of hydrolysis

        由圖5可知,時(shí)間對(duì)水解度的影響效果不顯著。在2.5~4.5 h范圍內(nèi),隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng),亞麻籽粕水解度逐漸提高,但水解度提高的速率較慢。隨著水解時(shí)間延長(zhǎng),底物濃度會(huì)逐漸降低,當(dāng)酶與底物的作用達(dá)到飽和時(shí),水解度的變化將趨于平緩。與其他因素(超聲頻率、加酶量、pH、溫度)相比,時(shí)間對(duì)水解度的影響程度較低。由于考察的時(shí)間范圍較窄,可能在此時(shí)間范圍內(nèi)底物濃度降低的速率較慢,從而使水解度的變化不明顯。

        3.2 響應(yīng)面優(yōu)化模型的建立

        響應(yīng)面法是一種綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模的優(yōu)化方法,通過(guò)對(duì)指定的樣本點(diǎn)的集合進(jìn)行有限的試驗(yàn)設(shè)計(jì),擬合出輸出變量(系統(tǒng)響應(yīng))的全局逼近來(lái)代替真實(shí)響應(yīng)面[21]。與正交試驗(yàn)相比,該法的優(yōu)勢(shì)在于:可有效減少試驗(yàn)次數(shù),給出直觀三維立體圖和等高線圖,并可考察不同因素之間的交互作用。

        根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理,選取超聲頻率、加酶量、pH、溫度4個(gè)因素,以水解度為響應(yīng)值,建立四因素三水平試驗(yàn)?zāi)P?,各組試驗(yàn)的參數(shù)組合及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiment

        續(xù) 表

        用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表2的結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合,得到的回歸方程為:Y=+29.15+0.89A+2.36B+1.18C+1.46D-2.02AB-1.17AC-0.95AD+0.090BC-0.41BD+0.092CD-2.31A2-1.77B2-0.30C2-3.20D2。

        表3 方差分析(水解度)Table 3 Analysis of variance(degree of hydrolysis)

        注:p<0.001代表極顯著,用“+++”表示;p<0.01代表較顯著,用“++”表示;p<0.05代表顯著,用“+”表示;p>0.05代表不顯著。

        由表3可知,模型p值<0.0001,極顯著;失擬項(xiàng)p值為0.0539>0.05,不顯著,說(shuō)明該模型的選擇是合適的。此外,該模型的決定系數(shù)R2=0.9811,校正決定系數(shù)RAdj2=0.9621,說(shuō)明水解度的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間有較好的擬合度。從對(duì)水解度的影響來(lái)看,一次項(xiàng)B,C,D對(duì)亞麻籽粕水解度的影響均達(dá)到極顯著水平,一次項(xiàng)A對(duì)水解度的影響較顯著,影響順序?yàn)锽>D>C>A,即加酶量>溫度>pH>超聲頻率。交互項(xiàng)AB對(duì)水解度的影響極顯著,AC、AD對(duì)水解度的影響較顯著,而B(niǎo)C、BD和CD對(duì)水解度的影響不顯著。綜上分析可知該模型與實(shí)際情況擬合較好,可應(yīng)用于亞麻籽粕水解工藝的優(yōu)化。

        兩因素之間交互作用的3D曲面圖見(jiàn)圖6。等高線的形狀越接近橢圓說(shuō)明兩因素間的交互作用越顯著。

        圖6 各因素交互效應(yīng)的響應(yīng)曲面(水解度)Fig.6 Response surface figures of interaction effect of various factors (degree of hydrolysis)

        由圖6a可知,pH和水解溫度一定時(shí),水解度隨加酶量(1.5%~3.5%)增加而增大;隨著超聲頻率的增加,水解度先升高后降低;超聲頻率固定時(shí),隨著加酶量的增加,水解度逐漸升高。響應(yīng)曲面呈拋物線,且等高線形狀為橢圓,說(shuō)明加酶量和超聲頻率的交互作用顯著。由圖6b可知,水解溫度和加酶量一定時(shí),隨著pH (7.8~9.4)增大,水解度逐漸增大,隨著超聲頻率的增加,水解度先升高后降低;從等高線形狀可看出超聲頻率和pH的交互作用顯著。由圖6c可知,加酶量和pH不變時(shí),隨著水解溫度(35~55 ℃)升高,水解度先升高再降低,隨著超聲頻率(5000~9000 Hz)增加,水解度先上升后下降;當(dāng)水解溫度為45 ℃、超聲頻率為6000 Hz時(shí),水解度最高。由圖6d可知,溫度和超聲頻率一定時(shí),隨著pH增加,水解度緩慢增大;水解度隨著酶添加量的增加而增大。由圖6e可知,當(dāng)pH和超聲頻率不變時(shí),隨著水解溫度升高,水解度先逐漸升高后下降;隨加酶量的增加,水解度逐漸升高。由圖6f可知,當(dāng)超聲頻率和加酶量一定時(shí),隨著水解溫度升高,水解度先逐漸升高后下降;溫度固定時(shí),隨著pH增加,水解度逐漸增大;當(dāng)水解溫度為45 ℃、pH為9.4時(shí),水解度達(dá)到最大值。加酶量的等高線比溫度、超聲頻率、pH的等高線密集,說(shuō)明加酶量對(duì)亞麻籽粕水解度的影響較其他因素顯著,與方差分析結(jié)果一致。

        3.3 水解試驗(yàn)的優(yōu)化與驗(yàn)證

        通過(guò)Design Expert 8.0.6軟件優(yōu)化后的最佳水解條件是:超聲頻率5924.85 Hz,酶添加量3.47%,pH 9.40,水解溫度47.60 ℃,此時(shí)預(yù)測(cè)水解度31.49%。為方便實(shí)際的操作,將水解條件調(diào)整為超聲頻率6000 Hz,酶添加量3.5%,pH 9.4,水解溫度45 ℃,按此條件進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)得水解度為31.72%,與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為0.72%,說(shuō)明方程擬合較好,響應(yīng)面優(yōu)化得到的酶解工藝參數(shù)準(zhǔn)確,具有實(shí)用價(jià)值。

        3.4 亞麻籽餅粕水解液氨基酸含量分析

        亞麻籽餅粕蛋白水解過(guò)程降解為多肽和游離的氨基酸,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)工藝優(yōu)化后得到的水解液進(jìn)行氨基酸分析,其液相色譜圖顯示了17種常見(jiàn)氨基酸色譜峰的保留時(shí)間及峰面積,見(jiàn)圖7。

        圖7 亞麻籽餅粕水解液氨基酸色譜Fig.7 Amino acid chromatography of flaxseed meal hydrolysate

        表4 亞麻籽餅粕水解液氨基酸含量Table 4 Amino acid content of flaxseed meal hydrolysate

        由圖7和表4可知,亞麻籽餅粕水解液中游離氨基酸為2.85885 mg/mL,其中谷氨酸(Glu)含量最高(5.52694e-1mg/mL);支鏈氨基酸(Val、Ile和Leu)含量為8.41895e-1mg/mL;芳香氨基酸(Phe和Tyr)含量為5.00378e-1mg/mL。

        4 結(jié)論

        亞麻籽粕是亞麻籽榨油后的副產(chǎn)物,但其含有的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)并未得到充分利用。蛋白酶可有效催化大分子蛋白質(zhì)水解成小分子的短肽和氨基酸,而水解度是考察蛋白質(zhì)分解程度的重要指標(biāo)之一。為了提高亞麻籽粕的附加值,本文以亞麻籽粕為原料,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了亞麻籽粕的超聲輔助雙酶水解工藝。通過(guò)響應(yīng)3D曲面圖發(fā)現(xiàn)超聲頻率、酶添加量、pH和水解溫度均對(duì)水解度有顯著影響。得到的最佳水解工藝條件為:超聲頻率6000 Hz,加酶量3.5%,pH 9.4,水解溫度45 ℃,此時(shí)亞麻籽粕水解度可達(dá)到31.72%。亞麻籽餅粕水解液中游離氨基酸總量為2.85885 mg/mL。本研究結(jié)果可為亞麻籽粕制備亞麻籽短肽及氨基酸工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

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