徐江波，肖江，陳元濤，*，張煒，郭智軍

（1.青海師范大學(xué)潤德亞麻籽工程技術(shù)研究中心，青海西寧810008；2.青海師范大學(xué)化學(xué)系，青海西寧810008）

亞麻（Linum usitatissimum L.），亞麻科、亞麻屬的一年生或多年生草本植物[1]，主要分布在北美、印度、中國等國家，是世界上最古老的纖維作物，品種較多，已成為世界十大油料作物之一[2-4]。亞麻籽（flaxseed或linseed）是亞麻的種子，含有油脂和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分。其中，脂肪占31.9%～37.8%，含有多種脂肪酸，尤其不飽和脂肪酸含量很高；蛋白質(zhì)占21.9%～31.6%，含有幾乎所有種類的氨基酸，且氨基酸的評分較高，具有很高的營養(yǎng)價值[2]；另外，亞麻籽中還含有一定量的亞麻籽膠，隨品種和栽培區(qū)域不同而不同，約占種子質(zhì)量的2%～10%[5]。諸多文獻[6-9]研究表明，油料蛋白質(zhì)的提取主要有等電點沉淀、離子交換、堿溶酸沉法、反膠束溶液萃取、膜分離、酶法等方法，其中堿溶酸沉法是我國普遍采用的蛋白質(zhì)提取工藝，該方法能夠有效地提高蛋白質(zhì)的提取率，充分利用蛋白質(zhì)資源。

響應(yīng)曲面法（Response Surface Methodology）是利用合理的實驗設(shè)計并通過對實驗數(shù)據(jù)進行一定的處理，建立影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，采用多元二次回歸方程來擬合影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，并通過對回歸方程的分析來尋求最佳工藝參數(shù)，解決多變量問題，由于其精度高，目前在食品工業(yè)和天然產(chǎn)物開發(fā)研究過程中應(yīng)用廣泛[10-11]。

目前，盡管亞麻籽中含有大量的亞麻籽蛋白，但在我國應(yīng)用亞麻籽提取亞麻籽蛋白的文獻很少，更未見有規(guī)模化生產(chǎn)亞麻籽蛋白的報道[12]。這是由于亞麻籽中富含亞麻籽膠，其具有黏性大、吸水性強、乳化效果強等特點[13-15]，會造成亞麻籽蛋白在提取過程中乳化、難離心、不易過濾等問題。因此，在對亞麻籽進行蛋白質(zhì)的提取過程中，應(yīng)該先對亞麻籽膠進行預(yù)處理。本課題組首先采用果膠酶法[16]對亞麻籽進行脫膠預(yù)處理，然后粉碎脫脂后采用響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化亞麻籽蛋白堿溶酸沉的工藝條件，探討料液比、浸提pH、浸提時間和浸提溫度4個因素對亞麻籽蛋白提取率的影響，確定最佳的工藝參數(shù)，為亞麻籽蛋白的進一步開發(fā)利用及規(guī)模化生產(chǎn)提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

亞麻籽：青海潤德生物科技有限公司，挑選完整、飽滿、無蟲害的亞麻籽作為實驗原料；果膠酶（酶活力 10000 U/mL）：諾維信（中國）生物技術(shù)有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、石油醚：北京化學(xué)試劑廠；以上試劑及其它化學(xué)試劑均為分析純；蒸餾水：青海師范大學(xué)化學(xué)實驗中心自制。

1.2 儀器與設(shè)備

pH計：梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；LXJ-64-01離心機：北京醫(yī)療儀器修理廠；分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；LGJ-22型冷凍干燥機：長沙湘儀離心機儀器有限公司；DHG-9140型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；雙層玻璃反應(yīng)釜：上海申生科技有限公司；K360 BUCHI步琪凱氏定氮儀：廣州和竺生物科技有限公司；ZD-2上海雷磁自動電位滴定儀：上海恒磁電子科技有限公司；超級恒溫器：上海市實驗儀器廠；索氏抽提器：北京欣維爾玻璃儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 亞麻籽粉基本組成成分測量

水分測定：常壓直接干燥法，參照GB 5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》；蛋白質(zhì)的測定按照GB/T 5009.5-2010《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》；灰分的測定采用灼燒重量法，按照GB/T 5009.4-2010《食品安全國家標準食品中灰分的測定》；脂肪的測定采用索實提取器，按照GB/T 14772-2008《食品中粗脂肪的測定》；總纖維的測定按照GB/T 5009.10-2003《植物類食品中粗纖維的測定》。

1.3.2 亞麻籽蛋白的制備

1.3.2.1 原料預(yù)處理

首先用果膠酶對亞麻籽進行脫膠處理，然后將脫膠干燥后的亞麻籽進行粉碎，并在常溫下用石油醚脫脂3次，置于通風(fēng)櫥中12 h以揮發(fā)溶劑，得脫脂粉，于冰箱5℃保存?zhèn)溆谩Ｃ撝瑏喡樽逊壑械鞍踪|(zhì)含量采用凱式定氮法進行測定。

1.3.2.2 亞麻籽蛋白的制備工藝流程

亞麻籽→果膠酶脫膠→干燥→粉碎（過80目篩）→脫脂→堿溶浸提→離心→等電點沉淀→離心→洗滌→冷凍干燥→亞麻籽蛋白粉

1.3.2.3 亞麻籽蛋白的具體提取步驟[17-18]

稱取一定量脫膠脫脂亞麻籽粉與蒸餾水按一定料液比混合，用NaOH調(diào)至一定的pH，于一定溫度下攪拌浸提30 min，然后在以 4000 r/min離心20 min。沉淀物再重復(fù)提取1次，合并2次上清液，用HCl調(diào)pH至等電點使蛋白質(zhì)沉淀，再以4000r/min離心20min，用蒸餾水洗滌沉淀2次，再用NaOH回調(diào)至pH為7.0，攪拌使沉淀復(fù)溶后進行冷凍干燥，則可得到亞麻籽蛋白粉。

1.3.3 堿溶酸沉提取亞麻籽蛋白試驗

1.3.3.1 等電點的確定

稱取10.0 g亞麻籽脫脂粉，料液比為1∶20（g/mL），用NaOH調(diào)節(jié)pH至10.0，控制溫度為50℃下攪拌浸提30 min，然后在以 4000 r/min離心20 min。沉淀物再重復(fù)提取1次，合并2次上清液，分別取上清液9份各25 mL，加鹽酸調(diào)節(jié) pH 為 2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5后離心，棄上清液后稱重，將上述過程重復(fù)一次，繪出沉淀量與pH的曲線關(guān)系圖，圖中沉淀量最大時的pH即為亞麻籽蛋白質(zhì)的等電點。

1.3.3.2 料液比的確定

分別設(shè)定料液比為 1 ∶5、1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30（g/mL），50℃，pH 為 10.0下浸提 90 min，研究料液比對蛋白質(zhì)提取率的影響，確定最佳的料液比。

1.3.3.3 浸提pH的確定

料液比選擇1∶20（g/mL），分別選擇浸提pH為8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0，溫度為 50 ℃下浸提 90 min，研究浸提pH對蛋白質(zhì)提取率的影響，確定最佳的浸提pH。

1.3.3.4 浸提溫度的確定

料液比選擇1∶20（g/mL），分別選擇浸提溫度為20、30、40、50、60、70 ℃，pH 為 10.0 下浸提 90 min，研究浸提溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響，確定最佳的浸提溫度。

1.3.3.5 浸提時間的確定

料液比選擇1∶20（g/mL），分別選擇浸提時間為30、50、70、90、110、130 min，在 pH 為 10.0 和溫度為50℃下，研究浸提時間對蛋白質(zhì)提取率的影響，確定最佳的浸提時間。

1.3.4 堿溶酸沉工藝優(yōu)化試驗

依據(jù)單因素試驗的結(jié)果，采用Box-Behnken進行試驗設(shè)計，以料液比（g/mL）、浸提溫度（℃）、浸提pH及浸提時間（min）為影響因素，采用四因素三水平的響應(yīng)曲面法進行試驗，利用Design-Expert8.0.5b軟件進行數(shù)據(jù)的處理和回歸分析。分別用A、B、C、D來表示4個影響因素，并用+1、0、-1分別代表變量的水平，亞麻籽蛋白提取率為響應(yīng)值，試驗設(shè)計方案[19]見表1。

表1 響應(yīng)面設(shè)計實驗因素與水平Table 1 Variables and levels in response surface design

1.4 分析方法

1.4.1 亞麻籽粗蛋白含量的測定

凱式定氮法。

1.4.2 亞麻籽蛋白得率的計算

亞麻籽蛋白得率（%）=粗提產(chǎn)物中蛋白質(zhì)含量/脫脂粉總蛋白質(zhì)含量×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 脫膠脫脂亞麻籽粉基本組分測定結(jié)果

對脫膠脫脂后的亞麻籽粉進行成分測定，結(jié)果見表2。

表2 亞麻籽粉基本組分Table 2 The basic components of flaxseed meal

2.2 亞麻籽蛋白等電點的測定

堿溶酸沉法提取蛋白質(zhì)的過程中，加酸至等電點是非常關(guān)鍵的一步。在等電點時，蛋白質(zhì)的沉淀量會達到最大值，見圖1。

從圖1中可以看出，當酸沉pH達到4.5時，亞麻籽蛋白的沉淀量最大，故選擇酸沉pH為4.5作為亞麻籽蛋白的等電點。

2.3 蛋白質(zhì)提取單因素試驗結(jié)果

2.3.1 料液比對蛋白質(zhì)提取率的影響

按照1.2.2.2方法進行試驗，得到料液比對蛋白質(zhì)提取率的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

圖1 亞麻籽蛋白等電點Fig.1 The isoelectric of flaxseed protein

圖2 料液比對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.2 Relationship between ratio of flaxseed to solution and extraction rate of flaxseed protein

從圖2可以看出，蛋白質(zhì)提取率隨著料液比的增大而增加，當料液比增大到1∶20（g/mL）時蛋白質(zhì)提取率達到最大值，此后隨著料液比的增大蛋白質(zhì)提取率已趨于平衡，沒有明顯變化。因此，考慮到經(jīng)濟成本及后續(xù)實驗的處理過程，本實驗選擇料液比為1∶20（g/mL）作為最佳的料液比參數(shù)。

2.3.2 浸提pH對蛋白質(zhì)提取率的影響

按照1.2.2.3方法進行試驗，得到浸提pH對蛋白質(zhì)提取率的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 浸提pH對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.3 Relationship between extraction pH and extraction rate of flaxseed protein

由圖3可以看出，隨著浸提pH的升高，亞麻籽蛋白提取率隨之增加，在浸提pH=10.0時蛋白質(zhì)提取率達到最大值。當浸提pH繼續(xù)增大，蛋白質(zhì)提取率反而會下降，造成的原因可能是浸提pH太高引起了部分蛋白質(zhì)變性，使得提取率反而會下降。因此，本實驗選擇浸提pH=10.0作為最佳的浸提pH。

2.3.3 浸提溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響

按照1.2.2.4方法進行試驗，得到浸提溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 浸提溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.4 Relationship between extraction temperature and extraction rate of flaxseed protein

由圖4可以看出，浸提溫度對亞麻籽蛋白提取率有較大的影響。在20℃～50℃，亞麻籽蛋白提取率隨浸提溫度的增大而增加，當溫度達到50℃時，蛋白質(zhì)提取率達到最大；當溫度繼續(xù)升高時，蛋白質(zhì)提取率明顯降低，造成該現(xiàn)象的原因是：當溫度小于50℃時，隨著溫度的升高蛋白質(zhì)的溶解度會隨之增大，而浸提溫度過高則導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)發(fā)生變性，反而不利于提取。因此，本實驗選擇浸提溫度為50℃作為最佳的浸提溫度。

2.3.4 浸提時間對蛋白質(zhì)提取率的影響

按照1.2.2.5方法進行試驗，得到浸提時間對蛋白質(zhì)提取率的影響試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 浸提時間對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.5 Relationship between extraction time and extraction rate of flaxseed protein

由圖5可以看出，當浸提時間小于90 min時，亞麻籽蛋白提取率隨著浸提時間的增長而提高；當浸提時間大于90 min時，亞麻籽蛋白提取率有緩慢的下降趨勢。原因可能是：當提取時間小于90 min時，提取率比較低，這是由于亞麻籽脫脂粉的溶脹需要一定的時間；若時間過長，整個提取過程的平衡會被破壞，可能使部分蛋白質(zhì)變性，而且浸提時間過長，從經(jīng)濟上考慮會增加生產(chǎn)成本，因此，綜合各個因素考慮，本試驗選擇浸提時間為90 min作為最佳的浸提時間。

2.4 堿溶酸沉提取工藝的優(yōu)化

2.4.1 試驗結(jié)果

采用四因素三水平的響應(yīng)曲面法進行堿溶酸沉提取亞麻籽蛋白工藝的優(yōu)化，按照1.2.3的設(shè)計方案進行試驗，結(jié)果見表3。

表3 方案設(shè)計及響應(yīng)面法試驗結(jié)果Table 3 Response surface experimental design and results

2.4.2 模型的建立及顯著性檢驗

利用Design-Expert 8.0.5.0軟件對表2試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到亞麻蛋白質(zhì)得率對A料液比（g/mL）、B浸提溫度（℃）、C浸提pH及D浸提時間（min）的二次多項回歸模型為：Y（%）=78.69+3.85A－3.27B+1.93C+1.58D+0.18AB －0.56AC －1.82AD －0.71BC+3.17BD+5.91CD －3.59A2－10.02B2－7.44C2－5.18D2。

對該模型進行顯著性檢驗及回歸模型系數(shù)顯著性結(jié)果（見表4）分析得出，該二次回歸方程的模型項、一次項 A、B，二次項 A2、B2、C2、D2和交互項 CD 都表現(xiàn)出極顯著影響，一次項C，交互項BD都表現(xiàn)出顯著影響，而且失擬項不顯著，表明該模型有顯著意義。為了簡化二次回歸方程，剔除偏回歸系數(shù)不顯著的AB、AC、BC、AD項，簡化可建立如下二次回歸模型為：Y（%）=78.69+3.85A-3.27B+1.93C+1.58D+3.17BD+5.91CD-3.59A2-10.02B2-7.44C2-5.18D2。

表4 實驗結(jié)果的方差及顯著性分析Table 4 Variance and significance analysis of the experimental results

由表3可以看出，回歸模型具有高度的顯著性（P＜0. 0001），失擬性具有不顯著性（P=0. 9744＞0.05），且回歸模型的R2=0. 9360＞0.9，表明模型充分擬合實驗數(shù)據(jù)，因此二次模型成立，應(yīng)用此模型可以分析和預(yù)測亞麻籽蛋白質(zhì)堿溶酸沉提取工藝的優(yōu)化。由表3擬合二次多項式模型的方差及顯著性分析的結(jié)果可知，模型的一次項A、B均顯著，C差異顯著，D不顯著，二次項均顯著，交互相CD顯著，BD為差異顯著，其他交互相均不顯著。由F值可知，影響亞麻籽蛋白提取率的因素依次為A＞B＞C＞D，即料液比＞浸提溫度＞浸提pH＞浸提時間。

2.4.3 兩交互因素之間的作用

等高線的形狀反映了各因素之間交互效應(yīng)的強弱大小，圓形表示兩因素交互作用不顯著，而橢圓形則表示兩因素交互作用顯著。由表4的顯著性分析及等高線圖可知，浸提時間和浸提溫度（BD）、浸提時間和浸提pH（CD）的交互作用對亞麻蛋白質(zhì)的提取率的影響顯著。具體分析如下。

圖6 浸提時間和浸提溫度交互作用對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction temperature and time on extraction efficiency of flaxseed protein extraction yields

圖6表示料液比為1∶20（g/mL），浸提pH為10.0時，浸提時間與浸提溫度對亞麻蛋白質(zhì)的提取率的影響。當浸提時間一定時，亞麻蛋白質(zhì)的提取率隨著浸提溫度的升高先增加后減小，在提取溫度小于50℃時，亞麻蛋白質(zhì)的提取量是隨之增加的；當浸提溫度一定時，亞麻蛋白質(zhì)的提取量隨浸提時間的增長而增大，當時間超過1.5 h時，蛋白質(zhì)提取率也會趨于平緩。

圖7 浸提時間和浸提pH交互作用對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction pH and time on extraction efficiency of flaxseed protein extraction yields

圖7表示料液比為 1∶20（g/mL），浸提溫度為50℃時，浸提時間與浸提pH對亞麻蛋白質(zhì)的提取率的影響。當浸提時間一定時，亞麻蛋白質(zhì)的提取率隨著浸提pH的升高先增加后減小，在提取pH小于10.0時，亞麻蛋白質(zhì)的提取量是隨之增加的；當浸提pH一定時，亞麻蛋白質(zhì)的提取量隨浸提時間的增長而增大，當時間超過1.5 h時，蛋白質(zhì)提取率也會趨于平緩。

2.4.4 亞麻籽蛋白提取條件的優(yōu)化

通過用Design Expert 8.0.5.0軟件分析，堿溶酸沉提取亞麻籽蛋白的最佳工藝條件如表5。

表5 最佳提取率的各個因素組合Table 5 Optimum extraction rate of various combinations of factors

由表5可知，堿溶酸沉提取亞麻籽蛋白的最佳工藝參數(shù)為：料液比 1∶20（g/mL），浸提溫度為 48.4℃，浸提pH為10.09，浸提時間為89.6 min，在此條件下，亞麻籽蛋白的提取率理論值為79.26%。為了檢驗響應(yīng)曲面法所得的結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化提取條件進行亞麻蛋白質(zhì)提取試驗，考慮到實際操作的便利，將提取工藝參數(shù)修正為：料液比1∶20（g/mL），浸提溫度為48℃，浸提pH為10.0，浸提時間為90 min。在此條件下進行提取，實際測得的亞麻蛋白質(zhì)的提取率為78.47%，與理論值79.26%比較接近。因此，建立的二次型模型與實際情況基本吻合。

3 結(jié)論

1）本實驗采用響應(yīng)曲面法對堿溶酸沉法提取亞麻籽中的蛋白質(zhì)工藝進行分析優(yōu)化，建立的二次多項式數(shù)學(xué)模型具有良好的顯著性。堿溶酸沉提取亞麻籽蛋白的最佳工藝條件為：浸提溫度為50℃，料液比1 ∶20（g/mL），浸提 pH 為 10.0，浸提時間為 90 min，理論上的亞麻蛋白質(zhì)的提取率可達79.26%，實際其提取率為78.47%。同時，在本實驗的范圍內(nèi)，各影響因素對蛋白質(zhì)提取率的作用大小依次為：料液比＞溫度＞浸提pH＞浸提時間。

2）利用果膠酶對亞麻籽進行脫膠的預(yù)處理之后，再來提取亞麻籽蛋白質(zhì)，為亞麻籽蛋白資源的進一步開發(fā)提供基礎(chǔ)理論研究技術(shù)。

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