唐軍虎,康瑋麗,任志艷,敬思群
(新疆大學生命科學與技術學院,新疆烏魯木齊830046)
響應面法玉米蛋白肽鋅制備條件的優化
唐軍虎,康瑋麗,任志艷,敬思群*
(新疆大學生命科學與技術學院,新疆烏魯木齊830046)
以玉米蛋白粉為原料,堿性蛋白酶酶解制得玉米肽,與硫酸鋅螯合后,得到玉米蛋白肽鋅。根據Box-Behnken的中心組合實驗設計原理,運用Minitab15.0數據統計分析軟件,采用三因素三水平的響應面分析法優化制備玉米蛋白肽鋅的工藝。結果表明:最佳的制備條件為反應時間90min、pH為5、溫度63℃、蛋白肽與鋅的摩爾比為2∶1,在此條件下,螯合率為57.9%。
玉米蛋白肽鋅,制備,響應面分析法,優化
玉米蛋白粉 由新疆天達生物有限公司提供;玉米醇溶性蛋白 實驗室自制;堿性蛋白酶 北京諾維信公司;化學試劑 均為分析純。
微型高速萬能試樣粉碎機,數顯鼓風干燥箱,水浴鍋,酸度計,離心機,電子天平,凱氏定氮儀,冷凍干燥機等。
1.2 實驗方法
1.2.1 玉米醇溶蛋白的酶解 玉米醇溶蛋白→90℃熱變性處理→冷卻至50℃→調pH至9.0→加入堿性蛋白酶→酶解5h→滅酶(90℃/20min)→離心(5000r/min)→玉米蛋白酶解液
1.2.2 玉米蛋白肽鋅的制備
1.2.2.1 玉米蛋白肽鋅的工藝流程 玉米蛋白酶解液→測水解度→加入ZnSO4→攪拌→調節溫度→調節pH→螯合→濃縮→冷凍干燥→玉米蛋白肽鋅
1.2.2.2 玉米蛋白肽鋅制備的單因素實驗 以玉米蛋白肽鋅的螯合率作為指標,分別考察pH、溫度、反應時間、蛋白肽與鋅的摩爾比四個因素對玉米蛋白肽鋅制備的影響,每個因素設定5個梯度,進行單因素實驗。
1.2.2.3 玉米蛋白肽鋅制備條件的優化 本實驗根據Box-Behnken的中心組合設計原理,以pH、溫度、蛋白肽與鋅的摩爾比三個因子為自變量(分別以X1,X2,X3表示),以螯合率(%,以A表示)為響應值設計了三因素三水平共15個實驗點的響應面分析實驗,15個實驗點分為12個析因點和3個零點,實驗因素水平如表1。
表1 實驗因素水平表
1.2.3 分析方法
1.2.3.1 玉米蛋白肽鋅的定性分析 采用硫化鈉法。
1.2.3.2 過氧化值(POV)的測定 采用 GB/ T5009.37-2003測定樣品中的POV值。
1.2.3.3 螯合率測定 取10mL螯合液,按1∶8的體積比加入80mL的無水乙醇,經充分攪拌后離心,用EDTA滴定上層的醇層[5]。
螯合率(%)=(金屬離子總量-游離離子含量)/金屬離子總量×100%=C(V2-V1)/CV2× 100%=(V2-V1)/V2×100%
其中:C-EDTA的摩爾濃度;V1-滴定未螯合金屬離子所用EDTA的體積;V2-滴定總加入金屬離子所用EDTA的體積;
1.2.3.4 鋅含量的測定 采用EDTA滴定法。
2.1 玉米蛋白肽鋅制備條件的優化
2.1.1 pH對玉米蛋白肽鋅螯合率的影響 pH條件是影響多肽螯合微量元素形成螯合物的重要因素。在pH較低的酸性條件下,H+將與鋅離子競爭供電子基團,不利于多肽微量元素螯合物的生成:在pH較高的條件下,羥基與供電子基團爭奪了鋅離子而優先生成氫氧化鋅沉淀。
選取pH4.5~6.5,溫度50℃,時間1h,蛋白肽與鋅鹽的摩爾比2∶1的條件下,探討pH對螯合反應的影響,結果如圖1所示。
圖1 pH對玉米蛋白肽鋅螯合率的影響
由圖1可知,pH偏高或偏低都會對螯合率產生較大的影響,在pH為5.5左右時,螯合率最高,因此,采用pH5.0、5.5、6.0進行后續的響應面分析實驗。
2.1.2 蛋白肽與鋅的摩爾比對玉米蛋白肽鋅螯合率的影響 在溫度50℃,時間1h和pH 5.0時,探討蛋白肽與鋅的摩爾比對螯合反應的影響,蛋白肽的摩爾數取蛋白肽水解液中的游離氨基的摩爾數,結果見圖2。
由圖2可知,蛋白肽與鋅的摩爾比對螯合反應的影響很大,當比值過大時,蛋白肽鋅的螯合率較小,且造成原料浪費;過小,則不利于螯合反應的進行。當比值為2∶1時,螯合率最大。因此實驗中選取摩爾比值為1∶1、2∶1、3∶1進行后續的響應面分析實驗。
圖2 蛋白肽與鋅的摩爾比對玉米蛋白肽鋅螯合率的影響
2.1.3 反應時間對玉米蛋白肽鋅螯合率的影響 選取溫度50℃,pH 5.5,蛋白肽與鋅的摩爾比為2∶1進行反應時間對螯合反應影響的實驗,結果如圖3所示。
圖3 反應時間對玉米蛋白肽鋅螯合率的影響
從圖3可以看出,在螯合反應的前60min,螯合率雖有增加,但是增長不大,當反應進行到90min以后,螯合率變化趨于穩定,因此,在后續的實驗中,選擇90min作為反應條件,并且不將反應時間作為響應面分析法的考察因素。
2.1.4 溫度對玉米蛋白肽鋅螯合率的影響 在時間90min,pH5.5時,蛋白肽與鋅的摩爾比為2∶1的條件下,進行溫度對螯合反應影響實驗,結果見圖4。
圖4 溫度對玉米蛋白肽鋅螯合率的影響
由圖4可以看出,溫度對螯合反應有顯著的影響。螫合率隨著溫度的增加而升高,當溫度達到60℃后,螯合率變化趨于平緩,因此,在研究中選50、60、70℃進行后續的響應面分析實驗。
2.1.5 響應面法優化玉米蛋白肽鋅的制備條件 實驗以隨機次序進行,以螯合率作為響應值用Minitab15.0程序進行分析,并得出響應面分析圖、回歸擬合方程以及方差分析表。響應面實驗設計與結果見表2。
利用Minitab15.0軟件對實驗數據進行分析,由表3得出擬合二次多項式方程為:
表4 方差分析
表2 三因素三水平中心組合實驗方案及結果
表3 三因素三水平中心組合參數估計
由表3可知,對方程影響顯著程度由大到小依次為摩爾比、溫度、pH,溫度和摩爾比對方程影響最顯著,說明這二者直接關系螯合率的大小,而pH的影響在一定范圍內并不是很顯著,并且得知方程大多數一次項、二次項、交互項的影響都是顯著的,各因素之間不是簡單的線性關系,而是二次關系。
由表4可知,模型的回歸顯著,交互作用較好;失擬項F值很小,表明該方程對實驗擬合情況好,實驗誤差小。因此可以用該回歸方程代替實驗真實點對實驗結果進行分析。
同時做出中心組合設計實驗所得的三組響應面曲面圖(圖5~圖7)。響應面圖形是特定的響應值Y對應的因素X1、X2、X3構成的一個三維空間在二維平面上的等高圖,可以直觀地反映各因素的交互作用以及對響應值的影響。圖中可看到擬合曲面有最大值,對擬合方程求偏導,可得出模型最大值,即為最優的實驗方案。
圖5 pH和摩爾比對螯合率影響的響應面分析
圖6 pH和溫度對螯合率影響的響應面分析
圖7 溫度和摩爾比對螯合率影響的響應面分析
為了進一步確證最佳點的值,利用上述分析進行最優工藝的推導,對回歸方程取一階偏導數為零并整理得:
聯立上述三個方程求解,得到 X1=-0.1390,X2=0.2829,X3=0.2161。換算后得到最佳工藝條件是pH為5.4、溫度62.83℃、摩爾比為2.2∶1??傻抿下实念A測值為58.3%。
為了驗證響應面法所得結果的可靠性,采用上述優化條件再重復實驗3次,考慮到實際操作的便利,將工藝參數修正為:pH為5、溫度63℃、摩爾比為2∶1。在此條件下玉米蛋白肽鋅的螯合率達到57.9%,相對誤差為0.6%,證明了方程可靠性與響應面分析法的有效性。
2.2 硫化鈉法鑒定分析的結果
氨基酸螯合物是氨基酸基團中的C和N原子與金屬離子配位,形成環狀的螯合分子結構。金屬硫化物的穩定常數遠大于螯合物的穩定常數,當加入硫化鈉時,S2-與穩定螯合物中的金屬離子反應,生成了更穩定的金屬硫化物沉淀,從而使螯合物中的氨基酸或肽游離出來,與茚三酮發生顯色反應,可以利用這一性質來對樣品進行定性鑒定[6-7]。
把不加硫化鈉的樣液加熱至沸騰,用茚三酮試劑檢測,溶液顏色沒有發生改變;加入過量的硫化鈉用玻璃棒攪勻靜置一段時間后,溶液中有白色沉淀生成;過濾后濾液用茚三酮試劑檢測,濾液變為藍紫色。即原待測物質的溶液中沒有游離的蛋白肽,在生成金屬無機鹽沉淀后,又有了游離的蛋白肽。這說明待測物質是蛋白肽和金屬形成的一種特殊物質,它不像蛋白肽金屬鹽那樣在水中以離子狀態存在,也不像無機沉淀那樣不溶于水,即其穩定性大于可溶性無機鹽,而小于無機沉淀。初步判斷該物質為玉米蛋白肽鋅螯合物。
硫化鈉法鑒定分析結果表明,本研究所制備螯合物是玉米蛋白肽鋅。
本實驗根據Box-Behnken的中心組合設計原理,以pH、溫度、蛋白肽與鋅的摩爾比三個因子為自變量,采用響應面分析法,得到回歸方程,研究這3個因子的主效應和交互效應對產品質量的影響,以得到提高產品質量的最佳參數,使原料得到充分的利用。玉米蛋白肽鋅的最佳制備工藝為:pH為5、溫度63℃、摩爾比為2∶1,反應時間為90min,在此條件下螯合率可以達到57.9%。
[1]B Kong,Y L Xiong.Antioxidant activity of zein hydrolysates in a liposome system and the possible mode of action[J].Agric Food Chem,2006(54):6059-6068.
[2]吳茹怡,葉劍明.氨基酸螯合礦物質的研究進展[J].四川食品與發酵,2004,40(12):28-31.
[3]A AFOO.Official Publication[M].Assoc Amer Feed Control Office Inc,2001:282-283.
[4]李庭,熊華,等.米蛋白肽鋅對油脂穩定性的影響及其抑菌活性的研究[J].食品工業科技,2009(6):65-68.
[5]張紅浸,陳國松,儀明君,等.復合氨基酸銅螯合物的研究[J].氨基酸和生物資源,2002,24(2):37-40.
[6]吳茹怡,曾里,曾凡駿.氨基酸螯合物鑒定方法的研究[J].食品科技,2006(3):104-108.
[7]張亞麗,徐忠.酶法復合氨基酸鈣絡合物制備及應用研究[J].食品科技,2000(6):8-12.
Optimization of the preparation of corn-peptide-zinc
TANG Jun-hu,KANG Wei-li,REN Zhi-yan,JING Si-qun*
(College of Life Sciences&Technology,Xinjiang University,Urumqi 830046,China)
Corn peptide was obtained via alkali protein enzyme enzymolysis with corn gluten meal as raw material,and then chelated with ZnSO4and corn-peptide-zinc(CPZ)was produced.The preparation process of CPZ was optimized according to Box-Behnken central composition design principle.The method of response surface analysis with 3 factors and 3 levels combined with Minitab15.0-statistical data analysis software was adopted. According to the above results,the optimum preparation conditions were obtained as follows:reaction time 90min,pH5,temperature 63℃,mol ratio 2∶1.Under these conditions,the chelating rate was up to 57.9%.
corn-peptide-zinc;preparation;response surface methodology(RSM);optimization
TS255.1
B
1002-0306(2011)03-0294-04
玉米蛋白粉(Corn gluten meal,CGM)是玉米淀粉生產味精的副產品。據官方統計,新疆玉米種植面積約800萬畝,產地分布南北疆各地,年產量可達360~400萬t。新疆天達生物工程有限公司以玉米為原料,現年產味精3.6萬t,同時產生蛋白粉4200t,經本實驗室測定玉米蛋白粉中蛋白質含量高達61.5%,是制備玉米短肽、氨基酸的良好原料,具有極大的開發價值[1-2]。近年來,出現了有關于植物蛋白為原料,生產具有穩定性好、吸收率高、生物效價高、毒性小等優點的小肽螯合鹽的報道[3-4],但玉米蛋白肽鋅的研究尚未見報道。在玉米蛋白肽鋅的制備過程中,螯合條件的確定是至關重要的。傳統的正交實驗雖然能夠同時考慮幾種因素,并確定最佳組合,卻不能找出因素和響應值之間的函數關系,即回歸模型,從而無法找到全部水解因素的最佳組合和響應值的最優值。本研究通過Minitab15.0軟件,采用響應曲面法優化酶解玉米蛋白制備玉米蛋白肽鋅的工藝,通過建立數學模型,以期獲得最優的生產工藝參數,獲得最佳制備工藝,為玉米蛋白肽鋅的應用提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 材料與儀器
2010-03-26 *通訊聯系人
唐軍虎(1984-),男,碩士研究生,研究方向:食品科學。
新疆維吾爾自治區科技科技支疆項目資助(200991236)。