姜福佳,翟思羽,代云飞,杜佳欣,吴 浩,马金秋,麻婷婷,马 帅,逯家富

(长春职业技术学院,吉林长春 130033)



乙醇浸提法提取啤酒糟中醇溶蛋白工艺的研究

姜福佳,翟思羽,代云飞,杜佳欣,吴 浩,马金秋,麻婷婷,马 帅,逯家富*

(长春职业技术学院,吉林长春 130033)

采用乙醇浸提法提取啤酒糟中的醇溶蛋白,对乙醇浓度、固液比、提取温度、振荡时间4因素进行单因素实验。在单因素实验的基础上,以乙醇浓度、固液比、提取温度三个因素为自变量,啤酒糟中蛋白质的得率为响应值,进行响应面优化,确定最佳工艺参数。结果表明,啤酒糟中蛋白质最佳提取条件:乙醇浓度为81%、固液比为1∶21(g/mL)、提取温度为48 ℃、振荡时间50 min。当满足最佳条件时,醇溶蛋白得率的理论预测值可达到7.8%。根据最佳提取条件进行验证实验,醇溶蛋白的得率为7.67%,相对误差为1.71%。此方法实现了对啤酒糟醇溶蛋白较高纯度的提取。

啤酒糟,响应面法,醇溶蛋白,乙醇浸提法

啤酒糟又称为麦芽糟,是啤酒工业中的主要副产物。啤酒糟含有丰富的蛋白质,据测定,干啤酒糟中粗蛋白含量为22%～27%,而醇溶蛋白占粗蛋白的65%左右[1-3]。我国是啤酒生产大国,啤酒产量已经连续12年居世界第一,啤酒糟的产量也随之大幅提高[4]。但是由于啤酒糟的含水率高、易腐烂、不宜长久贮藏与运输,大多数厂家便将其排放或者作为粗饲料直接低价出售,造成严重的资源浪费和环境污染,使啤酒糟的价值未充分利用[5-8]。啤酒糟中的醇溶蛋白具有良好的持油性、乳化性及乳化稳定性等优良性质[9]。其可应用于大麦品种的鉴定[10]、食品、药品等领域。本研究利用响应面法优化啤酒糟中醇溶蛋白的得率,提高了啤酒糟的综合利用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

烘干、粉碎的啤酒糟 华润雪花啤酒长春有限公司产品;NaCl(规格500 g)无水乙醇(规格500 mL)北京化工厂;离心机(规格型号DL-5C) 上海安亭科学仪器厂;水浴恒温振荡器(规格型号SHZ-88) 金坛市开发区吉特实验仪器厂。

1.2 原料的预处理

将新鲜的啤酒糟放在烘箱内在70 ℃条件下烘干、粉碎过100目筛储存备用。

1.3 实验方法

1.3.1 实验流程 啤酒糟粉3.00 g→乙醇浸提→振荡40 min→一次离心(转速4500 r/min,离心3 min)→弃沉淀,取上清液→盐析(1%的NaCl)→静止12 h→二次离心(转速4500 r/min,离心5 min)→沉淀干燥→啤酒糟醇溶蛋白。

1.3.2 醇溶蛋白得率计算方法

醇溶蛋白得率(%)=提取出的醇溶蛋白的质量/啤酒糟粉的质量×100

1.3.3 单因素实验方法

1.3.3.1 乙醇浓度对醇溶蛋白得率的影响 称取备用啤酒糟7份,每份3.00 g置烧杯中,以固液比1∶20的比例加入浓度分别为68%、72%、76%、80%、84%、88%、92%的乙醇,放入温度为45 ℃水浴恒温振荡器中振荡40 min后,离心3 min(转速4500 r/min)弃沉淀;将上清液倒入烧杯中并用等体积浓度为1%的NaCl进行盐析,静置12 h进行二次离心5 min(转速4500 r/min)沉淀干燥并称重,计算求得醇溶蛋白的得率。

1.3.3.2 固液比对醇溶蛋白得率的影响 称取备用啤酒糟7份,每份3.00 g置烧杯中,分别以固液比1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24、1∶28的比例加入浓度为80%的乙醇,放在温度为45 ℃水浴恒温振荡器中振荡40 min后,离心3 min(转速4500 r/min)弃沉淀;将上清液倒入烧杯中并用等体积浓度为1%的NaCl进行盐析,静置12 h进行二次离心5 min(转速4500 r/min)沉淀干燥并称重,计算求得醇溶蛋白的得率。

1.3.3.3 提取温度对醇溶蛋白得率的影响 称取备用啤酒糟7份,每份3.00 g置烧杯中,以固液比1∶20的比例加入浓度为80%的乙醇放在温度分别为35、40、45、50、55、60、65 ℃水浴恒温振荡器中振荡40 min后,离心3 min(转速4500 r/min)弃沉淀;将上清液倒入烧杯中并用等体积浓度为1%的NaCl进行盐析,静置12 h进行二次离心5 min(转速4500 r/min)沉淀干燥并称重,计算求得醇溶蛋白的得率。

1.3.3.4 振荡时间对醇溶蛋白得率的影响 称取备用啤酒糟7份,每份3.00 g置烧杯中,以固液比1∶20的比例加入浓度为80%的乙醇放在温度为45 ℃水浴恒温振荡器中分别振荡10、20、30、40、50、60、70 min 后,离心3 min(转速4500 r/min)弃沉淀;将上清液倒入烧杯中并用等体积浓度为1%的NaCl进行盐析,静置12 h进行二次离心5 min(转速4500 r/min)沉淀干燥并称重,计算求得醇溶蛋白的得率。

1.3.4 响应面实验设计 在单因素实验的基础上,采用Box-Benhnken实验设计,数据处理利用统计软件Design-Expert。以乙醇浓度、固液比、提取温度3个影响较大的实验因素作为自变量,啤酒糟中醇溶蛋白的得率为响应值,当p<0.05时表示两交互项显著,p<0.01时表示两交互项极其显著。响应面分析因素与水平见表1。

表1 响应面分析因素与水平
Table 1 Factors and levels of response surface analysis

因子水平-101X1乙醇浓度(%)768084X2固液比(g/mL)1∶161∶201∶24X3提取温度(℃)455055

1.4 数据处理方法

文章数据均由origin 7.5软件处理得出。

2 结果与分析

2.1 乙醇浸提法提取醇溶蛋白的单因素实验结果

2.1.1 乙醇浓度对醇溶蛋白得率的影响 从图1中可以看出乙醇浓度对醇溶蛋白得率的影响情况。醇溶蛋白的得率随着乙醇浓度的增加而上升;当乙醇浓度为80%时,醇溶蛋白得率达到最大值;当乙醇浓度继续增加,醇溶蛋白的得率稍有下降。这可能是由于啤酒糟中的醇溶蛋白高比例的非极性氨基酸和碱性、酸性氨基酸的缺乏的缘故。

图1 乙醇浓度对醇溶蛋白得率的影响Fig.1 Effect of ethanol concentration on the extraction rate of alcohol soluble protein

2.1.2 固液比对醇溶蛋白得率的影响 从图2中可以看出固液比对醇溶蛋白得率的影响情况。醇溶蛋白的得率随着固液比的增加而上升,当固液比达到1∶20时,得率达到最大值;当固液比继续增加,醇溶蛋白的得率几乎不变。这可能是由于较大的固液比可降低溶液的粘稠度和浸出啤酒糟中的醇溶蛋白的缘故。

图2 固液比对醇溶蛋白得率的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of alcohol soluble protein

2.1.3 提取温度对醇溶蛋白得率的影响 从图3中可以看出提取温度对醇溶蛋白得率的影响情况。醇溶蛋白的得率随着提取温度的增加而上升;当提取温度为50 ℃时,醇溶蛋白得率达到最大值;随着提取温度的增加,醇溶蛋白的得率大幅度下降。这可能是由于在较高温度长时间作用下啤酒糟中的醇溶蛋白部分发生变性的缘故。

图3 提取温度对醇溶蛋白得率的影响Fig.3 Effect of temperature on the extraction rate of extraction of alcohol soluble protein

2.1.4 振荡时间对醇溶蛋白得率的影响 从图4中可以看出振荡时间对醇溶蛋白得率的影响情况。振荡时间对醇溶蛋白得率的影响并不大,醇溶蛋白的得率随着振荡时间的增加而上升;当振荡时间为50 min时,醇溶蛋白得率达到最大值;随着振荡时间的增加,醇溶蛋白的得率几乎不变。这是由于振荡时间过少,醇溶蛋白和乙醇接触不充分。由于振荡时间对醇溶蛋白得率影响不大,因此不参与响应面优化实验选50 min。

图4 振荡时间对醇溶蛋白得率的影响Fig.4 Effect of shaking time on the extraction rate of alcohol soluble protein

2.2 响应面优化啤酒糟中醇溶蛋白的提取工艺

在单因素实验的基础上,以乙醇浓度、固液比、提取温度3个影响较大的实验因素作为自变量,啤酒糟中醇溶蛋白的得率为响应值,用响应面分析法在3因素3水平基础上进行工艺优化,以确定最大得率时的工艺参数。响应面分析方案及实验结果见表2。

表2 响应面分析方案及实验结果
Table 2 Response surface analysis and test results of the program

实验号X1X2X3醇溶蛋白得率(%)1-1-107.242-1107.7231-107.1341107.1450-1-17.260-117.3701-17.6480117.239-10-17.471010-17.0711-1017.29121016.84130007.48140007.57150007.56

采用多元二次回归方程拟合实验结果,再用F检验统计分析工具和响应面图研究考察因子之间的交互关系及因子与响应值间的关系。

对表2中数据进行回归分析,获得醇溶蛋白得率对编码自变量乙醇浓度、固液比、提取温度的二次多项回归方程:

Y(%)=7.536667-0.1925X1+0.1075X2-0.09X3-0.202083X12-0.1175X1X2-0.0125X1X3-0.027083X22-0.1275X2X3-0.167083X32

通过表2实验结果进行统计分析,得到方差分析结果见表3。由表3可知,模型p=0.000383,表明模型显著。其中一次项X1、X2、X3,交互作用项X1X2,二次项X12、X32对响应值Y影响显著;其余项均不显著。失拟项p=0.578441>0.05,表明模型失拟度不显著,说明残差均由随机误差引起,建立的回归模型能代表实验真实点解释响应结果。模型决定系数R2=0.985说明该模型可以解释98.5%的实验,方程的拟合度较高。由此可见,此模型可用于乙醇浸提法提取啤酒糟醇溶蛋白工艺的分析和预测。

表3 回归分析
Table 3 Regression analysis

方差来源自由度平方和均方F值p>FX11029645029645133335800001X2100924500924541581710001334X31006480064829145430002945X121015078501507856781946000043X1X210055225005522524838830004162X1X310000625000062502811090618667X221000270800027081218141031999X2X3100650250065025292466301029X3210103078010307846361720001041回归90810657009007340512580000383线性304537015123368020990000179平方3023608200786943539455000086交互30120875004029218122190004065参差500111170002223失拟项3000625000208308561640578441纯误差200048670002433总离差140821773R2985%

根据以上回归分析的结果绘制相应的曲线图及其等高线。形象直观的描述乙醇浓度、固液比、提取温度对醇溶蛋白得率的影响。结果如图5～图7。

图5 乙醇浓度和固液比对啤酒糟中醇溶蛋白得率影响的响应面及等高线Fig.5 Ethanol concentration and solid-liquid ratio of the response surface and contour BSG in alcohol soluble protein Extraction Rate

图6 固液比和提取温度对啤酒糟中醇溶蛋白得率影响的响应面及等高线Fig.6 Solid-liquid ratio and extraction temperature on BSG alcohol soluble protein extraction rate and the impact of response surface contour

图7 乙醇浓度和提取温度对啤酒糟中醇溶蛋白得率影响的响应面及等高线Fig.7 Response surface temperature on the ethanol concentration and extraction of alcohol soluble protein BSG extraction rate effects and Contour

响应曲面越陡说明该因素对醇溶蛋白得率影响显著,曲面平缓说明该因素对醇溶蛋白得率影响不显著。等高线的形状反映两个因素间交互作用的强弱。圆形说明交互作用不显著,椭圆形说明交互作用显著。从以上三个响应曲面图及其等高线图中可明显观察到,三个曲面图开口均为向下凸形曲面,表明在该范围内响应值Y(醇溶蛋白得率)存在着极大值,表明该多元二次回归模型能够较好的用于描述响应值和自变量之间的显著性。由图5可知,当X3(提取温度)取0水平时,X1(乙醇浓度)和X2(固液比)的交互作用对响应值Y的影响,从响应曲面看,二者曲面均表现较陡斜,X1曲面的陡斜程度大于X2曲面,表明X1对响应值Y的影响比X2更为显著。由图6可知,当X1取0水平时,X2和X3的交互作用对响应值Y的影响，二者曲面均较为平缓。图7表现出与图6相似的规律,表明X1X3交互项对响应值Y无明显显著的交互作用。经响应面优化,当醇溶蛋白的最佳提取工艺满足乙醇浓度为82%、固液比为1∶21,提取温度为48 ℃,振荡时间为50 min时醇溶蛋白的得率可达到7.8%。

2.3 验证实验

为了检验模型预测的准确性,按优化后的最佳提取条件乙醇浓度为81%、固液比为1∶21,提取温度为48 ℃,振荡时间50 min进行提取,实验重复三次。结果三个平行的得率分别为7.67%、7.78%、7.55%。平均得率为7.67%,与理论预测值相比相对误差为1.71%。可见该模型能较好地模拟和预测实验得率。

3 结论

本实验通过单因素实验对影响啤酒糟中醇溶蛋白提取的主要因素:乙醇浓度、固液比、提取温度、振荡时间进行了探索。应用响应面法对乙醇浓度、固液比、提取温度3个因素的最佳水平范围及交互作用进行了研究。最终得到利用乙醇浸提法提取啤酒糟中的醇溶蛋白的最佳工艺条件为:乙醇浓度为81%、固液比为1∶21 (g/mL),提取温度为48 ℃,振荡时间50 min,醇溶蛋白的得率可达到7.67%。

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Extraction of alcohol soluble protein from beer grains by ethanol extraction

JIANG Fu-jia,ZHAI Si-yu,DAI Yun-fei,DU Jia-xin,WU Hao, MA Jin-qiu,MA Ting-ting,MA Shuai,LU Jia-fu*

(Changchun Vocational Institute of Technology,Changchun 130033,China)

Ethanol soluble protein in beer grains was extracted by ethanol extraction,and the 4 factors inducling ethanol concentration,solid-liquid ratio,extraction temperature and oscillation time were tested by single factor test. Based on single factor test,ethanol concentration,solid-liquid ratio,extraction temperature were selected as independent variables,and BSG protein extraction rate was response.The process parameters were optimized by response surface method.The results showed that the optimum extraction conditions of BSG protein were 81% of ethanol concentration,solid-liquid ratio of 1∶21 (g/mL),extraction temperature of 48 ℃,oscillation time of 50 min. Under the optimum conditions,theoretical predictions zein extraction rate could reach 7.8%. The optimal conditions according to the verification test,zein extraction rate was 7.67% relative error of 1.71%.This method was realized to extract the higher purity of the soluble protein of beer grains.

Brewer’s grains;response surface analysis;alcohol soluble protein;ethanol extraction

2016-05-23

姜福佳(1983-)，男，硕士研究生，讲师，主要从事生物技术及应用方面的研究，E-mail:lujiafu888@163.com。

*通讯作者:逯家富(1961-)，男，本科，教授，从事食品与发酵工业的研究，E-mail:604771032@qq.com。

吉林省科技厅重点科技攻关项目(20140204007SF)；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字【2013】第549号)。

TS201.2

B

1002-0306(2016)23-0239-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.036