徐丽萍 杨春华 王 鑫

(哈尔滨商业大学食品工程学院,哈尔滨 150076)

响应曲面法优化玉米胚中谷胱甘肽提取工艺条件

徐丽萍 杨春华 王 鑫

(哈尔滨商业大学食品工程学院,哈尔滨 150076)

还原型谷胱甘肽(GSH)是一种生物活性三肽,在生物体内具有多种重要的生理功能,在临床医药、食品工业及有关生物研究领域都有着广泛的用途。以玉米胚为原料,对水提法提取玉米胚中还原型谷胱甘肽的工艺进行研究,利用 Box-Behnken的中心组合设计原理及响应面法(RS M)分析建立二次回归模型,对提取时间、pH值和提取温度等因素优化组合,确定水提法提取玉米胚中还原型谷胱甘肽的最佳工艺条件为:提取时间为 19.6 min、pH 3.7、提取温度为 91.7℃,玉米胚中还原型谷胱甘肽的提取率为 0.145%。

玉米胚 还原型谷胱甘肽 响应曲面 提取

谷胱甘肽是一种三肽(L-γ-谷氨酸 -L-半胱氨酸 -甘氨酸)化合物,属于含有巯基的小分子活性肽,可分为氧化型和还原型两大类[1]。其中还原型谷胱甘肽具有生理活性,而生物体内的氧化型谷胱甘肽需还原才能发挥其重要的生理功能。谷胱甘肽广泛存在于自然界中,动物肝脏、酵母和小麦胚芽中都有丰富的谷胱甘肽,人和动物的血液中也含有较多的谷胱甘肽,而植物组织中的谷胱甘肽含量则较低。其中玉米胚中含有还原型谷胱甘肽 100～200 mg/100 g[2]。谷胱甘肽在许多重要的生物学现象中起着直接或间接的作用,如抗自由基和保护细胞、解毒、促进氨基酸转运、保护胃肠黏膜、提高免疫力、参与蛋白质合成与降解、调节基因的复制、转录、调节细胞生长、维持细胞正常功能、参与胆红素代谢、促进胆酸代谢,减轻出血倾向等[3-4],因此谷胱甘肽被广泛应用于医药及保健食品的生产[5-7]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米胚:哈尔滨北农集团。蒸馏水、氢氧化钠、盐酸等试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器

SJ260C多功能食品搅拌器:顺德兰谱电器制造有限公司;ALC-1100.2电子分析天平:北京赛多利斯仪器系统有限公司;DK-98电子恒温水浴箱、DHG-9123A台式电热恒温鼓风干燥机:上海一恒科技有限公司;R-205旋转蒸发仪:上海申胜生物技术有限公司;TU-1900双光束紫外分光光度计:北京普析通用仪器有限责任公司;KQ-500VDE双频数控超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司;TG16高速离心机:长沙英泰仪器有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 玉米胚中还原型谷胱甘肽提取工艺优化

准确称取 10 g脱脂粉碎的玉米胚,加入适量蒸馏水后采用超声波破壁于水溶液中进行水提[8-14],冷却过滤,离心得上清液,冷冻干燥后得到还原型谷胱甘肽粗品 (GSH)[15-16]。以 GSH得率为指标,在单因素试验的基础上,采用响应面优化试验确定最佳工艺参数。

1.3.2 GSH含量的测定

在 0.1 mol/L氢氧化钠溶液中的 GSH在220 nm处有较稳定的吸收峰,且线性关系良好,以 GSH质量浓度(mg/mL)为横坐标,最大吸收波长下的吸光值为纵坐标,制作标准工作曲线[17]。测定的标准曲线回归方程为:y=18.111x+0.010 6,R2=0.998 5,式中,y为吸光度,x为质量浓度/mg/L。

取 GSH提取液 1 mL于含 24 mL的氢氧化钠容量瓶中,摇匀后在吸光度 220 nm处进行比色测定。再根据标准曲线查找所测吸光度对应的 GSH质量浓度,计算出 GSH的含量[13]。

1.3.3 试验设计

采用Box-Behnken模型,以提取时间、pH值和提取温度为影响玉米胚 GSH为主要的考察因子 (自变量),分别以 X1、X2、X3表示,并以 +1、0、-1分别代表自变量的高、中、低水平,按方程 xi=(Xi-Xo)/X对自变量进行编码[18]。其中 xi为自变量的编码值, Xi为自变量的真实值,Xo为试验中心点处自变量的真实值,X为自变量的变化步长[19],因子编码及水平见表1。

表 1 Box-Behnken实验设计因素水平及编码

2 结果与分析

采用多元回归分析,拟合二次多项式回归模型的Box-Behnken设计见表 2。

2.1 回归模型的建立及其显著性检验

表2 试验设计与结果

利用 Design Expert 7.1.3软件对表 2试验数据进行多元回归拟合,获得水提法提取玉米胚中 GSH的含量对自变量提取时间 (x1)、pH(x2)和提取温度(x3)的二次多项回归模型方程为:Y=0.14-2.5× 10-3x1- 0.014x2+0.011x3+0.01x1x2-5×10-3x1x3+7.5×10-3x2x3-0.04x12-0.022 x22-0.027x32,式中 Y为玉米胚中 GSH提取值,x1、x2、x3分别为 3个自变量的编码值[20]。

表3 响应面模型方差分析表

表4 回归方程系数显著性检验

2.2 水提取玉米胚 GSH的响应面分析与优化

多元回归方程的响应面及其等高线图解见图 1～图 3。通过该组动态图即可对任何两因素交互影响水溶液提取玉米胚 GSH的量效应进行分析与评价,并从中确定最佳因素水平范围。

图 1显示了在提取时间为最佳值 19.6 min时, pH与提取温度对水提法提取玉米胚中 GSH的交互影响效应。从其等高线图可以直观地看出此两因素的交互作用显著,随着pH值增大,GSH的提取量也逐步提高。当 pH值较低时,GSH的提取量随 pH值增大而增大,但当 pH值超过 4时,GSH的提取量随 pH值增大而减小。由图 1可知,在试验水平范围内,提取温度和 pH值分别在 85～95℃和 2.5～3.5的范围内,GSH的提取量可以达到试验中的最大值。

图1 pH、提取温度及其交互作用对水溶液提取玉米胚GSH的响应面和等高线图

图 2 提取时间、提取温度及其交互作用对水溶液提取玉米胚 GSH的响应面和等高线图

图 2显示了在 pH为最佳值 3.7时,提取时间与提取温度对水提法提取玉米胚中 GSH的交互影响效应。从其等高线图可以直观地看出两因素的交互作用不显著;从图 2可以看出,在试验水平范围内,提取温度对 GSH的提取影响不大,当提取时间较短时, GSH提取量随时间的延长而增大,但当提取时间超过 25 min时,GSH提取量随时间的延长而减小。

图 3 提取时间、pH及其交互作用对水溶液提取玉米胚GSH的响应面和等高线图

图 3显示了在提取温度为最佳值 91.7℃时,提取时间与 pH对水提法提取玉米胚中 GSH的交互影响效应。从其等高线图可以直观地看出此两因素的交互作用较显著;从图 3可以看出,在试验水平范围内,提取时间对 GSH的提取影响不大,pH值对 GSH的提取量有较大影响,随着 pH值的增大 GSH提取量也增大。

采用优化后的工艺进行谷胱甘肽的提取,谷胱甘肽的提取率为 0.145%。

3 结论

利用响应曲面优化设计 (RS M)建立了以玉米胚为原料提取 GSH的二次多项数学模型,经检验证明是合理可靠的,同时利用模型的响应曲面及其等高线对影响提取的关键因子及其相互作用进行探讨,优化出玉米胚中 GSH提取的工艺参数为提取时间19.6 min、pH 3.7、提取温度 91.7℃,玉米胚芽中谷胱甘肽的提取率为 0.145%。

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Condition Optimization of Extracting Glutathione from Corn Germ by Response SurfaceMethodology

Xu Liping Yang Chunhua Wang Xin
(College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076)

Glutathione is one ofmajor non-protein thiol compounds.GSH,the reduced form of glutathione,is widely used in many fields,such as clinicalmedicine,food industry and biological research.To optimize the technol2 ogy ofwater extraction of corn germ glutathione,corn germ was used as raw material,Box-Behnken central compos2 ite design and the response surface method were applied with three influencing factors including extraction time,pH value and extraction temperature.Results:The established opti mum extraction conditions are extraction ti me 19.6 min,pH 3.7,and extraction temperature 91.7℃.The yield of corn germ glutathione is 0.145%.

corn germ,GSH,response surface methodology,extraction

S38 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)05-0015-04

黑龙江省自然科学基金(C200813)

2009-05-19

徐丽萍,女,1963年出生,教授,食品营养与安全