全 文 ：第 28 卷 第 1 期
2015 年 3 月
仲恺农业工程学院学报
Journal of Zhongkai University of Agriculture and Engineering
Vol． 28，No． 1
March，2015
DOI:10． 3969 / j． issn． 1674 － 5663． 2015． 01． 004
收稿日期:2014 － 10 － 20
基金项目:新疆维吾尔自治区重点科技计划(201331118)、克拉玛依市科技计划(SK2013 － 04)资助项目．
作者简介:刁丽婷(1989 －) ，女，贵州贵阳人，在读硕士研究生． * 通信作者:E-mail:yuxin1959@ aliyun． com
瓜儿豆蛋白质提取条件优化及其功能特性研究
刁丽婷1，黄健峰2，于 新1* ，黄世威1，黄士玮2，桑圣贤2，黄 杰1
(1． 仲恺农业工程学院 轻工食品学院，广东 广州 510225;
2． 克拉玛依巨丰汇农生态农业科技有限公司，新疆 克拉玛依 834000)
摘要:以瓜儿豆 (Cyamopsis tetragonoloba (Linn．)Taub．)种子为原料，在提取温度、时间、pH 和液料比等 4
个关键因素的单因素试验基础上，通过响应面分析方法，对瓜儿豆蛋白质的提取工艺进行了优化，并对其功能
特性进行了研究． 结果表明，在 pH 11. 0，43 ℃，液料比 39 mL /g条件下瓜儿豆蛋白提取效果最优，此时蛋白提
取率为 83. 3% ． 瓜儿豆种子蛋白质主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白等组成． 清蛋白、球蛋白和醇溶
蛋白的等电点 (pI)分别为 pH 4. 3，5. 1 和 4. 7，谷蛋白 pI为 pH 3. 5 ～ 3. 8． 瓜儿豆清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白
在 pH 5. 0 时起泡性最差． 各组分蛋白在 pI均表现为溶解性和持水持油性差． 在其他 pH条件下，组分蛋白的持
水持油性均较好．
关键词:瓜儿豆 (Cyamopsis tetragonoloba (Linn．)Taub．);蛋白质;溶解性;持水持油性;起泡性
中图分类号:TS261 文献标志码:A 文章编号:1674 － 5663(2015)01 － 0021 － 06
Optimization of extracting conditions of guar protein and its characteristics
DIAO Liting1，HUANG Jianfeng2，YU Xin1* ，HUANG Shiwei1，HUANG Shiwei2，
SANG Shengxian2，HUANG Jie1
(1． College of Light Industry and Food，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China;
2． Karamay Jufeng Huinong Ecological Agriculture Science and Technology Co．，Ltd，Karamay 834000，China)
Abstract:The technology of extracting guar protein from Cyamopsis tetragonoloba seed was optimized
through response surface analysis based on the single factor test of 4 key factors (temperature，time，liq-
uid-solid ratio and pH value)and its function characteristics were studied． The results showed that the
optimal extraction conditions were pH 11. 0，43 ℃ and liquid-solid ratio of 39 mL /g，with the extraction
rate of 83. 3% ． Guar proteins mainly consist of albumin，globulin，gliadin and glutenin． Isoelectric point
(pIs)of glutenin was pH3. 5 ～ 3. 8，pIs of albumin，globulin and gliadin were pH 4. 3，pH 5. 1 and pH
4. 7，respectively． The foaming properties of albumin，globulin and gliadin at pH 5. 0 was worse than that
at any other range of pH value． At pI those four proteins had bad solubility，water and oil holding capaci-
ty． At other pH conditions，the capacity of holding water and oil was well．
Key words:Cyamopsis tetragonoloba (Linn．) Taub．;protein extraction;solubility;water and oil
holding capacity;foaming properties
瓜 儿 豆 (Cyamopsis tetragonoloba (Linn．)
Taub．)也称瓜尔豆，是一年生草本豆科作物，在
印度和巴基斯坦等地区广泛种植，其种子胚乳含瓜
儿胶［1］． 瓜儿豆胶作为石油开采和食品加工的乳
化剂、增稠剂等方面得到广泛的研究和应用，但是
提取瓜儿豆胶剩余的副产品瓜儿豆粕中蛋白质质量
分数达 57. 6%［2］，可用作食品或饲料的一种新型
蛋白质原料，有助于缓解目前国内食用或饲用蛋白
质资源的不足． 迄今为止，关于瓜儿豆蛋白质的提
取分离技术及其在食品加工方面的功能特性罕见报
道，作者通过响应面试验优化瓜儿豆蛋白质的提取
工艺，并对其功能特性进行研究，以期为瓜儿豆的
综合利用提供参考．
1 材料和方法
1. 1 原材料
瓜 儿 豆 (Cyamopsis tetragonoloba (Linn．)
Taub．)，新疆巨丰汇农有限公司提供．
1. 2 瓜儿豆蛋白质提取工艺
瓜儿豆种子→粉碎→脱脂→提取 (碱液)→
离心 (去沉淀)→过滤→酸析 (盐酸)→分离
(去上清液)→水洗→干燥→粗蛋白
提取时应注意，在碱液提取时，以 0. 01 mol /L
的 NaOH调节 pH，按一定液料比、温度和时间搅
拌提取蛋白．
在酸析及分离时，取上步试验的上清液，用
0. 01 mol /L 的 HCl 调 pH 至 4. 2，25 ℃静置沉淀
20 min，3 000 r /min离心 30 min，沉淀物即为粗
蛋白．
1. 3 瓜儿豆蛋白质提取单因素试验
1. 3. 1 pH对瓜儿豆蛋白质提取率的影响 调节溶
液 pH至 8. 0、9. 0、10. 0、11. 0 和 12. 0，以液料
比 30 mL /g 在 25 ℃提取 1 h，测定蛋白质的提
取率．
1. 3. 2 液料比对瓜儿豆蛋白质提取率的影响 pH
11. 0，液料比分别为 10、20、30、40 和 50 mL /g
在 25 ℃下提取 1 h，测定蛋白质的提取率．
1. 3. 3 温度对瓜儿豆蛋白质提取率的影响 pH
11. 0，液料比 30 mL /g，分别在 25、30、35、40、
45 ℃下提取 1 h，测定蛋白质的提取率．
1. 3. 4 时间对瓜儿豆蛋白质提取率的影响 pH
11. 0，液料比 30 mL /g，25 ℃下分别提取 30、60、
90、120 和 150 min，测定蛋白质的提取率．
1. 4 瓜儿豆蛋白质提取条件优化试验
根据单因素试验结果，运用中心组合设计原
理，选择对蛋白质提取率有显著影响的因素进行响
应面试验设计． 采用 Design-Expert． 8. 05b 进行数
据处理，以蛋白质提取率为响应值，优化瓜儿豆蛋
白质提取条件．
1. 5 蛋白质组分的分离
称取一定量的脱脂瓜儿豆粉末，置于烧杯中，
按液料比 10 mL /g加入去离子水，室温下搅拌 1 h，
4 000 r /min离心 10 min，上清液即为清蛋白组分．
于残渣中加入质量分数 10%的 NaCl 溶液 (与上述
去离子水等体积)，室温下搅拌 1 h，4 000 r /min
离心 10 min，上清液即为球蛋白组分． 于上述盐溶
液提取后的残留物中加入体积分数 75% 的乙醇
(与上述去离子水等体积)，用玻棒搅拌，80 ℃水
浴 5 min，持续搅拌． 取出烧杯后继续搅拌 5 min，
4 000 r /min离心 10 min，上清液即为醇蛋白组分．
于上述乙醇溶液提取后的残留物中加入质量分数
0. 2%的 NaOH 溶液 (与上述去离子水等体积)，
搅拌 15 min，4 000 r /min 离心 10 min． 收集上清
液，作为谷蛋白待测液［3］．
清蛋白制备:清蛋白提取液经干燥后得粉状清
蛋白制备物．
球蛋白和醇溶蛋白制备:各组分提取液通过蒸
馏水透析 72 h，4 000 r /min离心 10 min收集沉淀，
干燥备用．
谷蛋白组分制备:提取液以 0. 01 mol /L的 HCl
调 pH至 3. 7，4 000 r /min离心 10 min，收集沉淀，
水洗 3 次，冻干后备用． 分别测定各组分蛋白的质
量浓度．
1. 6 组分蛋白等电点 (pI)
pI参照施树［5］的方法进行测定．
1. 7 组分蛋白质功能特性研究
1. 7. 1 溶解性试验 样品的溶解性以氮溶解指数
(Nitrogen Solubility Index，NSI)来评价． 分别用去
离子水配制质量分数 1. 0%的蛋白样品溶液 8 mL，
用 0. 01 mol /L HCl 或 0. 01 mol /L NaOH 调 pH 至
3. 0、4. 0、5. 0、6. 0、7. 0、8. 0 和 9. 0，磁力搅拌
120 min，3 000 r /min 离心 15 min，测定上清液中
的蛋白质浓度．
NSI (%) =上清液中氮的质量分数 /样品中
氮的质量分数 × 100
1. 7. 2 起泡性和泡沫稳定性试验 起泡性试验:
取各组分蛋白 10 g，分别溶解于 100 mL蒸馏水中，
用 0. 01 mol /L HCl 或 NaOH 调 pH 至 1. 0、3. 0、
5. 0、7. 0 和 9. 0． 取 70 mL样品溶液，用组织捣碎
机 (10 000 ～ 12 000 r /min)均质 2 min，记录均质
停止时泡沫体积． 则:
起泡性 = (均质停止时泡沫体积 /70) ×100% ．
泡沫稳定性试验:分别于停止均质后 30 min、
60 min，记录此时泡沫的体积．
泡沫稳定性 = (30 或 60 min 泡沫体积 /均质
停止时泡沫体积) × 100%［4］．
1. 7. 3 持水性及持油性试验 持水性试验:取
0. 3 g 样品于 5 mL 离心管中，加入 3 mL 蒸馏水，
22 仲恺农业工程学院学报 第 28 卷
室温下静置 1 h． 4 000 r /min 离心 20 min，测量上
清液体积，体积前后差值即为样品的吸水量． 持水
性以单位质量样品吸附水体积表示．
持油性试验:取 0. 3 g样品于 5 mL 离心管中，
加入 3 mL 大豆油，充分搅拌，室温下静置 1 h．
3 500 r /min离心 20 min，测量上清液体积，体积
前后差值即为样品的吸油量． 持油性以单位质量样
品吸附油的体积表示［4］．
1. 8 蛋白质浓度测定
采用凯氏定氮法测定．
2 结果与分析
2. 1 单因素试验
2. 1. 1 pH对瓜儿豆蛋白质提取率的影响
在 pH 8. 0 ～ 12. 0，随着提取液 pH的上升，瓜
儿豆蛋白质的提取率先升高后降低，在 pH 11. 0 时
达到最大 (图 1)，因此选择 pH 11. 0 进行提取．
图 1 碱溶 pH值对提取率的影响
Fig. 1 Effect of pH value on extraction rate
2. 1. 2 液料比对瓜儿豆蛋白质提取率的影响 在
液料比为 10 ～ 40 mL /g 时，随着液料比的增加，
瓜儿豆蛋白质的提取率先升高后降低，在液料比
为 40 mL /g 达到最大 (图 2)，因此选取液料比
40 mL /g进行提取．
图 2 液料比对提取率的影响
Fig. 2 Effects of liquid-solid ratio on extraction rate
2. 1. 3 温度对瓜儿豆蛋白质提取率的影响 在提
取温度为 25 ～ 45 ℃时，随着温度升高，瓜儿豆蛋
白质的提取率先升高后降低，在 40 ℃时达到最大
值 (图 3)，因此选择 40 ℃进行提取．
图 3 温度对提取率的影响
Fig. 3 Effect of temperature on extraction rate
2. 1. 4 时间对瓜儿豆蛋白质提取率的影响 提取
30 ～ 150 min，随着提取时间的增加，瓜儿豆蛋白
质的提取率先升高后降低，在 120 min 时达到最大
值 (图 4) ，因此选择 120 min为提取时间．
图 4 时间对提取率的影响
Fig. 4 Effects of time on extraction rate
2. 2 蛋白质提取工艺条件优化
根据单因素试验结果，运用中心组合设计原
理，选择对蛋白质提取率有显著影响的 3 个因素即
pH (A)、温度 (B)、液料比 (C)进行 3 因素 3
水平的响应面实验设计 (表 1)．
表 1 瓜儿豆蛋白质提取响应面因素水平表
Table 1 Factors and levels of response surface for
Cyamopsis tetragonoloba protein
水平
Level
A pH
B温度
Temperature /℃
C液料比
Liquid-solid ratio /(mL/g)
－ 1 10 35 30
0 11 40 40
1 12 45 50
32第 1 期 刁丽婷，等:瓜儿豆蛋白质提取条件优化及其功能特性研究
响应面试验结果如表 2．
表 2 瓜儿豆总蛋白质提取工艺实验响应面试验结果
Table 2 The Cyamopsis tetragonoloba protein extraction
experiment response surface results
试验号
No．
pH
温度
Temperature /℃
液料比
Liquid-solid
ratio /(mL/g)
总蛋白质提取率
Protein extraction
rate /%
1 11 35 40 79． 5
2 10 45 50 68． 5
3 10 40 30 69． 8
4 11 40 40 82． 1
5 12 40 40 78． 2
6 11 45 40 74． 7
7 11 40 40 82． 2
8 11 40 40 82． 8
9 12 45 30 68． 7
10 12 35 50 67． 8
11 10 40 40 72． 8
12 11 40 50 74． 5
13 11 40 30 79． 6
14 11 40 40 80． 9
对瓜儿豆总蛋白质提取工艺进行响应面分析，
根据试验结果得到数学模型:
Y = 81. 28 + 2. 70A － 2. 55B － 2. 40C － 2. 30AB
－ 2. 00AC + 3. 15BC － 5. 32A2 － 3. 77B2 － 3. 72C2，
对该模型进行方差分析，结果如表 3． 模型 P =
0. 000 9 ＜ 0. 05，说明该模型显著;失拟项 P =
0. 080 4 ＞ 0. 05，Ｒ2adj = 0. 986 1，该模型能解释约
98%响应值的变化，说明该数学模型拟合程度良
好，试验误差小，可以用来预测试验结果．
3 个因素对试验结果都有显著性影响，各个因
素对瓜儿豆总蛋白质提取率影响依次为:A ＞ B ＞ C
即浸提 pH ＞ 温度 ＞ 液料比;因素间的交互作用
AB，AC，BC对试验结果也有显著性影响．
2. 2. 4 验证试验 根据所建立的数学模型，得到响
应值最大时的最优条件:pH 11. 0，提取温度 43 ℃，
液料比 39 mL /g，按照此条件重复 3 次试验，蛋白
质提取率平均值为 83. 3% ．
表 3 回归分析结果
Table 3 The results of regression analysis
方差来源
Sources of variance
平方和
Quadratic sum
自由度 f
Variance
F
均方
Mean square
Prod ＞ F
模型 Model 388． 73 9 50． 60 43． 19 0． 000 9
A 14． 58 9 14． 58 17． 08 0． 014 5
B 13． 00 1 13． 00 15． 23 0． 017 5
C 11． 52 1 11． 52 13． 50 0． 021 3
AB 7． 05 1 7． 05 8． 26 0． 045 3
AC 5． 33 1 5． 33 6． 25 0． 066 8
CB 13． 23 1 13． 24 15． 50 0． 017 0
A2 73． 33 1 73． 33 85． 90 0． 000 8
B2 36． 84 1 36． 84 43． 16 0． 002 8
C2 35． 87 1 35． 87 42． 02 0． 002 9
残差 Ｒesidual 3． 41 4 0． 85
失拟项 Lack of fit 2． 36 1 2． 36
净误差 Net error 1． 05 3 0． 35 6． 76 0． 804
共计 Total 392． 15 13
回归方程所得的预测值 83. 1%与验证试验的
平均值 83. 3%的误差小于 1% ． 因此，瓜儿豆胶最
佳提取工艺条件为:pH 11. 0，提取温度 43 ℃，液
料比 39 mL /g．
2. 3 瓜儿豆蛋白质组分测定
瓜儿豆种子的清蛋白浓度最高，为组成瓜儿豆
种子总蛋白的主要成分． 另外含有球蛋白、醇溶蛋
白和谷蛋白，以及少量难溶的复合蛋白． 瓜儿豆种
子中清蛋白浓度相对较高，醇溶蛋白浓度较低
(表 4)．
表 4 瓜儿豆各组分蛋白比例
Table 4 The Cyamopsis tetragonoloba component
protein content
蛋白组分
Protein component
质量浓度
Absolute mass concentration /(mg /g)
清蛋白 Albumin 30． 16 ± 0． 11
球蛋白 Globulin 4． 15 ± 0． 40
醇溶蛋白 Alcohol soluble protein 5． 18 ± 0． 26
谷蛋白 Glutenin 7． 01 ± 0． 15
复合蛋白 Compound protein 0． 82 ± 0． 08
总蛋白 Total protein 47． 22 ± 0． 12
42 仲恺农业工程学院学报 第 28 卷
2. 4 等电点测定
等电点预实验结果表明，瓜儿豆清蛋白的最佳
沉淀条件为 pH 4. 0 ～ 5. 0，球蛋白最佳沉淀条件为
pH 5. 0 左右． 醇溶蛋白沉淀条件为 pH 5. 0 左右，
谷蛋白沉淀条件为 pH 3. 0 ～ 4. 0． 利用双缩脲法测
定，结果表明瓜儿豆清蛋白 pI 为 pH 4. 3，球蛋白
pI为 pH 5. 1，醇溶蛋白 pI为 pH 4. 7，谷蛋白的 pI
为 pH 3. 5 ～ 3. 8．
2. 5 组分蛋白质功能特性
2. 5. 1 溶解度 清蛋白在 pH 4. 0 左右、球蛋白在
pH 4. 0 ～ 5. 0 之间溶解度最低，醇溶蛋白和谷蛋白
其溶解度都比较小，其中醇溶蛋白在 pH 5. 0 时和
谷蛋白在 pH 4. 0 溶解度最小 (图 5)．
2. 5. 2 起泡性和泡沫稳定性 在 pH 1. 0 ～ 9. 0，
瓜儿豆清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白的起泡性随 pH
的升高而呈现先降低后增加的趋势，在 pH 5. 0 时
起泡性最差 (表 5)． 而泡沫稳定性随 pH 的上升
而先增加后降低，在 pH 5. 0 时泡沫稳定性最好．
而谷蛋白的起泡能力和泡沫稳定性与其它组分蛋白
图 5 瓜儿豆各组分蛋白的溶解度
Fig. 5 The solubility of Cyamopsis tetragonoloba
component protein
相比较差，这与谷蛋白的溶解度较小有密切关系．
质量分数 1%的大豆分离总蛋白的起泡性为 75%，
30 min的泡沫稳定性为 88. 00%［6］． 在中性 pH 条
件下，瓜儿豆的主要蛋白清蛋白的起泡性和泡沫稳
定性大于大豆分离总蛋白，而浓度较低的醇溶蛋白
和谷蛋白的起泡性和泡沫稳定性都小于大豆分离
蛋白．
表 5 pH对瓜儿豆组分蛋白起泡性和泡沫稳定性的影响
Table 5 Effects of pH value on foaming ability and the foam stability of protein group in Cyamopsis tetragonoloba
蛋白质种类
Sorts of protein
pH
起泡性
Foaming ability /%
泡沫稳定性 Foam stability /%
30 min 60 min
清蛋白 Albumin 1． 0 157． 88 ± 0． 89 78． 50 ± 0． 25 69． 46 ± 0． 11
3． 0 142． 87 ± 0． 50 116． 45 ± 0． 14 25． 65 ± 0． 05
5． 0 122． 01 ± 0． 74 133． 23 ± 0． 15 27． 50 ± 0． 11
7． 0 162． 98 ± 0． 60 89． 45 ± 0． 21 15． 01 ± 0． 06
9． 0 169． 24 ± 0． 84 33． 43 ± 0． 51 8． 29 ± 0． 08
球蛋白 Globulin 1． 0 120． 98 ± 0． 58 52． 38 ± 0． 52 50． 13 ± 0． 48
3． 0 90． 83 ± 0． 30 57． 67 ± 0． 52 52． 11 ± 0． 35
5． 0 50． 60 ± 0． 14 71． 43 ± 0． 62 57． 02 ± 0． 40
7． 0 98． 78 ± 0． 15 66． 65 ± 0． 58 44． 44 ± 0． 37
9． 0 119． 32 ± 0． 11 45． 43 ± 0． 36 36． 23 ± 0． 35
醇溶蛋白 Alcohol soluble protein 1． 0 21． 43 ± 0． 08 56． 27 ± 0． 34 48． 91 ± 0． 23
3． 0 16． 89 ± 0． 09 58． 43 ± 0． 38 60． 76 ± 0． 35
5． 0 11． 44 ± 0． 12 62． 43 ± 0． 26 71． 29 ± 0． 28
7． 0 19． 56 ± 0． 11 59． 98 ± 0． 35 40． 09 ± 0． 26
9． 0 21． 34 ± 0． 09 26． 76 ± 0． 23 20． 11 ± 0． 15
谷蛋白 Glutenin 1． 0 10． 09 ± 0． 02 50． 12 ± 0． 12 28． 98 ± 0． 08
3． 0 5． 72 ± 0． 05 80． 11 ± 0． 24 29． 29 ± 0． 12
5． 0 7． 13 ± 0． 01 50． 01 ± 0． 15 25． 01 ± 0． 02
7． 0 7． 14 ± 0． 02 0． 00 ± 0． 00 0． 00 ± 0． 00
9． 0 4． 30 ± 0． 02 0． 00 ± 0． 00 0． 00 ± 0． 00
52第 1 期 刁丽婷，等:瓜儿豆蛋白质提取条件优化及其功能特性研究
2. 5. 3 持水性与持油性 瓜儿豆球蛋白、醇溶蛋
白和谷蛋白的持水力远高于清蛋白，因为蛋白的溶
解性越好，其持水能力越差． 谷蛋白的溶解性较
差，因此有较高的持水能力． 蛋白质的持油性与其
分子表面亲脂基团的性质有关，谷蛋白的容积密度
较大，其持油能力高于其它 3 种蛋白 (表 6)．
表 6 瓜儿豆组分蛋白的持水性和持油能力
Table 6 Water and oil holding capacity of
Cyamopsis tetragonoloba bean protein
蛋白
Protein
持水能力
Water holding
capacity /(mL /g)
持油能力
Oil holding capacity
/(mL /g)
清蛋白 Albumin 1． 56 ± 0． 12 2． 30 ± 0． 16
球蛋白 Globulin 2． 99 ± 0． 24 2． 10 ± 0． 36
醇溶蛋 Alcohol soluble protein 2． 74 ± 0． 15 2． 61 ± 0． 21
谷蛋白 Glutenin 3． 44 ± 0． 02 2． 98 ± 0． 08
3 小结
碱溶酸沉法提取瓜儿豆总蛋白质的优化工艺条
件为:碱溶液料比 39 mL /g，pH 11. 0，43 ℃提取
120 min，此时瓜儿豆总蛋白质提取率为 83. 33% ．
瓜儿豆蛋白质主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋
白、谷蛋白以及一些少量复合蛋白质组成． 其中，
清蛋白比例最高，约占总蛋白的 64. 04%，球蛋
白、醇溶蛋白和谷蛋白的比例较低． 瓜儿豆蛋白中
清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白 pI分别为 pH 4. 3，pH
5. 1 和 pH 4. 7，谷蛋白 pI 在 pH 3. 5 ～ 3. 8 的范围
内，因此在使用瓜儿豆蛋白时需要结合 pH．
参考文献:
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【责任编辑 夏成锋
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62 仲恺农业工程学院学报 第 28 卷