蒸汽爆破輔助提取高溫豆粕中的蛋白質(zhì)*

張燕鵬，楊瑞金，華霄，趙偉，張文斌，劉枕，章玉清

1(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無 錫，214122)

豆粕是大豆榨油后的副產(chǎn)物，約含45% ～50%的蛋白質(zhì)質(zhì)和20%～30%的碳水化合物。豆粕分為高溫豆粕和低溫豆粕，低溫豆粕是目前生產(chǎn)大豆蛋白質(zhì)的主要原料，但產(chǎn)量較低，價格昂貴。世界上每年高溫豆粕的產(chǎn)量達(dá)上千萬噸，大部分應(yīng)用于飼料生產(chǎn)，只有少部分應(yīng)用于食品中的釀造行業(yè)。高溫豆粕由于經(jīng)過高溫處理，蛋白質(zhì)發(fā)生了變性，使得蛋白質(zhì)的溶解性較低，不利于提取。如果可以提高高溫豆粕中蛋白質(zhì)的溶解性，改善其功能性質(zhì)，則對擴(kuò)大高溫豆粕的應(yīng)用價值具有重要意義。

目前從高溫豆粕中提取蛋白質(zhì)的方法主要有酶法和物理法［1-6］。Fischer 等人［5］研究發(fā)現(xiàn)，利用蛋白質(zhì)酶和糖酶共同作用于經(jīng)高溫處理的豆粕，其蛋白質(zhì)提取率可達(dá)80% ～94%，但酶法容易使蛋白質(zhì)降解為短肽進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的功能性，另外酶法的成本較高，不利于大規(guī)模工業(yè)上的應(yīng)用。Wang等人［6-7］利用熱水蒸煮的方法對擠壓壓榨后的變性豆粕進(jìn)行了處理，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)溶出率有所提高，尤其是在熱水蒸煮處理過程中加入一定量的堿，可以使得蛋白質(zhì)溶出率達(dá)到80%，但加入堿會對環(huán)境造成影響，而且在單批豆粕處理量上，熱水蒸煮法也受到一定的限制。

蒸汽爆破技術(shù)是一種新型的物理加工技術(shù)，它利用高溫飽和蒸汽快速滲透進(jìn)植物細(xì)胞組織中，然后在極短的時間內(nèi)以爆破的方式釋放，把熱能瞬間轉(zhuǎn)化為機械能，從而破壞植物的細(xì)胞組織［8］，實現(xiàn)蛋白質(zhì)提取率的提高。本文研究了高密度蒸汽爆破處理技術(shù)對高溫豆粕中蛋白質(zhì)氮溶解指數(shù)和提取條件的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高溫豆粕，由杭州啟明星生物營養(yǎng)有限公司提供，其蛋白質(zhì)含量為49.49%，氮溶解指數(shù)(NSI)為18.90%。實驗所用其他化學(xué)試劑均為分析純。

WK-1000A高速藥物粉碎機，青州精誠機械有限公司;電熱恒溫水浴鍋，上海精宏;FiveEasy實驗pH計，METTLER TOLEDO;冷凍離心機，BeckMan;JB300-D型強力電動攪拌器，上海標(biāo)本模型廠;高密度蒸汽爆破機(QBS-200B):鶴壁市正道生物能源有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆粕粉碎

用高速藥物粉碎機把豆粕粉碎至20～40目，40～60目，60～80目和小于100目等幾種目數(shù)范圍，并將豆粕按目數(shù)的不同進(jìn)行分裝備用。

1.2.2 高密度蒸汽爆破處理

取粉碎好的豆粕粉600 g放入高密度蒸汽爆破機的處理腔中，然后通入飽和蒸汽并保壓一定時間，然后在極短時間(ms)內(nèi)實現(xiàn)蒸汽爆破處理，處理后的樣品完全收集并保存于-20℃下，待分析。

1.2.3 豆粕氮溶解指數(shù)的測定

根據(jù) AOCS Official Method Ba 11-65［9］方法并做一定修改后測定豆粕中的氮溶解指數(shù)。具體操作步驟如下:在500 mL的燒杯內(nèi)稱取豆粕5 g，加入200 mL的去離子水，把燒杯放入30℃的水浴鍋中，在120 r/min的攪拌速度下攪拌2h，然后把燒杯中的豆粕懸浮液轉(zhuǎn)移至250 mL的容量瓶中并定容?；靹蚝笕?0 mL轉(zhuǎn)移至50 mL的離心管中，在1 500 r/min下離心10 min后，上清液再用濾紙過濾到100 mL的燒杯中。取25 mL的過濾液，用mico-Kjeldahl法測定蛋白質(zhì)的含量。同時用mico-Kjeldahl法測定豆粕中蛋白質(zhì)含量，按公式(1)計算氮溶解指數(shù)并以不經(jīng)爆破的豆粕為對照。

1.2.4 大豆蛋白質(zhì)的提取

取高密度蒸汽爆破處理的豆粕樣品，按一定的料水比與去離子水混合，在一定的溫度下攪拌、浸提一定的時間，并在浸提的過程中保持pH值的恒定。浸提完成后，20℃下8 000 r/min離心10 min，收集上清液，用mico-Kjeldahl法測定上清液中蛋白質(zhì)的含量，同時測定蒸汽爆破處理的豆粕樣品中蛋白質(zhì)含量，按公式(2)計算蛋白質(zhì)提取率。

2 結(jié)果與分析

2.1 豆粕顆粒度對蒸汽爆破處理的豆粕氮溶解指數(shù)的影響

在蒸汽爆破前對豆粕樣品進(jìn)行粉碎并過不同目數(shù)的篩子，然后在相同爆破條件下研究豆粕顆粒度對蒸汽爆破處理樣品的氮溶解指數(shù)的影響。由表1可知，未爆破處理的豆粕樣品的氮溶解指數(shù)為18.28%，粉碎后過20～40目，40～60目和60～80目的豆粕樣品經(jīng)蒸汽爆破處理后，其氮溶解指數(shù)與豆粕原樣相比有明顯的提高，分別為41.79%，42.28% 和39.44%，且這3組豆粕的氮溶解指數(shù)間沒有顯著差異。當(dāng)豆粕粉碎后的目數(shù)小于100目時，其氮溶解指數(shù)不升反降，這主要因為，當(dāng)豆粕粉碎的目數(shù)過小，在通入飽和蒸汽時豆粕顆粒之間容易結(jié)塊，使得外部的豆粕凝聚在一起，阻礙了飽和蒸汽對內(nèi)部豆粕的滲入，從而造成豆粕樣品處理的不均一性，影響了蛋白質(zhì)的氮溶解指數(shù)，所以后續(xù)的研究中，豆粕粉碎過篩的目數(shù)保持在20～80目。

2.2 蒸汽壓力對豆粕氮溶解指數(shù)的影響

當(dāng)蒸汽爆破的保壓時間為180s時，蒸汽壓力對豆粕氮溶解指數(shù)的影響見圖1。由圖1可知，經(jīng)蒸汽爆破處理后，豆粕的氮溶解指數(shù)得到了顯著提高，而且在相同的保壓時間內(nèi)，隨著蒸汽壓力的升高，處理后豆粕的氮溶解指數(shù)也逐漸增加。但當(dāng)蒸汽壓力為2.1 MPa和2.4 MPa時，豆粕的氮溶解指數(shù)分別為45.71%和45.88%，表明豆粕的氮溶解指數(shù)沒有隨著蒸汽壓力的不斷升高而持續(xù)增加，同時分析發(fā)現(xiàn)，過高的蒸汽壓力可能會對豆粕中蛋白質(zhì)的造成破壞，影響其功能性質(zhì)的利用，所以本研究中蒸汽壓力都控制在1.8 MPa以內(nèi)。當(dāng)爆破條件為1.8 MPa、180 s時，蒸汽爆破處理的豆粕的氮溶解指數(shù)為39.03%，與不經(jīng)爆破處理的豆粕相比，氮溶解指數(shù)增加了1.1倍，這表明蒸汽爆破處理后，豆粕中蛋白質(zhì)的溶解性有了很大提高。在后續(xù)研究中選取1.8 MPa、180 s爆破條件下的豆粕為研究對象，研究提取條件對蛋白質(zhì)提取率的影響。

表1 豆粕顆粒對蒸汽爆破處理豆粕氮溶解指數(shù)的影響Table 1 The effect of particle size of soybean meal on NSI of HDSFE treated soybean meal

圖1 蒸汽壓力對豆粕氮溶解指數(shù)的影響Fig.1 Effect of steam pressure on NSI of soybean meal

2.3 提取條件對蛋白質(zhì)提取率的影響

2.3.1 提取溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響

浸提溫度對蛋白質(zhì)的提取率有重要影響，浸提的溫度越高，浸提的效率越高。從圖2中可看出，隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)提取率從34.13%增加到40.25%，但如果溫度過高，體系黏度會增加，且蛋白質(zhì)易變性，影響蛋白質(zhì)的溶解性，降低蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)，同時增加了能耗，所以工業(yè)生產(chǎn)上大豆蛋白質(zhì)的浸提溫度控制在60℃左右［10］。

圖2 提取溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on protein extraction yield

2.3.2 提取時間對蛋白質(zhì)質(zhì)提取率的影響

在一定的條件下，浸提時間越長，蛋白質(zhì)的提取率越高，但當(dāng)達(dá)到一定的時間后，蛋白質(zhì)的提取率趨于恒定見圖3所示。圖3表明當(dāng)浸提時間超過40 min后，其蛋白質(zhì)的提取率趨于穩(wěn)定，所以浸提時間確定為40～60 min左右為宜。在實際生產(chǎn)時還要充分的考慮設(shè)備的周轉(zhuǎn)，能源消耗以及成本等各因素來確定浸提時間。

圖3 提取時間對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on protein extraction yield

2.3.3 料水比對蛋白質(zhì)提取率的影響

不同料水比對蛋白質(zhì)提取率的影響見圖4。由圖4可知，當(dāng)料水比超過1∶10(g∶mL)時蛋白質(zhì)的提取率變化不顯著，若加水量過多，會使得蛋白質(zhì)的濃度降低，不利于后續(xù)的進(jìn)一步分離純化，另外從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，加水量過多也會增加生產(chǎn)的成本，所以本研究中把料液比定在1∶10左右比較合適。

2.3.4 pH值對蛋白質(zhì)質(zhì)提取率的影響

圖4 料水比對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.4 Effect of the ration of biomass to deionized water on protein extraction yield

從圖5可看出，蛋白質(zhì)的提取率隨著浸提液pH值的增大而逐漸升高，當(dāng)pH值為9.0時，蛋白質(zhì)的提取率達(dá)到最大為76.04%，表明當(dāng)浸提液的pH值越高于蛋白質(zhì)的等電點，越有利于蛋白質(zhì)的溶出，但浸提液的pH值也不易過高，否則容易導(dǎo)致在浸提過程中發(fā)生美拉德反應(yīng)，使得蛋白質(zhì)顏色發(fā)生變化;另外大豆蛋白質(zhì)在強堿條件下，容易引起脫氨、脫羧、肽鍵斷裂，以及胱賴反應(yīng)，把氨基酸轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸净衔?，降低蛋白質(zhì)質(zhì)營養(yǎng)價值［11-12］。因此在蛋白質(zhì)提取過程中pH值的選擇一般不會超過9.0，控制在8.0～8.5為宜。

圖5 pH值對蛋白質(zhì)提取率的影響Fig.5 Effect of pH on protein extraction yield

3 結(jié)論

高密度蒸汽爆破技術(shù)可以明顯提高高溫豆粕中蛋白質(zhì)的氮溶解指數(shù)，在1.8 MPa，180 s的蒸汽爆破處理條件下，蒸汽爆破處理的豆粕的氮溶解指數(shù)增加了1.1倍左右，表明高密度蒸汽爆破使得豆粕中變性蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的親水性增強，更有利于蛋白質(zhì)的溶出。進(jìn)一步對蒸汽爆破條件為1.8 MPa，180 s處理豆粕的蛋白質(zhì)提取條件研究發(fā)現(xiàn)，浸提時的pH值和浸提溫度是影響豆粕中蛋白質(zhì)提取率的主要因素，當(dāng)pH值為9.0時，蛋白質(zhì)提取率可達(dá)到76.04%，接近低溫豆粕的蛋白質(zhì)提取率，這就為高溫豆粕的開發(fā)與利用奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

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