尹天罡 何余堂* 解玉梅 馬春穎 劉賀 馬濤 勵建榮
(1渤海大學化學化工與食品安全學院,食品質量安全與功能性食品研究遼寧省高校重點實驗室,2遼寧省食品貯藏加工及質量安全控制工程技術研究中心,遼寧錦州 121013)
玉米是我國重要的糧食作物,產量居世界第二[1]。除了食用,玉米在工業(yè)中也占有重要地位,以玉米為工業(yè)原料制成的產品廣泛應用于食品、醫(yī)藥、紡織、電子等領域,在工業(yè)消費中的需求正在迅猛增長[2]。在玉米深加工的過程中會產生玉米蛋白廢料,一般作為動物飼料廉價出售,附加值低,制約了玉米產業(yè)的發(fā)展。隨著科技進步,玉米蛋白廢料應用受到重視。玉米蛋白中有52%左右的玉米醇溶蛋白[3],性質獨特,在各行業(yè)均有應用潛力,具有重大的商業(yè)價值。
玉米醇溶蛋白是一類平均分子量為25000-50000的蛋白質組成的混合物[4],溶解性質獨特,乙醇水溶液與異丙醇水溶液是其最好的溶劑。玉米醇溶蛋白含較多疏水性氨基酸和含硫氨基酸,氨基酸組成決定了它可形成質密、均勻、透明的薄膜。其所成蛋白膜阻氧、阻濕、耐熱、耐油,是理想的包裝材料。隨著石油資源枯竭與環(huán)境污染等問題的日益凸顯,玉米醇溶蛋白的開發(fā)利用再次成為研究熱點。
玉米醇溶蛋白不溶于水,也不溶于無水醇類,但可溶于60%~95%的醇類水溶液中,還溶于pH值大于 11的強堿、十二烷基磺酸鈉(SDS)高濃度尿素及丙二醇和醋酸等有機溶劑[5]。利用其溶解性質可將玉米醇溶蛋白提取出來。異丙醇法提取玉米醇溶蛋白產量高,但異丙醇有毒且成品純度低、有異味;乙醇法克服了有毒與純度低的缺點,所得產品純度較高且分散性好,但乙醇消耗量大,成本高是其缺點[6]。除了溶劑的選用之外,提取玉米醇溶蛋白的原料也不同,大致可分為三種:
CGM是玉米濕法制取淀粉的主要副產品,其主要成分是玉米蛋白(62%~74%)[7],蛋白中有一半以上是玉米醇溶蛋白,是用于制取玉米醇溶蛋白的理想原料,市面所售商業(yè)玉米醇溶蛋白即是以CGM為原料提取所得。使用CGM為原料具有眾多優(yōu)點,但在濕法制取淀粉的工藝中CGM是通過高溫干燥所得。高溫會導致玉米醇溶蛋白變性,加上玉米淀粉加工廠工藝參數、干燥設備不盡相同,使得用CGM質量參差不齊。我國玉米在工業(yè)中的消費主要用于制取淀粉,CGM產量大、價格低,提取玉米醇溶蛋白可以極大的提升產業(yè)附加值。
DDGS是玉米發(fā)酵生產酒精的副產品,含有玉米蛋白28%~30%[8]。使用DDGS提取玉米醇溶蛋白產率不高且純度低,這是由于高溫發(fā)酵引起蛋白變性造成的。美國等發(fā)達國家玉米工業(yè)消費有很大一部分是用于干粉發(fā)酵生產酒精,所以對DDGS提取玉米醇溶蛋白技術研究較多[9]。
DMC玉米粉碎后得到的產物,含玉米蛋白10%左右,其中40%是玉米醇溶蛋白。DMC在粉碎過程中沒有受到高溫影響,其中玉米醇溶蛋白可保持活性不被破壞,但缺點很明顯:產率極低無法工業(yè)化、提取過程消耗大量溶劑與熱量。當今研究已基本不考慮以DMC為原料提取玉米醇溶蛋白。
傳統(tǒng)的玉米醇溶蛋白提取工藝一般使用浸泡法使其充分溶于溶劑中再分離得到成品,提取過程時間長、溶劑使用量大、回收溶劑消耗熱量大。超聲提取技術大大縮短了提取時間且不需加熱[10],循環(huán)提取可減少70%的溶劑消耗[11],可降低生產玉米醇溶蛋白的成本。利用CO2超臨界萃取技術提取的產品純度高且無色無臭[12],膜分離技術耗能少、成本低,隨著工藝完善,工業(yè)化前景可觀。
食品加工過程中蛋白質的修飾改性還遠未普及,但蛋白質的改性日益受到人們的重視,被認為是必要的過程[13]。玉米醇溶蛋白難溶于水,所成膜機械性能差,限制了其在食品工業(yè)中的應用。通過改性可改善或加強玉米醇溶蛋白的功能特性,拓寬它的應用范圍。
物理改性是利用加熱、冷凍、超聲、加壓、脈沖等物理手段來改善蛋白功能性質的方法。如γ射線輻照改性玉米醇溶蛋白膜可改變其聚集狀態(tài),改善膜的顏色、機械性能、表面密度、水汽阻隔性等多項指標[14];同軸電紡可將玉米醇溶蛋白加工成具有功能特性的纖維[15];擠壓膨化改性則能增加玉米醇溶蛋白的水溶性。
物理改性一般不改變蛋白質的一級結構,改性過程簡單費時少、安全無毒副作用,但對蛋白質功能性質改變幅度小是其缺點。有關物理改性的進展是將物理改性與化學改性或酶法改性結合起來,彌補改性幅度小的缺點。
化學改性是用化學方法使蛋白質分子中的氨基酸殘基的側鏈基團或多肽鏈發(fā)生斷裂、聚合或引入新的基團來改變蛋白質功能性質的方法。化學改性包括磷酸化、酰化、去酰氨、共價交聯(lián)、糖基化等多種改性方式。
2.2.1 磷酸化
磷酸化改性是指利用蛋白質側鏈的活性基團(如蘇氨酸、絲氨酸的-OH及賴氨酸的ε-NH2)接上磷酸基。磷酸基團的引入增加了蛋白質的電負性,降低了等電點,提高了蛋白質分子間靜電斥力,研究表明玉米醇溶蛋白的磷酸化可提高其溶解度、乳化性及乳化穩(wěn)定性[16]。
2.2.2 ?;?/p>
?;堑鞍踪|親核基團如氨基,羥基與酰化試劑親電基團的反應[17]。?;墒沟鞍踪|的凈電荷增加,分子伸展離解為亞單位。玉米醇溶蛋白?;男允沟鞍追肿尤嵝栽黾樱砻媸杷蕴嵘齕18]。
2.2.3 去酰胺
去酰氨化是指蛋白質中一些富含酰氨基的氨基酸脫去酰氨基的過程。去酰胺去酰氨作用一般在酸堿或酶的催化下進行[19],在酸性和堿性條件下對玉米醇溶蛋白去酰胺改性發(fā)現蛋白質分子氫鍵減少,靜電排斥增加,玉米醇溶蛋白溶解度增加[20]。
2.2.4 共價交聯(lián)
共價交聯(lián)是指使用交聯(lián)劑將兩個或更多的分子以共價鍵的形式相互作用從而使這些分子結合在一起,生成不同性質的交聯(lián)聚合物。玉米醇溶蛋白與交聯(lián)劑(沒食子酸、阿魏酸等)發(fā)生交聯(lián)反應可顯著改善所成膜的機械性能[21]。與戊二醛交聯(lián)可改善玉米醇溶蛋白膜在水溶液中的吸脹作用[22]。
2.2.5 其他
除上述幾種常用改性手法外,玉米醇溶蛋白還有其他改性方式,如糖基化改性利用還原糖與蛋白質氨基發(fā)生美拉德反應改善玉米醇溶蛋白膜機械性能[23];成脂改性利用蛋白質端基和側鏈上的羧基與醇形成酯鍵,減少蛋白親水性羧基數目,改變其離子特性和電荷分布;成氫鍵改性是讓蛋白質與一些試劑形成氫鍵,使蛋白分子之間的連接增強,改善所成膜機械性能。
化學改性改變了蛋白質的基本結構,效果顯著。不足之處在于,有化學物質殘留且反應副產物不易控制,不利于在食品工業(yè)中應用?;瘜W改性使用具有防腐、抗氧化等性質的化合物不僅可改善玉米醇溶蛋白膜機械性能,還能使這些化合物交聯(lián)進入膜內并緩慢釋放出來,增強蛋白膜功能性質。
酶法改性是利用蛋白酶的內切外切作用,將大分子蛋白切割,改善蛋白質功能特性的改性方法。常用于改性的蛋白酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶等[24]。酶法改性作用條件溫和,對蛋白質的功能特性改善明顯,是較為理想的改性方式。目前對于玉米醇溶的酶法改性研究較少,未來應用潛力巨大。
玉米醇溶蛋白的三種改性方法各有優(yōu)缺點,單一改性方法已無法滿足現代食品工業(yè)的需要,使用兩種或兩種以上的改性方法來協(xié)同改善或增強玉米醇溶蛋白的功能性質彌補相互之間的缺點,創(chuàng)造出性能更加出色的玉米醇溶蛋白是未來改性的新方向。
玉米醇溶蛋白的商業(yè)化生產開始于19世紀30年代,50年代達到頂峰,主要用于粘合劑、纖維、涂料,60年代玉米醇溶蛋白逐漸被石油產品替代,當今僅用于食品包裝與藥品輔助。近年來隨著研究的深入與環(huán)保意識的增強,玉米醇溶蛋白在食品、醫(yī)藥、化工、印染等多個行業(yè)得以應用[25-27]。玉米醇溶蛋白提取自玉米,無毒且具一定營養(yǎng)價值,將其應用于食品工業(yè)相較于其他行業(yè)占有優(yōu)勢。
玉米醇溶蛋白成膜性好,不需要任何交聯(lián)劑即可形成阻濕、阻氧、抗靜電、抗菌、可降解的薄膜,是理想的包裝材料。將玉米醇溶蛋白涂膜于新鮮羊肉,在4℃條件下保質期延長至25天且減少了肉品汁液流失,維持肉品口感[28];涂膜于獼猴桃不僅延長了獼猴桃的保質期,其所含營養(yǎng)物質也得到了較好的保存,可緩解水果受季節(jié)限制大的缺點[29];涂膜于核桃仁、榛子等干果之上可以有效抑制干果中脂肪酸酸敗,保障干果在儲存、加工中的品質[30]。
以玉米醇溶蛋白成膜作為保鮮包裝是其在食品工業(yè)中研究最多最詳細的方向,在涂膜時一般不使用純的玉米醇溶蛋白,添加增塑劑復配以提升膜的性能,復配其他活性物質還可以創(chuàng)造出性能更加出色的保鮮膜,通過改性改善膜的性能也已成為研究熱點。
口香糖深受消費者喜愛,咀嚼它可放松心情保持口腔健康??谙闾怯?0%左右膠基無法降解,造成污染[31]。玉米醇溶蛋白可食、有營養(yǎng)、可降解,替代不可降解的膠基優(yōu)勢明顯。美國箭牌糖果公司已申請玉米醇溶蛋白替代傳統(tǒng)膠基的發(fā)明專利。有研究表明以竹筍為原料,添加玉米醇溶蛋白制成的植物口香糖咀嚼時間長,粘度和硬度適中,證明玉米醇溶蛋白替代膠基的可行性[32]。
使用蛋白酶可將玉米醇溶蛋白水解為多肽片段,這些活性多肽具有醒酒、降血壓、抗氧化等功能性質[33]。蛋白酶的特異性影響蛋白水解后多肽的功能性質,如降血壓的多肽是以脯氨酸為C末端,亮氨酸為N末端的小肽,這些小肽可抑制人體中血管緊張素轉換酶(ACE)的活性,使血壓下降。納豆菌蛋白酶水解玉米醇溶蛋白所得水解產物ACE抑制活性達77.83%,經分離后的組分ACE抑制活性可達 89.4%[34]。國外已將生物活性肽產品推向市場,獲得了巨大經濟效益。我國有關研究還處于分離、純化的初級階段,應用前景可觀。
緩釋技術是指在一個特定的體系內,采取某些措施來減小某種活性制劑的釋放速度,從而在某段時間內體系中的活性制劑可以維持有效濃度,這一新興技術潛力巨大。參考醫(yī)藥緩釋技術研發(fā)出的食品緩釋劑,可有效緩解添加劑揮發(fā)損失、活性物質不穩(wěn)定、益生菌種失活等制約食品工業(yè)發(fā)展的問題。玉米醇溶蛋白是品質優(yōu)良的緩釋材料,將玉米醇溶蛋白、羥甲基纖維素和甜味劑阿斯巴甜互溶干燥后壓片可得到高效緩釋甜味劑,還可通過改變配方中物質的比例控制阿斯巴甜的溶出時限[35]。
麥膠性腸病又稱乳糜瀉,是一種媒介性腸道病,在北美、北歐、澳大利亞發(fā)病率較高,國內很少見,致病因素是面粉中的麥膠蛋白,因此患者無法使用如面包等含有麥蛋白的食品。玉米醇溶蛋白與淀粉也可形成與小麥面團類似的結構,使用玉米醇溶蛋白替代小麥蛋白制作無麩質面包可供乳糜瀉患者食用。玉米醇溶蛋白制作無麩質面包的缺點是其烘焙性能較差,通過改性和復合其它物質的方法提升其烘焙性能是當下研究熱點[36-37]。
玉米醇溶蛋白對脂類具有強抗氧化性,擠壓成膜用于包裝名貴油品可有效防止油品氧化酸敗[38]。加入紅酒中作為澄清劑可替代傳統(tǒng)的動物蛋白澄清劑[39]。利用玉米醇溶蛋白的兩親性制造微膠囊逐漸成為熱點[40]。玉米醇溶蛋白應用不再局限于幾方面,趨于多元化。
目前國內外玉米醇溶蛋白研究應用多處于實驗階段,工業(yè)化生產和實際應用較少,主要問題如下:一是提取成本過高,提取玉米醇溶蛋白需要消耗大量乙醇或異丙醇,提取過后溶劑的回收又要消耗大量熱量,造成玉米醇溶蛋白提取成本過高?,F在市面上商業(yè)玉米醇溶蛋白價格在2400元每公斤左右,如此高的價格限制了它的大范圍應用。二是成膜機械性能達不到應用要求,玉米醇溶蛋白易成膜的特性使得它非常適合作為塑料包裝的替代品,但玉米醇溶蛋白膜脆、易碎,機械性能無法滿足實際應用的要求,這是限制玉米醇溶蛋白應用的主要原因。三是結構、成膜機制研究不透徹,玉米醇溶蛋白是一類蛋白混合物,結構、成膜機制復雜,現有研究設備無法完全探究玉米醇溶蛋白的結構與成膜機制。改性后的玉米醇溶蛋白由于無法探明改性機理,阻礙了改性的深入。
要解決玉米醇溶蛋白應用的問題,做好其基礎研究是首要的[41],可有效的使用改性技術改善玉米醇溶蛋白缺點;其次是改進玉米醇溶蛋白的提取工藝、降低生產成本,使其利于工業(yè)化生產;最后通過改性、復合等手段增強玉米醇溶蛋白的功能性質使其達到實際應用的要求[42],未來成為塑料和化石資源的替代品成為可能。
玉米醇溶蛋白擁有獨特的性質,在食品工業(yè)各方面的應用潛力巨大,商業(yè)價值很高。我國玉米資源豐富但玉米的深加工還處于提取淀粉、制淀粉糖等初級階段,相較于發(fā)達國家的深度開發(fā)利用還有不小的差距,從玉米蛋白中提取醇溶蛋白是提升玉米產業(yè)附加值的重要部分,做好玉米醇溶蛋白的開發(fā)利用不僅惠及三農還將產生巨大地社會和經濟效益。
目前玉米醇溶蛋白僅用于高級食品的包裝和醫(yī)藥中的輔料,這是由于玉米醇溶蛋白的提取和純化成本過高造成的。找到更高效經濟的提取與純化方法,降低玉米醇溶蛋白的生產成本是當務之急。玉米醇溶蛋白無毒、可食、可降解屬于可再生資源,應用于食品工業(yè)優(yōu)勢明顯,近年來國內外對玉米醇溶蛋白研究使其突破了傳統(tǒng)的應用方向,這對進一步挖掘其商業(yè)價值意義重大,相信通過廣大科研人員的努力,玉米醇溶蛋白的提取和改性技術日益進步,它終將走入我們的日常生活。
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