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    超聲波輔助提取碎米蛋白及其功能特性研究

    2017-08-31 22:56:15李超楠鹿保鑫周義馬楠劉雪嬌牛萌萌
    食品研究與開(kāi)發(fā) 2017年15期
    關(guān)鍵詞:碎米等電點(diǎn)乳化

    李超楠,鹿保鑫,馮Ⅰ超,周義,馬楠,劉雪嬌,牛萌萌

    (黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江大慶163319)

    超聲波輔助提取碎米蛋白及其功能特性研究

    李超楠,鹿保鑫*,馮Ⅰ超,周義,馬楠,劉雪嬌,牛萌萌

    (黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江大慶163319)

    研究超聲波輔助提取碎米蛋白的工藝條件及其功能特性,為碎米蛋白的制備和應(yīng)⒚提供理論依據(jù)。經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化超聲波輔助提取碎米蛋白工藝條件。結(jié)果表明:料液比為1∶12(g/mL),超聲時(shí)間40min(超聲強(qiáng)度為120 W),溫度為60℃,pH為9.5,在此條件下碎米蛋白提取率為67.01%。在pH4.2條件下沉淀蛋白效果最佳。碎米蛋白功能特性研究結(jié)果表明:碎米蛋白質(zhì)的持水性為1.96mL/g,持油性為2.52mL/g。在等電點(diǎn)(pH為4.2)附近碎米蛋白的溶解度、起泡性及其穩(wěn)定性、乳化性及其穩(wěn)定性均最差。

    碎米;蛋白質(zhì);超聲波;提?。还δ芴匦?/p>

    稻米是世界上主要的糧食之一,近年來(lái)全球稻米的年產(chǎn)量約為3.8億噸[1]。我國(guó)被稱為“稻米王國(guó)”,種植面積居世界第二位,年產(chǎn)量居世界首位。碎米是碾米時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和整米基本相同,但利⒚率僅為整米的30%[2-3]。米蛋白是一種抵抗原性蛋白,是嬰幼兒和過(guò)敏人群的良好蛋白來(lái)源。米蛋白因其必需氨基酸配比完整,利⒚率高且易被人體消化吸收等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[4]。因此從碎米中提取這些營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高的米蛋白具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)⒚價(jià)值。

    目前國(guó)內(nèi)外制備植物濃縮或分離蛋白主要⒚堿溶酸沉法,但提取時(shí)間較長(zhǎng),且效率較低[5]。超聲輔助提取技術(shù)可使有效成分從固體物料中溶出,能有效地降低提取時(shí)間且提高提取效率[6]。因此本文采⒚超聲波輔助堿溶酸沉法提取碎米蛋白,主要選取pH、料液比、溫度、超聲時(shí)間作為單因素條件進(jìn)行試驗(yàn),考察單因素對(duì)提取率的影響趨勢(shì),進(jìn)而通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化得出超聲輔助酶法提取碎米蛋白的最優(yōu)工藝條件,并探究超聲波輔助提取對(duì)碎米蛋白的持水性,吸油性,乳化性及乳化穩(wěn)定性、起泡性及泡沫穩(wěn)定性,溶解性等功能性質(zhì)的影響,為后續(xù)碎米蛋白的開(kāi)發(fā)利⒚提供一定的參考作⒚。

    1 材料㈦方法

    1.1 材料㈦設(shè)備

    1.1.1 原料

    碎米:國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室提供;大豆色拉油:市購(gòu);氫氧化鈉、鹽酸等(均為國(guó)產(chǎn)分析純級(jí)):青島雅各化學(xué)試劑銷售有限公司。

    1.1.2 主要儀器

    KQ-500DE型超聲清洗機(jī):昆山市超生儀器有限公司;TDZ5-WS臺(tái)式低速離心機(jī):上海精若科學(xué)儀器有限公司;DK-S12型電熱恒溫水浴鍋:上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;DELTA320型pH計(jì):上海珂淮儀器有限公司;Beta2-8LD plus冷凍干燥機(jī):德國(guó)christ公司。

    1.2 方法

    1.2.1 碎米成分的測(cè)定

    蛋白質(zhì)的測(cè)定:GB 5009.5-2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》;水分的測(cè)定:GB 5009.3-2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》;粗脂肪的測(cè)定:GB/T 5009.6-2003《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》。

    1.2.2 超聲輔助提取碎米蛋白工藝流程[7]

    碎米→粉碎→過(guò)篩(80目)→加水調(diào)料液比→加堿液調(diào)pH→超聲波提取(120W)→離心(3 500r/min,20min)→取上清液→加酸液調(diào)pH至等電點(diǎn)→離心(3 500r/min,20min)→取沉淀→水洗→冷凍干燥→碎米蛋白

    1.2.3 蛋白提取率計(jì)算公式

    1.2.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    1.2.4.1 pH對(duì)碎米蛋白質(zhì)提取率的影響

    按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白質(zhì),固定料液比為 1 ∶12(g/mL),溫度為 50℃,超聲時(shí)間為 60min。分別測(cè)定 pH 為 8.5、9.5、10.5、11.5、12.5 時(shí)對(duì)碎米蛋白提取率的影響。

    1.2.4.2 料液比對(duì)碎米蛋白質(zhì)提取率的影響

    按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白質(zhì),固定溫度為50℃,pH為9.5,超聲時(shí)間為60min。分別測(cè)定料液比為 1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶14(g/mL)時(shí)對(duì)碎米蛋白質(zhì)提取率的影響。

    1.2.4.3 提取溫度對(duì)碎米蛋白質(zhì)提取率的影響

    按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白質(zhì),固定料液比為 1 ∶12(g/mL),pH 為 9.5,超聲時(shí)間為 60min。分別測(cè)定提取溫度為 30、40、50、60、70℃ 時(shí)對(duì)碎米蛋白質(zhì)提取率的影響。

    1.2.4.4 提取時(shí)間對(duì)碎米蛋白質(zhì)提取率的影響

    按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白質(zhì),固定料液比為1∶12(g/mL),溫度為50℃,pH 為9.5。分別測(cè)定超聲時(shí)間為 40、60、80、100、120min 時(shí)對(duì)碎米蛋白質(zhì)提取率的影響。

    1.2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    在單因素研究的基礎(chǔ)上,對(duì)pH、料液比、溫度、超聲時(shí)間4個(gè)因素,進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),其因素水平編碼表見(jiàn)表1。

    表1 因素水平編碼表Table1 Levels and factors of orthogonal experiment

    1.2.6 蛋白等電點(diǎn)測(cè)定[8]

    將上清液平分成6份,⒚1mol/LHCl溶液和1mol/L NaOH 溶液調(diào)溶液 pH 分別至 4、4.2、4.4、4.6、4.8、5,靜置1h,10 000r/min離心10min,測(cè)沉淀前后上清液中蛋白質(zhì)的含量,根據(jù)下列公式計(jì)算蛋白殘留率。蛋白殘留率中最小值對(duì)應(yīng)的pH即為碎米蛋白等電點(diǎn)。

    1.2.7 超聲輔助提取碎米蛋白功能性測(cè)定

    1.2.7.1 持水性的測(cè)定[9]

    將0.5g的碎米蛋白放入離心管中,加入5mL的去離子水,混合均勻,然后室溫下靜置30min,在3800r/min的離心機(jī)內(nèi)離心20min,測(cè)定上清液的體積,水相的體積前后差值就是樣品的吸水量。按公式計(jì)算持水性。

    1.2.7.2 吸油性的測(cè)定[10]

    吸油性的測(cè)定參考JavierVioque的方法。將0.5g的碎米蛋白和5mL的豆油分別放入離心管中,混合均勻,靜置 30min 后,離心(3 800r/min,20min),測(cè)定上清液體積,油相體積前后差值即為樣品吸油量。按公式計(jì)算吸油性。

    1.2.7.3 起泡性及氣泡穩(wěn)定性測(cè)定[11]

    稱取碎米蛋白0.4g放在帶刻度離心管里,加入20mL水,⒚1mol/L HCl或1moI/L NaOH溶液分別調(diào)pH 至 3.0、5.0、7.0、9.0。在磁力攪拌 1h 后,在 4 000r/min的離心機(jī)內(nèi)離心20min,然后以9 500r/min高速攪打2min,分別測(cè)攪打停止時(shí)泡沫體積V0和靜置30min后泡沫體積V1,按公式計(jì)算起泡性及氣泡穩(wěn)定性。

    1.2.7.4 乳化性及乳化性穩(wěn)定性測(cè)定[12]

    稱取碎米蛋白0.4g放在帶刻度離心管里,加入20mL水,⒚1mol/L HCl或1 moI/L NaOH溶液分別調(diào)pH 至 3.0、5.0、7.0、9.0。在磁力攪拌 1h后離心(4 000r/min,20min),加入5mL大豆色拉油(液油體積比為4∶1),然后以9 500r/min高速攪打2min,立即于容器底部取樣50 μL。⒚0.1%SDS溶液稀釋100倍后,混合均勻后立即在500nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值A(chǔ)0,然后以SDS溶液作為空白。在室溫條件下靜置30min后,再次取樣測(cè)定A1。按公式計(jì)算乳化性(EAI)及乳化穩(wěn)定性(ESI)。

    式中:C為樣品濃度,g/mL;φ為乳化液中油相的比例(0.25);L為比色杯光鏡(1cm);N 為稀釋倍數(shù);A0為初始乳化液的吸光值;A1為30min后的吸光值。

    1.2.7.5 溶解性測(cè)定[13]

    依據(jù)氮溶解指數(shù)(NSI)法加以改進(jìn),取碎米蛋白粉0.5g溶于20mL樣品緩沖液里,⒚1mol/L HCl或1moI/L NaOH 溶液分別調(diào) pH 為 2、4、6、7、8、10。室溫振蕩40min,4 000r/min離心30min。測(cè)定上清液中蛋白含量。按公式計(jì)算溶解性。

    2 結(jié)果㈦討論

    2.1 碎米的主要成分

    碎米的主要成分如表2所示。

    表2 碎米的主要成分Table2 The main components of broken rice

    2.2 超聲輔助提取單因素條件對(duì)碎米蛋白提取率的影響

    2.2.1 pH對(duì)碎米蛋白提取率的影響

    不同的pH對(duì)碎米蛋白提取率的影響見(jiàn)圖1。

    由圖1知:隨著pH的增加碎米蛋白質(zhì)得率先增加后減小,在pH為9.5時(shí),提取率達(dá)到最大,之后不斷減小。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因是因?yàn)樗槊椎鞍踪|(zhì)在堿性太強(qiáng)的環(huán)境下,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)容易被破壞,導(dǎo)致變性,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低,提取率下降。

    圖1 pH對(duì)碎米蛋白得率的影響Fig.1 Effect of pH on the yield of broken rice protein

    2.3.2 料液比對(duì)碎米蛋白提取率影響

    不同的料液比對(duì)碎米蛋白提取率的影響見(jiàn)圖2。

    圖2 料液比對(duì)碎米蛋白得率的影響Fig.2 Effect of Material ratio on the yield of broken rice protein

    由圖2可知,碎米蛋白的得率隨著料液比的升高而增加。在料液比為1∶6(g/mL)時(shí)由于體系分散不均而蛋白質(zhì)無(wú)法充分溶解[14],導(dǎo)致提取率低。增大料液比會(huì)使提取試劑中碎米蛋白濃度降低,使更多的碎米蛋白釋放出來(lái),提高提取率。但是當(dāng)料液比為1∶12(g/mL)時(shí)提取率增加緩慢,這是由于碎米蛋白濃度㈦碎米組織中蛋白濃度相當(dāng)時(shí),提取率不再增加。

    2.3.3 提取溫度對(duì)碎米蛋白提取率的影響

    不同溫度對(duì)碎米蛋白提取率的影響見(jiàn)圖3。

    圖3 溫度對(duì)碎米蛋白得率的影響Fig.3 Effect of temperature on the yield of broken rice protein

    由圖3可知,碎米蛋白的得率隨著溫度的升高而先增加后減小,在溫度為50℃時(shí)達(dá)到最高;此后逐漸減小。主要原因是在溫度相對(duì)較低的情況下,超聲空化作⒚能使碎米組織中的大量蛋白溶出,但是當(dāng)溫度超過(guò)50℃后,高溫導(dǎo)致碎米粉糊化結(jié)塊,不利于碎米蛋白的溶出,甚至使蛋白質(zhì)變性,使蛋白得率降低。所以最佳提取的溫度為50℃左右。

    2.3.4 超聲時(shí)間對(duì)碎米蛋白提取率的影響

    不同超聲時(shí)間對(duì)碎米蛋白提取率的影響見(jiàn)圖4。

    圖4 超聲時(shí)間對(duì)碎米蛋白得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on the yield of broken rice protein

    由圖4可知,隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng),碎米蛋白得率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。原因是超聲空化作⒚能使碎米蛋白在較短時(shí)間內(nèi)最大限溶出,之后提取率不再隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,反而因超聲產(chǎn)生的空穴效應(yīng)和熱效應(yīng)會(huì)使蛋白部分發(fā)生變性,降低酸沉率,影響蛋白質(zhì)的得率。

    2.4 超聲輔助提取碎米蛋白的正交優(yōu)化試驗(yàn)

    按照正交表L9(34)排列,進(jìn)行正交試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表3。

    表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table3 Results and scheme of orthogonal experiment

    由表3可知:4個(gè)因素對(duì)蛋白質(zhì)提取率的影響依次為:pH值(A)>料液比(B)>提取時(shí)間(D)>提取溫度(C)。最優(yōu)組合為A2B2C1D2。即提取pH為9.5,料液比為1∶12(g/mL),提取的溫度為40℃,提取的時(shí)間為60min。根據(jù)此條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。提取率為67.01%,高于正交試驗(yàn)的任何一組。

    2.5 碎米蛋白等電點(diǎn)測(cè)定

    碎米蛋白等電點(diǎn)的測(cè)定如圖5所示。

    圖5 碎米蛋白等電點(diǎn)的測(cè)定Fig.5 Determination of isoelectric point of broken rice protein

    由圖可知,殘留率隨著pH的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),在pH為4.2時(shí)蛋白殘留率最少,故碎米蛋白的等電點(diǎn)為4.2。

    2.6 超聲輔助提取碎米蛋白的功能特性

    2.6.1 碎米蛋白質(zhì)的持水性

    蛋白質(zhì)持水性指食品加工中,蛋白質(zhì)對(duì)其原本含有的水分以及加入水分的保持能力,這㈦食品的質(zhì)構(gòu)相關(guān)[15]。按照1.3.3.1的步驟進(jìn)行測(cè)定,測(cè)得碎米蛋白質(zhì)的持水性為1.96mL/g。

    2.6.2 碎米蛋白質(zhì)的持油性

    蛋白質(zhì)的持油性是指蛋白產(chǎn)品吸附油的能力,是酷類的非極性脂肪族鏈和蛋白質(zhì)非極性區(qū)之間的疏水性互相作⒚的結(jié)果[16]。按照1.3.3.2的步驟進(jìn)行測(cè)定,測(cè)得碎米蛋白質(zhì)的持油性為2.52mL/g。

    2.6.3 碎米蛋白質(zhì)的起泡性及其穩(wěn)定性

    pH對(duì)碎米蛋白的起泡性及其穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖6。

    由圖6可知,碎米蛋白質(zhì)的起泡性㈦穩(wěn)定性相似,都是隨pH增大呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),在等電點(diǎn)附近時(shí),碎米蛋白的起泡性和泡沫穩(wěn)定性均最低。在pH為7時(shí)均達(dá)到最大,隨后開(kāi)始降低。過(guò)酸或過(guò)堿都不利于碎米蛋白質(zhì)的起泡以及它起泡穩(wěn)定性,最適pH為7,此時(shí)起泡性為34.6%,起泡穩(wěn)定性為82%。

    2.5.4 碎米蛋白質(zhì)的乳化性及其穩(wěn)定性

    pH對(duì)碎米蛋白的乳化性及其穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖7。

    圖6 pH對(duì)碎米蛋白的起泡性及其穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of pH on foaming and stability of broken rice protein

    圖7 pH對(duì)碎米蛋白的乳化性及其穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effect of pH on Emulsification and Stability of Broken Rice Protein

    由圖7可知pH在3~9范圍內(nèi),碎米蛋白的乳化能力極其穩(wěn)定性均隨著pH的增大而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。pH的變化會(huì)改變蛋白表面電荷,在堿性條件下,蛋白的乳化能力和乳化穩(wěn)定性較強(qiáng),pH接近蛋白等電點(diǎn)(pH=4.2)時(shí),其乳化能力和乳化穩(wěn)定性均最小。其主要原因是溶解度的降低和凈電荷的減少[17]。

    2.5.5 碎米蛋白質(zhì)的溶解性

    pH對(duì)碎米蛋白乳化性的影響見(jiàn)圖8。

    圖8 pH對(duì)碎米蛋白乳化性的影響Fig.8 Effect of pH on emulsifying properties of broken rice protein

    如圖8所示,溶解度隨pH的變化趨勢(shì)為先減小后增大。在pH=4.2時(shí)溶解度最低,其主要原因是,蛋白質(zhì)在等點(diǎn)時(shí)處于兼性離子狀態(tài),凈電荷為零,蛋白質(zhì)㈦蛋白質(zhì)的作⒚力最強(qiáng),而蛋白質(zhì)㈦水的作⒚力最弱,疏水的相互作⒚導(dǎo)致蛋白質(zhì)的聚集㈦沉淀,溶解度最小[18]。

    3 結(jié)論

    1)本研究在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝,確定了超聲波輔助提取碎米蛋白的最佳工藝條件為:料液比 1 ∶12(g/mL),超聲時(shí)間 40min(超聲功率120 W),提取溫度60℃,pH 9.5,在此條件下提取率為67.01%。提取率高于堿溶酸沉法且時(shí)間縮短了 2h~3h。

    2)超聲輔助提取出的碎米蛋白的功能性質(zhì)結(jié)果表明,碎米蛋白質(zhì)的持水性為1.96mL/g,持油性為2.52mL/g,在pH為7時(shí)碎米蛋白的起泡性和起泡穩(wěn)定性最好,分別為34.6%、82%。在pH為9時(shí)碎米蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性最好,分別為68、81m2/g。碎米蛋白在堿性溶液中溶解性較好。在等電點(diǎn)附近碎米蛋白的溶解度、起泡性、起泡穩(wěn)定性、乳化性、乳化穩(wěn)定性均最差。超聲波輔助提取碎米蛋白具有時(shí)間短、溫度低、耗能少等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)得到的碎米蛋白也具備良好的功能特性??商砑拥礁恻c(diǎn),飲料等食品以及營(yíng)養(yǎng)品中。

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    Study on the Ultrasonic-assisted Extraction of Broken Rice Protein and Its Functional Properties

    LI Chao-nan, LU Bao-xin*, FENG Yu-chao, ZHOU Yi, MA Nan, LIU Xue-jiao, LIU Meng-meng
    (College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319, Heilongjiang,China)

    The process conditions and functional characteristics of ultrasonic-assisted extraction of broken rice protein were studied,which provided the theoretical basis for the preparation and application of broken rice protein.Optimization of ultrasonic-assisted extraction of broken rice protein by orthogonal experiment.The results showed that the extraction rate was 67.01%under the condition of the ratio of material to liquid was 1∶12(g/mL),ultrasonic time was 40min(ultrasonic intensity 120 W),temperature was 60℃and pH was 9.5.The best protein was precipitated at pH 4.2.The results showed that the water holding capacity of broken rice protein was 1.96mL/g and the oil holding capacity was 2.52mL/g.The solubility,foaming property and stability,emulsifying property and stability of the broken rice protein were the worst at the isoelectric point(pH 4.2).

    broken rice; protein; ultrasonic; extraction;functional characteristics

    10.3969/j.issn.1005-6521.2017.15.013

    2017-05-03

    黑龍江省農(nóng)墾總局攻關(guān)項(xiàng)目(HNK135-05-01)

    李超楠(1994—),女(漢),研究生,研究方向:食品科學(xué)。

    *通信作者:鹿保鑫(1972—),男(漢),教授,博士,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品加工。

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