超聲波輔助堿法提取麥麩蛋白工藝及特性研究

蔡沙，施建斌，隋勇，何建軍，陳學(xué)玲，范傳會(huì)，梅新

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，湖北武漢430064）

麥麩，即小麥皮，在實(shí)際的制粉工藝中，將提取胚芽和胚乳后的殘留物統(tǒng)稱為麩皮，該部分約占小麥籽粒的22%左右，外層含有較多的粗纖維，營(yíng)養(yǎng)少，難消化，相比內(nèi)部成分比較粗糙[1-3]。小麥麩皮中含有12%～18%的蛋白質(zhì)，其中包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、麥谷蛋白等。麥麩蛋白含量較高且分布均勻，含有人體必需的多種氨基酸，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值甚至可以與大豆蛋白相媲美，是一種優(yōu)質(zhì)植物蛋白資源[4]。小麥麩皮蛋白是小麥麩皮經(jīng)加工后制得的，含量占小麥麩皮的14%[5]。

在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中麥麩被當(dāng)作廢料，多用于牲畜飼料。然而隨著食品科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)麥麩中含有豐富的生物活性物質(zhì)，有著廣泛的開發(fā)前景與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，麥麩正以全新的角色，重新登上食品行業(yè)的舞臺(tái)[6]。我國(guó)是小麥生產(chǎn)大國(guó)，小麥麩皮作為面粉廠主要的加工副產(chǎn)物，產(chǎn)量相當(dāng)可觀。麥麩蛋白有著廣闊的前景，如果能夠充分地利用麩皮進(jìn)行深加工和綜合利用，開發(fā)出具有高附加值的麥麩蛋白產(chǎn)品，將具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[7-10]。

超聲波提取技術(shù)具有空穴效應(yīng)、熱效應(yīng)等有效機(jī)制，通過增大介質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)速度增大介質(zhì)的穿透力，可使麩皮中蛋白質(zhì)、淀粉及膳食纖維的結(jié)合松弛，有利于蛋白質(zhì)的分離制備[11-12]。利用超聲波技術(shù)來強(qiáng)化提取分離過程，可有效提高提取分離率，縮短提取時(shí)間，節(jié)約成本，甚至還可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

本文以麥麩為原料，研究超聲波輔助堿法提取麥麩蛋白最優(yōu)工藝。以麥麩蛋白提取率及純度為考察指標(biāo)，對(duì)影響超聲輔助提取麥麩蛋白的因素如料液比、超聲功率、提取液pH值、提取溫度、提取時(shí)間等因素進(jìn)行了研究，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)堿法提取麥麩蛋白進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上對(duì)麥麩蛋白的特性進(jìn)行分析，為麥麩蛋白產(chǎn)品開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥麩皮：潛江同光面粉有限責(zé)任公司提供。硫酸、鹽酸、氫氧化鈉（均為分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

BS-210 分析天平：Instruments Ltd.德國(guó)；TGL-16A/MA臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)：長(zhǎng)沙平凡儀器有限公司；SHA-B恒溫振蕩器：常州國(guó)華電器有限公司；DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋：江蘇國(guó)華電器有限公司；K9840自動(dòng)凱氏定氮儀：濟(jì)南海能儀器有限公司；XHF-D高速分散器：寧波新芝生物科技股份有限公司；LGJ-25C冷凍干燥機(jī)：湖南湘儀有限公司；MT-5000 pH計(jì)：上海三本環(huán)保科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 麥麩蛋白提取

用凱氏定氮法測(cè)定麥麩原料中蛋白含量記為m1，取一定量麥麩，加水懸濁，調(diào)節(jié)pH值，于一定溫度下超聲提取，提取結(jié)束后，提取液離心，收集上清液，調(diào)節(jié)上清液pH值至等電點(diǎn)，靜置一段時(shí)間后離心，收集沉淀，將沉淀按一定料液比溶解于水中，調(diào)節(jié)pH值至7.0，用透析袋透析脫鹽36 h，中間每隔8小時(shí)換水一次，透析袋截留分子量500 Da，透析脫鹽后離心凍干，得麥麩蛋白，稱重記為m2，利用凱氏定氮法測(cè)定提取的蛋白質(zhì)質(zhì)量記為m3。

1.2.2 麥麩蛋白等電點(diǎn)測(cè)定

將麥麩粉碎后，按料液比1∶15（g/mL）加水懸濁，調(diào)節(jié)pH值至12.0，于50℃下提取1.5 h，4 500 r/min離心30 min，收集上清液，用于測(cè)定麥麩蛋白等電點(diǎn)。

分別取9份各30 mL上述麥麩蛋白提取液，依次分別調(diào)節(jié) pH 值至 3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，靜置 30 min，于 10 000 r/min 下離心 15 min，取上清液，分別測(cè)定其在595 nm處吸光值大小，上清液吸光值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的pH值即為麥麩蛋白粗等電點(diǎn)。以粗等電點(diǎn)為中心，0.1為單位向前后擴(kuò)散再各取5個(gè)點(diǎn)，按照同樣步驟取麥麩蛋白提取液，調(diào)節(jié)pH值至相應(yīng)值，離心后測(cè)定吸光值，最終測(cè)得吸光值最小的pH即為麥麩蛋白的等電點(diǎn)。

1.2.3 麥麩蛋白提取工藝探討

1.2.3.1 單因素試驗(yàn)

以麥麩蛋白提取率及純度為指標(biāo)，對(duì)影響麥麩蛋白提取率以及純度的因素如提取液pH值、超聲功率、提取溫度、提取時(shí)間、料液比等進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)過程中，探討某一單因素時(shí)，其他各因素水平分別為料液比 1∶15（g/mL）、提取液 pH 12.0、超聲功率300 W、提取溫度45℃、提取時(shí)間40 min。

1.2.3.2 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)，確定超聲波輔助堿法提取麥麩蛋白最優(yōu)工藝。

1.2.4 麥麩蛋白提取率及純度的測(cè)定

式中：m1為麥麩原料中的蛋白質(zhì)，g；m2為分離的蛋白質(zhì)量，g；m3為測(cè)定的分離蛋白中蛋白質(zhì)質(zhì)量，g。

1.2.5 麥麩蛋白的特性研究

1.2.5.1 乳化性和乳化穩(wěn)定性的測(cè)定

參照徐忠等[13]的測(cè)定方法，并作適當(dāng)修改。配制濃度為 1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的麥麩蛋白溶液，分別與大豆油按體積比3∶1混合，20 000r/min于高速分散器下均質(zhì)1min，后于1500r/min下離心5 min，讀取乳化層高度，計(jì)算EA值；同時(shí)用50 mL離心管制作乳化液，制作后于85℃水浴中恒溫加熱30 min，1 500 r/min離心5 min，冷卻放置30 min后讀取乳化層高度，計(jì)算ES值。

1.2.5.2 起泡性和泡沫穩(wěn)定性的測(cè)定

參照徐忠等[13]的測(cè)定方法，并作適當(dāng)修改。配制濃度為 1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的麥麩蛋白溶液，取5 mL蛋白溶液，20 000 r/min于高速分散器下均質(zhì)1 min，讀取泡沫體積，后放置30 min后讀取泡沫體積。

1.2.5.3 溶解性測(cè)定

樣品的溶解性用氮溶解指數(shù)來評(píng)價(jià)。配制2.0 g/mL樣品溶液25 mL，用0.5 mol/L HCl或0.5 mol/L NaOH溶液分別調(diào) pH 值至 2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 磁力攪拌45 min后，10 000 r/min離心15 min，收集上清液，采用微量凱氏定氮法測(cè)定上清液中的氮含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 等電點(diǎn)結(jié)果分析

麥麩蛋白粗等電點(diǎn)的吸光值見表1。

表1 麥麩蛋白粗等電點(diǎn)Table 1 Rough isoelectric point of wheat bran protein

等電點(diǎn)的測(cè)定主要是根據(jù)蛋白質(zhì)堿提酸沉的原理，溶液的pH值越接近于等電點(diǎn)的時(shí)候，蛋白質(zhì)沉淀的越多，所以吸光值就越低，因此只需要找出吸光值最低的pH值就可以知道麥麩蛋白的等電點(diǎn)。

由表1可知，麥麩蛋白的粗等電點(diǎn)為4.0，為更精確測(cè)定其等電點(diǎn)，進(jìn)一步縮小pH值范圍，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，麥麩蛋白的等電點(diǎn)為4.4。

2.2 麥麩蛋白提取工藝

2.2.1 料液比對(duì)麥麩蛋白提取效果的影響

料液比對(duì)麥麩蛋白提取效果影響如圖1所示。

從圖1中可以看出，麥麩蛋白的提取率隨料液比的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著料液比的增加，溶質(zhì)的擴(kuò)散速度也隨之增大，并促進(jìn)水溶性物質(zhì)的充分溶出，使蛋白質(zhì)的含量升高。麥麩蛋白的純度也是隨著料液比的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，并在料液比為1∶18（g/mL）處，麥麩蛋白的提取率和純度達(dá)到最大值，分別為84.2%和71.8%，因此，選擇1∶18（g/mL）為料液比的最優(yōu)工藝。

表2 麥麩蛋白等電點(diǎn)Table 2 Isoelectric point of wheat bran protein

圖1 料液比對(duì)麥麩蛋白提取效果影響Fig.1 Influence of solid-liquid ratio on wheat bran protein extraction

2.2.2 pH值對(duì)麥麩蛋白提取效果的影響

pH值對(duì)麥麩蛋白提取效果影響如圖2所示。

圖2 pH值對(duì)麥麩蛋白提取效果影響Fig.2 Influence of pH on wheat bran protein extraction

從圖2中可以看出，麥麩蛋白的提取率隨pH值的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)pH值在10.0～11.5范圍內(nèi)，由于堿溶度較低，蛋白質(zhì)與淀粉分離不完全，當(dāng)pH值在12.0～12.5范圍內(nèi)，提取率急劇下降，這是由于堿度過大，導(dǎo)致淀粉糊化，也容易使蛋白質(zhì)發(fā)生變性。同樣的，麥麩蛋白的純度也隨著pH值的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)提取液pH值為12.0的時(shí)候，麥麩蛋白的提取率達(dá)到最高為72.6%，當(dāng)提取液pH值為11.5的時(shí)候，麥麩蛋白的純度達(dá)到最高為69.6%。因此，選擇12.0為pH值的最優(yōu)工藝。

2.2.3 超聲波功率對(duì)麥麩蛋白提取效果的影響

超聲功率對(duì)麥麩蛋白提取效果影響如圖3所示。

圖3 超聲波功率對(duì)麥麩蛋白提取效果影響Fig.3 Influence of ultrasonic power on wheat bran protein extraction

從圖3中可以看出，麥麩蛋白的提取率隨超聲功率的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)超聲功率在200 W～300 W范圍內(nèi)，提取率逐漸上升到最大79.6%，當(dāng)超聲功率在300 W～450 W范圍內(nèi)，提取率逐漸下降。同樣的，麥麩蛋白的純度也隨著超聲功率的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)超聲功率在200 W～250 W范圍內(nèi)，麥麩蛋白的純度達(dá)到最高為72.6%，當(dāng)超聲功率在250 W～450 W范圍內(nèi)，純度逐漸下降。因此，選擇300 W為超聲功率的最優(yōu)工藝。

2.2.4 溫度對(duì)麥麩蛋白提取效果的影響

溫度對(duì)麥麩蛋白提取效果影響如圖4所示。

圖4 溫度對(duì)麥麩蛋白提取效果的影響Fig.4 Influence of temperature on wheat bran protein extraction

從圖4中可以看出，麥麩蛋白的提取率隨溫度的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)溫度在35℃～50℃范圍內(nèi)，提取率逐漸上升到最大82.9%，當(dāng)溫度超過50℃后，提取率急劇下降，這可能是因?yàn)闇囟冗^高，使溶液的黏度變大，分子的運(yùn)動(dòng)速度減慢，阻止蛋白質(zhì)溶解到溶液中，同時(shí)，由于疏水基團(tuán)的暴露和展開，蛋白質(zhì)分子聚集，使蛋白質(zhì)溶解度下降，導(dǎo)致蛋白提取率下降。麥麩蛋白純度隨溫度的變化趨勢(shì)與提取率相同，在50℃時(shí)，純度達(dá)到最高值74.2%。因此，選擇50℃為溫度的最優(yōu)工藝。

2.2.5 時(shí)間對(duì)麥麩蛋白提取效果的影響

時(shí)間對(duì)麥麩蛋白提取效果影響如圖5所示。

圖5 時(shí)間對(duì)麥麩蛋白提取效果影響Fig.5 Influence of time on wheat bran protein extraction

從圖5中可以看出，麥麩蛋白的提取率隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)間在25 min～40 min范圍內(nèi)，提取率逐漸上升到最大78.9%，這是由于隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，麩皮逐漸與堿性物質(zhì)充分接觸，使蛋白質(zhì)與纖維素等成分分離，從而提取率增加，當(dāng)時(shí)間超過40 min后，提取率逐漸下降，這主要是因?yàn)闀r(shí)間過長(zhǎng)會(huì)增加非蛋白成分與蛋白共沉的機(jī)會(huì)，使得提取率降低。麥麩蛋白純度隨時(shí)間的延長(zhǎng)也是呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，在35 min時(shí)，純度達(dá)到最高值73.5%。因此，選擇40 min為時(shí)間的最優(yōu)工藝。

2.2.6 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以麥麩蛋白的提取率為指標(biāo)，對(duì)料液比、提取液pH值、超聲波功率、提取溫度進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)，因素水平見表3，正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 3 The level of orthogonal factor

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of orthogonal test

以提取率為指標(biāo)，麥麩蛋白提取工藝四因素三水平正交試驗(yàn)及極差分析結(jié)果如表5所示，從表中可以看出，4個(gè)因素對(duì)提取率影響大小順序?yàn)椋撼暡üβ剩緶囟龋緋H值＞料液比，各因素理論最優(yōu)水平組合為A2B2C3D3，即為料液比 1 ∶20（g/mL）、超聲功率 300 W、溫度55℃、pH 12.0，而正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)9個(gè)處理中實(shí)際最優(yōu)組合為 A2B2C3D1，即為料液比 1 ∶20（g/mL）、超聲功率300 W、溫度55℃、pH 11.0。隨后以提取率為指標(biāo)，對(duì)理論最優(yōu)因素水平組合與實(shí)際最優(yōu)因素水平組合進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明理論最優(yōu)因素水平組合下麥麩蛋白提取率為91.4%，高于實(shí)際最優(yōu)因素水平組合90.8%。因此，麥麩蛋白提取最優(yōu)工藝為料液比1∶20（g/mL）、超聲功率300 W、溫度55℃、pH 12.0。徐忠等[13]利用堿法提取麥麩蛋白，最佳條件為：提取溫度為 50℃，pH 12.0，固液比 1 ∶15，提取時(shí)間 1.5 h，此條件下麥麩蛋白提取率為68.6%，遠(yuǎn)低于本文的提取率91.4%，因此利用超聲波輔助技術(shù)有效提高了堿法提取麥麩蛋白的效果。

2.3 麥麩蛋白特性研究

2.3.1 麥麩蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性

麥麩蛋白濃度對(duì)麥麩蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響如圖6所示。

由圖6可知，麥麩蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性都隨著麥麩蛋白濃度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并在麥麩蛋白濃度為3.0%的時(shí)候達(dá)到最大值，乳化性最大值為74%，乳化穩(wěn)定性為60%，3%濃度的麥麩蛋白溶液具有較好的乳化性和乳化穩(wěn)定性。

2.3.2 麥麩蛋白起泡性和泡沫穩(wěn)定性

麥麩蛋白濃度對(duì)起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響圖7所示。

圖6 麥麩蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性Fig.6 Emulsification ability and emulsification stability of wheat bran protein

圖7 起泡性和泡沫穩(wěn)定性Fig.7 Foaming characteristic and foaming stability of wheat bran protein

由圖7可知，麥麩蛋白的起泡性和泡沫穩(wěn)定性都隨著麥麩蛋白濃度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并在麥麩蛋白濃度為3.5%的時(shí)候達(dá)到最大值，起泡性最大值為60%，泡沫穩(wěn)定性為45%，3.5%濃度的麥麩蛋白溶液具有較好的起泡性和泡沫穩(wěn)定性。

2.3.3 麥麩蛋白溶解性

麥麩蛋白氮溶解指數(shù)隨pH值的變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 麥麩蛋白的溶解性Fig.8 The solubility of wheat bran protein

由圖8可知，隨著pH值的不斷升高，氮溶解指數(shù)呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，在pH值為4.0時(shí)，麥麩蛋白氮溶解指數(shù)最小，僅為26%。這是由于蛋白質(zhì)堿提酸沉的原理，所以上清液中氮的含量降低了。

3 結(jié)論

通過采用最佳工藝條件即料液比1∶20（g/mL），超聲波功率為300 W，提取溫度為55℃，提取液pH 12.0，對(duì)麥麩蛋白提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，此時(shí)麥麩蛋白的提取率為91.4%；3%濃度的麥麩蛋白溶液具有較好的乳化性和乳化穩(wěn)定性，乳化性最大值為74%，乳化穩(wěn)定性為60%；3.5%濃度的麥麩蛋白溶液具有較好的起泡性和泡沫穩(wěn)定性，起泡性最大值為60%，泡沫穩(wěn)定性為45%；在pH 4.0時(shí)，麥麩蛋白氮溶解指數(shù)最小，僅為26%?？梢姵曒o助能大大提高麥麩蛋白的提取率，同時(shí)麥麩蛋白的特性得到相應(yīng)的改善，為麥麩蛋白產(chǎn)品開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。