小米谷糠蛋白提取的研究進展*

吳興雨，曹 闊，孫豐梅,2*

（1.河北北方學(xué)院食品科學(xué)系，河北 張家口 075000；2.河北省農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全分析檢測重點實驗室，河北 張家口 075000）

谷子為禾本科狗尾草屬植物，是我國重要的糧食作物之一，起源于黃河流域。谷子的營養(yǎng)價值十分豐富，其中蛋白質(zhì)含量為9.28%～15.8%，碳水化合物含量大約70%，脂肪含量在3.8%～5.2%之間。谷子的維生素含量很高，是很好的保健食品[1]。

小米是由谷子去掉谷皮、種子和胚生產(chǎn)而成的，是我國一種重要的雜糧，古稱粟、梁、黃粟、粟米等。小米營養(yǎng)物質(zhì)齊全、豐富，且消化吸收率高。小米的纖維素含量是大米的2.5倍，約為2.63%[2]，小米中蛋白質(zhì)含量為9%左右，高于大米，是一種低致敏性蛋白，適宜于嬰幼兒和孕產(chǎn)婦食用，其蛋白質(zhì)中部分氨基酸還具有藥效作用[3]。

小米谷糠是谷子加工小米時所產(chǎn)生的麩皮、糊粉層、小米碎渣和小米胚芽等副產(chǎn)物。我國是谷子種植的起源地，有著悠久的種植歷史，其種植面積廣、產(chǎn)量大，每年生產(chǎn)的小米谷糠的量也很大，每年約產(chǎn)40 萬 t[4]。

由于谷子加工的技術(shù)手段不同和谷子的產(chǎn)地不同，會使小米谷糠中的成分有一些略微的差別。在一般情況下，谷糠中所含的蛋白質(zhì)（15%）、脂肪（3%～8%）、糖類（16%～22%）、水分（10%）、熱量（125.1 kJ/g），并且還有纖維素、多糖、膳食纖維、維生素、礦物元素、硫胺素、核黃素、尼克酸及多種不飽和脂肪酸等營養(yǎng)成分。小米中的蛋白含量大約為9%，蛋白質(zhì)的消化率83.4%，而小米谷糠含蛋白質(zhì)約15%，消化率為94%，小米谷糠中蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)消化率都明顯優(yōu)于小米。研究表明小米谷糠蛋白是已知谷物中過敏性最低的蛋白質(zhì)，并且必需氨基酸的組成接近FAO/WHO的推薦標準模式，具有很好的食品開發(fā)潛力。因此，對小米谷糠的開發(fā)具有現(xiàn)實意義，例如小米谷糠蛋白可作為嬰幼兒的蛋白強化劑，小米谷糠的膳食纖維可以用來預(yù)防便秘和調(diào)節(jié)血糖，小米谷糠油中含有大量的亞油酸，具有預(yù)防血栓和血管硬化等疾病的效果，小米谷糠經(jīng)處理后可以作為飼養(yǎng)動物的飼料，不僅能夠減少資源的浪費，還可以為養(yǎng)殖戶減少養(yǎng)殖成本[5-6]。

1 小米谷糠蛋白簡介

小米谷糠中的蛋白質(zhì)主要分為四種：清蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白，比例大致為37:36:22:5。小米谷糠清蛋白比大米谷糠清蛋白含量高很多，占小米谷糠總蛋白量的37%。小米谷糠蛋白中的18種氨基酸含量齊全，其中谷氨酸含量最高，必需氨基酸含量較高占蛋白質(zhì)總量的41.2%，除纈氨酸和賴氨酸的AAS值小于100外，其他必需氨基酸AAS都大于100，達到標準要求能滿足人體的日常所需，嬰幼兒所需的組氨酸含量較高，且達到標準要求；谷糠球蛋白能增強人體免疫力，且具有低致敏性，適合于嬰幼兒和部分過敏者[7]。谷蛋白是單純蛋白質(zhì)之一，含于谷類中，是不溶于水、中性鹽溶液、酒精，而溶于稀酸或稀堿的蛋白質(zhì)之總稱。谷蛋白與水混合，是制造面筋的基礎(chǔ)。除谷蛋白敏感體質(zhì)或有其他疾病的人不適合攝入谷蛋白外，其他人在日常飲食中最好保留谷蛋白，醇溶蛋白具有很好的穩(wěn)定性，在醇溶液中的溶解度比較大。醇溶蛋白經(jīng)處理后可生產(chǎn)具有生物活性的小分子肽，生產(chǎn)的肽可以應(yīng)用于保健品和醫(yī)藥的研發(fā)。目前醇溶蛋白在醫(yī)藥和食品行業(yè)有著很廣泛的應(yīng)用，小米谷糠醇溶蛋白的開發(fā)意義重大[8]。

小米谷糠蛋白還有保健及抗癌的作用。許潔[10]對小米谷糠清蛋白做了關(guān)于保護肝功能的研究，并且有一定的效果，其中小米谷糠清蛋白的組氨酸含量比大豆蛋白高出1倍，更適用于嬰幼兒。

2 提取方法

2.1 堿法提取

目前在食品行業(yè)中最常用的小米谷糠蛋白提取方法是采用堿溶酸沉法。谷糠中蛋白質(zhì)與其他成分有較強的聚合和交聯(lián)作用，故谷糠蛋白很難溶出。堿溶酸沉法提取谷糠蛋白是利用pH值較高時小米谷糠中的氫鍵、酰胺鍵、二硫鍵會水解，降低蛋白和其它物質(zhì)的結(jié)合力，并且提高了蛋白的溶解性，讓蛋白更易溶出。堿溶酸沉法雖然操作簡單，提取效率高，但蛋白質(zhì)在強堿性環(huán)境中容易變性，會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，并且會改變蛋白質(zhì)營養(yǎng)特性。強堿性環(huán)境中，蛋白質(zhì)不僅會產(chǎn)生丙氨酸等有毒物質(zhì)，還會加快美拉德反應(yīng)，使產(chǎn)品呈暗色[11]。

2.2 物理法提取谷糠蛋白

物理法是通過外力破碎谷糠組織結(jié)構(gòu)，進而使谷糠蛋白更易溶出。但這種方法有提取率低、操作繁瑣、成本高等缺點，一般與其它方法結(jié)合使用。據(jù)研究報道，全脂米糠經(jīng)研磨后，溶液中的蛋白質(zhì)的溶出率可提高12%左右[12]。

2.3 酶法提取

近年來酶法提取是研究報道的熱門方法，主要原因是酶法提取具有反應(yīng)條件溫和，操作簡單和提取率高的特點。能最大限度地保證蛋白的質(zhì)量、活性和營養(yǎng)價值。目前，常用到的酶類有蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶、植酸酶等[13]。

2.3.1 蛋白酶

按照蛋白酶在蛋白質(zhì)分子上作用點的不同，分為內(nèi)切和外切蛋白酶；按最適反應(yīng)的pH不同，分為酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶3種。外切蛋白酶是破壞蛋白質(zhì)分子任意一端的肽鍵，內(nèi)切蛋白酶是作用于蛋白質(zhì)分子內(nèi)部，一般情況下，內(nèi)切蛋白酶的效率要高于外切蛋白酶，目前被廣泛使用[14]。蛋白酶催化原理是破壞蛋白質(zhì)分子中的肽鍵，使其分解成可溶性的小分子肽，從而促進蛋白的溶出，提高蛋白的提取率。

堿性蛋白酶是谷糠蛋白提取最常用的蛋白酶。由于谷糠蛋白質(zhì)中二硫鍵的含量較多，谷糠中淀粉纖維素與蛋白結(jié)合緊密，其在堿性弱的溶液中溶解度較低。所以在堿性條件下提高谷糠蛋白溶解度，并且在堿性蛋白酶的作用下破壞蛋白質(zhì)分子肽鍵，可以提高谷糠蛋白的提取率[15]。王曉雅[16]等以脫脂米糠為原料，以谷糠蛋白提取率為指標進行試驗，用堿性蛋白酶提取谷糠蛋白，提取率可以達到75.42%。使用風(fēng)味蛋白酶提取谷糠蛋白提取率為53.775%，而且因為風(fēng)味蛋白酶的特殊性，還可解決蛋白質(zhì)的風(fēng)味問題。風(fēng)味蛋白酶活性較高，可使蛋白分解為更小的肽，所以風(fēng)味蛋白酶水解度是最高的，因此還可以得到一些其他的產(chǎn)品。用風(fēng)味蛋白酶提取小米谷糠蛋白對小米谷糠蛋白充分利用有很好開發(fā)價值。

其它谷物蛋白的提取，對小米谷糠蛋白提取具有參考借鑒意義，如張業(yè)輝等用堿性蛋白酶對燕麥蛋白進行提取，得到的最優(yōu)提取條件組合為：提取溫度67°C,加酶量1.8%，pH值9.2，提取時間 150 min，料液比1:22，燕麥蛋白提取率高達83.30%[17]。

趙素斌利用4種蛋白酶對米渣中蛋白質(zhì)提取進行了研究，并得到了幾種酶的提取率和蛋白質(zhì)純度。堿性蛋白酶：提取率38.14%，純度30.26%；中性蛋白酶：提取率61.07%，純度56.55%；菠蘿蛋白酶：提取率為48.85%，純度20.67%；木瓜蛋白酶：提取率為75.52%；純度47.58%。由實驗結(jié)果可得中性蛋白酶提取后蛋白純度最高，木瓜蛋白酶提取率最高[18]。

陳飛以脫脂谷糠為研究對象，將堿溶酸沉法和酶法提取進行比較。在最優(yōu)提取工藝條件下，堿法最高提取率為57.8%。酶法最高提取率為38.4%。由試驗結(jié)果可得堿法的提取率要高于酶法[19]。

2.3.2 淀粉酶

淀粉酶的作用原理是分解淀粉糖苷鍵，目前主要從微生物中獲取。根據(jù)水解淀粉作用點不用，淀粉酶可分為4類：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和異淀粉酶。α-淀粉酶是最常用的一種淀粉酶，其分解原理是從分子內(nèi)部隨機地切斷糖苷鍵，使淀粉分解為還原糖和糊精。用淀粉酶提取蛋白的報道很多，例如：劉穎進行了淀粉酶提取米糠蛋白的試驗，試驗表明在最佳的提取條件下，米糠蛋白的提取率為37.3%。有研究報道了酶法提取脫脂薏仁粉的蛋白研究，先將原料進行預(yù)處理，研究了高溫α-淀粉酶、真菌淀粉酶的提取率和最適提取條件。薏仁粉在提取溫度為80°C，酶底比200 U/g的條件下，提取時間為4 h時，薏仁蛋白提取率最高。真菌α-淀粉酶提取蛋白提取率不理想，提取物中還有大量的淀粉沒有被分解[20]。

2.3.3 其它酶類

其它提取蛋白的酶類主要包括細胞破壁酶和植酸酶等，作用原理是破壞細胞結(jié)構(gòu)，減小蛋白質(zhì)與其它結(jié)構(gòu)間的結(jié)合力使蛋白質(zhì)溶出。

纖維素酶的作用是分解纖維素，生成可溶性的聚合物。細胞壁的主要成分為纖維素及多糖，纖維素酶可以有效地將其分解。纖維素與蛋白質(zhì)結(jié)合得非常緊密，阻礙了蛋白質(zhì)的溶出和蛋白酶的作用，使這些蛋白質(zhì)提取率偏低。利用纖維素酶分解小米谷糠中的纖維素有利于蛋白質(zhì)提取。張業(yè)輝等的研究表明，先用纖維素酶對小米谷糠進行預(yù)處理，再利用堿溶酸沉法提取，試驗結(jié)果表明用此方法提取后，小米糠蛋白的提取率可以達到81.86%。纖維素酶、淀粉酶和果膠酶三種酶對小米糠蛋白的提取率進行比較，表明纖維素酶的提取率最高，可達43.93%。王騰宇等使用相同的方法，用果膠酶、木聚糖酶進行試驗也發(fā)現(xiàn)與上述類似的結(jié)果，經(jīng)試驗測得小米糠蛋白提取率最高可達58.3%[21]。

植酸酶的提取原理是將植酸分解成小分子的物質(zhì)，減小蛋白與植酸之間的絡(luò)合力，進而使蛋白質(zhì)更易溶出。植酸不僅容易與食物中的蛋白質(zhì)結(jié)合，還易與酶類結(jié)合，會影響到酶活性，導(dǎo)致蛋白質(zhì)等分解率降低。因此植酸酶對人的消化大有幫助，可以分解食物中的植酸，便于消化道分泌的各種蛋白酶作用，從而使攝入的蛋白質(zhì)消化利用率得到提高。趙勇[12]等研究了植酸對蛋白質(zhì)活性和功能性質(zhì)的影響以及植酸酶的分解效率。分別以玉米、細米糠、葵花籽等為原料進行試驗，結(jié)果表明若將植酸再加入到蛋白質(zhì)溶液后，會產(chǎn)生大量沉淀。加入植酸酶后沉淀的量明顯減少，使用植酸酶提取后米糠蛋白質(zhì)溶解率提高到57%，比沒有加入植酸酶之前的溶解率高出很多。此實驗還進行了將植酸酶和木聚糖酶的復(fù)合使用來提取米糠蛋白，試驗后的提取率可提高至74.6%。使用復(fù)合酶進行試驗后提取率有了明顯的升高，說明不僅可以利用減小蛋白與其它物質(zhì)結(jié)合力的原理，還可用酶來破壞細胞結(jié)構(gòu)使蛋白質(zhì)溶出。

顧鎳[22]篩選得到果膠酶是提取小米谷糠水溶性蛋白的最佳酶類，酶解時間3.94 h，酶解溫度20°C，pH 值 4.7，液料比 77:1(mL/g)，酶添加量 1 000 U/g，此條件下的小米糠蛋白提取率為32.83%。同時研究了醇溶性蛋白最佳提取條件，以及蛋白溶解性、吸油性、起泡性等功能性質(zhì)。細胞破壁酶可以使米糠中可溶性蛋白質(zhì)的提取率升高，即使E/S相同，不同種類的酶對蛋白的提取率也不同，原因是不同細胞破壁酶作用底物不同，其作用效果也會有所不同。

2.3.4 復(fù)合酶法

近年來有很多復(fù)合酶法提取蛋白質(zhì)的研究報道，與其它試驗方法相比蛋白提取率和純度均有提高。麻成金選用多種酶復(fù)合提取板栗籽中的蛋白質(zhì)，試驗結(jié)果表明纖維素酶與木瓜蛋白酶是最佳的酶組合。以蛋白提取率為指標，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計對蛋白提取工藝進行優(yōu)化后，最終得到復(fù)合酶法提取板栗籽蛋白的提取率可達74.91%[23]。韓萍等利用植酸酶、淀粉酶和纖維素酶組合提取米糠蛋白，試驗后的蛋白提取率高達80.06%[24]。鄭耀華等采用淀粉酶、纖維素酶和植酸酶復(fù)合提取蛋白，試驗結(jié)果表明淀粉酶的提取率為56.16%；在淀粉酶將米糠中的淀粉水解后，再添加纖維素酶和植酸酶反應(yīng)，最終得到三種酶復(fù)合提取米糠蛋白的提取率達77.41%。蛋白質(zhì)純度達68.83%[25]。張兆琴等[26]研究復(fù)合酶法提取米糠蛋白的最佳工藝條件，篩選復(fù)合酶的添加比例，復(fù)合酶添加的最佳質(zhì)量比為纖維素酶：木瓜蛋白酶為7:3，添加量4%時，米糠蛋白得率為76.75%。廖宇杰[27]研究在纖維素酶和復(fù)合蛋白酶添加量各為2%時，響應(yīng)面分析法優(yōu)化酶解時間、酶解溫度、pH值和液料比對米糠蛋白提取率的影響，確定了提取米糠蛋白的最佳工藝條件為酶解時間2.5 h，酶解溫度50°C，pH值5.0，液料比10:1(mL/g)，此條件下的米糠蛋白提取率為39.54%。

張薇等[28]用超聲預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用α-淀粉酶和蛋白酶復(fù)合法提取的谷糠蛋白，并與堿溶酸沉法提取的米糠蛋白在功能特性方面進行比較。酶法提取對蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)影響很小，其原因是酶法提取的反應(yīng)條件比較溫和，并且分解后的蛋白質(zhì)以多肽的形式存在，還具有一定的生物活性。復(fù)合酶法提取蛋白不僅能夠提高蛋白的溶出率，其提取的蛋白質(zhì)在發(fā)泡、乳化等理化性質(zhì)方面要優(yōu)于堿溶酸沉法提取的蛋白，所以酶法提取米糠蛋白是最具潛力的提取方法。

許潔[10]的碩士論文報道了利用復(fù)合蛋白酶提取小米谷糠蛋白的工藝流程和最終的提取率，通過弱堿法和復(fù)合酶法相結(jié)合提取小米谷糠蛋白。弱堿水提的最佳提取條件為pH 9.0，55℃，提取兩次，分別提取2 h和3 h，提取率為47.34%；用復(fù)合蛋白酶提取的最佳條件為加酶量1 500 U/g，pH 8.5，提取溫度44℃，提取時間7 h，提取率為38.42%?？偺崛÷士蛇_85.76%。

2.4 其它方法

蛋白提取的其他方法有很多，例如沉淀法、直接提取法、鹽析法、醇溶法、復(fù)合法等。張帆[29]研究了5種方法提取苦杏仁蛋白，分別為蛋白質(zhì)分離法、堿法、反膠束法、鹽析法以及鹽析與堿溶酸沉復(fù)合法，分別對苦杏仁中的蛋白進行提取，并比較各種方法的提取率；實驗結(jié)果表明鹽析與堿溶酸沉復(fù)合法的提取率最高。李然紅[30]以甘藍葉片為原料，采用3種不同的方法提取甘藍葉片蛋白，即直接提取法、丙酮沉淀法和丙酮結(jié)合三氯乙酸沉淀法，結(jié)果表明丙酮沉淀法的提取率最高，是最適的提取方法。

3 酶法提取蛋白質(zhì)的影響因素

3.1 溫度對米糠蛋白提取率的影響

溫度影響蛋白提取率的主要原因是酶的活性與溫度有關(guān)，酶有最適溫度，在最適溫度下酶的活力會達到最大值。蔡騰龍等[31]以米糠為原料、提取率為指標，用堿性蛋白酶進行提取。采用單因素分析和正交試驗優(yōu)化的方法得出了堿性蛋白酶的最適溫度為40°C，在此溫度下米糠蛋白的提取率可達81.23%。白莉等[32]研究了溫度對纖維素酶活性的影響，當(dāng)溫度為30～50°C之間時，隨溫度的升高,蛋白質(zhì)的提取率也隨之升高，在50°C時，蛋白質(zhì)提取率達到最高點為43.93%，此時達到了纖維素酶的最適溫度。隨后隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)提取率呈下降趨勢，此時由于溫度的升高，酶的活性收到了抑制。王騰宇[21]研究了纖維素酶、果膠酶、木聚糖酶的最適溫度，試驗結(jié)果表明纖維素酶的最適溫度為50°C，蛋白的提取率為59.1%；果膠酶的最適溫度為50°C，蛋白的提取率為49.29%；木聚糖酶最適溫度為55.9°C，蛋白的提取率為50.2%。

3.2 pH對米糠蛋白提取率的影響

酶只能在其適宜的pH值范圍內(nèi)才表現(xiàn)活性，主要原因是酶活性基團的解離與pH有關(guān)，適宜的pH能使酶的的活性基團保持最佳的解離狀態(tài)，并且能促進活性基團與底物的結(jié)合。pH值過高或過低會破壞蛋白內(nèi)的次級鍵，使蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，失去活力。酶的最適pH值是指在酶的催化速率達到最大值時的pH值。在最適pH值兩側(cè)的曲線基本是呈下降趨勢。王曉雅等[16]以米糠為原料，研究了pH值對米糠蛋白提取的影響，當(dāng)pH值過高時，會導(dǎo)致淀粉糊化，不利于后續(xù)分離工序的進行。在蛋白提取過程中，pH值不僅會影響酶的活性和影響提取率，還會因為其它因素影響蛋白質(zhì)的提取和純化。

3.3 加酶量對谷糠蛋白提取率的影響

當(dāng)酶的添加量大于某值時，酶的催化速率不再隨著加酶量的升高而升高，這個值就是酶的最適添加量。當(dāng)酶的添加量小于最適值時，反應(yīng)速率是隨著添加量的升高而升高的。白莉[32]等以米糠為原料，對纖維素酶提取米糠蛋白進行了研究，試驗選用不同酶用量對米糠進行水解，其它作用條件相同，當(dāng)酶的添加量在1%～2%時，蛋白質(zhì)的提取率呈上升趨勢，并且增幅很大；當(dāng)酶的添加量為2%時，米糠蛋白質(zhì)提取率達到最大值；當(dāng)添加量為3%～5%時，蛋白質(zhì)提取率上升趨勢不明顯，結(jié)果表明纖維素酶的最適添加量為2%。王曉雅等[16]研究了加酶量對堿性蛋白酶提取小米谷糠蛋白提取率的影響，試驗取5 g脫脂米糠，在相同的條件下設(shè)置不同梯度的加酶量來進行試驗。當(dāng)加酶量為1.0%～2.5%時，蛋白提取率升高趨勢明顯；當(dāng)加酶量為2.5%～3.5%時，蛋白提取率變化趨勢平緩。隨著繼續(xù)提高酶加量，酶催化反應(yīng)的效率卻受到了抑制，可能的原因是加酶量過高，酶與底物復(fù)合，使酶的活力受到了抑制，底物的分解也變得困難。以上試驗結(jié)果表明，加酶量的升高會增加酶與底物結(jié)合的幾率，從而使提取率提高；但加酶量過高時，還有一部分酶是過量的，不參加催化反應(yīng)，對提取率沒有明顯的影響。從經(jīng)濟角度看，在相同提取率的條件下，酶的添加量越少越好，對減少成本至關(guān)重要。

3.4 提取時間對谷糠蛋白提取率的影響

酶與底物反應(yīng)完全需要一定的時間，若酶解時間太長，底物與酶反應(yīng)已經(jīng)完全，提取率不會發(fā)生太大的變化，適宜的酶解時間可以提高生產(chǎn)效率。酶解時間太短，酶與底物反應(yīng)不完全，會使提取率偏低，造成資源的浪費。張兆琴采用植酸酶和木聚糖酶復(fù)合酶法提取米糠蛋白，并測定了最佳提取時間。操作方法是設(shè)置不同的時間梯度，將米糠與其質(zhì)量為7倍的蒸餾水混合，pH值調(diào)至5.0，在此條件下進行蛋白的提取。試驗結(jié)果表明最適提取時間為2 h，此時糠蛋白的提取率最高，提取率為74.6%，2 h后隨著時間的延長提取率變化不大[26]。

3.5 料液比對谷糠蛋白提取率的影響

料液比是原料與水的比例。料液比太小不利于酶的水解和蛋白質(zhì)的溶出，導(dǎo)致蛋白含量下降；料液比太大會使酶的濃度變小，而且提取液的濃度偏低不利于后續(xù)的分離純化工序。王曉雅等[16]對酶法提取米糠蛋白的影響因素料液比之間的關(guān)系進行了研究，方法是以提取率為指標，設(shè)置不同的料液比梯度，在其他提取條件相同的情況下進行試驗，結(jié)果為：料液比>pH值>溫度>時間>加酶量，隨著料液比的減小，蛋白提取率呈上升趨勢，當(dāng)料液比達到1:20以后，蛋白提取率呈下降趨勢。

4 結(jié)論

小米谷糠中含有豐富的蛋白質(zhì)，本文對小米谷糠蛋白的提取工藝進行了綜述，并詳細介紹了溫度、pH、料液比、時間及加酶量對酶提蛋白的影響。