水酶法提取的大豆蛋白功能特性研究

杨柳,江连洲,2,李杨,娄巍,范佳璐,高珊

1(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨,150030) 2(国家大豆工程技术中心,黑龙江哈尔滨,150030)

水酶法提取的大豆蛋白功能特性研究

杨柳1,江连洲1,2,李杨1,娄巍1,范佳璐1,高珊1

1(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨,150030) 2(国家大豆工程技术中心,黑龙江哈尔滨,150030)

以大豆为原料,采用Alcalase 2.4 L对其进行水酶法试验,研究了不同预处理方式下利用水酶法(简称水酶法大豆蛋白)大豆蛋白的功能特性随水解时间的变化,并对超声波辅助水酶法大豆蛋白的功能特性进行了评价。研究表明,水酶法大豆蛋白的功能特性受水解时间的影响,其中溶解性随水解时间的延长而增大,而乳化性与起泡性随水解时间的延长先增加后降低。且超声波辅助水酶法大豆蛋白的功能特性好于湿热处理及挤压膨化辅助水酶法大豆蛋白。超声波辅助水酶法大豆蛋白的功能特性优于大豆浓缩蛋白,与大豆分离蛋白接近。在等电点(pH值4.0～5.0)附近,其溶解性、乳化性及起泡性均优于大豆浓缩蛋白及大豆分离蛋白。

水酶法,大豆蛋白,溶解性,乳化性,起泡性,超声波

大豆含18%～22%的油脂和40%左右的蛋白质,不仅是主要的油料作物,更是巨大的优质植物蛋白资源。目前从植物油料中提油的主要方法是压榨法和浸出法,这些方法虽然出油率高,但设备复杂,更主要的是造成蛋白质变性,使提油后饼粕不能有效利用,蛋白质资源严重浪费,且溶剂浸出后需要脱溶过程,设备多、投资大、污染重。为克服传统制油工艺的弊端,考虑到经济、环境和安全等多方面的因素,水酶法提取植物油技术应运而生[1-6]。

水酶法是一种新兴的提油方法。它以机械和酶解为手段破坏植物细胞壁,使油脂得以释放。该技术处理条件温和,而且可以同时提取油和蛋白质,在水酶法制油过程中,伴随着蛋白质的有限水解,这个过程本身就是对蛋白质的改性过程,必然对大豆蛋白的功能特性,如溶解性、起泡性、乳化性等产生影响,这直接影响到对大豆蛋白的综合利用。因此,研究水酶法提取的大豆蛋白的功能特性十分必要,这对加快水酶法提油技术的工业化应用具有重大意义。

本试验主要比较了不同预处理方式下水酶法大豆蛋白的溶解性、起泡性及乳化性,从而确定一种适宜的水酶法提取大豆油脂及蛋白质的预处理方式,使其可以获得具有较好功能特性的大豆蛋白。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂

市售东北大豆(其中水分10.3%,脂肪20.1%,蛋白质40.3%),Alcalase 2.4 L(诺维信生物技术有限公司,最适温度50～60℃,最适pH值8～10),大豆分离蛋白(哈尔滨高科技集团有限公司),大豆浓缩蛋白(大庆日月星集团有限公司),其余试剂均为实验室常用试剂。

1.2 主要仪器设备

pHS-25型酸度计,上海伟业仪器厂;FA2004B型电子分析天平,梅勒特-托利多仪器(上海)有限公司;G1-21M离心机,上海市离心机械研究所;JJ-1电动搅拌器,江苏金坛市金城国胜实验仪器厂;电热恒温水浴锅DZ W-4,余姚市东方电工仪器厂;半自动定氮仪,上海纤检仪器有限公司;HYP-Ⅱ消化炉Q/ IDYQ,上海纤检仪器有限公司;中草药粉碎机,天津市华鑫仪器厂;KQ-500DV型数控超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;剖分式双螺杆挤压机,东北农业大学工程学院张兆国教授自行研制;XL-30型扫描电子显微镜,荷兰飞利浦公司; IB-3型离子溅射仪,日本日立公司。

1.3 试验方法

1.3.1 水酶法大豆蛋白质的制备

将原料大豆进行清理(去除肉眼可见杂质)后,用中草药粉碎机粉碎90 s备用,取粉碎后的豆粉50 g置于四颈瓶中,加入250 mL蒸馏水,混匀,进行预处理,取出,调整其pH值至适当条件,加入相应量的酶,置恒温水浴锅中反应,不断搅拌,以1 mol/L的NaOH或HCl调整pH值。反应结束后,于90℃水浴锅中加热8 min灭酶,4000 r/min离心20 min。收集水解液,进行喷雾干燥(进口温度175～180℃,出口温度81～84℃),即得水酶法大豆蛋白。

其中预处理方式包括3种:超声波处理(300 W,30℃,15 min)、湿热处理(90℃,15 min)、挤压膨化处理(模孔孔径18 mm,套筒温度90℃,物料含水率14%,螺杆转速100 r/min)。

1.3.2 功能性质的测定方法

样品经处理后,离心,参照GB/T5511-2003分别测定清液和样品中总氮含量,并按下式计算:

1.3.2.2 蛋白质乳化性的测定[7-8]

用 0 .05 mol/L,pH值7.0磷酸钠缓冲液配置1%的蛋白溶液,加入大豆油(0.25 L/L),均质(10000 r/min×10 s)2遍,形成均一的乳化液。

乳化活性(EA I)采用混浊度法测定。均质后,分别在0 min和10 min取1 mL新制备的乳化液,用蒸馏水稀释100倍,然后再取1 mL被稀释的乳化液,用0.1%SDS稀释10倍,在500 nm下测定吸光值。EA I计算公式:

A0为均质后迅速被稀释的乳化液的吸光值。

1.3.2.3 蛋白质起泡性的测定[9]

用0.2 mol/L,pH值7的磷酸缓冲溶液配制1%的蛋白溶液150 mL,在高速组织捣碎机中以12000 r/min搅打30 s,4次。迅速倒入500 mL量筒中,记录泡沫体积,以此表示起泡能力大小。

1.3.3 电镜分析方法

采用扫描电镜观察不同预处理方式对大豆超微结构的影响时,以粉碎并经过预处理的豆粉为原料。观察豆粉微观结构时,将经过预处理的豆粉用戊二醛混合液固定,用磷酸缓冲液漂洗,然后乙醇脱水,用醋酸异戊酯置换乙醇后,用临界点干燥法进行干燥,经离子溅射喷金,置于扫描电镜下观察,拍照。

自1933年美国联邦存款保险公司（FDIC）成立以来，美国问题银行市场化退出机制不断完善。在历史上比较大的金融危机中，美国虽然发生了数百家商业银行出现经营困难甚至倒闭的情况，但是由于存款保险制度发挥了重要作用，很少发生银行挤兑现象。美国在商业银行风险处置方面的做法受到广泛关注。英国参考美国的做法，在2009年颁布了专门针对银行的破产法。金融稳定理事会（FSB）以美国的商业银行风险处置法律制度为蓝本，发布了《金融机构有效处置机制核心要素》，成为金融机构风险处置领域的国际标准。

2 结果与讨论

2.1 预处理方式对水酶法大豆蛋白功能特性的影响

2.1.1 预处理方式对水酶法大豆蛋白溶解性的影响

由图1可知,随着水解时间的延长,水酶法大豆蛋白质溶解性不断提高,原因是蛋白质经过酶解改性后分子质量变小,很多可电离的氨基和羰基随着水解暴露出来,使蛋白质极性基团(,-COO-)的数量增加,多肽链平均分子量降低,引起蛋白质构象发生有利于增加亲水性的变化,从而使蛋白质与水的作用加强。从图1还可以看出,预处理方式对水酶法大豆蛋白质的溶解性有一定的影响,经超声波处理的水酶法大豆蛋白的溶解性明显高于经湿热处理和挤压膨化处理的。原因可能是超声处理产生强有力的空化,搅拌,崩溃作用使可溶蛋白成分分散到溶剂中,从而有利于酶解,提高了蛋白质的溶解性。

图1 预处理方式对水酶法大豆蛋白溶解性的影响

2.1.2 预处理方式对水酶法大豆蛋白乳化性的影响

由图2可知,水酶法大豆蛋白乳化性随水解时间的延长而增加,但当水解到一定程度时,再延长水解时间,乳化性反而下降。这是因为在一定范围内,全脂豆粉受酶作用后,结构发生变化:分子链变短,水溶性增加;很多原来包裹在蛋白质分子中的疏水基团暴露出来,亲油性增强;电荷数量增加,阻止了油滴的相互靠近[10]。因此,总体表现为大豆蛋白质分子易分散于油/水界面,乳化性增强。但是随着大豆蛋白酶解物溶解度的提高,大豆蛋白水解程度提高,水解后的小肽不容易被吸附在油水界面形成的黏膜上,因此进入深度水解后,产物乳化稳定性反而降低。

图2 预处理方式对水酶法大豆蛋白乳化性的影响

由图2可知,预处理方式对水酶法大豆蛋白质乳化性的影响不同,经超声波预处理后的全脂豆粉,在水解2 h时水酶法大豆蛋白的乳化性达到最高,而经湿热处理与挤压膨化处理的全脂豆粉,水解3 h,其水酶法大豆蛋白的乳化性达到最高,且超声波辅助水酶法大豆蛋白的乳化性高于湿热处理辅助水酶法大豆蛋白及挤压膨化辅助水酶法大豆蛋白。

2.1.3 预处理方式对水酶法大豆蛋白起泡性的影响

由图3 可知,水酶法大豆蛋白起泡性随水解时间的延长而增加,水解到一定程度时,再延长水解时间,起泡性反而下降。因为起泡性受表面张力的影响,在酶解初期,由于蛋白质分子中的-NH2、-COOH之间形成的氢键数目增多,形成的薄膜具有足够的黏度和机械强度,使得大豆蛋白的起泡性增加。随着酶解过程的进行,-NH2、-COOH的数目不断增加,电荷数目也随之增加,当增加到一定程度后,气液薄膜强度降低,泡沫易破裂,起泡性也随之降低[11]。

图3 不同预处理方式下水酶法大豆蛋白起泡性随水解时间的变化

由图3可知,预处理方式对水酶法大豆蛋白质起泡性的影响有所不同,经超声波和湿热处理后的全脂豆粉,在水解2 h时水酶法大豆蛋白的起泡性达到最高,而经挤压膨化处理的全脂豆粉,在水解3 h时,其水酶法大豆蛋白的起泡性达到最高,且超声波辅助水酶法大豆蛋白的起泡性高于湿热处理辅助水酶法大豆蛋白及挤压膨化辅助水酶法大豆蛋白。

2.2 超声波辅助水酶法大豆蛋白功能特性研究

2.2.1 超声波辅助水酶法大豆蛋白溶解性研究

由图4知,大豆浓缩蛋白与大豆分离蛋白的溶解度随pH变化较大,其溶解度在等电点区域(pH值4.0～5.0)都很低,偏离这个等电点区域,大豆蛋白的溶解度随之增大。超声波辅助水酶法大豆蛋白,溶解度随pH值的变化减小,和大豆浓缩蛋白相比较,同一pH值下溶解度显著提高。在大豆蛋白等电点区域,其溶解性远远高于大豆浓缩蛋白和大豆分离蛋白。说明超声波辅助水酶法提取油脂的方法能较好地改善大豆蛋白的水溶性,同时也可降低蛋白质NSI对溶液pH值的依赖性。原因是超声处理产生强有力的空化,搅拌,崩溃作用使全脂豆粉中的可溶蛋白成分分散到溶液中,蛋白质经过酶解改性后分子量变小,很多可电离的氨基和羰基随着水解暴露出来[12],它们改变了蛋白质表面的电荷分布,使得等电点偏移,蛋白质在原来的等电点处带上净的正电荷或负电荷,分子中表面亲水性残基的数量远高于疏水性残基的数量,带电的氨基酸残基的静电推斥和水合作用促进了蛋白质的溶解。

图4 大豆蛋白质的NSI-pH曲线(25℃)

2.2.2 超声波辅助水酶法大豆蛋白乳化性研究

由图5可以看出,在试验条件下,大豆蛋白乳化活性受pH的影响,在pH 4.0～5.0等电点区域乳化活性较低,偏离等电区域乳化活性随之增大,同时超声波辅助水酶法大豆蛋白与大豆分离蛋白的乳化活性较接近,而明显优于大豆浓缩蛋白。

图5 大豆蛋白质的乳化性-pH曲线(25℃)

蛋白质的乳化性与其分子的疏水性质有关,同时还受疏水性基团在分子中分布的影响。超声处理使大豆蛋白的三、四级结构被打开,蛋白质链被打断,使疏水基团外露,蛋白质亲水、疏水基团增多,乳化能力增强[13],而且水解作用导致蛋白质分子紧密构象的破坏,进而引起包埋于分子内部的疏水性氨基酸侧链基团暴露,在乳化体系形成过程中易于与脂类结合,有利于形成稳定的乳化体系。

2.2.3 超声波辅助水酶法大豆蛋白起泡性研究

由图6知,大豆蛋白质起泡性在pH 4.0～5.0等电点区域较低,偏离这个等电区域,在等电点左边的pH区域内,起泡性随着pH值的升高而降低;在其右边的pH区域内,起泡性随pH值的升高而升高,说明起泡性与蛋白质溶解性存在相关性。超声波辅助水酶法大豆蛋白与大豆分离蛋白的起泡性接近,高于大豆浓缩蛋白。这是因为起泡性受表面张力的影响,大豆蛋白分子包含疏水性基团和亲水性基团,因而具有表面活性,能降低水的表面张力,在剧烈搅拌时形成泡沫,蛋白质水解后,水解物黏度降低,低表面张力对泡沫的形成比较有利。超声波产生空化效应和机械效应促使蛋白质分子发生解聚,打断蛋白质四级结构,释放出小分子亚基和肽,同时超声波处理还会使更多疏水基团和亲水基团暴露,因此具有更大表面活性,能降低水的表面张力,提高蛋白质起泡性[14]。

图6 大豆蛋白质的起泡性-pH曲线(25℃)

2.3 电镜图片

图7～图10分别为原料豆粉、湿热处理、挤压膨化处理及超声波处理后的豆粉的扫描电镜图片。可以看出,原料豆粉在电镜下呈聚集状态,经湿热处理后,聚集状态有所改变,但颗粒仍较大;经挤压膨化处理后,聚集状态有一定规则,甚至可以看到呈现纤维状聚集。这可能由于在高温、高压条件下,豆粉中的高聚物质发生断裂,产生了聚合度相对低的成分,这些成分发生了有规则的重新聚集;超声波处理改变了物料的状态,由聚集变为分散,并且在原料分子内部产生了“空化”作用,而这种改变不但有利于油脂的提取,更有利于蛋白质功能特性的提高。

图7 全脂豆粉的扫描电镜图片

图8 经湿热处理的豆粉的扫描电镜图片

图9 经挤压膨化处理的豆粉的扫描电镜图片

图10 经超声波处理后的豆粉的扫描电镜图片

3 结论

(1)水酶法大豆蛋白质功能特性受水解时间的影响,其中溶解性随水解时间的延长而增加,而乳化性与起泡性随水解时间的延长先增加后降低。

(2)水酶法大豆蛋白质功能特性受预处理方式的影响,其中超声波辅助水酶法大豆蛋白的功能特性好于湿热处理及挤压膨化辅助水酶法大豆蛋白。

(3)超声波辅助水酶法大豆蛋白的功能特性优于大豆浓缩蛋白,与大豆分离蛋白接近,在等电点(pH值4.0～5.0)附近,其溶解性、乳化性及起泡性均优于大豆浓缩蛋白及大豆分离蛋白。这些特性使得超声波辅助水酶法大豆蛋白更有利于用作食品原料及食品添加剂。

(4)综合电镜图片与试验结果,豆粉经超声波处理后,物料受到空化作用和机械作用,分子内部结构发生改变,而这种改变有利于大豆蛋白质功能特性的提高。

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ABSTRACTIn this paper,soybean was used as raw material.The aqueous enzymatic extraction of soybean oil and protein was carried out by usingAlcalase 2.4 L and the change of function properties of soybean protein from different preliminary treatment aqueous enzymatic extraction in the wake of hydrolysis t ime was studied.Functional properties of soybean protein from ultrasonic pre-irradiation aqueous enzymatic extraction were also evaluated.The study shows that the hydrolysis t ime has certain effect on the functional properties of soybean protein from aqueous enzymatic extraction,and solubility increased with prolonged hydrolysis time,while the emulsification and frothiness increased then decreased when hydrolysis time prolonged.Functional properties of soybean protein from ultrasonic pre-irradiation aqueous enzymatic extraction was better than both the moist heat processing and extrusion pre-irradiation aqueous enzymatic extraction.Ultrasound-assisted aqueous enzymatic functional properties of soy protein is superior to soy protein concentrate,and close to soy protein isolate.Isoelectric point(pH4.0～5.0)near its solubility,emulsibility and frothiness are better than both soy protein concentrate and soy protein isolate.

Key wordsaqueous enzymatic extraction,soybean protein,solubility,emulsibility,frothiness,ultrasonic wave

Studies on Function Properties of Soybean Protein from Aqueous Enzymatic Extraction

Yang Liu1,Jiang Lian-zhou1,2,Li Yang1,LouWei1,Fan Jia-lu1,Gao Shan1
1(NortheastAgriculturalUniversity,Institute of Food,Harbin 150030,China)
2(Soybean Engineering Technology Research Center of China,Harbin 150030,China)

硕士研究生。

2010-01-21,改回日期:2010-03-06