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酶法提取米糠蛋白工艺的研究

2015-04-12蔡腾龙占剑峰

中国酿造 2015年8期
关键词:米糠酶法液料

蔡腾龙,占剑峰,2*

(1.黄冈师范学院 生命科学学院,湖北 黄冈 438000;2.黄冈师范学院 大别山特色资源开发湖北省协同创新中心,湖北 黄冈 438000)

米糠是稻谷加工的副产品,其质量占稻谷粒质量的5.0%~5.5%。我国拥有丰富的米糠资源,米糠的年产量超过1 000万t,是一种量大面广的可再生资源[1]。而在米糠中,蛋白质的含量可达到18%。米糠蛋白营养价值高且是已知的过敏性较低的蛋白质之一,它的必需氨基酸的种类齐全,特别是赖氨酸含量更接近联合国粮农组织/世界卫生组织(food and agriculture organization/world health organization,FAO/WHO)推荐模式[2-3],补偿了谷物蛋白中赖氨酸不足的缺陷,大大提高了米糠蛋白的营养价值,使其成为可以与动物蛋白相媲美的优质植物蛋白质[4-5]。在食品中,米糠蛋白可以应用于功能性食品、婴儿配方食品[6,11]、食品添加剂[7]、可食性膜[8-10]、生产替代谷氨酸钠风味肽、蛋白饮料保健食品、营养强化剂、功能性多肽等。因此,优化米糠蛋白的提取工艺,具有重要现实意义[11]。

由于米糠中蛋白质的溶解性较差,在提取和分离纯化时难度较大,造成提取率及纯度皆不高。提取米糠蛋白的主要方法有碱法、物理法和酶法[12]。碱法提取米糠蛋白时,强碱会引起蛋白中赖氨酸的损失,还会产生一些有害的副产物如赖氨酰丙氨酸,这会损害其营养价值[13]。另外,碱液造成蛋白质变性和水解;增加美拉德反应的程度使蛋白质的颜色变黑[14-15],造成蛋白质商用品质降低。而物理方法提取蛋白质提取率比较低[16]。酶法提取米糠中的蛋白质具有提取时间短、反应条件温和、不易产生有害物质和能更多保留蛋白质的营养价值等优点。本研究以蛋白提取率为依据,采用响应面分析法对酶法提取米糠蛋白工艺进行研究,考察酶解时间、酶解温度、pH值和液料比对米糠蛋白提取率的影响,旨在为酶法提取米糠蛋白的最佳工艺确定提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

米糠:市售;纤维素酶(10 000 U/g)、复合蛋白酶(100 000 U/g):天津众信生物科技有限公司;磷酸氢二钠、柠檬酸、乙醇、磷酸、浓硫酸、盐酸、无水硫酸铜、硫酸钾、硼酸均为分析纯:国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

PB2002-10型电子天平:上海民桥精密科学仪器有限公司;HHS型电热恒温水浴锅、GZX-9240 MBE型电热恒温鼓风干燥箱:上海博迅实业有限公司医疗设备厂;722s型可见分光光度计:上海棱光技术有限公司;SC-2546型低速离心机:安徽中科中佳科学仪器有限公司;Kjeltec8400型凯氏定氮仪:丹麦FOSS;KL-009ATC型pH计:上海比郎仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取工艺流程

米糠→pH值为5.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液缓冲液中溶解→添加纤维素酶和复合蛋白酶(添加量各为2%)→保温(50 ℃,2.5 h)→灭酶(100 ℃10 min)→4 000 r/min离心15 min →取上清液→测定→干燥→米糠蛋白

1.3.2 蛋白质含量的测定

凯氏定氮法测米糠粗蛋白参考GB/T 5511—2008《谷物和豆类 氮含量测定和粗蛋白含量计算 凯氏法》[17]。

1.3.3 提取条件优化单因素试验

(1)液料比对蛋白质提取率的影响

提取时间2.5 h,提取温度50 ℃,pH值为5.0时,考察不同液料比(mL∶g)(8∶1、9∶1、10∶1、11∶1、12∶1)对蛋白质提取率的影响。

(2)pH值对蛋白质提取率的影响

提取时间2.5 h,提取温度50 ℃,液料比10∶1(mL∶g)时,考察不同pH值(4.6、4.8、5.0、5.2、5.4)对蛋白质提取率的影响。

(3)提取时间对蛋白质提取率的影响

在液料比10∶1(mL∶g),提取温度50 ℃,pH值为5.0时,考察不同提取时间(1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h、3.5 h)对蛋白质提取率的影响。

(4)提取温度对蛋白质提取率的影响

在提取时间2.5 h,液料比10∶1(mL∶g),pH值为5.0时,考察不同提取温度(40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃)对蛋白质提取率的影响。

1.3.4 提取条件优化响应面试验

在单因素试验结果的基础上,利用Design Expert 软件,采用中心组合试验Box-Behnken设计方案,以酶解温度、酶解时间、pH值和液料比为响应因子,以米糠蛋白提取率为响应值,进行4因素3水平试验,试验设计因素和水平见表1。

表1 蛋白提取工艺优化响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface analysis for protein extraction process optimization

2 结果与分析

2.1 提取条件对蛋白质提取率的影响

2.1.1 液料比对蛋白质提取率的影响

图1 液料比对米糠蛋白质提取率的影响Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on extraction rate of rice bran protein

由图1可知,随着液料比的升高,米糠蛋白提取率有不同程度的增加,当液料比增加至10∶1(mL∶g)后,蛋白提取率开始下降,由于液料比超过10∶1(mL∶g)后,米糠颗粒与液体的接触达到了饱和状态,再增加液料比,也不会提高米糠蛋白的溶出,反而由于液料比过大,为后续离心、浓缩和过滤过程带来困难,降低了米糠蛋白的提取率,因此确定液料比为10∶1(mL∶g)。

2.1.2 pH值对蛋白质提取率的影响

由图2可知,当pH值<5.0时,米糠蛋白质的提取率呈递增趋势,这是因为pH值对水分子的作用表现为吸引力,所以米糠蛋白能被不断提取出来;当pH值>5.0后,其对水分子的作用表现为排斥力,米糠蛋白会随着排斥力的增加而逐渐脱离水分子,故其提取率呈下降趋势。所以,最终确定pH值为5.0。

图2 p H值对米糠蛋白质提取率的影响Fig.2 Effect of pH on extraction rate of rice bran protein

2.1.3 酶解时间对蛋白质提取率的影响

由图3可知,酶解时间<2.5 h时,米糠蛋白的提取率呈递增趋势,这是因为随着时间的增加,米糠蛋白能够被不断浸提出。当酶解时间>2.5 h后,随着提取时间的延长,使得米糠与缓冲液呈黏稠状,并蒸发一部分含有米糠蛋白的液体,同时也为后续离心造成困难,其提取率逐渐降低。因此,选择酶解时间为2.5 h最为适宜。

图3 酶解时间对米糠蛋白质提取率的影响Fig.3 Effect of hydrolysis time on extraction rate of rice bran protein

2.1.4 酶解温度对蛋白质提取率的影响

图4 酶解温度对米糠蛋白质提取率的影响Fig.4 Effect of temperature on extraction rate of rice bran protein hydrolysis

由图4可知,在50 ℃时蛋白提取率较高,但温度>50 ℃时蛋白提取率明显下降,这是由于温度过高引起的部分纤维素酶失活,酶解效果减弱且当温度超过50 ℃时,淀粉开始糊化,阻碍了米糠蛋白的提取,所以提取率开始下降。因此,选择50 ℃的酶解温度最为适宜。

2.2 响应面试验结果与分析

以酶活力为响应值Y,通过Design-Expert 软件对试验结果进行响应曲面分析,结果见表2,方差分析见表3。

采用Design Expert统计软件对模型以及回归方程进行显著性检验。由表3可知,4个因素对米糠蛋白的提取率的影响的重要性次序依次为:液料比>pH值>酶解时间>酶解温度。通过软件对表2中的数据进行二次多元回归拟合,得到米糠蛋白提取率对A、B、C和D的二次多项回归方程为:

表2 蛋白提取工艺优化响应面试验结果与分析Table 2 Results and analysis of response surface analysis for protein extraction process optimization

表3 响应面试验结果方差分析Table 3 Variance analysis of response surface methodology

根据试验结果进行方差分析,从表3可以看出,大米蛋白的提取率回归模型的F值为31.96,P<0.01,达到极其显著水平;而失拟项的F值为5.25,P值为0.062 2>0.05,影响不显著,说明该模型拟合结果良好。一次项A、C,交互项AB、BC和二次项A2、B2、C2、D2的影响都是极显著的,一次项B、D和交互项CD对结果影响显著,交互项AC、AD、BD影响不显著。方程的决定系数R2=0.919 3,这表明用上述回归方程描述各因素与响应值之间的关系时,其因变量和全体自变量之间的关系显著。对交互作用显著的因素进行分析,得到响应面及等高线图见图5。

图5 酶解时间、酶解温度、pH值和液料比对米糠蛋白提取率影响的响应曲面图和等高线图Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of reaction time,pH,temperature and liquid-solid ratio on rice bran protein extraction rate

采用响应面分析可知,酶法提取米糠蛋白的最佳工艺条件为液料比10.23,pH值5.06,酶解温度48.80 ℃,酶解时间2.40 h。在此条件下得到米糠蛋白质的提取率为39.69%。

2.3 验证试验

为了检验响应曲面法所得结果的可靠性,采用上述优化的测定条件进行酶法提取米糠蛋白的试验,考虑到实际的操作情况,将测定的条件修正为液料比10∶1(mL∶g),pH值5.0,酶解温度50 ℃,酶解时间2.5 h。在此条件下测试3次,得到米糠蛋白质的平均提取率为39.54%,实际值与理论值的相近,可见该模型可以很好地反映各因素对米糠蛋白质的提取率的影响,同时也证明了用该方法研究米糠蛋白质的提取率的可行性。

3 结论

通过酶法提取米糠中的蛋白质,在纤维素酶及复合蛋白酶添加量均为2%条件下,通过对液料比,pH值,酶解温度,酶解时间进行单因素试验,同时利用Design Expert软件进行试验设计。采用Box-Benhnken中心组合试验设计和响应面分析法,得到酶法提取米糠蛋白的最佳工艺参数为:液料比10∶1(g∶mL),pH值5.0,酶解温度50 ℃,酶解时间2.5 h。在此条件下得到米糠蛋白质的提取率为39.54%。本试验工艺流程酶法提取米糠蛋白温度低;反应时间短;对米糠蛋白变性、水解、营养的影响小;能更好地保存其营养价值;此外,酶法提取米糠蛋白产生的废液少,能降低工业化生产的成本,同具有较好的前景。

[1]李 翔.中国和日本米糠的利用比较[J].粮食储藏,2004(2):48-52.

[2]顾 镍.小米糠蛋白的酶法提取及性质研究[D].南京:南京农业大学硕士论文,2013.

[3]何 斌,陈 功,徐 弛.酶法提取米糠蛋白的研究[J].四川食品与发酵,2006,42(133):16-18.

[4]李新华,富艳鑫,郑煜焱.米糠蛋白提取工艺条件的优化[J].食品科学,2010,31(22):251-254.

[5]陈正行,姚惠源,周素梅.米蛋白和米糠蛋白开发利用[J].粮食与油脂,2002(4):6-9.

[6]温焕斌,曹晓虹,李翠娟,等.米糠蛋白提取工艺优化及其特性研究[J].扬州大学学报:农业与生命科学版,2010,31(2):73-77.

[7]周凤超,王藤宇,关海宁,等.米糠蛋白的提取及应用现状[J].粮食工程·技术,2010(1):55-57.

[8]DEBIAN A P,DEBIAN A O,JON D H,et al.Rice bran protein based edible films[J].Int J Food Sci Technol,2008,3(3):476-483.

[9]SHIN Y J,JAN S A,SONG K B.Preparation and mechanical properties of rice bran protein composite films containing gelatin or red algae[J].Food Sci Biotechnol,2011,20(3):703-707.

[10]SHIN Y J,SONG Y J,SONG K B.Effect of a combined treatment of rice bran protein film packaging with aqueous chlorine dioxide washing and ultraviolet-C irradiation on the post harvest quality of‘Go ha’strawberries[J].J Food Eng,2012,113(3):374-379.

[11]白 莉,杨忠亮,接伟光.米糠蛋白提取工艺优化及分离纯化[J].粮食与油脂,2010,35(5):173-176.

[12]冯 光.米糠蛋白的研究现状与展望[J].食品安全质量检测学报,2013,4(3):864-867.

[13]王腾宇,周凤超,李红玲,等.米糠蛋白的提取及其功能性质研究[J].粮油加工,2010(11):45-48.

[14]程艳波,周鸿翔,胡德珍,等.火麻仁蛋白水酶法制备工艺研究[J].中国酿造,2011,30(10):97-100.

[15]陈季旺,姚惠源,张小勇,等.米糠可溶性蛋白的提取工艺和特性研究[J].中国油脂,2003,28(2):46-50.

[16]陈义勇,王 伟,沈宗根,等.米糠可溶性蛋白提取工艺中各因素影响的研究[J].现代食品科技,2006,22(2):64-67.

[17]全国粮油标准化技术委员会.GB/T 5511—2008 谷物和豆类氮含量测定和粗蛋白质含量计算凯氏法[S].北京:中国标准出版社,2008.

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