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核桃饼粕蛋白质及其开发利用

2016-07-21金子纯张润光韩军岐马乐杨曦王旭琳张有林

食品与发酵工业 2016年6期
关键词:开发利用

金子纯,张润光,韩军岐,马乐,杨曦,王旭琳,张有林

(陕西师范大学 食品工程与营养科学学院,陕西 西安,710119)



核桃饼粕蛋白质及其开发利用

金子纯,张润光,韩军岐,马乐,杨曦,王旭琳,张有林*

(陕西师范大学 食品工程与营养科学学院,陕西 西安,710119)

摘要核桃饼粕中蛋白质含量很高,其中谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸等对人体有重要保健功能的氨基酸含量丰富。但核桃饼粕常被废弃或作为饲料低价出售,造成资源极大浪费。因此高效提取核桃饼粕蛋白质并广泛应用于工业生产中对核桃资源综合利用具有重要意义。文中重点综述了核桃饼粕蛋白质及其制备纯化方法、功能特性,并讨论了核桃饼粕蛋白质的开发利用。

关键词核桃饼粕蛋白质;制备纯化;功能特性;开发利用

核桃(JuglansregiaL.)又名胡桃、羌桃,原产于亚洲西部[1],是我国重要的经济树种之一。据世界粮农组织(FAO)统计,2014年我国核桃年产量达271万t,超出世界年产量的50%,居世界首位,且预计在未来5~10年内,年产量最高可达500万t[2]。核桃仁中蛋白质含量约为14%~18%[3],可消化率达85%[4],与其他植物蛋白资源相比,核桃仁蛋白质18种氨基酸齐全、8种必需氨基酸含量适中,同时精氨酸和谷氨酸含量也相对较高[5-7],这些成分皆是人体组织细胞代谢不可缺少的重要物质,长期食用可对人体产生良好的保健效果,还可以间接降低冠心病患病风险[8-10]。目前提取食用油脂是核桃仁的主要加工途径,去油后的核桃饼粕仍然保留着果仁的主要营养成分[11],蛋白质含量丰富。但核桃饼粕经简单加工后主要用作肥料或饲料,利用率很低[12],高效提取核桃饼粕蛋白质已成为后续多元功能产品生产中的首要研究任务。目前,针对核桃饼粕蛋白质提取工艺的研究方面少有报道。本文对核桃饼粕蛋白质的制备纯化方法、功能特性及其开发利用等方面的研究进展进行了综合论述。

1核桃饼粕蛋白质

核桃饼粕是核桃仁提取油脂后的产品,由物理压榨法得到的称为“饼”;由浸出法得到的称为“粕”。康俊杰等[12]以核桃饼粕为试材,测得其中蛋白质含量为47.4%。杜蕾蕾等[13]以冷榨核桃饼粕为试材,测定饼粕中蛋白质含量为53.89%。由此可知,核桃饼粕含有50%左右的蛋白质,与大豆饼粕蛋白质含量相当[14]。

以核桃饼粕为原料进行生产时,核桃仁种皮在很大程度上影响了产品的风味与营养价值。因为核桃种皮中单宁含量较高,不仅使得核桃仁略带苦味,还会与蛋白质结合形成沉淀复合物从而降低产品品质,因此最好于榨油前将核桃仁种皮脱去。参照李秀凤[15]的研究可采用NaOH和CaCl2混合碱液浸泡、高压自来水冲洗的方法对核桃仁去皮,即可达到很好的去皮效果,且原料损耗少。此外,高质量原料饼粕的获得还与脱油方式直接相关,压榨法因操作简单、易于控制、可最大程度保留油中天然营养成分、无有机溶剂残留等优点被广泛用于制油工艺。在不增加成本的前提下,可研究以油脂、蛋白质联产为目标的新工艺。沈敏江[16]对传统油脂冷榨工艺进行了优化,可较高程度地达到油脂、蛋白质联产目的,得到的核桃饼粕中蛋白质含量高达55%,残油量仅4%。温凯等[17]研究了不同榨油器械对核桃饼粕质量的影响,结果表明,采用二级联合冷榨技术效果最好,即先使用立筒式液压榨油机压榨,再使用低温冷榨螺旋榨油机进行二次压榨,既保证了核桃油的品质,也为生产高蛋白脱脂核桃粉提供了良好的原料。

按所提产品中蛋白质含量的不同可将核桃饼粕蛋白质的制品分为核桃粉、核桃饼粕浓缩蛋白和核桃饼粕分离蛋白3种。核桃粉蛋白质含量一般低于60%,浓缩蛋白要求质量分数至少高于70%,而分离蛋白则要求在90%以上。SZE-TAO等[6]利用蛋白质分级沉淀法,从核桃粉中分离得到6.8%的清蛋白、17.6%的球蛋白、5.5%的醇溶蛋白和70.1%的谷蛋白,沈敏江[16]利用相同的方法也得到了基本一致的结果,并通过SDS-PAGE分析得出,不同品种间的谷蛋白亚基数量基本一致,均由7个亚基组成,分子质量分别为39.81、37.21、35.09、22.17、20.63、18.60、17.23 kDa。而球蛋白、清蛋白、醇溶蛋白以及聚集体蛋白的亚基数量也基本大同小异。其中,清蛋白和球蛋白的分子质量主要集中在为10 kDa附近,因为清蛋白和球蛋白一般以单体的形式存在。还有少量分子质量在40~70 kDa的条带,则可能与蛋白质聚集体有关。此外,赖氨酸是核桃粉、核桃饼粕浓缩蛋白、分离蛋白、清蛋白、球蛋白、谷蛋白的第一限制氨基酸,而亮氨酸是醇溶蛋白的第一限制性氨基酸。毛晓英[18]利用凝胶色谱测定蛋白质的相对分子质量分布,得出核桃饼粕分离蛋白的分子质量分布相对单一,集中在89.6 kDa左右;浓缩蛋白较为复杂,集中在11~79 kDa。经过SDS-PAGE分析对比分离蛋白、浓缩蛋白以及核桃粉的亚基组成情况,发现它们的分子质量范围在20~110 kDa,包含9个条带,11条多肽链。通过扫描电镜结果显示,三者的微结构存在着明显的差异:核桃饼粕分离蛋白显示出较大且稀松的片层结构,浓缩蛋白显示出较小且紧实的片层结构,而核桃粉除显示出较小的片层结构之外,还夹杂了许多小的脂肪粒子。

2核桃饼粕蛋白质的制备纯化方法

目前,核桃饼粕蛋白质的制备纯化方法主要有稀酸沉淀法、碱溶酸沉法、酶解法、乙醇浸洗法等。其中,稀酸沉淀法操作简便、蛋白质得率高;碱溶酸沉法产品纯度高、质量好;而酶解法在环保和生产安全方面更胜一筹。

2.1稀酸沉淀法

稀酸沉淀法主要用来制备浓缩蛋白,核桃饼粕浓缩蛋白是指经过粉碎、浸提、分离、干燥等加工工艺,去除了核桃饼粕中残留油脂、低分子可溶性非蛋白组分(主要是可溶性糖、灰分、醇溶蛋白和各种气味物质等)后所制得的产品。目前市场上大豆浓缩蛋白制品已屡见不鲜,但是以谷蛋白为主要组分的核桃浓缩蛋白研究却仍处在实验室阶段,因此关于核桃浓缩蛋白制备工艺的研究仅有少量报道。毛晓英等[19]参照大豆浓缩蛋白制备法,以核桃饼粕脱脂粉为原料采用酸沉法提取浓缩蛋白,经过醇洗、过滤、酸化使蛋白质析出,再通过搅拌、离心、沉淀、水洗至中性、冷冻干燥等步骤,得到含量达75%的核桃饼粕浓缩蛋白制品。MAO等[20-21]在25 ℃下将核桃脱脂粉与体积分数95%乙醇溶液搅拌后,过滤得滤渣,分散在去离子水中,经过酸化、搅拌、离心、去离子水清洗沉淀,再用NaOH调pH至中性,最后冷冻干燥得到了蛋白质含量高达75.56%的核桃饼粕浓缩蛋白。

2.2碱溶酸沉法

国内外制备核桃饼粕分离蛋白一般采用碱溶酸沉法,此法所得产品纯度高,且溶解性较浓缩蛋白好,但得率一般低于浓缩蛋白制备法。采用碱溶酸沉法制备分离蛋白一般大致经过如下流程:核桃饼粕→碱溶→酸沉淀→水洗→中和→干燥→得分离蛋白。碱溶酸沉法的原理是利用稀碱溶液首先将蛋白质浸提出来,用离心分离除去饼粕中的不溶性物质,再用稀酸将pH值调至蛋白质等电点,使蛋白质析出、然后离心分离得到初级蛋白,再经过洗涤、中和、干燥等步骤,得到分离蛋白。毛晓英等[19]采用碱溶酸沉法先将核桃脱脂粉蛋白液pH值调至11,然后在提取浓缩蛋白的基础上,进一步成功制备出了纯度达90.5%以上的核桃分离蛋白,制品纯度高、溶解性较好,但风味色泽较其它产品略差。CHEN等[22]以核桃脱脂粉为原料,溶于NaOH溶液,经过搅拌、酸化、离心、水洗至中性、冷冻干燥制得核桃分离蛋白。QIN等[23]以己烷脱脂、干燥后的核桃脱脂粉为原料,按照如下工艺制备核桃分离蛋白:核桃脱脂粉→去离子水浸泡→调节pH值为8.5→静置→离心→酸化→离心→沉淀→去离子水水洗→透析3次。

碱溶酸沉法提取过程较复杂,且不易控制,提取效果受到pH值、料液比、提取温度、提取时间等因素的影响。其中,pH值对提取效果的影响最为显著。其次,碱溶时料液比对提取效果也有较大影响,一定范围内蛋白质溶出率随料液比的提高而增加。最后,提取温度和时间对核桃饼粕分离蛋白提取效果也有一定影响。随着温度上升,蛋白质提取率变化趋势呈现抛物线形。针对以上因素,有研究[19]通过响应面分析给出了最佳优化条件并进行验证,结果表明,在pH 11、料液比1∶26(g∶mL)、提取温度53 ℃、提取时间1.5 h的条件下,蛋白质提取率可达82%。

然而采用碱溶酸沉法所提蛋白制品色泽都较深,严重影响产品外观。为改善核桃饼粕分离蛋白色泽,姜莉等[24]研究发现,在制备过程中添加Na2SO3溶液,可有效提高所得蛋白制品白洁度(盐析)。杜蕾蕾等[13]分别研究了活性炭、高岭土、抗坏血酸、过氧化氢对山核桃分离蛋白脱色效果的影响,结果表明,抗坏血酸和过氧化氢对山核桃分离蛋白的脱色效果不明显,活性炭和高岭土均有较显著的脱色效果,但随着添加剂量增高,蛋白质的损失也逐渐加大。综合考虑脱色效果与减少蛋白损失,3%的高岭土可达到最佳效果。此外,范方宇等[25]研究发现碱溶蛋白时pH值对所提蛋白制品颜色有较大影响,pH 9.0时,蛋白制品呈紫褐色;pH 7.0~8.0时,蛋白颜色较浅,最终确定核桃蛋白提取最佳pH 7.5。

2.3酶解法

利用某些蛋白酶,如胰蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶等对核桃饼粕蛋白质进行酶解处理,进而利用得到的产物继续进行活性分析或者食品生产,目前为止,这已经成为当下核桃饼粕蛋白质一大科研热点。CHEN等[22]在中性蛋白酶、碱性蛋白酶和胃蛋白酶中筛选出合适的酶和酶解条件对核桃饼粕分离蛋白进行处理,得到具有抗氧化活性的多肽。康俊杰等[12]使用中性蛋白酶和植物蛋白酶按照一定比例复配对核桃饼粕直接进行酶解,最终获得抗氧化酶解液,多肽得率高达85.87%。张全才等[26]用复合蛋白酶和风味蛋白酶对核桃饼粕进行酶解、浓缩,最终制得60.3%的核桃饼粕蛋白质,开发出以酥油香味与核桃香味并存的速溶核桃风味酥油茶。

2.4其他方法

除了以上方法之外,研究核桃饼粕蛋白还可使用乙醇浸洗法、膜分离法、离子交换法、等电沉淀法等新型方法。乙醇浸洗法即使用一定浓度的乙醇溶液浸洗核桃脱脂饼粕,使其变性,失去可溶性,再通过脱溶、干燥除去其中的醇溶性成分和水溶性糖类物质,从而提高蛋白质的含量。此方法可用于制备核桃饼粕浓缩蛋白,但是缺点在于此法会降低蛋白质的溶解性,不利于后续加工。膜分离法是指采用RO(反渗透)膜分离低分子蛋白的方法,具有耗能低、操作简单、无相变、分离效果好等优点,提取蛋白质消化率较高,商业价值显著。离子交换法原理基本与碱溶酸沉法相同,但离子交换法是通过离子交换调节溶液pH值,从而使蛋白质溶出、沉淀,但此法生产周期较其他几种方法长。目前这2种方法均存在一定缺陷,有待进一步研究。

3核桃饼粕蛋白质的功能特性及其影响因素

3.1溶解性

蛋白质的溶解度即在一定条件下离心后,上清液中蛋白质含量与样品中总蛋白含量之比,它是评价蛋白质质量的重要参数,还会影响蛋白质的其他功能特性。由于核桃种皮中酚类和单宁类物质的存在,核桃仁蛋白质本身的溶解性较差,因此,去皮后制成核桃蛋白粉、核桃饼粕浓缩蛋白和分离蛋白,其溶解性有很大提高[18,27],促进了核桃饼粕在饮料生产中的应用。此外,核桃饼粕蛋白质的溶解性还受到诸如pH值、电解质等的影响。在一定范围内,溶解度与pH的关系呈U形曲线关系,在pH 5.0左右时,即核桃饼粕蛋白质的等电点处溶解性最差。在盐浓度为0.1~1 mol/L时,核桃饼粕蛋白的溶解性随着盐浓度增加而提高,相对于核桃饼粕浓缩蛋白和分离蛋白,核桃蛋白粉的增长趋势较平缓[20]。

3.2乳化性及乳化稳定性

核桃饼粕蛋白质具有较强的乳化稳定性,它的乳化性与溶解性呈现一定的正相关性,良好的乳化能力有助于其在乳状液类型产品方面的开发。核桃蛋白粉、核桃饼粕浓缩蛋白和分离蛋白的乳化性及乳化稳定性同时受到pH和盐浓度的影响[20-21]。蛋白质处于等电点附近时,其溶解性、乳化性及乳化稳定性最低,而在酸、碱性条件下均有明显提高。在NaCl浓度位于0~0.4 mol/L时,蛋白质乳化性及乳化稳定性随着浓度增大而升高;而浓度在0.4~1 mol/L时,两者随着浓度增大而降低。这是因为盐离子通过静电屏蔽减小了静电斥力,而高浓度电解质改变水分子的组织结构,同时也改变了非极性基团间疏水作用力的强度。此外,核桃饼粕蛋白质的乳化性及乳化稳定性还到受蛋白质浓度和外界温度的影响[28]。

3.3起泡性及泡沫稳定性

蛋白质的起泡性是指将其振荡和搅拌后起泡的能力,泡沫稳定性是产生的泡沫稳定存在的能力,两者在泡沫型产品的后续加工中有着重要的作用,它们受到pH值、盐浓度、蔗糖等因素的影响[21,29]。在等电点附近,核桃饼粕蛋白质的起泡性及泡沫稳定性达到最小值,当pH值增大或减小时,两者均有不同幅度的增加。在NaCl浓度达到0.6 mol/L时,核桃饼粕蛋白质的起泡性及泡沫稳定性达到最大值;而增大或减小NaCl浓度时,两者均有所下降。蔗糖是蛋白质后续加工中常见的辅料,其浓度越大,蛋白质的起泡性及泡沫稳定性越小。

3.4吸油性和吸水性

蛋白质的吸油性体现了蛋白质与脂肪的结合能力,有利于其在肉制品加工中的应用。吸油性良好的蛋白质作为肉制品添加剂或填充剂,可有助于风味保留,改善口感[30]。根据MAO等[20]的研究,核桃饼粕分离蛋白和浓缩蛋白均具有良好的吸油性,随着温度的升高,吸油性的变化趋势先降低再升高。

在肉制品和烘焙食品加工中,蛋白质良好的吸水性有利于改善产品质量。核桃蛋白粉的吸水性强于核桃饼粕分离蛋白和浓缩蛋白,在一定范围内,核桃饼粕蛋白质的吸水性随着pH值的增大先减小再增加,随着NaCl浓度增大先增加再减小[21]。

3.5黏度

蛋白质的黏度是指蛋白质溶液在流动时,分子间产生内摩擦的性质,大小用黏度来表示,是一个在调整食品特性方面的重要参考指标,不仅可以稳定食品成分,还可以改善口感。核桃饼粕蛋白质的黏度主要受温度的影响,随温度的升高先升高后降低,这是由于温度升高带动分子热运动剧烈从而引起黏滞[29]。

4核桃饼粕蛋白质的开发利用

4.1在医药方面的应用

近年来,核桃饼粕蛋白质因其产品具有抗氧化、抗心血管疾病、抗肥胖、抗糖尿病等多种生理功能[31-33],作为生产核桃多肽的原料,被广泛应用于医药研究方面。经研究发现,蛋白质经消化道酶促水解成活性肽,从而可以更快速地被吸收利用,由于它具有多种药用功能,可用于筛选药物,制备疫苗[34]。目前市面上有关生物活性肽的产品已屡见不鲜,但制备大多以豆类为原料,核桃饼粕作为高蛋白源,却极少应用于实际生产。GU等[35]以蛋白质含量为46.14%的核桃脱脂粉为原料,通过胰蛋白酶酶解,发现水解产物具有高抗氧化功能,可以清除小鼠肿瘤细胞中的活性氧。WANG等[36]采用超滤作用结合柱层析法以及高效液相色谱法,从核桃蛋白水解产物中制得一种具有抗血管紧张素转化酶作用的新型肽——P-1al,可用于降低血压。WU等[7]采用黑曲霉固态发酵法从核桃粕中制备天然抗氧化肽,通过多项抗氧化指标得出一种安全性高、条件温和并且适用于大规模生产核桃多肽的制备方法。宗玉霞[37]通过阴阳离子混合床脱盐法和生物膜过滤制备出核桃多肽营养液,具有较高的抗氧化活性。

纵观国内外,核桃多肽的制备研究都还限于初级探索阶段,针对其生理活性、分子结构等方面也没有较为深入的研究。因此全面研究核桃多肽的制备方法和生理功能,并开发相应的产品,无论是对提高核桃饼粕蛋白的药用价值,还是对丰富保健品来源,都具有重要的现实意义。

4.2在食品方面的应用

核桃饼粕蛋白质可作为原料用来生产高蛋白核桃粉、核桃多肽酒、核桃蛋白酱、核桃酱油等产品,也可作为食品添加剂,被广泛应用于食品工业中。它具有药食同源性,可以改善食品原有品质。

现今关于核桃粉的制备方法已经较为成熟,以冷榨核桃饼粕为原料,可按照如下流程[18]生产出高蛋白脱脂核桃粉:核桃饼粕→破碎→磨浆→过滤→配料→胶体磨细化→杀菌→浓缩→均质→喷雾干燥→高蛋白脱脂核桃粉。以新疆优质山核桃脱脂粕为原料,可通过如下流程[38]生产出符合国家标准的高蛋白营养核桃粉:脱脂核桃粕→粉碎→乳化剂、稳定剂加水调配→均质→喷雾干燥→成品。这2种工艺生产出的核桃蛋白粉不仅在溶解性、蛋白质含量、外观色泽等方面优于市场同类产品,而且感官品质也较为优良。郝剑等[11]研制出以核桃饼粕为原料的微胶囊速溶核桃粉的加工技术,可以有效防止油脂氧化,延长货架期。LABUCKAS等[27]优化了螺旋榨油机温度与螺杆转速的条件,改善了脱脂核桃粉中蛋白质的溶解度和持水性。

姜莉等[39]以核桃饼粕为原料,经过酶解、发酵、过滤、灭菌等过程,制备出口感良好的核桃多肽酒。AYO等[40]和COFRADES等[41]研究认为,将核桃饼粕蛋白质作为天然蛋白成分填充到肉制品中,可显著提高肉制品的蛋白质含量以及吸水性、吸油性。JIMÉNEZ等[42]在牛排中添加核桃蛋白质,改善了肉质的生化和感官特点。蔺立杰[43]利用核桃饼粕和麸皮为原料,优化了制曲工艺和发酵工艺成功生产出具有特色风味的核桃酱油,且具有较强的抗氧化作用和ACE(血管紧张素转化酶)抑制活性。

4.3在其他方面的应用

核桃饼粕蛋白质营养价值高,作为绿色的有机肥料,不仅可以为作物提供养料、提高抗性,还能改良土质现状,保持土壤温度,有助于提高其肥沃度。而作为高蛋白饲料,核桃饼粕蛋白质干物质和粗纤维含量均高于其他同类饲料,且富含多种维生素及微量元素,适用于各种畜禽。

5讨论与展望

我国作为核桃栽培大国,每年榨油所产生的核桃粕数量极为庞大,提取核桃饼粕蛋白资源供后续加工利用是利用核桃资源的一条重要途径。目前关于核桃饼粕蛋白质的综合利用方面仅有少量研究,有关核桃饼粕深加工技术也只是停留在实验室研究阶段,未能应用于实际生产。

如今在核桃饼粕蛋白质提取方面,大多参照大豆饼粕蛋白质提取方法,但以谷蛋白为主要组分的核桃蛋白与以球蛋白为主要组分的大豆蛋白性质不同,因此提取方法也不能照搬大豆蛋白的提取方法。此外,酸沉法制备核桃浓缩蛋白具有操作简便、易于控制、得率高等优点,具有广阔前景,经工艺优化后制品蛋白质含量理论上可达80%左右,高于70%的普通标准,但目前仍未形成标准化的工艺流程。而核桃分离蛋白制备法因制品纯度高而得到广泛研究,但是传统的碱溶酸沉法存在蛋白得率低、影响因素多、过程不易控制、制品色泽较深等问题,难以获得最佳的提取工艺。因此,笔者认为进一步研究应集中在以下几方面:(1)在传统碱溶酸沉法的基础上,以当前已有的优化方法作为参照,继续探索变性程度小、得率高的制备方法;(2)探究不同来源的核桃饼粕及不同蛋白质提取工艺对蛋白制品功能特性的影响;(3)推广高纯度核桃蛋白制品在医药、食品工业上的应用。

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Development and utilization of walnut meal protein

JIN Zi-chun, ZHANG Run-guang, HAN Jun-qi, MA Le, YANG Xi,WANG Xu-lin, ZHANG You-lin*

(College of Food Engineering and Nutritional Science of Shaanxi NormalUniversity, Xi′an 710119, China)

ABSTRACTAs an excellent resource of proteins, walnut meal protein contains abundant glutamic acid, aspartic acid and arginine. They play an important role in human health care. However, it is often discharged or sold at a very low price, which wastes a lot of good protein resource. Therefore, high efficient extracting walnut meal protein and widely applying in the food industry has a great significance on utilization of the material. The preparation technique and functional characteristics of walnut meal protein were introduced in detail. Moreover, the recent development and utilization were also summarized.

Key wordswalnut meal protein; preparation and purification; functional characteristics; development and utilization

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201606046

基金项目:西安市现代农业创新计划项目(NC1317.3,NC1405.2)

收稿日期:2015-10-08,改回日期:2015-12-12

第一作者:硕士研究生(张有林教授为通讯作者,E-mail:youlinzh@snnu.edu.cn)。

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