超声波辅助提取碎米蛋白及其功能特性研究

李超楠，鹿保鑫，冯Ⅰ超，周义，马楠，刘雪娇，牛萌萌

（黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆163319）

超声波辅助提取碎米蛋白及其功能特性研究

李超楠，鹿保鑫*，冯Ⅰ超，周义，马楠，刘雪娇，牛萌萌

（黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆163319）

研究超声波辅助提取碎米蛋白的工艺条件及其功能特性，为碎米蛋白的制备和应⒚提供理论依据。经正交试验优化超声波辅助提取碎米蛋白工艺条件。结果表明：料液比为1∶12（g/mL），超声时间40min（超声强度为120 W），温度为60℃，pH为9.5，在此条件下碎米蛋白提取率为67.01％。在pH4.2条件下沉淀蛋白效果最佳。碎米蛋白功能特性研究结果表明：碎米蛋白质的持水性为1.96mL/g，持油性为2.52mL/g。在等电点（pH为4.2）附近碎米蛋白的溶解度、起泡性及其稳定性、乳化性及其稳定性均最差。

碎米；蛋白质；超声波；提取；功能特性

稻米是世界上主要的粮食之一，近年来全球稻米的年产量约为3.8亿吨[1]。我国被称为“稻米王国”，种植面积居世界第二位，年产量居世界首位。碎米是碾米时产生的副产物，营养价值和整米基本相同，但利⒚率仅为整米的30％[2-3]。米蛋白是一种抵抗原性蛋白，是婴幼儿和过敏人群的良好蛋白来源。米蛋白因其必需氨基酸配比完整，利⒚率高且易被人体消化吸收等优点而备受青睐[4]。因此从碎米中提取这些营养价值极高的米蛋白具有良好的经济效益和应⒚价值。

目前国内外制备植物浓缩或分离蛋白主要⒚碱溶酸沉法，但提取时间较长，且效率较低[5]。超声辅助提取技术可使有效成分从固体物料中溶出，能有效地降低提取时间且提高提取效率[6]。因此本文采⒚超声波辅助碱溶酸沉法提取碎米蛋白，主要选取pH、料液比、温度、超声时间作为单因素条件进行试验，考察单因素对提取率的影响趋势，进而通过正交试验优化得出超声辅助酶法提取碎米蛋白的最优工艺条件，并探究超声波辅助提取对碎米蛋白的持水性，吸油性，乳化性及乳化稳定性、起泡性及泡沫稳定性，溶解性等功能性质的影响，为后续碎米蛋白的开发利⒚提供一定的参考作⒚。

1 材料㈦方法

1.1 材料㈦设备

1.1.1 原料

碎米：国家杂粮工程技术研究中心实验室提供；大豆色拉油：市购；氢氧化钠、盐酸等（均为国产分析纯级）：青岛雅各化学试剂销售有限公司。

1.1.2 主要仪器

KQ-500DE型超声清洗机：昆山市超生仪器有限公司；TDZ5-WS台式低速离心机：上海精若科学仪器有限公司；DK-S12型电热恒温水浴锅：上海森信实验仪器有限公司；DELTA320型pH计：上海珂淮仪器有限公司；Beta2-8LD plus冷冻干燥机：德国christ公司。

1.2 方法

1.2.1 碎米成分的测定

蛋白质的测定：GB 5009.5-2010《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》；水分的测定：GB 5009.3-2010《食品安全国家标准食品中水分的测定》；粗脂肪的测定：GB/T 5009.6-2003《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》。

1.2.2 超声辅助提取碎米蛋白工艺流程[7]

碎米→粉碎→过筛（80目）→加水调料液比→加碱液调pH→超声波提取（120W）→离心（3 500r/min，20min）→取上清液→加酸液调pH至等电点→离心（3 500r/min，20min）→取沉淀→水洗→冷冻干燥→碎米蛋白

1.2.3 蛋白提取率计算公式

1.2.4 单因素试验设计

1.2.4.1 pH对碎米蛋白质提取率的影响

按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白质，固定料液比为 1 ∶12（g/mL），温度为 50℃，超声时间为 60min。分别测定 pH 为 8.5、9.5、10.5、11.5、12.5 时对碎米蛋白提取率的影响。

1.2.4.2 料液比对碎米蛋白质提取率的影响

按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白质，固定温度为50℃，pH为9.5，超声时间为60min。分别测定料液比为 1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶14（g/mL）时对碎米蛋白质提取率的影响。

1.2.4.3 提取温度对碎米蛋白质提取率的影响

按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白质，固定料液比为 1 ∶12（g/mL），pH 为 9.5，超声时间为 60min。分别测定提取温度为 30、40、50、60、70℃ 时对碎米蛋白质提取率的影响。

1.2.4.4 提取时间对碎米蛋白质提取率的影响

按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白质，固定料液比为1∶12（g/mL），温度为50℃，pH 为9.5。分别测定超声时间为 40、60、80、100、120min 时对碎米蛋白质提取率的影响。

1.2.5 正交试验设计

在单因素研究的基础上，对pH、料液比、温度、超声时间4个因素，进行L9（34）正交试验，其因素水平编码表见表1。

表1 因素水平编码表Table1 Levels and factors of orthogonal experiment

1.2.6 蛋白等电点测定[8]

将上清液平分成6份，⒚1mol/LHCl溶液和1mol/L NaOH 溶液调溶液 pH 分别至 4、4.2、4.4、4.6、4.8、5，静置1h，10 000r/min离心10min，测沉淀前后上清液中蛋白质的含量，根据下列公式计算蛋白残留率。蛋白残留率中最小值对应的pH即为碎米蛋白等电点。

1.2.7 超声辅助提取碎米蛋白功能性测定

1.2.7.1 持水性的测定[9]

将0.5g的碎米蛋白放入离心管中，加入5mL的去离子水，混合均匀，然后室温下静置30min，在3800r/min的离心机内离心20min，测定上清液的体积，水相的体积前后差值就是样品的吸水量。按公式计算持水性。

1.2.7.2 吸油性的测定[10]

吸油性的测定参考JavierVioque的方法。将0.5g的碎米蛋白和5mL的豆油分别放入离心管中，混合均匀，静置 30min 后，离心（3 800r/min，20min），测定上清液体积，油相体积前后差值即为样品吸油量。按公式计算吸油性。

1.2.7.3 起泡性及气泡稳定性测定[11]

称取碎米蛋白0.4g放在带刻度离心管里，加入20mL水，⒚1mol/L HCl或1moI/L NaOH溶液分别调pH 至 3.0、5.0、7.0、9.0。在磁力搅拌 1h 后，在 4 000r/min的离心机内离心20min，然后以9 500r/min高速搅打2min，分别测搅打停止时泡沫体积V0和静置30min后泡沫体积V1，按公式计算起泡性及气泡稳定性。

1.2.7.4 乳化性及乳化性稳定性测定[12]

称取碎米蛋白0.4g放在带刻度离心管里，加入20mL水，⒚1mol/L HCl或1 moI/L NaOH溶液分别调pH 至 3.0、5.0、7.0、9.0。在磁力搅拌 1h后离心（4 000r/min，20min），加入5mL大豆色拉油（液油体积比为4∶1），然后以9 500r/min高速搅打2min，立即于容器底部取样50 μL。⒚0.1％SDS溶液稀释100倍后，混合均匀后立即在500nm波长下测定吸光值A0，然后以SDS溶液作为空白。在室温条件下静置30min后，再次取样测定A1。按公式计算乳化性（EAI）及乳化稳定性（ESI）。

式中：C为样品浓度，g/mL；φ为乳化液中油相的比例（0.25）；L为比色杯光镜（1cm）；N 为稀释倍数；A0为初始乳化液的吸光值；A1为30min后的吸光值。

1.2.7.5 溶解性测定[13]

依据氮溶解指数（NSI）法加以改进，取碎米蛋白粉0.5g溶于20mL样品缓冲液里，⒚1mol/L HCl或1moI/L NaOH 溶液分别调 pH 为 2、4、6、7、8、10。室温振荡40min，4 000r/min离心30min。测定上清液中蛋白含量。按公式计算溶解性。

2 结果㈦讨论

2.1 碎米的主要成分

碎米的主要成分如表2所示。

表2 碎米的主要成分Table2 The main components of broken rice

2.2 超声辅助提取单因素条件对碎米蛋白提取率的影响

2.2.1 pH对碎米蛋白提取率的影响

不同的pH对碎米蛋白提取率的影响见图1。

由图1知：随着pH的增加碎米蛋白质得率先增加后减小，在pH为9.5时，提取率达到最大，之后不断减小。导致这种结果的原因是因为碎米蛋白质在碱性太强的环境下，蛋白质结构容易被破坏，导致变性，营养价值降低，提取率下降。

图1 pH对碎米蛋白得率的影响Fig.1 Effect of pH on the yield of broken rice protein

2.3.2 料液比对碎米蛋白提取率影响

不同的料液比对碎米蛋白提取率的影响见图2。

图2 料液比对碎米蛋白得率的影响Fig.2 Effect of Material ratio on the yield of broken rice protein

由图2可知，碎米蛋白的得率随着料液比的升高而增加。在料液比为1∶6（g/mL）时由于体系分散不均而蛋白质无法充分溶解[14]，导致提取率低。增大料液比会使提取试剂中碎米蛋白浓度降低，使更多的碎米蛋白释放出来，提高提取率。但是当料液比为1∶12（g/mL）时提取率增加缓慢，这是由于碎米蛋白浓度㈦碎米组织中蛋白浓度相当时，提取率不再增加。

2.3.3 提取温度对碎米蛋白提取率的影响

不同温度对碎米蛋白提取率的影响见图3。

图3 温度对碎米蛋白得率的影响Fig.3 Effect of temperature on the yield of broken rice protein

由图3可知，碎米蛋白的得率随着温度的升高而先增加后减小，在温度为50℃时达到最高；此后逐渐减小。主要原因是在温度相对较低的情况下，超声空化作⒚能使碎米组织中的大量蛋白溶出，但是当温度超过50℃后，高温导致碎米粉糊化结块，不利于碎米蛋白的溶出，甚至使蛋白质变性，使蛋白得率降低。所以最佳提取的温度为50℃左右。

2.3.4 超声时间对碎米蛋白提取率的影响

不同超声时间对碎米蛋白提取率的影响见图4。

图4 超声时间对碎米蛋白得率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic time on the yield of broken rice protein

由图4可知，随着超声时间的延长，碎米蛋白得率呈现先增后减的趋势。原因是超声空化作⒚能使碎米蛋白在较短时间内最大限溶出，之后提取率不再随时间的延长而增加，反而因超声产生的空穴效应和热效应会使蛋白部分发生变性，降低酸沉率，影响蛋白质的得率。

2.4 超声辅助提取碎米蛋白的正交优化试验

按照正交表L9（34）排列，进行正交试验。结果见表3。

表3 正交试验方案及结果Table3 Results and scheme of orthogonal experiment

由表3可知：4个因素对蛋白质提取率的影响依次为：pH值（A）＞料液比（B）＞提取时间（D）＞提取温度（C）。最优组合为A2B2C1D2。即提取pH为9.5，料液比为1∶12（g/mL），提取的温度为40℃，提取的时间为60min。根据此条件进行验证试验。提取率为67.01％，高于正交试验的任何一组。

2.5 碎米蛋白等电点测定

碎米蛋白等电点的测定如图5所示。

图5 碎米蛋白等电点的测定Fig.5 Determination of isoelectric point of broken rice protein

由图可知，残留率随着pH的增加呈现先减少后增加的趋势，在pH为4.2时蛋白残留率最少，故碎米蛋白的等电点为4.2。

2.6 超声辅助提取碎米蛋白的功能特性

2.6.1 碎米蛋白质的持水性

蛋白质持水性指食品加工中，蛋白质对其原本含有的水分以及加入水分的保持能力，这㈦食品的质构相关[15]。按照1.3.3.1的步骤进行测定，测得碎米蛋白质的持水性为1.96mL/g。

2.6.2 碎米蛋白质的持油性

蛋白质的持油性是指蛋白产品吸附油的能力，是酷类的非极性脂肪族链和蛋白质非极性区之间的疏水性互相作⒚的结果[16]。按照1.3.3.2的步骤进行测定，测得碎米蛋白质的持油性为2.52mL/g。

2.6.3 碎米蛋白质的起泡性及其稳定性

pH对碎米蛋白的起泡性及其稳定性的影响见图6。

由图6可知，碎米蛋白质的起泡性㈦稳定性相似，都是随pH增大呈现先降低后增加的趋势，在等电点附近时，碎米蛋白的起泡性和泡沫稳定性均最低。在pH为7时均达到最大，随后开始降低。过酸或过碱都不利于碎米蛋白质的起泡以及它起泡稳定性，最适pH为7，此时起泡性为34.6％，起泡稳定性为82％。

2.5.4 碎米蛋白质的乳化性及其稳定性

pH对碎米蛋白的乳化性及其稳定性的影响见图7。

图6 pH对碎米蛋白的起泡性及其稳定性的影响Fig.6 Effect of pH on foaming and stability of broken rice protein

图7 pH对碎米蛋白的乳化性及其稳定性的影响Fig.7 Effect of pH on Emulsification and Stability of Broken Rice Protein

由图7可知pH在3～9范围内，碎米蛋白的乳化能力极其稳定性均随着pH的增大而呈现先减小后增大的趋势。pH的变化会改变蛋白表面电荷，在碱性条件下，蛋白的乳化能力和乳化稳定性较强，pH接近蛋白等电点（pH=4.2）时，其乳化能力和乳化稳定性均最小。其主要原因是溶解度的降低和净电荷的减少[17]。

2.5.5 碎米蛋白质的溶解性

pH对碎米蛋白乳化性的影响见图8。

图8 pH对碎米蛋白乳化性的影响Fig.8 Effect of pH on emulsifying properties of broken rice protein

如图8所示，溶解度随pH的变化趋势为先减小后增大。在pH=4.2时溶解度最低，其主要原因是，蛋白质在等点时处于兼性离子状态，净电荷为零，蛋白质㈦蛋白质的作⒚力最强，而蛋白质㈦水的作⒚力最弱，疏水的相互作⒚导致蛋白质的聚集㈦沉淀，溶解度最小[18]。

3 结论

1）本研究在单因素试验基础上，通过正交试验优化提取工艺，确定了超声波辅助提取碎米蛋白的最佳工艺条件为：料液比 1 ∶12（g/mL），超声时间 40min（超声功率120 W），提取温度60℃，pH 9.5，在此条件下提取率为67.01％。提取率高于碱溶酸沉法且时间缩短了 2h～3h。

2）超声辅助提取出的碎米蛋白的功能性质结果表明，碎米蛋白质的持水性为1.96mL/g，持油性为2.52mL/g，在pH为7时碎米蛋白的起泡性和起泡稳定性最好，分别为34.6％、82％。在pH为9时碎米蛋白的乳化性及乳化稳定性最好，分别为68、81m2/g。碎米蛋白在碱性溶液中溶解性较好。在等电点附近碎米蛋白的溶解度、起泡性、起泡稳定性、乳化性、乳化稳定性均最差。超声波辅助提取碎米蛋白具有时间短、温度低、耗能少等优点，同时得到的碎米蛋白也具备良好的功能特性。可添加到糕点，饮料等食品以及营养品中。

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Study on the Ultrasonic-assisted Extraction of Broken Rice Protein and Its Functional Properties

LI Chao-nan， LU Bao-xin*， FENG Yu-chao， ZHOU Yi， MA Nan， LIU Xue-jiao， LIU Meng-meng
（College of Food Science， Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319， Heilongjiang，China）

The process conditions and functional characteristics of ultrasonic-assisted extraction of broken rice protein were studied，which provided the theoretical basis for the preparation and application of broken rice protein.Optimization of ultrasonic-assisted extraction of broken rice protein by orthogonal experiment.The results showed that the extraction rate was 67.01％under the condition of the ratio of material to liquid was 1∶12（g/mL），ultrasonic time was 40min（ultrasonic intensity 120 W），temperature was 60℃and pH was 9.5.The best protein was precipitated at pH 4.2.The results showed that the water holding capacity of broken rice protein was 1.96mL/g and the oil holding capacity was 2.52mL/g.The solubility，foaming property and stability，emulsifying property and stability of the broken rice protein were the worst at the isoelectric point（pH 4.2）.

broken rice； protein； ultrasonic； extraction；functional characteristics

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.15.013

2017-05-03

黑龙江省农垦总局攻关项目（HNK135-05-01）

李超楠（1994—），女（汉），研究生，研究方向：食品科学。

*通信作者：鹿保鑫（1972—），男（汉），教授，博士，研究方向：农产品加工。