芝麻饼粕中蛋白质的提取及其应用研究现状

文芬，张淼，邵雪梅，龚倩，魏陈

（四川旅游学院食品学院，四川成都610100）

芝麻是中国主要油料作物之一，其种子含油量约为55%，具有广泛良好的应用前景，其压榨产物芝麻油也具有较高的营养价值。中国年产芝麻65万吨，居世界第一[1]。芝麻榨油后副产物芝麻饼粕是一种新型高营养的植物蛋白资源，大多数用于动物饲料和农业肥料，因此导致了严重的资源浪费。杨杰等[2]对芝麻饼粕中的蛋白质进行急性毒性试验，研究结果为LD50＞15 000 mg/kg，属于无毒级。因此芝麻饼粕中的蛋白质可以作为一种安全的优质的蛋白质来源。据有关报道，芝麻蛋白已部分用作饮料和面包生产的膳食补充剂[3]。

芝麻蛋白具有很好的互补性，其含有的甲硫氨酸、色氨酸等含硫氨基酸比一般植物蛋白高，更容易被机体吸收和利用。芝麻蛋白还含有人体必需的8种氨基酸，约占人体总蛋白的30%。另外两种氨基酸含量接近，其他6种含量均高于一般植物蛋白，且无抗营养因子。因此，与世界卫生组织推荐的人类蛋白标准相比，芝麻蛋白质组分是一致的，属于完整的蛋白质组分。除此之外，芝麻蛋白具有良好的溶解性、吸水性、吸油性、乳化性、发泡性、粘度和热凝极性等功能性质，可运用于肉制品、谷类食品、烘焙食品、植物蛋白饮品、小吃、副食中。

1 芝麻饼粕的营养成分

1.1 芝麻饼粕营养成分概述

芝麻蛋白质含量根据品种和来源而异，一般为20%～22%。但芝麻饼粕中蛋白质含量最高为38%～50%[4]。芝麻饼粕中主要成分除了蛋白质含量较高外，还有其他营养成分如纤维素、维生素类和木脂素类等物质，但植物蛋白结构复杂，较高的相对分子质量，不容易被机体消化吸收。酶水解制备的蛋白质肽不仅有利于人体吸收，而且具有抗氧化、抑制血糖、血脂、增强机体免疫力等生理功能。芝麻饼粕经过脱脂处理后，脂肪含量由14.13%下降5.32%，水分含量由15.37%下降到9.11%，而碳水化合物含量由22.31%升高到（28.47±0.14）%，蛋白质含量由42.76%升高53.82%。

1.2 不同方法制备的芝麻饼粕的营养成分差异

芝麻饼粕制备方法不同，其营养成分也不同。根据榨油方式及是否脱皮将制备常见的芝麻饼粕制备方法分为以下4种[5]。

1.2.1 冷榨法

将一定量的芝麻于螺旋榨油机中榨取2次，榨取温度在40℃以下，转速为30 r/min，将榨取后的芝麻饼粕用粉碎机粉碎过筛，再以丁烷为溶剂，溶剂体积比为1∶6，温度为50℃的条件下每30分钟萃取一次，一共萃取5次，此方法所得即为冷榨法芝麻饼粕。

1.2.2 热榨法

芝麻在温度180℃条件下烘焙2 h后于螺旋榨油机中榨取2次，将榨取后的芝麻饼粕粉碎，过筛后亚临界萃取5次（条件同冷榨法），此法所得即为热榨法芝麻饼粕。

1.2.3 干法脱皮

取一定量的芝麻，加入10%的蒸馏水充分润湿，在60℃条件下烘焙3 h，冷却至室温并控制水分在7.0%左右，将烘焙后的芝麻于碾米机中脱皮使其脱皮率约80%，粉碎过筛，再亚临界萃取5次（条件同冷榨法），此法所得即为干法脱皮芝麻饼粕。

1.2.4 湿法脱皮

取一定量的芝麻，用0.4%的氢氧化钠溶液浸泡2 min，浸泡后的芝麻于碾米机中脱皮，使其脱皮率达到98%，再在温度为50℃条件下烘焙12 h，粉碎过筛再亚临界萃取5次（条件同冷榨法），此法所得即为湿法脱皮芝麻饼粕。

不同制备方法下芝麻饼粕的基本组分见表1。

由表1可以看出脱皮后的芝麻饼粕中蛋白质含量较高，粗纤维和灰分含量较低；冷榨法芝麻饼粕中粗蛋白、粗纤维和草酸的含量均高于热榨法芝麻饼粕；湿法脱皮芝麻饼粕中蛋白质的含量较干法脱皮芝麻饼粕高。

表1 不同制备方法芝麻饼粕的基本组分Table1 The basic components of sesame cake with different preparation methods%

2 芝麻蛋白的提取方法

近几年对于芝麻蛋白的研究主要是在提取方法和优化方法两个方面。提取芝麻蛋白的方法不仅有碱溶酸沉法，还有水酶法、有机溶剂洗涤法和膜过滤法，但后几种方法应用相对较少。国内外学者对于碱溶酸沉法及其影响因素的研究以及应用碱性蛋白酶和糖化酶等酶来优化提取方法相对较多。

2.1 生物提取法

提取芝麻蛋白的生物提取法主要是通过酶类物质将芝麻饼粕中的蛋白质溶出，目前主要有糖化酶酶解法和水酶法。

2.1.1 糖化酶酶解法[6]

将脱脂后的芝麻饼粕用粉碎机粉碎，按料液比为1∶10（g/mL）加入蒸馏水溶解，调节 pH 值为 4.0，利用超声波细胞提取仪碱提后在转速为4 800 r/min条件下离心10 min，取上清液，用4%盐酸使蛋白质沉淀，再在4 800 r/min下离心10 min，取上清液后沉淀，再加水溶解，加入糖化酶（80 U/g）混匀，4 800 r/min转速下离心10 min，取上清液沉淀，取出沉淀，干燥后即为芝麻蛋白。

该方法提取芝麻蛋白的提取率为77.56%。

2.1.2 水酶法

水酶法是在机械破碎的基础上，利用蛋白酶切断芝麻蛋白的肽链，提高蛋白质的溶出率，促进芝麻蛋白的提取。该法提取能够同时获得芝麻油和蛋白质，再经过水提取、复合酶水解芝麻细胞壁充分提取芝麻油和蛋白质，而且操作条件相对较温和，蛋白质的质量较好。其工艺如下：

将脱脂后的芝麻饼粕粉碎过筛，按料液比为1∶16（g/mL）加入蒸馏水使之溶解，调节pH值至11.0，加入酶量为125 U/g蛋白酶于50℃条件下酶解2 h，灭酶，离心取其上清液，再测蛋白质溶出率。

该方法制备芝麻蛋白的溶出率为70.36%。

2.2 化学提取法

化学提取法是将芝麻饼粕中的蛋白质用化学试剂溶解在溶液中，然后从溶液中沉淀蛋白质，化学提取法也是提取芝麻蛋白最常用的方法。目前主要有碱抽提和有机溶剂洗涤。

2.2.1 单纯碱液提取法[7]

将脱脂后的芝麻饼粕粉碎过筛，按料液比为1∶20（g/mL）加入蒸馏水使其溶解，调节溶液的pH值至10.0后于70℃水浴中搅拌1.2 h，离心过滤，取上清液，调节pH值至4.0使蛋白质沉淀，干燥后即为芝麻蛋白。

该方法制备芝麻蛋白的提取率为45.12%～50.12%。

2.2.2 两次碱液提取法

将脱脂后的芝麻饼粕粉碎过筛，按料液比为1∶20（g/mL）加入蒸馏水使其溶解，超声波一次碱提后通过离心机在4 800 r/min转速下离心10 min，过滤，分别取上清液和残渣，将残渣进行超声波二次碱提，再在4 800 r/min转速下离心10 min，过滤，合并上清液，调节溶液pH值至4.0使蛋白质沉淀，干燥后即为芝麻蛋白。

该方法制备芝麻蛋白的提取率为60.6%。

2.2.3 超声波辅助碱液提取法[7]

将脱脂后的芝麻饼粕粉碎过筛，按料液比为1∶20（g/mL）加入蒸馏水使其溶解，调节pH值至10.0，利用超声波细胞破碎机提取1.2 h，提取温度为70℃，功率为200 W，离心过滤，取上清液沉淀，干燥后即为芝麻蛋白。

该方法制备芝麻蛋白的提取率为60.12%。

2.2.4 有机溶剂洗涤法[8]

将脱脂后的芝麻饼粕粉碎过筛，加入50%乙醇混合溶剂（正己烷液体积比1∶6），在温度为55℃条件下采用水浴提取85 min，提取液自然冷却后在4 000 r/min转速下离心10 min，取上清液，调节溶液pH值至4.0使蛋白质沉淀，干燥后即为芝麻蛋白。

该方法制备芝麻蛋白的提取率为66.89%。

2.3 物理提取法

目前，提取芝麻蛋白常采用的物理方法是超滤法[9]。超滤是一项分子级的膜分离技术，为近年来新兴产物。它采用的分离介质为特殊多孔超滤膜，利用膜两侧的压力差作为推动力，在常温条件下对物质进行分离的技术，具有操作简便、条件温和、能耗低、无相变、效率高等优点。目前已经广泛应用于水处理、轻工业、食品、环境保护和生物制药工程等众多领域，因此也是富集蛋白质最有效的方法之一。此方法制备的芝麻蛋白提取率为58.71%，其工艺如下。

将脱脂后的芝麻饼粕粉碎过筛，按料液比为1∶10（g/mL）加入蒸馏水使其溶解，调节溶液pH值至10.0后在室温下搅拌2 h，离心后取出上清液，选用同样的方法重复提取，合并两次上清液，在压力为0.25 MPa，pH值为10.0条件下超滤，超滤后干燥即为芝麻蛋白。

不同提取方法对芝麻蛋白的提取率影响较大，生物提取法提取出来的芝麻蛋白含量较另外两种方法高，而且条件温和，对芝麻蛋白的品质影响较小，为将来芝麻蛋白的更进一步研究奠定了基础。物理提取法提取的芝麻蛋白含量较低，但对芝麻蛋白的影响较小，如何优化物理提取法以增加芝麻蛋白的提取率在未来也是一个研究方向。

3 芝麻蛋白的干燥

喷雾干燥、冷冻干燥、真空干燥、热风干燥、微波干燥以及红外线干燥都是食品干燥的方式。目前芝麻蛋白干燥常用方式是喷雾干燥和冷冻干燥，真空干燥法较前两种少；后3种干燥方式所需温度较高，可能使得发生芝麻蛋白变性，若要使用这3种方法应注意控制好时间及温度。不同的干燥方式对芝麻饼粕的营养成分及功能特性有较大的差异。

3.1 喷雾干燥

喷雾干燥是制备芝麻蛋白最常见的方法之一。其原理是将溶液、悬浮液等干燥物料、喷雾器的雾滴直径分散到小颗粒中，利用热风流将其干燥，可直接将物料干燥成粉末或颗粒状产品，该法应用广泛，绝大多数水分可以在瞬间蒸发，所以干燥速度极快，具有瞬间干燥的特点。除此之外，为了控制最终物料的某些质量指标（如粒度分布、含水率、生物活性、溶解性、色泽、香气、风味等），喷雾干燥还可以在一定范围内改变其操作条件[10]。但是动力消耗大，造价较高。此技术在食物的味道、色泽和营养方面具有较好的保留作用。提取出来的芝麻蛋白经过喷雾干燥，干燥速度极快，蛋白质也不易变性并能较好地保持原有的功能特性，对芝麻蛋白品质影响较小，操作简便，价格适宜，但热效率不高，热消耗大。喷雾干燥是干燥蛋白质最常见的方式之一。

3.2 冷冻干燥

除了喷雾干燥外，冷冻干燥也是制备芝麻蛋白常见的方法。许多研究者将提取出来的芝麻蛋白用冷冻干燥来制备。冷冻干燥是通过冷冻的方式将产品进行干燥的一种方法，其原理是将已冻结的产品置于真空容器中进行加热，在低温低压条件下，产品中的冰晶升华成水蒸气逸出，从而使产品脱水最终达到干燥的目的[11]。

冷冻干燥后所得产品具有多孔、疏松、易溶的特点，此方法能够较大程度地保留食物原有的形状、色泽、结构、营养及芳香成分。干燥后的物料保留其原有的化学组成和多孔胶体结构等物理特性；热量消耗较其他干燥方法少。低温条件下干燥，蛋白质不会变质。此种方法对于芝麻蛋白影响最小，缺点是费用较高，因此结合成本此种方法应用较少，未能广泛采用。

3.3 真空干燥

除了上述喷雾干燥和冷冻干燥外，真空干燥也能应用于芝麻蛋白的制备中，但该法运用相对较少，主要适用于一些热敏性的物料。真空干燥的原理是将食品物料放在密闭干燥室内，置于真空密闭系统中，对物料进行适当加热，在压力差或浓度差作用下，使物料内部水分扩散到表面，失去了分子间的作用力的束缚后，使得物料表面的水分子获得了充分的动能，并在真空系统中扩散到低压空气中，从而被真空泵除去。该法虽然操作简单，费用较低，但不断加热可能会使芝麻蛋白变性，所以在制备芝麻蛋白方面应用较少。在实际操作工程中，应严格控制加热的温度，防止蛋白质因受热过度而发生变性。

3.4 热风干燥

热风干燥的干燥介质为热空气，与食品通过自然对流或强制对流循环的方式进行湿热交换，食品表面的水分通过表面的气膜向气流主体扩散；同时物料表面气化，使得物料表面和内部之间产生水分梯度差，所以，物料内部的水分向表面扩散。热风干燥，其优点是操作简单，价格便宜，但加热时间过长或是热风温度过高都会使芝麻蛋白变性和产生褐变，极大地影响了芝麻蛋白的品质。所以，热风干燥在制备芝麻蛋白中运用得较少。

芝麻蛋白的干燥方式目前主要是以上4种，尤其是喷雾干燥和冷冻干燥最为常见。目前，有关于其他植物蛋白质的不同干燥方式对其功能特性的影响研究报道较多，但对于芝麻蛋白的其他干燥方式或者多种干燥方式结合以及不同干燥方式对芝麻蛋白功能特性的影响还未见报道，还需要进一步研究。

4 芝麻蛋白的功能特性及应用

蛋白质在食品加工和贮藏中的特殊功能，如吸水性、吸油性、润湿性、保水性、热聚集性、粘度等，都被称为蛋白质的功能特性。蛋白质组成、氨基酸序列、形态结构等固有特性，属于蛋白质的功能特性。吸水性、润湿性、吸油性、热聚集性和粘性等芝麻蛋白的一些功能性质，为芝麻的深加工和利用提供了理论依据[12]。根据芝麻蛋白不同功能特性，能够广泛的被运用于不同种类食品的生产中。

现如今以芝麻为辅料的产品种类繁多，如芝麻酥糖、芝麻豆腐等，因其中含芝麻蛋白、钙、磷铁、和维生素E等多种有益成分，因而被人们广泛接受[13]。芝麻蛋白含硫氨酸和蛋氨酸含量丰富，可将其与大豆蛋白混合，可提高芝麻蛋白的营养价值；芝麻蛋白还可作为品质改良剂，如添加到核桃花生制成混合型复合饮料和添加到牛乳中制作干酪，以及将芝麻饼粕、芝麻浓缩蛋白、芝麻分离蛋白加入红小麦粉中，制成各种面粉制品[14]。

4.1 芝麻蛋白在肉制品中的应用

芝麻蛋白不仅具有特有风味，还具有黏性、溶解性及乳化能力，尤其是其吸油性，因此肉糜制品可以适量添加，从而改善产品的风味、口感及质地，使产品组织结构细腻，并促进脂肪吸收，避免漏油、跑油等现象的发生。

4.2 芝麻蛋白在烘焙产品中的应用

利用芝麻蛋白的发泡性，可将芝麻蛋白应用于西式面点，如面包、蛋糕、饼干等多种烘焙制品中，由于芝麻蛋白是一种互补性良好蛋白，芝麻蛋白硫氨酸和蛋氨酸含量丰富，因此可以使谷物烘焙制品的营养价值提高，使得产品结构更加富有弹性。除此之外，还可添加到馒头、面条等中式面制品中，增加产品质地，使面条有弹性，不易断裂。

4.3 芝麻蛋白在半流动状食品中的应用

由于芝麻蛋白具有较好的乳化性，因此可以添加到冰淇淋中，改善产品品质及营养价值。利用芝麻蛋白良好吸水性和湿润性，脱脂后的芝麻蛋白粉可用于芝麻蛋白粉、芝麻糊、芝麻乳以及芝麻酸奶等流体食品的生产。

4.4 芝麻蛋白在调味品和休闲食品中的应用

芝麻蛋白在休闲食品中的应用主要是芝麻腐竹和芝麻蛋白肉。脱脂后的芝麻蛋白粉经加热煮沸、脱色，形成薄膜后成型，再经过干燥等工序处理后制成芝麻腐竹；芝麻蛋白粉经挤压成型改性后即得到芝麻蛋白肉。另外，将淀粉与芝麻蛋白充分混合，经过挤压膨化等处理，制作成休闲食品。酱油生产的优良原料需含有一定量的植物蛋白和淀粉质，而芝麻榨油后的芝麻饼粕中含有较高的芝麻蛋白，芝麻饼粕经熟化冷却后，接入相关菌种制成酱曲，进行发酵成熟后，再通过浸出法提取酱油。

近年来研究表明，经酶解后的动植物蛋白，不仅理化性质有很大改变，而且容易被机体消化吸收[15-16]，并具有一定的生理活性，一些已被广泛用作天然食品抗氧化剂和保健食品[17]。在中国芝麻蛋白水解的研究现状，主要研究蛋白质的性质和水解技术[18-19]，芝麻蛋白肽活性研究是评价芝麻蛋白酶解物氧自由基和氢氧自由基清除能力的常用方法[20]，尚未报告其他功能活性。

5 结论及展望

芝麻蛋白作为一种性质优良的植物蛋白，可广泛应用于食品中，但大多未对产品特性进行深入研究，更未实际用于大批量生产。对于芝麻饼粕真正利用主要是作动物饲料或是农作物肥料用，这样造成了极大地芝麻蛋白资源浪费。如何最大程度并有效地利用芝麻饼粕资源，对进一步提高芝麻饼粕的附加值有着现实意义。

目前芝麻蛋白的研究大多还处于实验室阶段，比如提取方法和功能特性等基础研究，提取方法不同，芝麻蛋白功能特性也有所差异，对于不同提取方法对芝麻饼粕功能特性的影响机理研究较少。除此之外，由于生产技术、工艺设备等诸多因素的影响使得芝麻蛋白的实际生产应用受到制约。因此现阶段对于芝麻蛋白的实际应用率不高，可以通过改进提取方法，如多种方法相结合，使得提取工艺简便高效，并且降低营养物质的损失，以及通过改进开发产品特性，增强其实际应用价值。