超声波辅助碱法提取麦麸蛋白工艺及特性研究

蔡沙，施建斌，隋勇，何建军，陈学玲，范传会，梅新

（湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所，湖北武汉430064）

麦麸，即小麦皮，在实际的制粉工艺中，将提取胚芽和胚乳后的残留物统称为麸皮，该部分约占小麦籽粒的22%左右，外层含有较多的粗纤维，营养少，难消化，相比内部成分比较粗糙[1-3]。小麦麸皮中含有12%～18%的蛋白质，其中包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、麦谷蛋白等。麦麸蛋白含量较高且分布均匀，含有人体必需的多种氨基酸，营养价值甚至可以与大豆蛋白相媲美，是一种优质植物蛋白资源[4]。小麦麸皮蛋白是小麦麸皮经加工后制得的，含量占小麦麸皮的14%[5]。

在传统的农业生产中麦麸被当作废料，多用于牲畜饲料。然而随着食品科学技术的发展，人们发现麦麸中含有丰富的生物活性物质，有着广泛的开发前景与经济价值，麦麸正以全新的角色，重新登上食品行业的舞台[6]。我国是小麦生产大国，小麦麸皮作为面粉厂主要的加工副产物，产量相当可观。麦麸蛋白有着广阔的前景，如果能够充分地利用麸皮进行深加工和综合利用，开发出具有高附加值的麦麸蛋白产品，将具有很高的经济效益和社会效益[7-10]。

超声波提取技术具有空穴效应、热效应等有效机制，通过增大介质分子的运动速度增大介质的穿透力，可使麸皮中蛋白质、淀粉及膳食纤维的结合松弛，有利于蛋白质的分离制备[11-12]。利用超声波技术来强化提取分离过程，可有效提高提取分离率，缩短提取时间，节约成本，甚至还可以提高产品的质量和产量。

本文以麦麸为原料，研究超声波辅助碱法提取麦麸蛋白最优工艺。以麦麸蛋白提取率及纯度为考察指标，对影响超声辅助提取麦麸蛋白的因素如料液比、超声功率、提取液pH值、提取温度、提取时间等因素进行了研究，采用单因素试验和正交试验对碱法提取麦麸蛋白进行优化。在此基础上对麦麸蛋白的特性进行分析，为麦麸蛋白产品开发提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦麸皮：潜江同光面粉有限责任公司提供。硫酸、盐酸、氢氧化钠（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

BS-210 分析天平：Instruments Ltd.德国；TGL-16A/MA台式高速冷冻离心机：长沙平凡仪器有限公司；SHA-B恒温振荡器：常州国华电器有限公司；DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；HH-2数显恒温水浴锅：江苏国华电器有限公司；K9840自动凯氏定氮仪：济南海能仪器有限公司；XHF-D高速分散器：宁波新芝生物科技股份有限公司；LGJ-25C冷冻干燥机：湖南湘仪有限公司；MT-5000 pH计：上海三本环保科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 麦麸蛋白提取

用凯氏定氮法测定麦麸原料中蛋白含量记为m1，取一定量麦麸，加水悬浊，调节pH值，于一定温度下超声提取，提取结束后，提取液离心，收集上清液，调节上清液pH值至等电点，静置一段时间后离心，收集沉淀，将沉淀按一定料液比溶解于水中，调节pH值至7.0，用透析袋透析脱盐36 h，中间每隔8小时换水一次，透析袋截留分子量500 Da，透析脱盐后离心冻干，得麦麸蛋白，称重记为m2，利用凯氏定氮法测定提取的蛋白质质量记为m3。

1.2.2 麦麸蛋白等电点测定

将麦麸粉碎后，按料液比1∶15（g/mL）加水悬浊，调节pH值至12.0，于50℃下提取1.5 h，4 500 r/min离心30 min，收集上清液，用于测定麦麸蛋白等电点。

分别取9份各30 mL上述麦麸蛋白提取液，依次分别调节 pH 值至 3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，静置 30 min，于 10 000 r/min 下离心 15 min，取上清液，分别测定其在595 nm处吸光值大小，上清液吸光值最小时对应的pH值即为麦麸蛋白粗等电点。以粗等电点为中心，0.1为单位向前后扩散再各取5个点，按照同样步骤取麦麸蛋白提取液，调节pH值至相应值，离心后测定吸光值，最终测得吸光值最小的pH即为麦麸蛋白的等电点。

1.2.3 麦麸蛋白提取工艺探讨

1.2.3.1 单因素试验

以麦麸蛋白提取率及纯度为指标，对影响麦麸蛋白提取率以及纯度的因素如提取液pH值、超声功率、提取温度、提取时间、料液比等进行单因素试验。在单因素试验过程中，探讨某一单因素时，其他各因素水平分别为料液比 1∶15（g/mL）、提取液 pH 12.0、超声功率300 W、提取温度45℃、提取时间40 min。

1.2.3.2 正交试验

在单因素试验结果基础上，进行四因素三水平正交试验，确定超声波辅助碱法提取麦麸蛋白最优工艺。

1.2.4 麦麸蛋白提取率及纯度的测定

式中：m1为麦麸原料中的蛋白质，g；m2为分离的蛋白质量，g；m3为测定的分离蛋白中蛋白质质量，g。

1.2.5 麦麸蛋白的特性研究

1.2.5.1 乳化性和乳化稳定性的测定

参照徐忠等[13]的测定方法，并作适当修改。配制浓度为 1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的麦麸蛋白溶液，分别与大豆油按体积比3∶1混合，20 000r/min于高速分散器下均质1min，后于1500r/min下离心5 min，读取乳化层高度，计算EA值；同时用50 mL离心管制作乳化液，制作后于85℃水浴中恒温加热30 min，1 500 r/min离心5 min，冷却放置30 min后读取乳化层高度，计算ES值。

1.2.5.2 起泡性和泡沫稳定性的测定

参照徐忠等[13]的测定方法，并作适当修改。配制浓度为 1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的麦麸蛋白溶液，取5 mL蛋白溶液，20 000 r/min于高速分散器下均质1 min，读取泡沫体积，后放置30 min后读取泡沫体积。

1.2.5.3 溶解性测定

样品的溶解性用氮溶解指数来评价。配制2.0 g/mL样品溶液25 mL，用0.5 mol/L HCl或0.5 mol/L NaOH溶液分别调 pH 值至 2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 磁力搅拌45 min后，10 000 r/min离心15 min，收集上清液，采用微量凯氏定氮法测定上清液中的氮含量。

2 结果与分析

2.1 等电点结果分析

麦麸蛋白粗等电点的吸光值见表1。

表1 麦麸蛋白粗等电点Table 1 Rough isoelectric point of wheat bran protein

等电点的测定主要是根据蛋白质碱提酸沉的原理，溶液的pH值越接近于等电点的时候，蛋白质沉淀的越多，所以吸光值就越低，因此只需要找出吸光值最低的pH值就可以知道麦麸蛋白的等电点。

由表1可知，麦麸蛋白的粗等电点为4.0，为更精确测定其等电点，进一步缩小pH值范围，结果如表2所示。

由表2可知，麦麸蛋白的等电点为4.4。

2.2 麦麸蛋白提取工艺

2.2.1 料液比对麦麸蛋白提取效果的影响

料液比对麦麸蛋白提取效果影响如图1所示。

从图1中可以看出，麦麸蛋白的提取率随料液比的增加呈先增大后减小的变化趋势，这是因为随着料液比的增加，溶质的扩散速度也随之增大，并促进水溶性物质的充分溶出，使蛋白质的含量升高。麦麸蛋白的纯度也是随着料液比的增加呈先增大后减小的变化趋势，并在料液比为1∶18（g/mL）处，麦麸蛋白的提取率和纯度达到最大值，分别为84.2%和71.8%，因此，选择1∶18（g/mL）为料液比的最优工艺。

表2 麦麸蛋白等电点Table 2 Isoelectric point of wheat bran protein

图1 料液比对麦麸蛋白提取效果影响Fig.1 Influence of solid-liquid ratio on wheat bran protein extraction

2.2.2 pH值对麦麸蛋白提取效果的影响

pH值对麦麸蛋白提取效果影响如图2所示。

图2 pH值对麦麸蛋白提取效果影响Fig.2 Influence of pH on wheat bran protein extraction

从图2中可以看出，麦麸蛋白的提取率随pH值的增加呈先增大后减小的变化趋势，当pH值在10.0～11.5范围内，由于碱溶度较低，蛋白质与淀粉分离不完全，当pH值在12.0～12.5范围内，提取率急剧下降，这是由于碱度过大，导致淀粉糊化，也容易使蛋白质发生变性。同样的，麦麸蛋白的纯度也随着pH值的增加呈先增大后减小的变化趋势，当提取液pH值为12.0的时候，麦麸蛋白的提取率达到最高为72.6%，当提取液pH值为11.5的时候，麦麸蛋白的纯度达到最高为69.6%。因此，选择12.0为pH值的最优工艺。

2.2.3 超声波功率对麦麸蛋白提取效果的影响

超声功率对麦麸蛋白提取效果影响如图3所示。

图3 超声波功率对麦麸蛋白提取效果影响Fig.3 Influence of ultrasonic power on wheat bran protein extraction

从图3中可以看出，麦麸蛋白的提取率随超声功率的增加呈先增大后减小的变化趋势，当超声功率在200 W～300 W范围内，提取率逐渐上升到最大79.6%，当超声功率在300 W～450 W范围内，提取率逐渐下降。同样的，麦麸蛋白的纯度也随着超声功率的增加呈先增大后减小的变化趋势，当超声功率在200 W～250 W范围内，麦麸蛋白的纯度达到最高为72.6%，当超声功率在250 W～450 W范围内，纯度逐渐下降。因此，选择300 W为超声功率的最优工艺。

2.2.4 温度对麦麸蛋白提取效果的影响

温度对麦麸蛋白提取效果影响如图4所示。

图4 温度对麦麸蛋白提取效果的影响Fig.4 Influence of temperature on wheat bran protein extraction

从图4中可以看出，麦麸蛋白的提取率随温度的增加呈先增大后减小的变化趋势，当温度在35℃～50℃范围内，提取率逐渐上升到最大82.9%，当温度超过50℃后，提取率急剧下降，这可能是因为温度过高，使溶液的黏度变大，分子的运动速度减慢，阻止蛋白质溶解到溶液中，同时，由于疏水基团的暴露和展开，蛋白质分子聚集，使蛋白质溶解度下降，导致蛋白提取率下降。麦麸蛋白纯度随温度的变化趋势与提取率相同，在50℃时，纯度达到最高值74.2%。因此，选择50℃为温度的最优工艺。

2.2.5 时间对麦麸蛋白提取效果的影响

时间对麦麸蛋白提取效果影响如图5所示。

图5 时间对麦麸蛋白提取效果影响Fig.5 Influence of time on wheat bran protein extraction

从图5中可以看出，麦麸蛋白的提取率随时间的延长呈先增大后减小的变化趋势，当时间在25 min～40 min范围内，提取率逐渐上升到最大78.9%，这是由于随着反应时间延长，麸皮逐渐与碱性物质充分接触，使蛋白质与纤维素等成分分离，从而提取率增加，当时间超过40 min后，提取率逐渐下降，这主要是因为时间过长会增加非蛋白成分与蛋白共沉的机会，使得提取率降低。麦麸蛋白纯度随时间的延长也是呈先增大后减小的变化趋势，在35 min时，纯度达到最高值73.5%。因此，选择40 min为时间的最优工艺。

2.2.6 正交试验结果

在单因素试验基础上，以麦麸蛋白的提取率为指标，对料液比、提取液pH值、超声波功率、提取温度进行四因素三水平正交试验，因素水平见表3，正交试验结果见表4。

表3 正交试验设计表Table 3 The level of orthogonal factor

表4 正交试验结果Table 4 The results of orthogonal test

以提取率为指标，麦麸蛋白提取工艺四因素三水平正交试验及极差分析结果如表5所示，从表中可以看出，4个因素对提取率影响大小顺序为：超声波功率＞温度＞pH值＞料液比，各因素理论最优水平组合为A2B2C3D3，即为料液比 1 ∶20（g/mL）、超声功率 300 W、温度55℃、pH 12.0，而正交试验设计9个处理中实际最优组合为 A2B2C3D1，即为料液比 1 ∶20（g/mL）、超声功率300 W、温度55℃、pH 11.0。随后以提取率为指标，对理论最优因素水平组合与实际最优因素水平组合进行了验证试验，结果表明理论最优因素水平组合下麦麸蛋白提取率为91.4%，高于实际最优因素水平组合90.8%。因此，麦麸蛋白提取最优工艺为料液比1∶20（g/mL）、超声功率300 W、温度55℃、pH 12.0。徐忠等[13]利用碱法提取麦麸蛋白，最佳条件为：提取温度为 50℃，pH 12.0，固液比 1 ∶15，提取时间 1.5 h，此条件下麦麸蛋白提取率为68.6%，远低于本文的提取率91.4%，因此利用超声波辅助技术有效提高了碱法提取麦麸蛋白的效果。

2.3 麦麸蛋白特性研究

2.3.1 麦麸蛋白的乳化性和乳化稳定性

麦麸蛋白浓度对麦麸蛋白乳化性和乳化稳定性的影响如图6所示。

由图6可知，麦麸蛋白的乳化性和乳化稳定性都随着麦麸蛋白浓度的升高呈现先上升后下降的趋势，并在麦麸蛋白浓度为3.0%的时候达到最大值，乳化性最大值为74%，乳化稳定性为60%，3%浓度的麦麸蛋白溶液具有较好的乳化性和乳化稳定性。

2.3.2 麦麸蛋白起泡性和泡沫稳定性

麦麸蛋白浓度对起泡性和泡沫稳定性的影响图7所示。

图6 麦麸蛋白乳化性和乳化稳定性Fig.6 Emulsification ability and emulsification stability of wheat bran protein

图7 起泡性和泡沫稳定性Fig.7 Foaming characteristic and foaming stability of wheat bran protein

由图7可知，麦麸蛋白的起泡性和泡沫稳定性都随着麦麸蛋白浓度的升高呈现先上升后下降的趋势，并在麦麸蛋白浓度为3.5%的时候达到最大值，起泡性最大值为60%，泡沫稳定性为45%，3.5%浓度的麦麸蛋白溶液具有较好的起泡性和泡沫稳定性。

2.3.3 麦麸蛋白溶解性

麦麸蛋白氮溶解指数随pH值的变化趋势如图8所示。

图8 麦麸蛋白的溶解性Fig.8 The solubility of wheat bran protein

由图8可知，随着pH值的不断升高，氮溶解指数呈先下降后上升的变化趋势，在pH值为4.0时，麦麸蛋白氮溶解指数最小，仅为26%。这是由于蛋白质碱提酸沉的原理，所以上清液中氮的含量降低了。

3 结论

通过采用最佳工艺条件即料液比1∶20（g/mL），超声波功率为300 W，提取温度为55℃，提取液pH 12.0，对麦麸蛋白提取工艺进行优化，此时麦麸蛋白的提取率为91.4%；3%浓度的麦麸蛋白溶液具有较好的乳化性和乳化稳定性，乳化性最大值为74%，乳化稳定性为60%；3.5%浓度的麦麸蛋白溶液具有较好的起泡性和泡沫稳定性，起泡性最大值为60%，泡沫稳定性为45%；在pH 4.0时，麦麸蛋白氮溶解指数最小，仅为26%。可见超声辅助能大大提高麦麸蛋白的提取率，同时麦麸蛋白的特性得到相应的改善，为麦麸蛋白产品开发提供一定的理论依据。