大米蛋白的提取、特性及其应用的研究进展

李清泉,李德海,*

(1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040;2.黑龙江省森林食品资源利用重点实验室,黑龙江哈尔滨 150040)

大米是我国主要的粮食作物之一,2018年在全球范围内约有4.81亿吨大米产生[1],预计到2030年大米需求量还会增加40%[2]。大米的主要成分为淀粉和蛋白质[3],含量分别占大米质量的80%和8%左右。其中大米淀粉具有颗粒细小、粒度均一、冷冻解冻稳定性较好等优点具有独特的性能和用途[4];大米蛋白含有18种氨基酸,例如蛋氨酸、脯氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸和苏氨酸等8种必需氨基酸,氨基酸组成合理具有较高的营养价值,且接近于WHO/FAO的推荐的营养模式[5],大米蛋白的生物效价高达77与牛肉和鱼类的值相近,是一种优质的植物蛋白[6]。大米蛋白还具有独特的低致敏性,经水解后的多肽具有降血压、降胆固醇等保健作用[7]。所以大米的综合利用主要集中在蛋白的改性[8]及营养价值开发上[9]。中国长期以来都是世界上最大的大米生产国[10],但我国对大米的开发力度不大,研究不够深入,这造成了我国大米资源的严重浪费。随着食品技术的不断发展,应加大对大米资源的研究,使低价值的大米资源向高价值产品进行合理转化,以此获取更大的经济效益和社会效益。本文就大米蛋白的提取技术、结构特性、功能特性和综合利用进行了概述。

1 大米蛋白的提取方法

1.1 碱提酸沉法

碱法提取大米蛋白是目前较普遍、较传统的方法,其利用大米蛋白中含有80%以上的碱溶性蛋白的原理。碱提得到的蛋白纯度较高,但在提取过程中,由于采用了较高浓度的碱溶液,对大米蛋白的提取率和理化性质有一定的影响。Wang[11]探讨了不同浓度的NaOH溶液对大米蛋白质的提取率和其理化性质的影响,研究表明在高碱浓度提取的条件下,蛋白质发生了剧烈变性,Maillard反应剧烈,赖氨酸与丙氨酸发生缩合反应,生成有毒物质,同时有褐色物质产生,影响产品的色泽,这说明碱液浓度对大米蛋白的影响较大。同时温度、时间、料液比等因素对大米蛋白的提取率影响也较大[12]。王亚林等[13]和王立英等[14]利用碱提酸沉法提取大米蛋白,在最优条件下均可得到较多的蛋白组分。碱法提取工艺简单,但水和碱消耗量大,因而将碱法提取应用于工业生产有一定的难度。

1.2 酶法

酶法提取可分为蛋白酶提取法和非蛋白酶提取法。蛋白酶提取法是利用相关酶对大米蛋白的降解和修饰作用,使大米蛋白变成可溶性肽而被提取出,常见的蛋白酶有中性蛋白酶、碱性蛋白酶、复合蛋白酶等,其中碱性蛋白酶的提取效果最好[15]。张娟娟等[16]分别用木瓜蛋白酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶、菠萝蛋白酶 4 种蛋白酶提取米渣中蛋白质,发现碱性蛋白酶跟中性蛋白酶的提取效果要优于木瓜蛋白酶跟菠萝蛋白酶。根据蛋白酶水解类型的不同,蛋白酶又分为内切蛋白酶和外切蛋白酶,内切蛋白酶是与蛋白质内部的肽键反应,使蛋白质水解为多肽,如:碱性蛋白酶、中性蛋白酶等;外切蛋白酶是从肽链的任意一端使蛋白质被分解为单个的氨基酸,如:风味蛋白酶、木瓜蛋白酶等。Hamada等[17]利用碱性蛋白酶提取米糠蛋白,在水解度为10%时,米糠蛋白提取率达到92%,提取率较高;非蛋白酶提取法是指利用淀粉酶、纤维素酶等把稻米中的非蛋白质成分去掉,保留蛋白质成分,以此来提取大米蛋白的方法。Shih等[18]用α-淀粉酶对米渣进行酶解,得到的蛋白回收率及蛋白纯度都高于蛋白酶法制备的米渣蛋白,这与Tang等[19]利用淀粉酶水解淀粉,提高了大米蛋白提取率的结果相似。

1.3 Osborne分级法

Osborne根据蛋白质的溶解性的不同,将其分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白4种类型。能被水溶解的蛋白为清蛋白,除去水溶性蛋白之外能被稀盐溶液溶解的蛋白为球蛋白,清蛋白和球蛋白是大米的活性蛋白,含量较低。除去上述两种蛋白外，能够溶于50%～90%左右的乙醇的蛋白,是醇溶性蛋白,只能用酸或碱溶解的蛋白是谷蛋白,谷蛋白和醇溶蛋白属于贮藏蛋白,是大米蛋白的主要组成成分,其中谷蛋白的含量约为80%,醇溶蛋白含量约为10%[20]。Osborne 在本世纪初利用小麦蛋白质溶解性质差异的特点首次将小麦蛋白进行连续提取,之后被广泛应用于大米蛋白的分级提取。王艳玲等[21]采用Osboren分级提取法分别提取米糠中的四种蛋白,得到总蛋白的提取率为96%。此法的优点是可将 4 种蛋白质分级提取出来分别研究其性质,缺点是用到的仪器较多,操作复杂。

1.4 物理辅助法

物理辅助提取一般是利用超声波、冻结-融化、高压和高速度均质等物理手段辅助碱法或者酶法提取大米中蛋白质,物理辅助提取法的优点是可以提高大米蛋白的提取率。超声波辅助提取是利用声波的空化作用、机械效应和热效应等提高提取剂中的物质分子运动的速度和频率,使溶剂分子更快更容易的穿透提取物细胞,让目标物质更快溶出的提取方法。蔡沙等[22]和刘海飞等[23]研究超声波辅助碱法提取大米蛋白,利用超声波辅助碱法提取米糠蛋白,均发现超声波可以增加蛋白的提取率,原理可能是超声波在液体中传播时,使液体介质不断受到拉伸和压缩,形成空穴作用,这种空穴作用可破坏大米的细胞和细胞膜结构,从而增加了大米蛋白通过细胞膜的穿透能力。

冻结-融化原理是反复冷冻与融化时细胞中的水分会形成冰晶,剩余液体中盐浓度增高,从而导致细胞溶胀细胞壁破裂,大米蛋白更易溶出。崔素萍等[24]采用冻融处理大米浆体后,再用碱法提取大米中的蛋白质。结果表明,大米浆体经冻融处理后蛋白质提取率较碱法提高了2.6%,Choi等[25]利用冻融辅助蛋白酶法去除蛋白质来获得大米淀粉,与碱法、蛋白酶法相比,米蛋白的去除率分别提高了2.5%和7.57%。其推测冻融作用可以使大米内部的平衡状态发生改变有关,部分结构发生改变,从而提高了蛋白的提取率。

高压辅助提取法是当压力达到一定程度后,大米中淀粉与蛋白质之间复杂的化学键发生断裂[26],蛋白质的四级结构发生改变,从而提高大米蛋白的提取率。奚海燕等[27]利用超高压辅助碱式酶法提取大米蛋白,发现压力在 400 MPa时,大米蛋白提取率较碱式酶法提高了7.82%,赵丛丛等[28]利用高压处理大米颗粒后,发现较碱提酸沉法蛋白提取率提高了24%,高压可以使物料性质发生一定程度的变化,从而提高蛋白提取率。

高速均质是利用物料快速通过均质腔时,物料受到高速剪切、高频振荡、空穴现象和对流撞击等机械力作用和相应的热效应,由此引发的机械力及化学效应可诱导物料大分子的物理、化学及结构性质发生变化,最终达到提高蛋白提取率的效果,史宣明等[29]考察了不同提取方法对大米蛋白提取率的影响,发现高压均质处理可提高大米蛋白提取率。

2 大米蛋白质的结构特性

大米胚乳内部结构紧密,蛋白体与细小淀粉颗粒包络结合,二硫键和疏水集团交联聚集在分子间[30]。根据蛋白体存在状态可分为PB—I型和PB—Ⅱ型,通过电镜观察可以看到PB—I型结构紧密呈片层的颗粒状,直径在0.5～2 μm之间;PB-Ⅱ型质地均匀不分层呈椭球形,直径在4 μm左右[31],醇溶蛋白主要PB—I型,球蛋白与谷蛋白主要是PB—Ⅱ型。

清蛋白由单条肽链构成,分子量广泛,亚基主要分布在18～20 kDa[32],因具有高度水溶性和赖氨酸含量较高,与其他蛋白相比具有更高的营养价值,因此作为一种营养丰富的大米蛋白组成尤其受到重视[33];大米球蛋白多肽包括a、b、c、d四部分多肽,分子量分别为25.5、15、200及200 kDa以上[34],其中a-球蛋白多肽是大米球蛋白的主要多肽,储存在成熟大米种子的胚乳中[35]。清蛋白和球蛋白对大米的生理活动具有重要影响,在稻米的生长期具有关键作用[36]。

醇溶蛋白和谷蛋白是大米的储存蛋白。醇溶蛋白分子量较小,但种类较多,根据分子量的不同可分为:10 kDa醇溶蛋白(RP10)、13 kDa醇溶蛋白(RM1、RM2、RM4和RM9)和16 kDa醇溶蛋白(RP16)[37],10 kDa醇溶蛋白由110个氨基酸组成,其前体蛋白的N端含有由24个氨基酸组成的信号肽序列;13 kDa醇溶蛋白种类较多,氨基酸组成不尽相同,前体蛋白信号肽由18～19个氨基酸组成;16 kDa醇溶蛋白一般由130～140个氨基酸组成,前体蛋白信号肽由18～19个氨基酸组成[38]。根据分子量的不同谷蛋白分别为57 kDa谷蛋白、37～39 kDa谷蛋白和20～22 kDa谷蛋白,根据等电点的不同,37～39 kDa谷蛋白被称为酸性亚基,20～22 kDa谷蛋白被称为碱性亚基,根据氨基酸序列的相似性,谷蛋白还可分为四个亚基:GluA、GluB、GluC、GluD[37]。谷蛋白前体的氨基末端(N-端)含有24个氨基酸残基组成的信号肽,该信号肽序列对谷蛋白前体的合成具有重要作用[30]。

3 大米蛋白质的功能特性

3.1 持水性

蛋白质的持水性是指配制成一定浓度的蛋白质水溶液,经离心分离后,蛋白质中残留的水分质量。蛋白质构象、氨基酸组成、表面极性和表面疏水性对大米蛋白的持水性均有影响[39]。蛋白的肽链骨架可以保留住更多的水分,且保留水分的量与肽链骨架的疏松程度有关,肽链越疏松,保留的水分越多,此外大米蛋白中的部分极性基团能够与原料中的离子相互作用,使肽链周围结构变的疏松,保水效果增加[40]。Zhu等[41]利用高压处理米糠蛋白,发现高压处理对米糠持水性有明显的增强作用,这是因为随着压力的增加,米糠蛋白的结构趋于展开,暴露出更多的亲水基团和提供更多的水结合位点,压力越高,暴露的氨基酸基团越多,持水性越好。

3.2 起泡性及起泡稳定性

起泡性是指蛋白质在发泡过程中所形成的界面面积,而起泡稳定性是指保持气泡不破裂的能力。大米蛋白具有良好的起泡性和起泡稳定性,这是因为大米蛋白中同时含有亲水和疏水基团。大米蛋白经高速均质处理后,空间结构展开和表面疏水性的增加改善了泡沫的形成[42],从而导致蛋白质在空气-水界面的快速吸附,形成一层内聚蛋白[43]。万红霞等[44]对大米蛋白进行动态超高压微射流均质处理,发现大米蛋白的起泡性显著上升,这是因为大米蛋白疏水基团暴露和分子交联程度增加,不同程度地提高了起泡性和起泡稳定性。

3.3 乳化性及乳化稳定性

乳化性是指蛋白质在水/油界面通过阻止结合而快速吸收极性和非极性成分的能力,乳化稳定性则反映了乳化液在可计量时间内保持自身乳化的能力。蛋白质的乳化性和稳定性取决于亲水性和亲脂性的平衡[45],Wang等[46]报道了表面疏水性对米糠乳化能力的影响,发现米糠蛋白空间结构的展开和疏水基团的暴露,能使米糠蛋白在油/水界面的吸收增加,乳化性得到提高,同时米糠蛋结构的展开,暴露出更多亲水和亲脂基团,这有利于蛋白质和溶剂之间的相互作用,并防止油滴的聚结,乳化稳定性也得到提高。实际上制约蛋白乳化稳定性因素有很多,这导致蛋白质的乳化能力和乳化稳定性呈现不同变化趋势。刘芳等[47]研究发现以大米蛋白为原料,通过碱处理和热处理对大米蛋白质结构与功能性质研究发现,乳化性与乳化稳定性随着热处理温度升高而提高。张晶等[48]利用高压均质对大米蛋白功能特性研究发现,大米蛋白的乳化性随着压力的增加,先增大后降低,而乳化稳定性却不断降低。

4 大米蛋白质的应用

4.1 高蛋白营养补充剂

大米蛋白由于其合理的氨基酸组成、独特的低过敏性和较高的生物效价,是特殊人群补充营养时第一选择的优质植物蛋白。部分植物蛋白或者动物蛋白具有抗营养因子,如大豆中的胰蛋白酶抑制剂、水苏糖以及凝血素,鸡蛋中的黏蛋白,牛乳中的β-乳球蛋白等。与以上蛋白相比,大米蛋白过敏性极低,可以作为其它植物蛋白如大豆蛋白及动物蛋白的替代物添加到婴幼儿食品中,是婴幼儿食品的重要蛋白来源[49]。另一方面大米蛋白粉在动物饲料上也得到了广泛的研究,在水产、畜牧业等行业已得到广泛的应用。

4.2 活性肽

大米蛋白酶解物中含有多种具有生理活性的小分子肽段,具有降血压、抗衰老、降低胆固醇含量,增强人体免疫力的作用[50]。Yang等[7]通过研究醇溶蛋白对小鼠体外抗肿瘤免疫应答和体内白血病生长的影响,发现醇溶蛋白可有效促进抗肿瘤免疫,抑制白血病生长,且无明显毒性。Wang等[46]通过研究大米谷蛋白和醇溶蛋白的不同成分是否能够不同地发挥体外抗氧化活性,发现在胃蛋白酶-胰酶消化后,谷蛋白对自由基清除活性表现出更强的抗氧化反应,金属螯合活性和还原能力,而醇溶蛋白产生较弱的抗氧化能力。

4.3 可食用膜

可食用膜是顺应消费者对食品包装的方便化和无公害化而迅速发展起来的新型食品包装材料,它具有良好的阻气性、阻油性、保香性[51]。大米蛋白本身的亲水性决定了以大米蛋白为基料的可食用膜的阻水性比较差,故透水率高致使大米蛋白可食用膜只能应用于水分含量比较低的食品,如糖果、蜜饯和坚果类食品[52]。大米可食用膜的研究不仅顺应了国际环保发展趋势的需要,也是综合开发与利用大米蛋白质的前瞻性探索。利用大米蛋白质制作绿色塑料与可食性包装膜材料,是稻谷综合利用技术的重要环节之一。

5 结语

蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分,是人体必需的七大营养元素之一。目前动物蛋白是人们主要的蛋白膳食来源,随着生活水平的提高和人们对健康的不断追求,植物性来源的蛋白质在膳食补充和食品加工中地位变的越来越重要。大米蛋白作为一种高营养、低过敏性的优质植物蛋白,非常适合儿童、老人和病人。但是,由于大米中蛋白质含量较低,长期以来对大米蛋白功能性营养机能的开发并未得到充分的重视。目前,大米蛋白的研究大多集中在大米蛋白的提取工艺上,尽管碱法提取大米蛋白工艺较为成熟,但由于种种缺点并没有真正应用到工业生产中,而对于酶法提取大米蛋白虽然各方面性能都较佳,但是溶解度却不容乐观,其它辅助或者高新技术也仅仅只适用于实验室研究。

大米中的蛋白质按其溶解性的不同可以分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白,不同种类的蛋白组分其实际应用领域不同。谷蛋白作为大米中含量最多的蛋白组分,在功能性食品加工中的应用相对较多,但谷蛋白的溶解性较差,因而目前部分研究集中在大米蛋白的改性上,以改善大米蛋白的溶解性、起泡性、乳化性、吸油性等,提高大米蛋白的功能特性,生产出大米蛋白粉、大米蛋白膜等具有高功能和加工指标良好的大米蛋白制品。

随着研究的不断深入和高新技术的介入,大米蛋白的提取率和功能性质也必将得到提高,大米蛋白的开发利用一定能实现低价值资源向高价值资源的合理转化,从而获得更大的经济效益和社会效益。