超声波处理对燕麦蛋白质含量及功能特性的影响

徐长韦，周海龙，马利华，王 露

（徐州工程学院食品与生物工程学院，江苏 徐州 221111）

燕麦为禾本科一年生草本植物,属小杂粮，燕麦中含有脂质、蛋白质、抗氧化物等营养成分，是一种优质谷物[1]。蛋白质不仅影响加工食品的营养价值，而且也关乎食品的品质特性，食品的感官特性受蛋白质特性的影响，同时食品成分在加工过程中的物理特性也会受到蛋白质特性的影响，因此蛋白质研究是食品领域的热门之一[2]。

超声波处理可通过在一定范围内增加超声功率，使超声波振荡频率增加，液体中的压力增大，超声波的空化作用和机械剪切力作用得到增强，细胞壁被破坏的速度加快，有利于蛋白质分子展开并与溶剂接触，最终促进蛋白质溶解于提取液中，具有效率高、成本低、操作简单、污染小等优点[3-4]。其次，超声处理还改变了蛋白质的空间结构，从而改变蛋白的功能特性。邵婷等[5]以脱脂辣木籽粉为原料，采用超声辅助法提取蛋白质，最高提取率可达88.09%；李超楠等[6]采用超声波辅助提取碎米蛋白，其提取率高于碱溶酸沉法，提取时间缩短了2～3 h，且持水性、持油性、泡沫稳定性及乳化性均有所提高；耿军凤等[7]研究表明，在超声波功率密度3.17 W/cm3、时间30 min、温度35℃和占空比50%时，花生蛋白的溶解度、持水性和起泡性等功能特性有所改善。

本研究以燕麦为原料，考察不同超声功率及超声时间处理后燕麦蛋白质含量及功能特性的变化，以期为燕麦蛋白质相关产品的开发利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

燕麦：本地大润发超市购买。石油醚、NaOH、HCl、考马斯亮蓝G-250、磷酸、95%乙醇：均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；2,2’-联氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（ABTS）、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）：美国Sigma公司。

1.1.2 仪器与设备

YM-1000Y超声波细胞粉碎仪：上海新芝科技股份有限公司；VFD-1000冷冻干燥机：天津东美仪器公司；RE-2000A旋转蒸发仪：上海华科仪器仪表有限公司；ZNCL-BS恒温磁力加热搅拌器：上海越众仪器设备有限公司；TG-16W-I高速离心机：济南鑫宇鑫医疗设备有限公司。

1.2 方法

1.2.1 超声波处理燕麦及蛋白质的提取

取适量燕麦粒置于烧杯中，超声时在盛放样品的烧杯外套一个装有冷水的大烧杯（以达到控温的作用），分别采用超声功率100、200、300、400 W对燕麦超声波处理5、10、15、20、25、30 min，超声波处理结束后，将燕麦粒粉碎备用。

采用碱溶酸沉法[8]提取燕麦蛋白。将粉碎后的燕麦粉按料液比1∶2（g/mL）添加石油醚浸泡30 min后，将石油醚倒掉，并待石油醚挥发完全即可得脱脂燕麦粉。按料液比1∶10（g/mL）加入蒸馏水，调节溶液pH为10，于40℃水浴2 h，4 000 r/min离心20 min，收集上清液，调节pH为4有沉淀析出，静置、离心，将沉淀水洗至中性，进行冷冻干燥，即可得燕麦蛋白质。

1.2.2 燕麦中可溶性蛋白质含量的测定

采用考马斯亮蓝法，参照参考文献[9]并作修改。

以牛血清白蛋白制备标准溶液，绘制标准曲线C=0.009 0X-0.041 8，R2=0.993 5。

式中：X为吸光度；C为蛋白质浓度，μg/mL。

式中：C为蛋白质浓度，μg/mL；V为样液总体积，mL；m为样品质量，g。

1.2.3 燕麦蛋白质持油性的测定

参照参考文献[10]并略有修改：称取1 g燕麦蛋白质样品于离心管中，称量离心管和蛋白质样品的总质量，加入5 mL大豆油搅拌后，于4 000 r/min离心15 min，离心后取出游离油，称量离心管与管中沉淀物的总质量。式中：m为蛋白质样品的质量，g；m1为离心管和蛋白质样品的总质量，g；m2为离心管与管中沉淀物的总质量，g。

1.2.4 燕麦蛋白质乳化性的测定

参照参考文献[11]并作修改：取燕麦蛋白质样品0.50 g于10 mL蒸馏水中并加入等体积大豆油，用磁力搅拌器以1 800 r/min搅拌5 min，然后在2 000 r/min条件下离心10 min，记录乳化层高度，计算其乳化性。

1.2.5 燕麦蛋白质氮溶指数的测定

参照参考文献[12]并作修改：称0.5 g样品加入蒸馏水定容至50 mL，搅拌混匀后进行离心（2 000 r/min，15 min），取上清液，用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量，计算氮溶指数。

式中：NSI为蛋白质氮溶指数，%；N1为上清液中蛋白质含量，mg；N2为燕麦提取蛋白质含量，mg。

1.2.6 燕麦蛋白质DPPH·清除率的测定

DPPH·是一种稳定的自由基，其乙醇溶液显紫色，在517 nm处有最大吸收，当有自由基清除剂存在时，DPPH·的单电子由于被配对，DPPH·浓度减小而使其颜色变浅，在517 nm处的吸光度值变小，从而计算出其清除DPPH·的能力。

称取0.012 8 g DPPH溶解于50 mL容量瓶中，定容、摇匀配制成DPPH溶液[13]。取1 g燕麦蛋白质样品加入10 mL蒸馏水，摇匀后静置1 h，过滤，取上清液备用。2 mL DPPH溶液及1 mL 70%乙醇溶液在517 nm处的吸光度记为A0，2 mL DPPH溶液加入1 mL上清液在517 nm处的吸光度记为Ai，2 mL DPPH溶液加入1 mL 70%乙醇在517 nm处的吸光度记为Aj，按照下列公式计算DPPH·清除率（SA）。

1.2.7 燕麦蛋白质ABTS+·清除率的测定

参考刘晓燕等[14]的方法。取1 g燕麦蛋白质样品加入10 mL蒸馏水，摇匀后静置1 h，过滤，取上清液备用。取7 mmol/LABTS溶液（用pH为7.4的5 mmol/L磷酸缓冲液（PBS）配制），加入过硫酸钾最终浓度为2.45 mmol/L，在室温下黑暗放置12～16 h。使用前将ABTS溶液用PBS稀释成在734 nm下吸光度为0.70±0.02。取8μL样品，用PBS（5 mmol/L，pH 7.4）补至12μL，加入200μL ABTS溶液，30℃反应1 h。以去离子水为对照，在734 nm下测定吸光度，计算样品的ABTS＋·清除能力。

式中：A0为空白对照液的吸光度；A1为样品测定管的吸光度；A2为样品本底管的吸光度。

1.2.8 数据处理

采用Origin和Excel软件进行分析、处理试验数据。

2 结果与分析

2.1 不同超声处理条件对燕麦中可溶性蛋白质含量的影响

提取率的提高与超声波独特的热效应、机械效应、空化效应密不可分，但同时也与超声波对物质结构的影响有一定联系[15]。

由图1可以看出，超声处理后燕麦中可溶性蛋白质含量均高于未处理燕麦，不同超声功率下，超声前期，燕麦中可溶性蛋白质含量随超声时间的延长而升高，达到峰值后下降。可见适当的超声条件可以使燕麦中可溶性蛋白质含量升高，但超声功率过大、时间过长反而会使蛋白质变性，影响燕麦中可溶性蛋白质的溶出率。总的来看，超声功率大，可采用较短的超声时间，而超声功率小，则需要较长的时间才能达到最大值。

图1 不同超声处理条件对燕麦中可溶性蛋白质含量的影响Fig.1 Effects of different ultrasonic power and treatment time onsoluble protein content of oat

超声功率100 W在超声25 min时燕麦中可溶性蛋白质含量达到最高值，超声功率200、300、400 W时，燕麦中可溶性蛋白质含量均在15 min达到最高值，且超声功率200 W处理15 min的燕麦中可溶性蛋白质含量最高，为67.92 mg/g，因此确定其为最佳超声处理条件。

2.2 不同超声处理条件对燕麦蛋白质持油性的影响

持油性是指蛋白产品吸附油脂的能力，是非极性脂肪族链和蛋白质非极性区之间的疏水性互相作用的结果[16]。图2显示，超声处理后燕麦蛋白质的持油性均高于未处理燕麦，可能是由于超声波与脂肪分子中的烃链相互作用后，非极性残基侧链暴露于分子表面，从而导致油脂更易渗出[17]。随着超声时间的延长，燕麦蛋白质持油性达到最高值后有所下降，这可能是因为超声波处理使部分蛋白质变性，结构变得紧密，不溶性蛋白质增多，导致其持油性下降。超声功率100、200、300、400 W分别在超声20、15、10、5 min时出现最高峰，且超声功率200 W处理15 min的燕麦蛋白质持油性最佳，达到1.84 g/g。

图2 不同超声处理条件对燕麦蛋白质持油性的影响Fig.2 Effects of different ultrasonic power and treatment time on oil retention of oat protein

2.3 不同超声处理条件对燕麦蛋白质乳化性的影响

蛋白质作为一种表面活性物质，既含有亲水性基团，又含有亲油性基团，具有降低水-油界面表面张力的作用，同时其降低水和空气表面张力的能力表现为乳化稳定性，在食品加工中应用蛋白质的表面活性，使产品具有乳化稳定状态，进而可以延长产品货架期[18]。

蛋白质分子的空间结构随着超声波处理时间的增加而愈加疏松，从而使极性部分朝向水相，非极性部分朝向脂质，适当的超声处理可以提高燕麦蛋白的乳化性能[19]。由图3可见，超声功率100 W在处理25 min时蛋白质乳化性达到最大值，超声功率200、300 W在超声15 min时达到最大，超声功率400 W则在超声10 min时达到最大值。超声功率为200 W处理15 min时乳化性最高（49.82%），为最佳超声处理条件。

图3 不同超声处理条件对燕麦蛋白质乳化性的影响Fig.3 Effects of different ultrasonic power and treatment time on emulsification of oat protein

2.4 不同超声处理条件对燕麦蛋白质氮溶指数的影响

超声波处理能够一定程度提高燕麦蛋白质的氮溶指数，这可能是由于超声处理过程中，超声空穴效应增大了固液接触的表面积，大量的空穴气泡使得蛋白颗粒周围形成较大的压强，充分伸展了蛋白质的空间结构，肽键断裂，相互间的作用力下降，亲水性氨基酸暴露，从而增强了溶解性[20]。

由图4可见，超声功率为100 W在处理20 min时氮溶指数达到最大值，超声功率200、300、400 W则均在超声15 min时达到最大，之后，随着超声时间继续延长，氮溶指数有所下降。超声功率为400 W处理15 min时氮溶指数达到最高（29.01%），与200 W处理15 min最高值（28.91%）接近。综合考虑，选择最佳超声处理条件为200 W处理15 min。

图4 不同超声处理条件对燕麦蛋白质氮溶指数的影响Fig.4 Effects of different ultrasonic power and treatment time on nitrogen solubility index of oat protein

2.5 不同超声处理条件对燕麦蛋白质DPPH·清除率的影响

蛋白质的结构是其功能特性的基础，空间结构的改变会在一定程度上引起蛋白质功能特性的变化[21]。超声波处理不只对蛋白质的理化功能特性有影响，对蛋白质的生物活性也有一定程度的影响。

由图5可以看出，未经超声处理时，燕麦蛋白质对DPPH·的清除率为26.01%，随着超声时间和功率的变化，燕麦蛋白质对DPPH·的清除作用均有一定程度的提高，这可能与超声波处理改变了燕麦蛋白质的结构有关。超声功率为100 W在处理20 min时，燕麦蛋白质DPPH·清除率达到最大值，超声功率200 W在超声15 min时达到最大值，超声功率300、400 W则在超声10 min时达到最大值。超声功率为200 W处理15min时DPPH·清除率达到最高（88.03%），为最佳超声处理条件。

图5 不同超声处理条件对燕麦蛋白质DPPH·清除率的影响Fig.5 Effects of different ultrasonic power and treatment time on DPPH free radical scavenging rate of oat protein

2.6 不同超声处理条件对燕麦蛋白质ABTS+·清除率的影响

由图6可以看出，超声波处理能够提高燕麦蛋白质对ABTS+·的清除作用，随着超声时间的延长，各功率下燕麦蛋白质对ABTS+·的清除率呈现先升高后降低的趋势。超声功率为100 W在处理20 min时，燕麦蛋白质ABTS+·清除率达到最大值，超声功率200、300 W均在超声15 min时达到最大，超声功率400 W则在超声10 min时达到最大值。超声功率为200 W处理15 min时ABTS+·清除率达到最高（81.93%），为最佳超声处理条件。

图6 不同超声处理条件对燕麦蛋白质ABTS+·清除率的影响Fig.6 Effects of different ultrasonic power and treatment time on ABTS cation free radical scavenging rate of oat protein

3 结论

本试验研究了不同超声功率和超声时间对燕麦中可溶性蛋白质含量、功能特性及抗氧化活性的影响。结果表明，超声功率200 W处理15 min为最佳超声处理条件。适当的超声波处理可以提高燕麦的可溶性蛋白质含量，改善燕麦蛋白质功能特性和抗氧化性，但是超声时间过长、功率过高会破坏蛋白质的空间结构、改变蛋白质分子聚集程度以及蛋白质表面的疏松程度等，致使蛋白质变性[22]，蛋白质持油性、乳化性等蛋白质特性以及DPPH·清除率、ABTS+·清除率出现下降的趋势，从而对蛋白质食品及生物活性产生不利影响。本试验结果可为燕麦蛋白质相关产品的开发利用提供理论参考。