從碎米和米渣中提取大米蛋白的研究進(jìn)展

從碎米和米渣中提取大米蛋白的研究進(jìn)展

美國(guó)蛋白質(zhì)是一種公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)植物蛋白，具有平衡、合理、低過(guò)敏等特點(diǎn)。適合嬰兒和特殊人群的營(yíng)養(yǎng)食品。國(guó)內(nèi)外高度重視對(duì)美國(guó)蛋白質(zhì)的研究和開發(fā)。從經(jīng)濟(jì)性角度看,直接從整米中提取并不是最佳選擇,但碎米、米渣可作為大米蛋白提取的原料。我國(guó)稻米資源豐富,稻谷總產(chǎn)量達(dá)到1.867億t,約占糧食作物總產(chǎn)量的44%。稻谷在加工過(guò)程中產(chǎn)生約55%的整米,15%的碎米,10%的米糠和20%的谷殼。但是碎米和米糠的售價(jià)及綜合利用水平一直不高,為了提升碎米的附加值,很多企業(yè)用碎米生產(chǎn)大米淀粉糖,提糖后的殘?jiān)械鞍踪|(zhì)含量高達(dá)50%,因此,殘?jiān)勺鳛樘崛〈竺椎鞍椎膬?yōu)質(zhì)資源。據(jù)報(bào)道:在大米淀粉糖生產(chǎn)中每消耗7t碎米將產(chǎn)生1t米渣蛋白,因此米渣蛋白資源甚為可觀。目前碎米或早秈米生產(chǎn)糖產(chǎn)生的米渣主要用于動(dòng)物飼料,未能將這一寶貴的蛋白資源進(jìn)行更充分的利用。筆者重點(diǎn)論述從碎米和米渣中提取大米蛋白的方法和對(duì)大米蛋白改性的研究進(jìn)展。1蛋白質(zhì)氨基酸大米蛋白的氨基酸配比合理,生物價(jià)為77,不但在各種糧食中居第一位(包括大豆),而且可以與魚(生物價(jià)76)、蝦及牛肉相媲美。大米中蛋白質(zhì)的氨基酸成分比較完全,含有人體和動(dòng)物生長(zhǎng)所必需的各種氨基酸,與FAO/WHO所推薦的營(yíng)養(yǎng)配比模式極相近(如表1所示)。同時(shí),大米蛋白是一種低抗原性蛋白,不會(huì)產(chǎn)生過(guò)敏反應(yīng),美國(guó)臨床研究表明,在700個(gè)遺傳性過(guò)敏癥的病例中,高度過(guò)敏病人中對(duì)大米蛋白過(guò)敏的低于1%,而兒科過(guò)敏病人中很少對(duì)大米蛋白過(guò)敏。2pb-及民糖抗氧化蛋白的結(jié)構(gòu)及功能按照Osborne的分類方法,大米蛋白質(zhì)可分為清蛋白(Albumin)——可溶解于水的蛋白質(zhì)(4%～9%);球蛋白(Globulin)——可溶于稀鹽的蛋白質(zhì)(10%～11%);醇溶蛋白(Gliadin)——可溶解于70%乙醇的蛋白質(zhì)(3%);谷蛋白(Glutenin)——可溶于稀酸或稀堿的蛋白質(zhì),其中水不溶性的谷蛋白占66%～78%。大米蛋白在胚乳中主要以PB-I和PB-Ⅱ兩種蛋白體形式存在,PB-Ⅰ具有明顯的片層結(jié)構(gòu),顆粒致密,表面有許多核糖體;而PB-Ⅱ呈橢圓形,質(zhì)地均勻,表面沒(méi)有核糖體。超微結(jié)構(gòu)觀察和生化研究表明,PB-Ⅱ的數(shù)量多于PB-Ⅰ。經(jīng)過(guò)SDS分析,α-谷蛋白和β-谷蛋白分子以及12ku蛋白產(chǎn)生抗體,這些抗體顯示高特異性,25ku球蛋白和12ku醇溶蛋白的抗體與其各自的蛋白肽反應(yīng)強(qiáng)烈,而與其它蛋白之間存在輕微的可交叉反應(yīng)。球蛋白位于胚乳細(xì)胞中,OgawaM的SDS分析顯示,PB-I包含幾種多肽組,主要是分子最大的13ku醇溶蛋白組和分子較小的10ku、16ku的球蛋白組等,后來(lái)又發(fā)現(xiàn)13ku由13a和13b兩種不同分子量的蛋白組成,13a和13b中醇溶蛋白的含量占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),所以PB-I是醇溶蛋白的儲(chǔ)藏體。據(jù)Krishnan等報(bào)道,PB-Ⅱ中的球蛋白包裹在谷蛋白的外圍,有些可能是蛋白酶,這樣的位置分布有利于谷蛋白的水解和利用。由于PB-I和PB-Ⅱ在結(jié)構(gòu)成分上的差異,它們的可消化性也有明顯不同。PB-I穩(wěn)定,對(duì)蛋白酶有較強(qiáng)的抵抗力,可能是醇溶蛋白含有較多二硫鍵的緣故,而PB-Ⅱ則容易被酶水解。Chrastil等對(duì)大米蛋白分析還表明,大米谷蛋白中除氨基酸外還有非氨基酸成分,他們將純化后的谷蛋白用三氯乙酸水解,然后作薄層透析,發(fā)現(xiàn)還有2%的葡萄糖的存在,蛋白與葡萄糖結(jié)合非常牢固,用尿素-巰基乙醇處理再用硫酸氨沉淀也無(wú)法將兩者分開。次糖鏈結(jié)構(gòu)主要是乙酰-N-半乳糖β-1,3半乳糖結(jié)構(gòu),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在大米蛋白中有50多種非氨基酸成分與其共存,其中包括具有抗乳腺癌作用的三萜烯醇、多種阿魏酸和脂肪酸等。從蛋白質(zhì)種類的分布看,清蛋白、球蛋白的比例在其外層最高,越往中心越低,而谷蛋白的含量恰好相反。3大米蛋白的提取大米蛋白提取的目的是為了獲得高純度的大米蛋白產(chǎn)品,一般稱為大米分離蛋白(RPI)和大米濃縮蛋白(RPC)兩大類,大米蛋白目前提取方法有多種:酶法、堿法、復(fù)合提取法、排雜法和物理方法等。3.1酶法提取大米蛋白酶法提取是利用蛋白酶對(duì)大米蛋白降解和修飾作用,使其變成可溶性的肽而被提出,這種方法反應(yīng)條件溫和,提取的大米蛋白沒(méi)有異味,性能良好。按照蛋白酶作用條件不同可分為酸性蛋白酶、中性蛋白酶和堿性蛋白酶。郭榮榮等用Alcalase堿性蛋白酶提取秈米中的大米蛋白,發(fā)現(xiàn)在溫度為50℃,pH為8,E/S為5%,液固比為3∶1,酶解時(shí)間為4h時(shí),大米蛋白提取率為40%,蛋白質(zhì)純度為45%;還有人用胃蛋白酶從米渣中提取大米蛋白,提取率為72.4%。蛋白酶法提取蛋白的工藝,有限水解可使蛋白溶解性有一定增加,但過(guò)度水解會(huì)降低蛋白質(zhì)的某些功能性,并限制其在某些食品工業(yè)中的應(yīng)用。α-淀粉酶可以有效地去除蛋白液中的淀粉,對(duì)大米蛋白營(yíng)養(yǎng)、品質(zhì)和理化特性影響較小,并且可以減輕環(huán)境污染。此外,α-淀粉酶可將大米淀粉降解為易溶解的糊精和低聚糖,可通過(guò)離心或過(guò)濾方法將其除去,相對(duì)提高沉淀物中的蛋白質(zhì)含量,從而可以生產(chǎn)高質(zhì)量的大米蛋白粉。Morita在1993年報(bào)道了用高溫液化的淀粉酶在97℃下與大米粉反應(yīng)2h,然后將糖類物質(zhì)過(guò)濾,得到的大米蛋白純度在90%以上,生產(chǎn)工藝如下:近期還有采用高溫α-淀粉酶酶解淀粉制取麥芽糊精,然后分離提取濃縮蛋白的報(bào)道,報(bào)道結(jié)果顯示,在使用高溫α-淀粉酶3ml、固液比1∶4、酶解溫度95℃、酶解時(shí)間1h、DE值為8.44的情況下,大米蛋白純度達(dá)82.41%,提取率高達(dá)94.69%。麥芽糊精的理論平均分子量為2140.68u;通過(guò)蛋白質(zhì)氨基酸組成分析表明,氨基酸組成沒(méi)有明顯變化。蛋白酶也可用于米粉中蛋白質(zhì)的提取,但是谷蛋白經(jīng)蛋白酶水解后產(chǎn)生易溶于水的小分子,產(chǎn)品的乳化性能增加。這種方法可以用于提取蛋白后剩余部分來(lái)生產(chǎn)大米淀粉,使淀粉質(zhì)量明顯提高。酶法提取由于酶制劑價(jià)格昂貴,特別是復(fù)合使用幾種酶,生產(chǎn)成本高,要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要一定時(shí)間的研究。至于提取大米蛋白具體采用何種蛋白酶更加合適,不同研究由于采用酶來(lái)自不同生產(chǎn)廠商,酶活力、組成等存在不同,采用原料不同,提取工藝也不盡相同,所以結(jié)論也有所差異。3.2對(duì)大米淀粉性質(zhì)的改變大米胚乳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密,淀粉顆粒細(xì)小,并幾乎全部以復(fù)粒形式存在;蛋白質(zhì)與淀粉顆粒結(jié)合緊密,蛋白分子間通過(guò)二硫鍵和疏水基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)而凝聚。堿溶酸沉法一般是用10～15倍體積的NaOH(濃度0.1～0.2mol/L)溶液,在常溫下提取1～2.5h,蛋白質(zhì)抽提率可達(dá)90%以上。Ju和Hettiarachchy采用新的提取工藝,使總蛋白的回收率達(dá)到97.4%。有報(bào)道指出,堿法提取蛋白后的大米淀粉可用于食品、化妝品和醫(yī)藥工業(yè),但用堿溶液提取蛋白質(zhì)的同時(shí)也改變了大米淀粉的性質(zhì),給淀粉的利用帶來(lái)新的問(wèn)題。堿溶酸沉法提取大米蛋白的工藝過(guò)程如下:碎米→堿液浸泡2～3h→磨漿過(guò)100目篩→加堿液攪拌提取→離心分離→蛋白上清液→酸沉→離心分離→調(diào)pH值→離心分離→干燥→蛋白粉(包裝)。WangM試驗(yàn)了不同濃度的NaOH溶液提取大米中的蛋白質(zhì),實(shí)驗(yàn)表明在高堿濃度提取的狀況下,會(huì)引起蛋白質(zhì)的劇烈變性,而且Maillard反應(yīng)劇烈,產(chǎn)生褐色物質(zhì),影響最終蛋白產(chǎn)品的品質(zhì),高堿環(huán)境會(huì)導(dǎo)致氨基酸之間的縮合反應(yīng),生成lysinoalnine等有毒物質(zhì),損壞腎臟功能;Cloria早在1966年就將大米蛋白的提取率提高到90%以上,但是由于料液比為1∶20,在加工過(guò)程中有大量廢水出現(xiàn),用水量大,運(yùn)營(yíng)成本高,后來(lái)的研究者針對(duì)這一問(wèn)題對(duì)提取工藝做了進(jìn)一步優(yōu)化,將酶法列入到大米蛋白的提取中。堿水解和酶水解有著本質(zhì)的區(qū)別,堿法提取蛋白質(zhì)是提取其中占蛋白質(zhì)總量80%以上的堿溶性蛋白,是蛋白質(zhì)大分子,但強(qiáng)堿可能會(huì)使氨基酸之間縮合產(chǎn)生有毒物,且產(chǎn)生苦澀怪味;而酶法提取則可提取更多的水溶性蛋白、醇溶蛋白及經(jīng)降解和修飾水溶性小分子活性肽和游離氨基酸,不僅不會(huì)破壞大米蛋白生物功能,降低提取物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,而且還可以提高和促進(jìn)人體對(duì)其消化和吸收。因此從營(yíng)養(yǎng)角度和風(fēng)味角度以及生物功能等多方面考慮,酶法水解提取蛋白質(zhì)要優(yōu)于堿法提取。3.3蛋白質(zhì)的提取由于單純使用堿法或酶法提取會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題,人們開始考慮采用復(fù)合提取法,既保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率,又盡可能的降低成本。有人采用堿、酶兩步法從米渣分步提取大米蛋白,獲得較好的效果。該方法先用堿溶法提取部分蛋白質(zhì),然后采用堿性蛋白酶對(duì)殘?jiān)p微水解,以提高蛋白質(zhì)的溶解性,進(jìn)行蛋白質(zhì)二次提取,使蛋白質(zhì)提取率達(dá)到78.8%。碎米采用堿酶兩步法提取大米蛋白,工藝流程如下:碎米→粉粹(過(guò)80目篩)→稀堿提取(pH11.0、50℃、水料比8、120min)→離心(3000r/min、20min)→蛋白液→淀粉酶水解(120U/g、pH6.0、50℃、30min)→滅酶(pH9.0、15min)→離心(3000r/min、30min)→沉淀→冷凍干燥→大米蛋白,大米蛋白提取率為73.22%,純度為88.75%。3.4其他物理法提取大米蛋白最近又提出一種提取大米蛋白的方法——排雜法,它是以去除雜質(zhì)為目標(biāo),采用各種可行的手段,盡量把各種非蛋白成分除去,最終獲得高純度的大米蛋白,工藝流程如下:在對(duì)米糟一般化學(xué)成分的含量與特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,采用己烷抽提脫脂、粉碎、熱水洗滌、除糖等方法,制備食用大米濃縮蛋白。發(fā)現(xiàn)原料中的蛋白質(zhì)回收率達(dá)到94.6%,產(chǎn)品中蛋白質(zhì)含量達(dá)到72.5%,與傳統(tǒng)的堿溶酸沉法和蛋白酶水解法相比具有明顯的優(yōu)越性。還有人嘗試采取用物理法進(jìn)行輔助提取,如Tang等分別采用超聲波、凍結(jié)-融解、高壓力、高剪切力對(duì)米糠進(jìn)行預(yù)處理,再進(jìn)行酶法提取,結(jié)果表明提取率得到一定的提高。2005年《世界農(nóng)業(yè)》報(bào)道,經(jīng)4年研究,美國(guó)科學(xué)家最近發(fā)明了一種價(jià)效比更高的新方法,即利用一種特別的均質(zhì)器所產(chǎn)生的高壓,對(duì)大米中的淀粉和蛋白質(zhì)聚成塊進(jìn)行物理分解。大米只需一次性通過(guò)這種設(shè)備,即可產(chǎn)生水狀的顆粒均勻的淀粉和蛋白質(zhì)微分子,利用淀粉顆粒和蛋白質(zhì)分子的密度不同進(jìn)行離心分離。這種新工藝可保留所提取大米蛋白質(zhì)和淀粉原有的品質(zhì),生產(chǎn)出的蛋白質(zhì)和淀粉與傳統(tǒng)的加工方法相比具有更好的完整性和功能性。他們認(rèn)為,這種新方法有可能對(duì)大米淀粉和蛋白質(zhì)生產(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性變化。目前,美國(guó)科學(xué)家正在研究采用同樣的工藝從米糠中提取蛋白質(zhì)。大米蛋白的提取方法較多,對(duì)于如何提取,科技人員進(jìn)行過(guò)很多研究工作,酶法提取大米蛋白,雖然大米蛋白的性質(zhì)良好,但生產(chǎn)成本高,得率偏低;堿法提取存在環(huán)保問(wèn)題;排雜法生產(chǎn)成本高、所得產(chǎn)品中難免有試劑殘留,存在安全隱患等問(wèn)題;物理分離需要有特制處理設(shè)備。所以今后研究方向應(yīng)針對(duì)具體原料,把常規(guī)方法加以合理組合進(jìn)行大米蛋白提取有良好的應(yīng)用前景。4谷蛋白肽中的大米蛋白大米蛋白改性的目的是獲得發(fā)泡性、乳化性和溶解性等性能得以增強(qiáng)的或者具有蛋白質(zhì)生理活性物質(zhì)的一些產(chǎn)品,大米蛋白功能性差主要原因是含有一定數(shù)量的谷蛋白肽。大米蛋白中谷蛋白含有兩條多肽鏈,一條為α鏈,一條為β鏈,α鏈的等電點(diǎn)是6.6～7.5,β鏈的等電點(diǎn)為9.4～10.3,在pH值4～10時(shí)溶解性差,因此非蛋白酶水解獲得的大米濃縮蛋白和大米分離蛋白的溶解性小,進(jìn)而導(dǎo)致其穩(wěn)定性、乳化性、發(fā)泡性等性能不佳,影響了大米在溶液體系中的應(yīng)用。因此有必要對(duì)大米蛋白進(jìn)行改性研究,一般改性采用酶或酸堿對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行水解,以獲得可溶性的蛋白。4.1確定最佳工藝條件,在食品中的應(yīng)用目前,國(guó)內(nèi)外大米蛋白的改性工作主要采用蛋白酶水解,一般采用風(fēng)味酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、復(fù)合蛋白酶等對(duì)大米蛋白進(jìn)行改性研究,改性后蛋白溶解度、穩(wěn)定性和乳化性比未改性蛋白明顯增強(qiáng)。有人研究在中性條件下,用堿性蛋白酶酶解,4%蛋白酶解物溶液的氮溶解指數(shù)(NSI)為95%、乳化性為55%、起泡性為70%。頓新鵬等人還用木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、復(fù)合蛋白酶等四種酶的單酶和雙酶酶解大米蛋白,獲得水溶性良好的改性大米蛋白。通過(guò)性能測(cè)定,證明了堿性蛋白酶在水解大米蛋白的過(guò)程中明顯優(yōu)于其他蛋白酶。后來(lái)又試驗(yàn)比較了五種蛋白酶的水解效率,最后確定用胰蛋白酶進(jìn)行水解,但在高水解度下,產(chǎn)生一定小分子的苦味肽。胡中澤等采用酶法水解制取大米蛋白發(fā)泡粉,考察固液比、酶用量、水解時(shí)間、pH值以及溫度等因素對(duì)產(chǎn)品起泡性能的影響,通過(guò)正交試驗(yàn),確定制取起泡性和穩(wěn)定性能較好產(chǎn)品時(shí)最佳工藝條件,可應(yīng)用到食品中。有報(bào)道指出,可用木瓜蛋白酶對(duì)蛋白進(jìn)行酶解,再在酶解液中加入蔗糖液、檸檬液、水、防腐劑等進(jìn)行調(diào)配,配制成氨基氮蛋白飲料,產(chǎn)品清澈透亮,甜度適口。從現(xiàn)階段來(lái)看,大米蛋白飲料的開發(fā)是一個(gè)熱門課題,但是存在水解大米蛋白一些不良?xì)馕逗惋L(fēng)味的問(wèn)題,為了解決這些難題,在水解過(guò)程中需對(duì)某些氨基氮基團(tuán)進(jìn)行修飾,采用微生物發(fā)酵的辦法對(duì)大米蛋白進(jìn)行降解,是改善蛋白風(fēng)味的一個(gè)方法。發(fā)酵的關(guān)鍵是菌種,吳國(guó)杰等用絲綢加工業(yè)的副產(chǎn)品——蠶蛹與大米一起發(fā)酵,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),最終得到一種新型發(fā)酵飲料,發(fā)酵后汁液甜香濃郁,糖度較高,氨基酸含量達(dá)到1000mg/L。蠶蛹蛋白質(zhì)降解后生成的氨基酸不僅可作為一種補(bǔ)充蛋白質(zhì)的食品加工輔料,還增加了大米發(fā)酵飲料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,大大改善了大米蛋白飲料的色澤和風(fēng)味。暨南大學(xué)田利春確定了大米酶解的最佳工藝參數(shù)、飲料的最佳風(fēng)味配方和乳化穩(wěn)定劑配方,并對(duì)大米飲料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和貯藏穩(wěn)定性進(jìn)行了探討。確定了飲料的最佳風(fēng)味配方,為蛋白飲料的研制提供了一定的基礎(chǔ)。國(guó)外在大米蛋白的酶法改性方面和國(guó)內(nèi)大致相仿,對(duì)Pronase酶處理的米谷蛋白進(jìn)行水解物的功能性評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)處理后的米谷蛋白在pH值2～12時(shí)溶解性增加,發(fā)泡性和乳化性也得到一定的改善。大米蛋白中天門冬氨酸和谷氨酸的含量很高,其脫酰氨和蛋白質(zhì)水解物可作為食品風(fēng)味增強(qiáng)劑。用蛋白酶(Alcalase)2～4L處理米糠,使其7.6%的肽鍵水解,然后用高效液相色譜分離,進(jìn)一步脫氨發(fā)現(xiàn),可得到很好的風(fēng)味增強(qiáng)劑。功能肽是具有調(diào)節(jié)人體生理節(jié)律、增強(qiáng)機(jī)體防御功能、預(yù)防疾病等功能的生物活性分子。蛋白質(zhì)水解可以產(chǎn)生某些活性肽,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了多種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的活性肽。現(xiàn)在報(bào)道較多的是大米來(lái)源活性肽,Ma.CY.采用胰蛋白酶消化大米蛋白獲得的一種新的生物活性肽,結(jié)構(gòu)為Gly-Tyr-Pro-Met-Tyr-Leu-Pro-Arg,命名為Oryzatensin,也可表示為:GTPMTLPA,具有引起豚鼠回腸收縮、抗嗎啡和免疫調(diào)節(jié)活性的功能。Oryzatensin顯示了二步回腸收縮方式,當(dāng)濃度較低時(shí)如0.3μmol/L,只能引起回腸緩慢收縮,濃度較高時(shí)如5μmol/L,則快速收縮后跟隨著緩慢收縮。大米蛋白中含有較高的天冬氨酸、谷氨酸及其酰胺,大米蛋白的水解和脫酰胺作用還可產(chǎn)生某些風(fēng)味肽,當(dāng)酶解產(chǎn)物與糊精混合經(jīng)噴霧干燥即得到市售的食品風(fēng)味改良劑。分析表明這類風(fēng)味肽中谷氨酸的含量很高,它與鹽結(jié)合形成谷氨酸單鈉鹽而呈現(xiàn)鮮味。4.2大米蛋白的乳化性能酸法脫酰胺改性也是大米蛋白改性的一種方法,酸法脫酰胺的蛋白質(zhì)與未改性樣品比較,溶解度、乳化與乳化穩(wěn)定