裸燕麥球蛋白提取條件及其功能特性研究*

藺瑞，張美莉，劉全旺

1(內蒙古農業(yè)大學食品科學與工程學院，內蒙古呼和浩特，010018)2(內蒙古伊利實業(yè)集團股份有限公司，內蒙古呼和浩特，010080)

內蒙古是我國歷年種植燕麥面積最大的省份，約占全國種植面積的35%以上［1］。在這一地區(qū)發(fā)展燕麥生產具有得天獨厚的綠色生態(tài)條件。

燕麥具有抗血脂成分、高水溶性膠體、營養(yǎng)平衡的蛋白質等，它對提高人類健康水平有著非常重要的價值。因而被營養(yǎng)學家譽為“全價營養(yǎng)食品”［2］。

國內外大量研究表明，燕麥籽粒中的粗蛋白高達12% ～18%，居其他禾谷類作物之首。燕麥中蛋白質是任何谷物中氨基酸最平衡的谷物之一，這些蛋白質中含有18種氨基酸，其中8種是人體必需氨基酸，且配比合理、人體利用率高，其蛋白質營養(yǎng)價值可與雞蛋媲美［3～5］。近些年來，西方國家由于過量食用動物蛋白，從而導致肥胖癥、肝損傷、血糖、血脂異常等“富貴病”，于是，將目光轉向大豆、燕麥等高營養(yǎng)植物蛋白。對于缺乏動物蛋白的第三世界國家和貧困地區(qū)，燕麥食品無疑是一種很好的植物蛋白來源［6］。

本試驗采用Osborne分級法提取裸燕麥球蛋白，尋找最佳提取工藝條件提高蛋白提取率，并對裸燕麥球蛋白的溶解性、乳化性、起泡性、黏度等功能特性進行研究，為裸燕麥蛋白的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及主要儀器

材料:裸燕麥，取自內蒙古武川縣，貯藏于0～4℃;大豆色拉油，市售。

藥品試劑:牛血清白蛋白(BSA)、VC(Sigma化學藥品公司);考馬斯亮藍G－250、十二烷基硫酸鈉(SDS)、鄰二氮菲、硫酸亞鐵、雙氧水等為分析純(AR)。

主要儀器:K9850全自動凱氏定氮儀(濟南海能儀器有限公司)，紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)，H2500R-2高速冷凍離心機(湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司)，RE-52AA旋轉蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)，F(xiàn)D-2冷凍干燥機(北京博醫(yī)康實驗儀器公司)。

1.2 實驗方法

1.2 .1 Osborne法提取裸燕麥球蛋白

裸燕麥去殼、脫毛、磨粉，并在低溫下用乙醚或石油醚浸泡80目裸燕麥粉去除脂肪，得到裸燕麥脫脂粉，于4℃下保存?zhèn)溆谩２捎肙sborne［7］方法分級提取裸燕麥球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白，測定各貯藏蛋白的含量，并對提取球蛋白工藝條件進行優(yōu)化。

1.2 .2 溫度對裸燕麥球蛋白提取率的影響

分別在0～4℃，25～29℃，40～45℃下提取裸燕麥球蛋白，測定蛋白提取率及清除羥自由基能力［8］。

1.2 .3 單因素提取條件對球蛋白提取率的影響

1.2 .3.1 NaCl質量分數(shù)的影響

5 g脫脂裸燕麥粉在料液比1∶15(g∶mL)、提取時間40 min、NaCl質量分數(shù)分別為5%、8%、10%、15%NaCl的條件下，提取上清液，測定其蛋白濃度。

1.2 .3.2 料液比的影響

設計料液比分別為 1∶5、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20、1∶25，10%NaCl提取 40 min，測定其蛋白濃度。1.2.3.3 提取時間的影響

設計提取時間分別為 15、20、25、30、35、40、45、50 min，料液比 1∶15，10%NaCl，測定其蛋白濃度。

1.2 .3.4 提取次數(shù)的影響

在料液比1∶15、提取時間40 min、NaCl 10%的條件下，提取上清液，如此重復溶解、離心、收集上清液共7次。合并上清液并測定其蛋白濃度。

1.2 .4 正交試驗設計優(yōu)化球蛋白提取條件

在單因素試驗的基礎上，選取NaCl質量分數(shù)、料液比、提取時間為因素，設計正交試驗(表1)，以裸燕麥球蛋白提取率為指標進行考察。

表1 球蛋白提取因素與水平表

1.2 .5 裸燕麥球蛋白的溶解性測定［10］

依據(jù)對氮溶解指數(shù)(NSI)所述方法加以改進，將4份15 mL 1%裸燕麥球蛋白溶液，用0.5 mol/L HCl或0.5 mol/L NaOH溶液分別調 pH值至3.0、5.0、7.0、9.0，磁力攪拌 45 min 后，10 000 g 離心 15 min，采用考馬斯亮藍法測定上清液中的蛋白質含量，并繪制出NSI-pH曲線。

1.2 .6 裸燕麥球蛋白的乳化活性測定［11］

對Pearce K N所述方法加以改進，將12 mL 1%裸燕麥球蛋白溶液用0.1mol/L HCl或0.1mol/L NaOH分別調 pH 值 至3.0、5.0、7.0、9.0后，加入4 mL脫酸大豆色拉油，磁力攪拌1 min后，立即于容器底部取樣50 μL，用0.1%SDS溶液稀釋適當倍數(shù)，混勻后500 nm處測定吸光值，以SDS溶液作為空白。室溫放置30 min后再次取樣測定。計算并作圖。

乳化活性(EAI)按下式計算:

乳化穩(wěn)定性(ESI)按下式計算:

式中:c為樣品濃度(g/mL);Φ為乳化液中油相的比例(0.25);L為比色杯光徑(1 cm);N為稀釋倍數(shù);A0為0時的吸光度;A1為30 min后的吸光度;t時間間隔(30 min)。

1.2 .7 裸燕麥球蛋白的黏度測定

在35℃、pH值7.0條件下將裸燕麥球蛋白溶液分別配成 15、25、50、100、200 g/L 溶液，用黏度計測其表觀黏度。

1.2 .8 裸燕麥球蛋白的起泡性測定［12］

分別稱取 4份 20 mL，20 g/L樣品溶液，用0.5mol/L HCl或0.5mol/L NaOH溶液分別調pH值至3.0、5.0、7.0、9.0，然后以 9 500 r/min 高速攪打 3 min，測量攪打停止時的液體總體積V0和攪打30 min和60 min后的液體總體積V1。

2 結果與分析

2.1 裸燕麥蛋白的組成分布

通過索氏抽提法測得裸燕麥中脂肪所占比例為19.8%。裸燕麥脫脂粉中總蛋白利用凱氏定氮法測得約占13%，各貯藏蛋白成分的分布情況如圖1所示。裸燕麥蛋白質中的球蛋白為主要蛋白質，占裸燕麥總蛋白的55%，占脫脂粉的7.15%。其次是谷蛋白，占總蛋白的30%。醇溶蛋白占11%，其他蛋白占4%。這與胡新中［13］報道的燕麥蛋白組成相一致。

圖1 蛋白質組分在裸燕麥蛋白中的分布

2.2 溫度對裸燕麥球蛋白提取率的影響

為了確定適宜的提取溫度，以蛋白提取率和清除羥自由基能力為考察指標進行試驗。由表2可知，提取溫度在40～45℃時球蛋白提取率最高為41.9%，而羥自由基清除率為28.5%。提取溫度在0～4℃時球蛋白提取率為27.5%，而羥自由基清除率最高為47.1%，所以本試驗選擇提取溫度為0～4℃。

表2 溫度對球蛋白提取率及羥自由基清除率的影響

2.3 單因素提取條件對裸燕麥球蛋白提取率的影響

2.3.1 NaCl質量分數(shù)對球蛋白提取率的影響

球蛋白不溶于水和高濃度的鹽溶液，但溶于稀鹽溶液，故稱為鹽溶蛋白［14］。由圖2可知，隨著NaCl質量分數(shù)的增加，提取率有所上升，但當NaCl質量分數(shù)增加到10%時提取率達到最大值，而后稍有下降。故最適NaCl質量分數(shù)為10%。

圖2 NaCl質量分數(shù)對球蛋白提取率的影響

2.3.2 料液比對裸燕麥球蛋白提取率的影響

由圖3可知，隨著料液比的增加，球蛋白提取率呈不規(guī)律波動。當料液比1∶12(g∶mL)時，球蛋白提取率達最高，為30.2%。如果料液比過小，提取體系的黏度過大，不利于蛋白質的溶出，使提取不完全;但增大料液比到一定比例后，蛋白溶出量達最大，而后趨于平緩或下滑。故最適料液比為1∶12。

圖3 料液比對球蛋白提取率的影響

2.3.3 提取時間對裸燕麥球蛋白提取率的影響

由圖4可知，隨著提取時間的增加，球蛋白提取率不斷上升，當提取時間為35 min時，球蛋白提取率最高，為32.0%，隨后趨于平緩。提取時間不宜過長，否則蛋白質易變性或易受微生物污染。故最適提取時間為35 min。

2.3.4 提取次數(shù)對裸燕麥球蛋白提取率的影響

由圖5可知，隨著提取次數(shù)的增加，球蛋白提取率不斷上升，當提取次數(shù)為5次時，球蛋白的提取率最高為72.5%，隨后趨于平緩，表明殘渣中球蛋白已基本提取完全。故最適提取次數(shù)為5次。

圖4 提取時間對球蛋白提取率的影響

圖5 提取次數(shù)對球蛋白提取率的影響

2.4 正交試驗設計優(yōu)化球蛋白提取條件

從表3中的提取率可以看出，A2B1C2的提取率最高為90.4%，通過極差R值的比較得出，影響本試驗結果因素的主次順序為NaCl質量分數(shù)＞提取時間＞料液比，表明NaCl質量分數(shù)是提取球蛋白的關鍵影響因素。通過比較k1、k2、k3，得最優(yōu)試驗方案為A2B1C3，考慮到試驗效率，確定最佳提取條件為A2B1C2，即 NaCl質量分數(shù)10%，料液比1∶10，提取時間35 min。對最佳試驗方案A2B1C2進行多次重復試驗驗證，結果表明該提取條件穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，提取率達到90%以上。

表3 球蛋白提取正交試驗結果

2.5 裸燕麥球蛋白的溶解性

試驗顯示pH值對裸燕麥球蛋白溶解性有一定的影響(圖6)。pH值在3.0～5.0時球蛋白溶解性是逐漸下降的，之后隨著溶液pH值的增加，球蛋白的溶解性逐漸上升。pH值為5.0時的球蛋白溶解度最小為53.2%，而在堿性和酸性條件下，球蛋白獲得了凈正電荷和負電荷，增強了分子間的排斥力，分子分散性好，因此溶解度高［15］。這與蕎麥球蛋白溶解度在pH值7～10時可達90%以上［16］和豇豆7S球蛋白的溶解性在pH＜4.2和pH＞6.8時可達90%以上的研究結果相似［17］。若把裸燕麥球蛋白添加到如焙烤制品和肉糜制品，既可強化營養(yǎng)，又能充分利用其溶解性，從而改善食品的內在品質和感官性能。

圖6 裸燕麥球蛋白在不同pH下的溶解度曲線

2.6 裸燕麥球蛋白的乳化性

蛋白質乳化性是指蛋白質能使油與水形成穩(wěn)定的乳化液而起乳化劑的作用，主要包括乳化能力和乳化穩(wěn)定性［18］。由圖7可知，當pH值在3.0～7.0時球蛋白乳化性及乳化穩(wěn)定性是逐漸下降的，之后隨著溶液pH值的增加而升高。pH值7.0時球蛋白乳化性及乳化穩(wěn)定性最小，為18.1 m2/g和13.0 m2/g，而在堿性條件下乳化性及乳化穩(wěn)定性最高為53.6 m2/g和20.2 m2/g，表明球蛋白易于展開和定向排列，降低水和油的表面張力，形成穩(wěn)定的界面膜結構，故可作食品工業(yè)中良好的乳化劑。

圖7 裸燕麥球蛋白在不同PH下的乳化性曲線

2.7 裸燕麥球蛋白的黏度

黏度在調整食品的物性方面是很重要的。由圖8可知，球蛋白濃度在1.5% ～5%時，黏度變化較為平緩，但當濃度高于10%時，黏度上升較快。球蛋白溶液黏度變化較小，具有在高濃度時低黏度的特性，特別適合應用在需要高蛋白質含量而又有較好流動性的食品中，既可以作為食品中氮源的良好補充，又不會影響食品的流體性質，有利于工業(yè)化操作。

圖8 不同濃度裸燕麥球蛋白的粘度曲線

2.8 裸燕麥球蛋白的起泡性

由圖9可知，球蛋白起泡性隨著pH值的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并在pH值5.0時起泡性最低，而在堿性條件下，球蛋白起泡性增大。試驗顯示裸燕麥球蛋白具有較好的起泡能力，且氣泡穩(wěn)定性較好，有利于蛋白質分子更快速的吸附至氣-液界面。

圖9 裸燕麥球蛋白在不同PH下的起泡性

3 結論

(1)試驗結果表明，裸燕麥中總蛋白約占13%，其中球蛋白占總蛋白的55%，為主要蛋白;其次為谷蛋白占30%;醇溶蛋白占11%，其他蛋白占4%。

(2)本試驗選擇提取蛋白活性最高的溫度為0～4℃。在此溫度下，提取裸燕麥球蛋白的最佳條件為NaCl質量分數(shù) 10%，料液比 1∶10(g∶mL)，提取時間35 min，提取次數(shù)為5次，提取率可達90%以上。

(3)裸燕麥球蛋白pH值為5.0時的溶解度最小為53.2%，而在堿性和酸性條件下，溶解度較高。堿性條件下球蛋白乳化性可達53.6 m2/g。隨著球蛋白濃度的增加，黏度也隨之增加。堿性條件下，球蛋白起泡性可達86.9%，30 min和60 min氣泡穩(wěn)定性也較好。利用裸燕麥球蛋白功能特性改善食品的內在品質和感官性能極具潛力。

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