水酶法提取的大豆蛋白功能特性研究

楊柳,江連洲,2,李楊,婁巍,范佳璐,高珊

1(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱,150030) 2(國家大豆工程技術中心,黑龍江哈爾濱,150030)

水酶法提取的大豆蛋白功能特性研究

楊柳1,江連洲1,2,李楊1,婁巍1,范佳璐1,高珊1

1(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱,150030) 2(國家大豆工程技術中心,黑龍江哈爾濱,150030)

以大豆為原料,采用Alcalase 2.4 L對其進行水酶法試驗,研究了不同預處理方式下利用水酶法(簡稱水酶法大豆蛋白)大豆蛋白的功能特性隨水解時間的變化,并對超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性進行了評價。研究表明,水酶法大豆蛋白的功能特性受水解時間的影響,其中溶解性隨水解時間的延長而增大,而乳化性與起泡性隨水解時間的延長先增加后降低。且超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性好于濕熱處理及擠壓膨化輔助水酶法大豆蛋白。超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性優于大豆濃縮蛋白,與大豆分離蛋白接近。在等電點(pH值4.0～5.0)附近,其溶解性、乳化性及起泡性均優于大豆濃縮蛋白及大豆分離蛋白。

水酶法,大豆蛋白,溶解性,乳化性,起泡性,超聲波

大豆含18%～22%的油脂和40%左右的蛋白質,不僅是主要的油料作物,更是巨大的優質植物蛋白資源。目前從植物油料中提油的主要方法是壓榨法和浸出法,這些方法雖然出油率高,但設備復雜,更主要的是造成蛋白質變性,使提油后餅粕不能有效利用,蛋白質資源嚴重浪費,且溶劑浸出后需要脫溶過程,設備多、投資大、污染重。為克服傳統制油工藝的弊端,考慮到經濟、環境和安全等多方面的因素,水酶法提取植物油技術應運而生[1-6]。

水酶法是一種新興的提油方法。它以機械和酶解為手段破壞植物細胞壁,使油脂得以釋放。該技術處理條件溫和,而且可以同時提取油和蛋白質,在水酶法制油過程中,伴隨著蛋白質的有限水解,這個過程本身就是對蛋白質的改性過程,必然對大豆蛋白的功能特性,如溶解性、起泡性、乳化性等產生影響,這直接影響到對大豆蛋白的綜合利用。因此,研究水酶法提取的大豆蛋白的功能特性十分必要,這對加快水酶法提油技術的工業化應用具有重大意義。

本試驗主要比較了不同預處理方式下水酶法大豆蛋白的溶解性、起泡性及乳化性,從而確定一種適宜的水酶法提取大豆油脂及蛋白質的預處理方式,使其可以獲得具有較好功能特性的大豆蛋白。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑

市售東北大豆(其中水分10.3%,脂肪20.1%,蛋白質40.3%),Alcalase 2.4 L(諾維信生物技術有限公司,最適溫度50～60℃,最適pH值8～10),大豆分離蛋白(哈爾濱高科技集團有限公司),大豆濃縮蛋白(大慶日月星集團有限公司),其余試劑均為實驗室常用試劑。

1.2 主要儀器設備

pHS-25型酸度計,上海偉業儀器廠;FA2004B型電子分析天平,梅勒特-托利多儀器(上海)有限公司;G1-21M離心機,上海市離心機械研究所;JJ-1電動攪拌器,江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠;電熱恒溫水浴鍋DZ W-4,余姚市東方電工儀器廠;半自動定氮儀,上海纖檢儀器有限公司;HYP-Ⅱ消化爐Q/ IDYQ,上海纖檢儀器有限公司;中草藥粉碎機,天津市華鑫儀器廠;KQ-500DV型數控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;剖分式雙螺桿擠壓機,東北農業大學工程學院張兆國教授自行研制;XL-30型掃描電子顯微鏡,荷蘭飛利浦公司; IB-3型離子濺射儀,日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 水酶法大豆蛋白質的制備

將原料大豆進行清理(去除肉眼可見雜質)后,用中草藥粉碎機粉碎90 s備用,取粉碎后的豆粉50 g置于四頸瓶中,加入250 mL蒸餾水,混勻,進行預處理,取出,調整其pH值至適當條件,加入相應量的酶,置恒溫水浴鍋中反應,不斷攪拌,以1 mol/L的NaOH或HCl調整pH值。反應結束后,于90℃水浴鍋中加熱8 min滅酶,4000 r/min離心20 min。收集水解液,進行噴霧干燥(進口溫度175～180℃,出口溫度81～84℃),即得水酶法大豆蛋白。

其中預處理方式包括3種:超聲波處理(300 W,30℃,15 min)、濕熱處理(90℃,15 min)、擠壓膨化處理(模孔孔徑18 mm,套筒溫度90℃,物料含水率14%,螺桿轉速100 r/min)。

1.3.2 功能性質的測定方法

樣品經處理后,離心,參照GB/T5511-2003分別測定清液和樣品中總氮含量,并按下式計算:

1.3.2.2 蛋白質乳化性的測定[7-8]

用 0 .05 mol/L,pH值7.0磷酸鈉緩沖液配置1%的蛋白溶液,加入大豆油(0.25 L/L),均質(10000 r/min×10 s)2遍,形成均一的乳化液。

乳化活性(EA I)采用混濁度法測定。均質后,分別在0 min和10 min取1 mL新制備的乳化液,用蒸餾水稀釋100倍,然后再取1 mL被稀釋的乳化液,用0.1%SDS稀釋10倍,在500 nm下測定吸光值。EA I計算公式:

A0為均質后迅速被稀釋的乳化液的吸光值。

1.3.2.3 蛋白質起泡性的測定[9]

用0.2 mol/L,pH值7的磷酸緩沖溶液配制1%的蛋白溶液150 mL,在高速組織搗碎機中以12000 r/min攪打30 s,4次。迅速倒入500 mL量筒中,記錄泡沫體積,以此表示起泡能力大小。

1.3.3 電鏡分析方法

采用掃描電鏡觀察不同預處理方式對大豆超微結構的影響時,以粉碎并經過預處理的豆粉為原料。觀察豆粉微觀結構時,將經過預處理的豆粉用戊二醛混合液固定,用磷酸緩沖液漂洗,然后乙醇脫水,用醋酸異戊酯置換乙醇后,用臨界點干燥法進行干燥,經離子濺射噴金,置于掃描電鏡下觀察,拍照。

自1933年美國聯邦存款保險公司（FDIC）成立以來，美國問題銀行市場化退出機制不斷完善。在歷史上比較大的金融危機中，美國雖然發生了數百家商業銀行出現經營困難甚至倒閉的情況，但是由于存款保險制度發揮了重要作用，很少發生銀行擠兌現象。美國在商業銀行風險處置方面的做法受到廣泛關注。英國參考美國的做法，在2009年頒布了專門針對銀行的破產法。金融穩定理事會（FSB）以美國的商業銀行風險處置法律制度為藍本，發布了《金融機構有效處置機制核心要素》，成為金融機構風險處置領域的國際標準。

2 結果與討論

2.1 預處理方式對水酶法大豆蛋白功能特性的影響

2.1.1 預處理方式對水酶法大豆蛋白溶解性的影響

由圖1可知,隨著水解時間的延長,水酶法大豆蛋白質溶解性不斷提高,原因是蛋白質經過酶解改性后分子質量變小,很多可電離的氨基和羰基隨著水解暴露出來,使蛋白質極性基團(,-COO-)的數量增加,多肽鏈平均分子量降低,引起蛋白質構象發生有利于增加親水性的變化,從而使蛋白質與水的作用加強。從圖1還可以看出,預處理方式對水酶法大豆蛋白質的溶解性有一定的影響,經超聲波處理的水酶法大豆蛋白的溶解性明顯高于經濕熱處理和擠壓膨化處理的。原因可能是超聲處理產生強有力的空化,攪拌,崩潰作用使可溶蛋白成分分散到溶劑中,從而有利于酶解,提高了蛋白質的溶解性。

圖1 預處理方式對水酶法大豆蛋白溶解性的影響

2.1.2 預處理方式對水酶法大豆蛋白乳化性的影響

由圖2可知,水酶法大豆蛋白乳化性隨水解時間的延長而增加,但當水解到一定程度時,再延長水解時間,乳化性反而下降。這是因為在一定范圍內,全脂豆粉受酶作用后,結構發生變化:分子鏈變短,水溶性增加;很多原來包裹在蛋白質分子中的疏水基團暴露出來,親油性增強;電荷數量增加,阻止了油滴的相互靠近[10]。因此,總體表現為大豆蛋白質分子易分散于油/水界面,乳化性增強。但是隨著大豆蛋白酶解物溶解度的提高,大豆蛋白水解程度提高,水解后的小肽不容易被吸附在油水界面形成的黏膜上,因此進入深度水解后,產物乳化穩定性反而降低。

圖2 預處理方式對水酶法大豆蛋白乳化性的影響

由圖2可知,預處理方式對水酶法大豆蛋白質乳化性的影響不同,經超聲波預處理后的全脂豆粉,在水解2 h時水酶法大豆蛋白的乳化性達到最高,而經濕熱處理與擠壓膨化處理的全脂豆粉,水解3 h,其水酶法大豆蛋白的乳化性達到最高,且超聲波輔助水酶法大豆蛋白的乳化性高于濕熱處理輔助水酶法大豆蛋白及擠壓膨化輔助水酶法大豆蛋白。

2.1.3 預處理方式對水酶法大豆蛋白起泡性的影響

由圖3 可知,水酶法大豆蛋白起泡性隨水解時間的延長而增加,水解到一定程度時,再延長水解時間,起泡性反而下降。因為起泡性受表面張力的影響,在酶解初期,由于蛋白質分子中的-NH2、-COOH之間形成的氫鍵數目增多,形成的薄膜具有足夠的黏度和機械強度,使得大豆蛋白的起泡性增加。隨著酶解過程的進行,-NH2、-COOH的數目不斷增加,電荷數目也隨之增加,當增加到一定程度后,氣液薄膜強度降低,泡沫易破裂,起泡性也隨之降低[11]。

圖3 不同預處理方式下水酶法大豆蛋白起泡性隨水解時間的變化

由圖3可知,預處理方式對水酶法大豆蛋白質起泡性的影響有所不同,經超聲波和濕熱處理后的全脂豆粉,在水解2 h時水酶法大豆蛋白的起泡性達到最高,而經擠壓膨化處理的全脂豆粉,在水解3 h時,其水酶法大豆蛋白的起泡性達到最高,且超聲波輔助水酶法大豆蛋白的起泡性高于濕熱處理輔助水酶法大豆蛋白及擠壓膨化輔助水酶法大豆蛋白。

2.2 超聲波輔助水酶法大豆蛋白功能特性研究

2.2.1 超聲波輔助水酶法大豆蛋白溶解性研究

由圖4知,大豆濃縮蛋白與大豆分離蛋白的溶解度隨pH變化較大,其溶解度在等電點區域(pH值4.0～5.0)都很低,偏離這個等電點區域,大豆蛋白的溶解度隨之增大。超聲波輔助水酶法大豆蛋白,溶解度隨pH值的變化減小,和大豆濃縮蛋白相比較,同一pH值下溶解度顯著提高。在大豆蛋白等電點區域,其溶解性遠遠高于大豆濃縮蛋白和大豆分離蛋白。說明超聲波輔助水酶法提取油脂的方法能較好地改善大豆蛋白的水溶性,同時也可降低蛋白質NSI對溶液pH值的依賴性。原因是超聲處理產生強有力的空化,攪拌,崩潰作用使全脂豆粉中的可溶蛋白成分分散到溶液中,蛋白質經過酶解改性后分子量變小,很多可電離的氨基和羰基隨著水解暴露出來[12],它們改變了蛋白質表面的電荷分布,使得等電點偏移,蛋白質在原來的等電點處帶上凈的正電荷或負電荷,分子中表面親水性殘基的數量遠高于疏水性殘基的數量,帶電的氨基酸殘基的靜電推斥和水合作用促進了蛋白質的溶解。

圖4 大豆蛋白質的NSI-pH曲線(25℃)

2.2.2 超聲波輔助水酶法大豆蛋白乳化性研究

由圖5可以看出,在試驗條件下,大豆蛋白乳化活性受pH的影響,在pH 4.0～5.0等電點區域乳化活性較低,偏離等電區域乳化活性隨之增大,同時超聲波輔助水酶法大豆蛋白與大豆分離蛋白的乳化活性較接近,而明顯優于大豆濃縮蛋白。

圖5 大豆蛋白質的乳化性-pH曲線(25℃)

蛋白質的乳化性與其分子的疏水性質有關,同時還受疏水性基團在分子中分布的影響。超聲處理使大豆蛋白的三、四級結構被打開,蛋白質鏈被打斷,使疏水基團外露,蛋白質親水、疏水基團增多,乳化能力增強[13],而且水解作用導致蛋白質分子緊密構象的破壞,進而引起包埋于分子內部的疏水性氨基酸側鏈基團暴露,在乳化體系形成過程中易于與脂類結合,有利于形成穩定的乳化體系。

2.2.3 超聲波輔助水酶法大豆蛋白起泡性研究

由圖6知,大豆蛋白質起泡性在pH 4.0～5.0等電點區域較低,偏離這個等電區域,在等電點左邊的pH區域內,起泡性隨著pH值的升高而降低;在其右邊的pH區域內,起泡性隨pH值的升高而升高,說明起泡性與蛋白質溶解性存在相關性。超聲波輔助水酶法大豆蛋白與大豆分離蛋白的起泡性接近,高于大豆濃縮蛋白。這是因為起泡性受表面張力的影響,大豆蛋白分子包含疏水性基團和親水性基團,因而具有表面活性,能降低水的表面張力,在劇烈攪拌時形成泡沫,蛋白質水解后,水解物黏度降低,低表面張力對泡沫的形成比較有利。超聲波產生空化效應和機械效應促使蛋白質分子發生解聚,打斷蛋白質四級結構,釋放出小分子亞基和肽,同時超聲波處理還會使更多疏水基團和親水基團暴露,因此具有更大表面活性,能降低水的表面張力,提高蛋白質起泡性[14]。

圖6 大豆蛋白質的起泡性-pH曲線(25℃)

2.3 電鏡圖片

圖7～圖10分別為原料豆粉、濕熱處理、擠壓膨化處理及超聲波處理后的豆粉的掃描電鏡圖片。可以看出,原料豆粉在電鏡下呈聚集狀態,經濕熱處理后,聚集狀態有所改變,但顆粒仍較大;經擠壓膨化處理后,聚集狀態有一定規則,甚至可以看到呈現纖維狀聚集。這可能由于在高溫、高壓條件下,豆粉中的高聚物質發生斷裂,產生了聚合度相對低的成分,這些成分發生了有規則的重新聚集;超聲波處理改變了物料的狀態,由聚集變為分散,并且在原料分子內部產生了“空化”作用,而這種改變不但有利于油脂的提取,更有利于蛋白質功能特性的提高。

圖7 全脂豆粉的掃描電鏡圖片

圖8 經濕熱處理的豆粉的掃描電鏡圖片

圖9 經擠壓膨化處理的豆粉的掃描電鏡圖片

圖10 經超聲波處理后的豆粉的掃描電鏡圖片

3 結論

(1)水酶法大豆蛋白質功能特性受水解時間的影響,其中溶解性隨水解時間的延長而增加,而乳化性與起泡性隨水解時間的延長先增加后降低。

(2)水酶法大豆蛋白質功能特性受預處理方式的影響,其中超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性好于濕熱處理及擠壓膨化輔助水酶法大豆蛋白。

(3)超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性優于大豆濃縮蛋白,與大豆分離蛋白接近,在等電點(pH值4.0～5.0)附近,其溶解性、乳化性及起泡性均優于大豆濃縮蛋白及大豆分離蛋白。這些特性使得超聲波輔助水酶法大豆蛋白更有利于用作食品原料及食品添加劑。

(4)綜合電鏡圖片與試驗結果,豆粉經超聲波處理后,物料受到空化作用和機械作用,分子內部結構發生改變,而這種改變有利于大豆蛋白質功能特性的提高。

[1]RosentalA,Pyle D L,Niranjan K.Aqueous and enzymatic processes for edible oil extraction[J].Enzyme Microb Technol,1996,19(1):402-420.

[2]Dominguez H,NunezM J,Lema L M.Aqueous processing of sunflower kernels with enzymatic technology[J].Food Chem,1995,53:427-434.

[3]譚春蘭,袁永俊.水酶法在植物油脂提取中的應用[J].食品研究與開發,2006,27(7):128-129.

[4]郭興鳳陳定剛孫金全,等.水酶法提油技術概述[J].糧油加工,2007(5):70-72.

[5]王瑛瑤,賈照寶,張霜玉.水酶法提油技術的應用進展[J].中國油脂,2008,33(7):24-26.

[6]易建華,朱振寶,趙芳.酶的選擇對水酶法提取核桃油的影響[J].中國油脂,2007,32(2):27-29.

[7]Bernard E Chove,Alistair S Grandison,Michael J Lewis.Emulsifying properties of soy protein isolate fractions obtained by isoelectric precipitation[J].J Sci Food Agric,2001(81):759-763.

[8]孫冰玉,石彥國.超聲波對醇法大豆濃縮蛋白乳化性的影響[J].中國糧油學報,2006,21(4):61-63.

[9]WooL Richadson T.Functional properties of phosphorylated β-lactoglobulin[J].J Dairy Sic,1983,66:984-987.

[10]徐紅華,劉欣,溫其標.復合酶法改善大豆分離蛋白乳化性的試驗[J].農業機械學報,2008,39(2):103-106.

[11]徐紅華,劉欣.復合酶法改善大豆分離蛋白起泡性的工藝優化[J].食品與發酵工業,2007,33(1):51-52.

[12]Turgeon S L,Cauthier S F,Paquin P.Emulsifying property ofwhey peptide fractions as a function of pH and Ionic Strength[J].Food Sci,1992,57(3):601-604;634.

[13]楊曉泉,熊犍,陳中,等.低頻超聲對豆粕蛋白浸出率及SPI功能特性的影響[J].華南理工大學學報:自然科學版,2003,31(11):30-32.

[14]WangLC.Soybean protein agglomeration:promotion by ultrasonic trea tment[J].J Agric Food Chem,1982,29:177.

ABSTRACTIn this paper,soybean was used as raw material.The aqueous enzymatic extraction of soybean oil and protein was carried out by usingAlcalase 2.4 L and the change of function properties of soybean protein from different preliminary treatment aqueous enzymatic extraction in the wake of hydrolysis t ime was studied.Functional properties of soybean protein from ultrasonic pre-irradiation aqueous enzymatic extraction were also evaluated.The study shows that the hydrolysis t ime has certain effect on the functional properties of soybean protein from aqueous enzymatic extraction,and solubility increased with prolonged hydrolysis time,while the emulsification and frothiness increased then decreased when hydrolysis time prolonged.Functional properties of soybean protein from ultrasonic pre-irradiation aqueous enzymatic extraction was better than both the moist heat processing and extrusion pre-irradiation aqueous enzymatic extraction.Ultrasound-assisted aqueous enzymatic functional properties of soy protein is superior to soy protein concentrate,and close to soy protein isolate.Isoelectric point(pH4.0～5.0)near its solubility,emulsibility and frothiness are better than both soy protein concentrate and soy protein isolate.

Key wordsaqueous enzymatic extraction,soybean protein,solubility,emulsibility,frothiness,ultrasonic wave

Studies on Function Properties of Soybean Protein from Aqueous Enzymatic Extraction

Yang Liu1,Jiang Lian-zhou1,2,Li Yang1,LouWei1,Fan Jia-lu1,Gao Shan1
1(NortheastAgriculturalUniversity,Institute of Food,Harbin 150030,China)
2(Soybean Engineering Technology Research Center of China,Harbin 150030,China)

碩士研究生。

2010-01-21,改回日期:2010-03-06