花生蛋白組分及其功能性質研究進展

杜 寅，王 強*，劉紅芝，王 麗，劉 麗

(中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工與質量控制重點開放實驗室，北京 100193)

花生蛋白組分及其功能性質研究進展

杜 寅，王 強*，劉紅芝，王 麗，劉 麗

(中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工與質量控制重點開放實驗室，北京 100193)

介紹了花生蛋白的分類、氨基酸及亞基組成；同時對花生球蛋白、伴花生球蛋白Ⅱ和伴花生球蛋白Ⅰ等主要組分的提取方法——冷沉淀法和硫酸銨沉淀法進行總結；此外對花生蛋白及其主要組分的溶解性、乳化性、起泡性、凝膠性等功能性質進行綜述。并歸納花生蛋白研究存在的問題，提出今后的發展方向。

花生蛋白組分；組成；提取方法；功能性質

花生(Arachis hypogealL.)作為我國重要油料作物，其產量自1993年超過印度以來，一直居世界第一[1-2]。2008年我國花生播種面積達4246千公頃，總產量達1428.6萬t[3]。去殼花生含油率約50%～60%，花生仁中有24%～36%的蛋白質，與幾種主要油料作物相比，僅次于大豆，而高于芝麻和油菜[4-5]。花生蛋白主要包括花生球蛋白、伴花生球蛋白Ⅰ和伴花生球蛋白Ⅱ，幾乎占總蛋白含量的75%左右[6]。目前對于大豆蛋白的結構與功能性研究較多，且已推出多種產品。植物蛋白作為一種常用食品基料，具有乳化性、吸油性、吸水性、凝膠性等重要的功能性質[7-8]，具有不同功能特性的蛋白材料可應用于不同類型的食品中。如溶解度高易于分散的蛋白適用于飲料，而持水持油性、乳化穩定性以及凝膠性好的蛋白基料適合于肉制品[8]。我國對花生蛋白研究起步晚，尤其對花生蛋白組分及其功能性質的關系研究較少，現有大部分產品比較低端。本文對花生蛋白質的結構組成、主要組分(花生球蛋白、伴花生球蛋白Ⅰ和伴花生球蛋白Ⅱ)的提取方法及其功能性質進行綜述，以期為花生蛋白研究利用提供參考。

1 花生蛋白質的結構組成

1.1 花生蛋白質的分類

花生蛋白為貯藏蛋白質，也叫種子蛋白質，含氮量為13.99%，含碳水化合物3.89%，含磷0.19%，其等電點為4.5左右[9]。花生蛋白根據其溶解特性，分為水溶性蛋白和鹽溶性蛋白，其中水溶性蛋白大約10%，稱之為乳清蛋白，其余90%為鹽溶性蛋白[10]。水溶性蛋白相對分子質量比較小為15000、19000，酸溶性蛋白相對分子質量為97000、77000、20000，堿溶性蛋白相對分子質量為97000、30000、17000。另外，酸性蛋白還包括一個相對分子質量為30000左右的蛋白；堿性蛋白還包括一個相對分子質量為77000的蛋白。堿溶性蛋白鏈間二硫橋最多，其次是酸溶性蛋白(雖然胱氨酸含量最少)，而水溶性蛋白中的胱氨酸二硫橋則可能貢獻于肽鏈內[11]。

鹽溶性蛋白主要包括花生球蛋白(14S，類似于11S大豆球蛋白)、伴花生球蛋白I(7.8S，類似于7S豌豆球蛋白)和伴花生球蛋白Ⅱ(2S)，它們之間的比例73:6:21[12-13]。花生蛋白經蔗糖梯度密度離心及電泳分析表明[14]，主要包含5種組分，分別為2S、5S、9S、14S、19S蛋白，其中2S和5S含多種蛋白，但不包括Arachin和Conarachin Ⅱ，9S蛋白主要由Conarachin Ⅱ組成，14S蛋白主要由Arachin I和Arachin Ⅱ組成，19S蛋白由可溶性Arachin聚合物組成。

1.2 氨基酸組成

植物蛋白是由多種氨基酸組成的具有空間結構的高分子聚合物，其理化性質(分子大小及形狀、氨基酸組成及順序、電荷分布以及分子內和分子間的作用、有效疏水作用)與功能性質密切相關[15]。花生球蛋白、伴花生球蛋白Ⅱ和伴花生球蛋白Ⅰ是花生中的主要蛋白質片段，其氨基酸組成很大程度上決定了花生蛋白的功能性質[16]。

Monteiro等[9]分析不同花生蛋白組分的氨基酸，表明各組分均含有18種氨基酸。其中總蛋白中半胱氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸、賴氨酸含量低，天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸含量較高。總體來看，伴花生球蛋白Ⅰ中絲氨酸、甘氨酸、賴氨酸的含量水平比較高，其中，甘氨酸的含量水平是總蛋白中甘氨酸含量的6倍；但天門冬氨酸、脯氨酸、丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、精氨酸的含量均低于其他蛋白組分。蘆春斌等[17]分析兩種不同蛋白質類型花生種子蛋白質3個主要組分的氨基酸組成，表明各組分均含17種氨基酸，其中天冬氨酸、谷氨酸和精氨酸含量最高，而甲硫氨酸和半胱氨酸含量都極低，與Monteiro等[9]報道一致。

花生2S蛋白富含天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸等，與花生脫脂粉蛋白的氨基酸組成相似，但2S蛋白的甲硫氨酸和半胱氨酸含硫氨基酸含量明顯高于脫脂粉蛋白。其中甲硫氨酸含量為2.93g/100g蛋白，比脫脂粉蛋白高兩倍；半胱氨酸含量為8.10g/100g蛋白，比脫脂粉蛋白高8倍[18]。

1.3 花生蛋白組分的亞基組成

1.3.1 概述

花生蛋白采用十二烷基磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)分析，結果顯示出約15條譜帶，分子質量范圍14～97kD[19]。大多報道認為鹽溶蛋白的主要成分包括花生球蛋白和伴花生球蛋白，花生球蛋白為兩個亞基組成的二聚體，伴花生球蛋白是由6～7個亞基所組成[18,20-21]。

1.3.2 花生球蛋白的亞基組成

黎茵等[24]通過對46個花生品種蛋白質進行SDSPAGE和2D-PAGE，得出4大類型的蛋白組成模式。花生蛋白組成的主要差異在于花生球蛋白亞基組成的不同，其中類型Ⅰ花生球蛋白主要含有41、38.5kD和2個18kD亞基；類型Ⅱ主要含41、38.5、37.5kD和3個18kD亞基；類型Ⅲ主要含41、38.5、36.5kD和3個18kD亞基；類型Ⅳ主要含41、38.5、37.5、36.5kD和3個18kD亞基。與印度學者Krishna等[25]總結的4種蛋白組成模式相符。

1.3.3 伴花生球蛋白的亞基組成

伴花生球蛋白是一個8 S球蛋白，分子質量為180kD，是由60kD的亞基組成的三聚物[26]。楊曉泉等[23]通過SDS-PAGE顯示伴花生球蛋白僅有一個亞基(61kD、pI7.0)；而2S蛋白含有15.5kD、17kD及18kD亞基各兩個，這6個組分共用兩個等電點(pI5.0、pI5.5)。激光質譜法測定花生2S蛋白各組分的分子質量，表明2S蛋白6個主要多肽是以解離形式而非亞基形式存在[18]。林鹿等[27]研究表明花生2S蛋白主要由6個亞基組成，分子質量分別為12.5、13、14、15.5、16.5、17kD，與楊曉泉等[23]研究結果有差異。

綜上，關于花生球蛋白、伴花生球蛋白以及2S蛋白的亞基組成以及分子質量分布，不同研究人員結果有所差異，可能是由于實驗條件的差異所導致的。相比大豆蛋白組分及亞基組成的研究[28-29]深度還不夠，需進一步探討。

2 花生蛋白主要組分提取方法

2.1 花生球蛋白

目前主要有兩種方法用于提取花生球蛋白[30]：冷凍沉淀法、硫酸銨沉淀法。

2.1.1 冷凍沉淀法[6]

脫脂花生粉溶于0.2mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.9)，攪拌4h，4℃流動水下透析24h，此時，花生球蛋白沉淀下來而伴花生球蛋白是可溶的。在2℃靜置17h，所得沉淀復溶在磷酸鹽緩沖液(pH7.9)中，重復沉淀，得到花生球蛋白。

2.1.2 硫酸銨沉淀法

此方法是花生球蛋白使用飽和度為0～40%的硫酸銨從溶液中析出。根據采用的緩沖溶液及其飽和度不同，又可把硫酸銨沉淀法分成以下幾種：1)Tombs法[31]：花生脫脂粉按料液比l:10(m/V)溶于10g/100mL NaCl，(25±2)℃攪拌4～6h。提取液在(25±2)℃條件下以4300×g離心45min。花生球蛋白通過添加固體硫酸銨至最終飽和度40g/100mL沉淀下來，(25±2)℃條件下，以6700×g離心30min。沉淀復溶在10g/100mL NaCl中，重復3次，以獲得較純的花生球蛋白，反復透析，冷凍干燥，貯藏在4℃下備用。2)Govindaraju法[16]：花生脫脂粉按料液比l:10(m/V)溶于含0.5mol/L NaCl的0.01mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.9)中，提取l h后l0000r/min離心30min，上清液加入硫酸銨達到18g/100mL飽和度，混合液在4℃下保持3h后l0000r/min離心30min，沉淀溶于磷酸鹽緩沖液，并再次加入硫酸銨達到18g/100mL飽和度，離心，沉淀溶于最小量的緩沖液，冷蒸餾水透析后，凍干得花生球蛋白。3)Yamada法[13]：花生脫脂粉溶于含0.5mol/L NaCl的0.01mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.9)中，提取1h后離心，上清液加入硫酸銨達到40%飽和度，混合液在4℃保持3h后離心，沉淀溶于最小量的緩沖液，冷蒸餾水透析后，凍干得花生球蛋白。4)楊曉泉法[23]：花生脫脂粉加入10mmol/L的磷酸緩沖液(pH 7.9，含 2mol/L NaCl)、10mmol/Lβ-巰基乙醇及1mmol/L苯甲基磺酰氟(PMSF)，高速搗碎20min，4℃提取3h。16000r/min離心30min，取上清液在漩渦混合儀上加入硫酸銨至40g/100mL飽和度，25℃靜置3h，1280r/min離心20min，收集沉淀，透析24h(4℃)，冰凍干燥即為花生球蛋白。

2.2 伴花生球蛋白Ⅰ

伴花生球蛋白Ⅰ根據其沉降系數，在花生總蛋白中稱之為8S組分。由于品種的不同，其占總蛋白的15%～25%，分離伴花生球蛋白Ⅰ的主要方法是硫酸銨沉淀法[6]。

Johnson 等[32]采用以下步驟：用飽和度40g/100mL的硫酸銨提取花生蛋白粉；繼續添加硫酸銨至飽和度65g/100mL；分離沉淀蛋白；在上清液中添加硫酸銨至飽和度85g/100mL；分離沉淀。通過超速離心分析，該法獲得了大部分伴花生球蛋白Ⅱ和很大比例的伴花生球蛋白Ⅰ(2S)。Naismith等[33]采用10g/100mL NaCl溶液提取花生蛋白，用飽和度85g/100mL的硫酸銨進行沉淀。沉淀溶于pH7.0的磷酸鹽緩沖液中，調節pH值低至4.7。上清液在4℃下冷沉淀。采用添加明礬再次沉淀，純化了Johnson方法所得飽和度0.65～0.85硫酸銨沉淀，仍含有伴花生球蛋白Ⅰ[6]。楊曉泉等[23]、黎茵等[24]將已達硫酸銨飽和度40g/100mL并離心除去花生球蛋白的溶液，繼續加入固體硫酸銨，使飽和度達65g/100mL，靜置3h后10000×g離心20min，收集沉淀，透析和冷凍干燥得伴花生球蛋白Ⅰ。

2.3 伴花生球蛋白Ⅱ(2S)

2.3.1 高鹽緩沖液提取，硫酸銨分級沉淀法[27]

花生脫脂粉加入預冷的 10mmol/L磷酸緩沖液(pH 7.9，含 2mol/L NaCl)、10mmol/Lβ-巰基乙醇及 1mmol/L 苯甲基磺酰氟。高速搗碎10min，4℃過夜提取。20000×g離心30min (4℃)，上清液用硫酸銨分級沉淀，收集65～85g/100mL硫酸銨沉淀的蛋白組分，透析24h(4℃)。冷凍干燥后即為2S蛋白粗品。

2.3.2 低鹽緩沖液提取，加熱分離法[18]

脫脂粉加入50mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH8.2，含0.5mol/L NaCl)；10mmol/Lβ-巰基乙醇及1mmol/L苯甲基磺酰氟。漩渦振動混合10min，4℃提取過夜。23000×g離心2 0 m i n (4℃) ，提取2次，合并上清液，100℃水浴10min，冰浴15min冷卻，10000×g離心10min，上清液用 PEG-6000 濃縮，樣品冷凍干燥即2S蛋白粗品。

3 花生蛋白及主要組分的功能性質

蛋白質的功能性質主要包括：蛋白質與水之間相互作用產生的性質，如吸水性、持水性、溶脹性、溶解性和黏度等；蛋白質與蛋白質之間相互作用產生的性質，如沉淀性、膠凝性等；蛋白質的表面性質，如表面張力、乳化性和起泡性等[8,34]。這些性質取決于蛋白質的分子組成和結構特征，同時受外界環境的影響，如溫度、p H值、鹽濃度、壓力等。此外，蛋白質與其他食物成分的相互作用及加工、貯存條件等因素都會引起蛋白質功能性質的改變。探討食物蛋白質結構及其功能性質間的關系，不僅有利于營養成分的利用和保持，同時也為食品加工和貯存提供理論依據。

3.1 花生蛋白的功能性質

脫脂花生蛋白粉具有良好的持水性、吸油性、乳化性和凝膠性[35]。花生蛋白粉的溶解性、起泡性和持水性受pH值、溫度和濃度的影響較大。在等電點4.5時，其溶解性、起泡性和持水性都最低。當溫度達到55℃時溶解度開始下降，但隨著溫度的升高，起泡性增加，持水性下降。在蛋白質質量濃度約3g/100mL時，其起泡性最好[36]。花生蛋白粉經擠壓后更易獲得較高持水性，這對于擠壓組織化花生蛋白粉應用在肉類食品生產十分有利[37]。

劉大川等[38]、吳海文等[39]研究了不同制備工藝的花生蛋白產品，特別是花生濃縮蛋白(PPC)和花生分離蛋白(PPI)的功能特性，堿溶酸沉制備的蛋白溶解性、起泡性及泡沫穩定性最好，可用于湯料、糖果、冷藏甜點和蛋糕等；乙醇浸提制備的蛋白吸水性、持油性和凝膠性質要顯著高于其他方法制備的蛋白產品，可用于肉品、香腸等。其中用己烷-95%乙醇混合溶劑制備的花生濃縮蛋白PPC，大大提高了產品的氮溶解指數(NSI)，這是因為在混合溶劑體系中，乙醇分子被工業己烷包裹，阻礙了乙醇對蛋白質分子水化層的破壞，減弱了對蛋白質次級鍵中鹽鍵的影響，從而使蛋白質的變性程度比較少的緣故。

Yu等[35]考察不同干燥方法對花生濃縮蛋白功能性質的影響，噴霧干燥所得花生濃縮蛋白與真空干燥相比，具有較好乳化性和起泡性；且持油性和起泡性可與大豆濃縮蛋白相媲美。在相同的濃度和室溫下，花生濃縮蛋白的黏度比大豆分離蛋白低，但是當溫度上升到90℃時，其黏度會迅速增加。Govindaraju等[16]研究了不同蛋白酶對花生蛋白適度改性對其功能性的影響，其中對低水解度下花生蛋白乳化性、起泡性進行對比性研究發現，木瓜蛋白酶較堿性蛋白酶、真菌蛋白酶二者乳化能力強；堿性蛋白酶較真菌蛋白酶、木瓜蛋白酶二者起泡能力強。有限水解沒有明顯改善泡沫穩定性；但過度水解使水解產物乳化性、起泡性及泡沫穩定性急劇下降。

3.2 花生蛋白主要組分的功能性質

花生球蛋白在某些特定實驗條件下可形成熱可逆性凝膠，凝膠形成現象的主要步驟包括球蛋白的熱變性，熱變性蛋白分子的部分集合和膠形成的成熟。膠的聚合網絡似乎是一部分環形的花生球蛋白的作用。Kumar等[40]研究了花生球蛋白的凝膠性質，表明在蛋白質量濃度高于7.5g/100mL，pH＜3.8時，可形成可逆型熱凝膠。當蛋白質量濃度低于7.5g/100mL時，不能形成凝膠。凝膠的強度取決于蛋白質分子之間的相互作用。隨著球蛋白質量濃度的增加，單位體積凝膠中交聯作用增強，從而引起凝膠強度的增加，表現在熔化溫度(tm)值隨球蛋白質量濃度的增加而單調增長。Kella 等[41]指出質量濃度15g/100mL花生球蛋白，90℃加熱處理15min，冷卻到5℃，維持24h可形成凝膠。

花生球蛋白經動態超高壓微射流均質[42-43]后，其三維結構發生了變化，紫外吸收基團增多，游離巰基基團減少，說明超高壓微射流作用時的瞬間剪切、高速撞擊、渦旋等作用力使花生球蛋白外觀結構受損，蛋白質分子展開程度變大，分子柔性提高，內部極性基團和疏水基團暴露，蛋白質水化作用增強，從而導致蛋白溶解性和乳化性的增大。在一定壓力范圍內，隨著壓力的增大而作用效果愈加顯著。使用真菌蛋白酶對花生球蛋白改性，發現其增溶效果出色，尤其是在蛋白的等電點附近，當水解度達到19.1%時，蛋白溶解度可增至55%以上[16]。

花生2S蛋白主要影響蛋白質的吸水性、起泡性、膠凝性和乳化性，該組分具有很強的耐熱性[44]。花生2S蛋白是一種高度親水的蛋白質，吸濕性和保濕性很強。相同水分活度條件下，等量的2S蛋白要比花生球蛋白多吸附3～4倍的水分，可見2S蛋白具有更多的親水基團。花生球蛋白的吸濕性較差，溶解性也明顯低于2S蛋白，這可能與花生球蛋白高度疏水的結構有關[23]。

4 存在問題與展望

4.1 存在的問題

目前花生蛋白組分及性質研究方面主要存在問題有以下幾點：1)目前對花生蛋白組分的研究，主要集中花生球蛋白、伴花生球蛋白的提取、結構、氨基酸組成、亞基成分和等電點的研究上，而對于其結構組成與功能性質(如溶解性、凝膠性、起泡性等)之間的關系及影響研究較少。我國花生品種資源豐富，以往有關花生品種資源種子蛋白方面的研究僅限于含量和氨基酸組成測定。而對于不同品種花生蛋白主要組分的結構組成與功能性質研究亦較少。2)對于花生蛋白組分的分類不夠明確，不同的研究人員由于實驗條件的差異，說法不是很一致，可能與所用分析方法有關，需進一步探討。3)科研要為生產服務，當前主要還停留在實驗室階段，還沒有能真正適合于產業化的花生蛋白組分制備方法，亟需深入研究開發。

4.2 展望

1)系統研究花生主要蛋白組分的結構，以及亞基組成與功能特性之間的關系；改進花生蛋白及其組分的提取方法；同時針對我國花生品種資源豐富，開展不同品種花生蛋白主要組分的亞基組成以及與功能性質間的關系研究很有必要，能夠從機理上為其在實際應用中提供理論依據。2)通過物理、化學、生物等改性方式改善花生蛋白功能性質及加工性質將成為花生蛋白研究領域今后的重點，對于開發高技術含量和高附加值的花生蛋白深加工產品大有裨益。3)著力開發適合產業化的花生蛋白及其主要組分的制備工藝，使其盡快應用于食品工業中。可針對不同用途開發不同類型產品：篩選出凝膠性好的花生蛋白產品添加到肉制品中，篩選出溶解性好的產品添加的飲料中。從而延伸花生加工產業鏈，推動花生產業健康發展。

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[44] 張雪春. 超高壓微射流技術對花生蛋白改性的研究[D]. 南昌: 南昌大學, 2007.

Research Progress on Peanut Proteins and Their Functional Properties

DU Yin，WANG Qiang*，LIU Hong-zhi，WANG Li，LIU Li
(Institute of Agro-Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Agricultural Product Processing and Quality Control, Ministry of Agriculture, Beijing 100193, China)

The classification, amino acid composition and subunit composition of peanut proteins and extraction methods for major peanut proteins (arachin, conarachinⅡ and conarachin I), including cryoprecipitation and ammonium sulfate precipitation,are overviewed here. The functional properties of peanut proteins, including protein solubility, emulsifying capacity, foaming capacity, gelatin properties, and so on, are reviewed. Finally, problems encountered in studying peanut proteins are summarized and further research directions are proposed.

peanut protein；composition；extraction method；functional properties

TS201.1

A

1002-6630(2012)01-0285-05

2011-01-12

國家公益性行業(農業)科研專項(200903043)；中國農業科學院作物科學研究所中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資助項目子課題

杜寅(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為糧油加工與功能食品。E-mail：atp314@126.com

*通信作者：王強(1965—)，男，研究員，博士，研究方向為糧油加工與功能食品。E-mail：wangqiang365@263.net