胰蛋白酶水解谷朊粉制備多肽的工藝優化

劉玉婷，潘進權*，劉夏婷

（嶺南師范學院生命科學與技術學院，廣東湛江524048）

胰蛋白酶水解谷朊粉制備多肽的工藝優化

劉玉婷，潘進權*，劉夏婷

（嶺南師范學院生命科學與技術學院，廣東湛江524048）

為提高谷朊粉蛋白的加工性能及功能性質，考察了胰蛋白酶水解谷朊粉蛋白制備水溶性多肽的工藝。采用單因素及響應面試驗法對影響谷朊粉蛋白酶解工藝的多個因素進行了分析，通過試驗優化確定了谷朊粉蛋白適宜的酶解工藝條件為：谷朊粉蛋白質量濃度3 g/100 mL，加酶量為4 056 U/g，pH 11，溫度48℃，時間為4 h。在優化的工藝條件下，谷朊粉蛋白的水解度可以達到8.03%，水溶性多肽得率為64.2%。試驗結果表明，利用胰蛋白酶的水解作用將谷朊粉蛋白轉化為水溶性的多肽具有可行性。

谷朊粉；胰蛋白酶；水解；多肽

谷朊粉俗稱小麥面筋蛋白，它是將小麥面粉中的蛋白質經初步分離并烘干而獲得的一種粉末狀產品，其主要成分是蛋白質，含量高達70%～80%，主要由麥醇溶蛋白和麥谷蛋白組成，因其氨基酸組成較為合理，谷朊粉是一種營養價值較為豐富的天然植物蛋白質［1-2］。然而，由于谷朊粉蛋白肽鏈中含有較多的疏水性氨基酸，其分子內疏水作用區域較大，這導致該蛋白的水溶性及分散性能極差；此外，由于其分子內疏水相互作用太強導致其成膜性、起泡性及乳化性均較弱［3］。因此，谷朊粉蛋白在食品加工中推廣應用受到了很大的限制。提高谷朊粉蛋白質的加工性能及功能性質是開發應用這一蛋白資源的關鍵。對此，國內外已有一些有關谷朊粉蛋白質的化學改性［4-6］、物理改性［7-8］及酶促改性［9-10］的相關研究報道。

從谷朊粉蛋白的結構特點來看，制約該蛋白加工性能及功能性質的關鍵是其水溶性太差，改善其水溶性是解決問題的關鍵［11-12］。已有的大量研究表明，蛋白質經初步酶解后得到的多肽往往具有優良的水溶特性，其乳化性、起泡性也可以得到很好的改善［13］；此外，蛋白質經酶解制備的多肽通常具有多種多樣的生理功能，如參與機體免疫調節、抗氧化、降血壓、促進礦物質吸收及抗血栓等［14-15］，已成為篩選藥物、制備功能性食品和食品添加劑的天然資源寶庫［16-18］。因此，利用蛋白酶對谷朊粉蛋白的酶解作用將其轉化為水溶性多肽即可以解決其固有的加工性能之缺陷，同時又可以拓寬該植物蛋白的應用領域。鑒于此，本研究將以谷朊粉蛋白水解及水溶性多肽的高效制備為目標對谷朊粉的酶解工藝進行了探討，并采用響應面分析的方法對工藝條件進行了優化，其研究結果將為谷朊粉蛋白多肽的工業生產提供指導。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

谷朊粉（蛋白質含量70.53%）：華森食品配料有限公司；胰蛋白酶（酶活力73 907.6 U/g）：國藥集團化學試劑有限公司；實驗過程中用的化學試劑均為國產分析純。

1.2儀器與設備

SKD-08S2紅外智能消化爐、SKD-600自動凱氏定氮儀：上海沛歐分析儀器有限公司；723N可見分光光度計：上海精密科學儀器有限公司；HH-601超級恒溫水浴鍋：江蘇金壇市億通電子有限公司；LXJ-IIB飛鴿牌系列離心機：上海安亭科學儀器廠；pHS-3C+酸度計：成都世紀方舟科技有限公司；TH-300A梯度混合器：上海青浦瀘西儀器廠；GZX-9140 MBE數顯鼓風干燥箱：上海博訊實業有限公司醫療設備廠；LGJ-18型冷凍干燥機：北京四環科學儀器廠；2XZ-4型旋片式真空泵：上海德英真空照明設備有限公司。

1.3試驗方法

1.3.1谷朊粉的酶解工藝流程

谷朊粉液→調節pH值→加入胰蛋白酶→保溫酶解→沸水浴滅酶→離心分離→蛋白水解液

操作要點：用蒸餾水配制蛋白質量濃度為50 g/L的谷朊粉液，調節其pH值為8.0，按照2 500 U/g蛋白的加酶量加入胰蛋白酶，混勻后置于45℃水浴中保溫酶解3 h；將酶解液在100℃水浴中滅酶10min，于8000 r/min條件下離心10min，收集上清液即得到蛋白水解液。

1.3.2測定方法

粗蛋白含量、總氮的含量及多肽含量的測定采用凱氏定氮法［19］；蛋白酶活力標定：采用Folin-酚法［20］；氨基酸態氮的含量的測定采用甲醛滴定法［21］，蛋白質水解度（degree of hydrolysis，DH）及多肽得率的計算公式如下：

式中：N1為蛋白水解過程中生成的氨基酸態氮的含量，g/g谷朊粉；N2為樣品中總氮的含量；g/g谷朊粉。

式中：M1為水解液中多肽含量，g/mL；M2為水解液中蛋白質含量，g/mL。

1.3.3酶解工藝的單因素試驗

底物質量濃度對酶解工藝的影響：配制蛋白質量濃度分別為10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L、50 g/L、60 g/L的谷朊粉溶液，按照1.3.1所述方法進行酶解，測定蛋白水解液的水解度及多肽得率，由此考察底物蛋白質量濃度對酶解工藝的影響。

酶用量對酶解工藝的影響：按照1.3.1所述方法，分別在1 200 U/g、1 600 U/g、2 000 U/g、2 400 U/g、2 800 U/g、3 200 U/g蛋白的加酶量下進行酶解試驗，測定蛋白水解液的水解度及多肽得率，由此考察加酶量對酶解工藝的影響。

酶解時間對酶解工藝的影響：按照1.3.1所述方法，分別在不同時間（1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h、3.5 h、4.0 h、4.5 h、5.0 h）條件下進行酶解試驗，測定蛋白水解液的水解度及多肽得率，由此考察酶解時間對酶解工藝的影響。

pH值對酶解工藝的影響：按照1.3.1所述方法，分別在不同pH（6、7、8、9、10、11、12）條件下進行酶解試驗，測定蛋白水解液的水解度及多肽得率，由此考察pH值對酶解工藝的影響。

酶解溫度對酶解工藝的影響：按照1.3.1所述方法，分別在不同溫度（30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃）條件下進行酶解試驗，測定蛋白水解液的水解度及多肽得率，由此考察溫度對酶解工藝的影響。

1.3.4酶解工藝的響應面試驗分析

根據上述單因素試驗的結果及分析，初步確定了影響谷朊粉酶解工藝的主要因素以及各因素的適宜取值范圍。以加酶量、酶解溫度及pH值3個因素為變量，分別以水解度（Y1）及多肽得率（Y2）為響應值，采用響應面分析法中的中心組合設計對這3個因素做進一步考察并優化，由此確定它們的最佳取值，進而確定最佳的酶解工藝條件，因素與水平見表1。

表1　中心組合設計因素與水平Table 1 Factors and levels of central composite design

2　結果與分析

2.1單因素試驗分析

2.1.1底物蛋白質量濃度對酶解工藝的影響

在其他條件不變的前提下，分別以不同質量濃度的谷朊粉蛋白進行酶解試驗，考察了蛋白質量濃度對酶解工藝的影響，結果如圖1所示。

圖1　底物蛋白質量濃度對酶解工藝的影響Fig.1 Effect of protein concentration on the hydrolysis process of wheat gluten

由圖1可知，在試驗的質量濃度范圍之內，當蛋白質量濃度低于4 g/100 mL時，蛋白水解度受底物質量濃度的影響并不明顯，這說明在此試驗條件下原蛋白肽鏈中能夠被作用的肽鍵已水解完全；當蛋白質量濃度＞4 g/100 mL，水解度會隨著蛋白質量濃度的增加而降低，說明原蛋白肽鏈上部分能夠被作用的肽鍵并沒有被水解，這是由于谷朊粉蛋白難溶于水，過高的質量濃度會造成蛋白分散困難，甚至結團從而直接影響其水解效率。另外，試驗還發現水溶性多肽的得率與蛋白水解度的變化趨勢基本相一致，并與蛋白質量濃度有一定關系，酶解體系中蛋白質量濃度太高（＞3 g/100 mL）將會導致多肽得率明顯降低。綜合考慮水解度及多肽得率兩個指標，確定了酶解工藝適宜的谷朊粉蛋白質量濃度為3 g/100 mL。

2.1.2加酶量對水解度的影響

在酶解體系中分別加入不同量的胰蛋白酶進行谷朊粉酶解試驗，考察了加酶量對酶解工藝的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2　加酶量對酶解工藝的影響Fig.2 Effect of enzyme addition on the hydrolysis process of wheat gluten

由圖2可知，在試驗條件下谷朊粉蛋白的水解度及多肽得率隨加酶量的增加而顯著增加，當加酶量＞3 500 U/g時，水解度與多肽得率增加趨于平緩，說明原蛋白肽鏈中能夠被作用的肽鍵已基本水解完全。因此，初步確定酶解體系中胰蛋白酶的適宜添加量在3 500 U/g左右。

2.1.3酶解溫度對酶解工藝的影響

分別在不同的溫度條件下進行谷朊粉酶解試驗，考察了酶解溫度對酶解工藝的影響，結果如圖3所示。

圖3　酶解溫度對酶解工藝的影響Fig.3 Effect of hydrolyzing temperature on the hydrolysis process of wheat gluten

由圖3可知，當酶解體系溫度＜50℃時，隨著酶解溫度的升高蛋白水解度及多肽得率隨之增加；當酶解體系溫度＞55℃時，蛋白水解度會迅速下降，說明在此溫度條件下酶失活嚴重。因此，初步確定谷朊粉酶解的適宜酶解溫度在50℃左右。

2.1.4pH值對酶解工藝的影響

在不同的pH值條件下進行谷朊粉酶解試驗，考察了pH值對酶解工藝的影響，試驗結果如圖4所示。

圖4　pH對酶解工藝的影響Fig.4 Effect of pH on the hydrolysis process of wheat gluten

由圖4可知，在pH值＜8的情況下，蛋白水解度及多肽得率隨pH的增加呈現緩慢增加趨勢；當體系pH值為8～11時，蛋白水解度及多肽得率隨pH值升高迅速增加；當體系pH值＞11時，蛋白水解度及多肽得率的增加又趨于平緩；堿性的環境有助于谷朊粉蛋白的水解，這可能與谷朊粉蛋白在堿性條件下相對較好的水溶性有關［22］。因此，初步確定了胰蛋白酶水解谷朊粉蛋白的適宜pH值在11左右。

2.1.5酶解時間對酶解工藝的影響

分別在不同的時間范圍內進行谷朊粉酶解試驗，考察了酶解時間對酶解工藝的影響，試驗結果如圖5所示。

圖5　酶解時間對酶解工藝的影響Fig.5 Effect of hydrolyzing time on the hydrolysis process of wheat gluten

由圖5可知，在酶解時間＜4 h時，蛋白水解度及多肽得率隨著酶解時間的延長而逐漸增加，說明這此時間范圍內蛋白肽鏈上可被作用的肽鍵并未完全水解，酶解不充分；當酶解時間＞4 h后，蛋白水解度及多肽得率的增加不明顯，說明在此試驗條件下酶解已結束。因此，谷朊粉蛋白酶解的適宜時間為4 h。

2.2酶解工藝的中心組合試驗設計

在單因素試驗的基礎上，固定谷朊粉蛋白質量濃度為3 g/100 mL，酶解時間為4 h，以水解度（Y1）及多肽得率（Y2）為響應值，采用響應面分析法中的中心組合試驗對這3個因素進行響應面優化設計，試驗設計及結果如表2所示。

分別以水解度及多肽得率為響應值對表2試驗結果進行回歸分析，可以擬合得到以下數學模型：

表2　中心組合試驗設計及結果Table 2 Central composite design and experimental results

由表3方差分析可知，該模型的P=0.000 1，失擬項P=0.142 8，表明擬合得到的模型極顯著，失擬不顯著；相關系數R2=0.960 4，說明該模型可以解釋96.04%的試驗結果，模型擬合度非常高，可以用于說明試驗因素與響應值之間的關系。此外，在考察的3個因素中，因素A與因素C對試驗結果有極顯著影響（P＜0.01），因素B對試驗結果有顯著影響（P＜0.05）；在各因素設定的取值范圍內，3個因素對響應值（Y1）的影響強弱依次為A＞C＞B。

表3　回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

以谷朊粉蛋白水解度（Y1）為響應值，在固定一個因素取值為0水平的前提下，繪制模型（1）的響應面圖，結果如圖6所示。

圖6　加酶量（A），溫度（B）與pH（C）交互作用對谷朊粉蛋白水解度影響的響應面Fig.6 Response surfaces plots and contour line of effects of interaction between enzyme addition，temperature and pH on hydrolysis degree of wheat gluten

由圖6可知，模型確定的響應曲面是典型的凸面，在該曲面上必然存在最大響應點，與之對應的各因素取值分別為加酶量（A）4 056 U/g，溫度（B）48.2℃，pH值（C）為11.13。此條件下理論谷朊粉蛋白水解度為（8.09±0.19）%，多肽得率為（65.03±1.71）%。考慮到實際操作的方便，將各因素修正為加酶量4 056 U/g，溫度48℃，pH值為11。在修正條件下進行4次重復驗證試驗，谷朊粉蛋白水解度結果的平均值為8.03%，多肽得率為64.2%，與模型預測值基本一致，進一步驗證了該模型的可靠性。

3　結論

本研究以谷朊粉蛋白水解及水溶性肽的制備為目標，考察了影響胰蛋白酶水解谷朊粉蛋白的工藝條件：底物蛋白濃度、加酶量、溫度、pH值及酶解時間。采用響應面分析法對酶解工藝進行了優化并確定了最佳的谷朊粉酶解工藝條件為谷朊粉蛋白質量濃度3 g/100 mL，加酶量為4 056 U/g，pH 11，酶解溫度48℃，酶解時間為4 h。在此優化的工藝條件下，谷朊粉蛋白的水解度可以達到8.03%，水溶性多肽得率達到64.2%。試驗結果表明，胰蛋白酶對谷朊粉蛋白有相對較強的水解能力，通過胰蛋白酶的作用可顯著提高谷朊粉蛋白的水溶性，從而提高該蛋白原料的加工性能。

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Optimization of polypeptides preparation process from wheat gluten by trypsin hydrolysis

LIU Yuting，PAN Jinquan*，LIU Xiating
（School of Life Science and Technology，Lingnan Normal University，Zhanjiang 524048，China）

To improve the processing and functional properties of wheat gluten protein，the preparation process of polypeptides from wheat gluten protein by trypsin hydrolysis was investigated and optimized through single factor and response surface method.After optimization，the optimum process conditions for the enzymatic hydrolysis of wheat gluten protein were determined:wheat gluten protein concentration 3 g/100 ml，trypsin addition 4 056 U/g，pH 11，temperature 48℃，time 4 h.Under the conditions，the hydrolysis degree of wheat gluten protein could reach 8.03%，and the yield of water soluble polypeptides was 64.2%.The experimental results showed that the process for the transformation of gluten protein into water soluble polypeptides by trypsin hydrolysis was feasible.

wheat gluten；trypsin；hydrolysis；polypeptides

TS201.1

A

0254-5071（2015）10-0018-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.10.005

2015-09-16

國家星火計劃項目（2013GA780084）；廣東省科技計劃項目（2015A010107016）；國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201310579014）

劉玉婷（1990-），女，助教，本科，研究方向為食品生物技術。

潘進權（1978-），男，博士，副教授，研究方向為食品生物技術。