超濾芝麻蛋白和等電點沉淀芝麻蛋白的功能特性比較

朱秀靈,戴清源,賈 冬,李鵬程,夏 楠,胡 闖,胡龍平

(安徽工程大學生物與化學工程學院,安徽蕪湖 241000)

超濾芝麻蛋白和等電點沉淀芝麻蛋白的功能特性比較

朱秀靈,戴清源,賈 冬,李鵬程,夏 楠,胡 闖,胡龍平

(安徽工程大學生物與化學工程學院,安徽蕪湖 241000)

研究超濾法和等電點沉淀法制備的芝麻蛋白(分別以UF-SP和IEP-SP表示)在功能特性方面的差異．結果發現:UF-SP和IEP-SP的吸油性及持水力差異不顯著(P＞0．05);在p H 2．0～10．0范圍內,UF-SP和IEP-SP的溶解性、乳化性、發泡性和泡沫穩定性均呈p H依賴性,并具有相似的變化趨勢．與IEP-SP相比,除在p H 8．0～10．0范圍內UF-SP的泡沫穩定性低于IEP-SP之外,UF-SP均表現出較好的功能特性．為芝麻餅粕蛋白資源的開發利用提供一定參考．

芝麻蛋白;超濾;等電點沉淀;功能特性

芝麻是我國四大油料之一,其制油副產物芝麻餅粕中蛋白質含量高達60%,是一種營養價值較高的完全蛋白質資源[1-2]．蛋白質的功能特性是決定蛋白質利用價值大小的關鍵因素[3-4],充分掌握蛋白質的功能特性,對于開發新型蛋白質食品具有重要意義．蛋白質的功能特性除了與其分子質量大小、結構特征、所帶電荷及氨基酸組成等有關外,還與其提取條件及制備方法有關．蛋白質的制備方法較多,等電點沉淀法是蛋白質制備最常用的方法[5],但該法所得蛋白質的溶解性、持水性、吸油性、乳化性、起泡性及起泡穩定性較低,這將限制蛋白質在食品工業中的應用[1,6-7]．近年來,國內外學者通過超聲輔助堿液提取、酶解及微波改性等方法以獲得量大質優的蛋白質產品,取得了一定的效果,但仍然存在成本高、難于工業化生產等不足之處．超濾技術是以特殊的超濾膜為分離介質,通過截留大分子蛋白質而去除小分子物質,在常溫下實現物質分離,同時還可改善蛋白質的功能特性,已成為富集蛋白質的有效方法之一[7-8]．有關超濾芝麻蛋白和等電點沉淀芝麻蛋白的功能特性差異鮮見報道．

以芝麻餅為原料,采用超濾和等電點沉淀法制備芝麻蛋白,比較了兩種方法所得蛋白質在得率、吸油性、持水性、溶解性、乳化特性和發泡特性上的區別,以期為芝麻蛋白的工業化生產提供理論依據,推動芝麻蛋白在食品工業中的應用．

1 材料與方法

1．1 材料與儀器

壓榨芝麻餅,購于當地油脂加工廠．采用正己烷將壓榨芝麻餅充分脫脂,再經干燥、粉碎、過篩(80目),即得到脫脂芝麻餅(defatted sesame cake,DSC)．置于密封袋中,－20℃保存備用．

JJ-1B電動攪拌器(江蘇金壇市科杰儀器廠);L-550型臺式低速大容量離心機(湖南湘儀離心機儀器有限公司);FW80型高速萬能粉碎機(佛山市儀電實驗儀器有限公司);Mini Pellicon超濾設備(密理博(中國)有限公司);RE-52A型旋轉蒸發儀(上海亞榮生化儀器廠);Alpha 1-4 LSC冷凍干燥機(德國Christ公司);723N型可見分光光度計(上海精密科學儀器有限公司);PHS-3C型精密酸度計(上海儀電科學儀器股份有限公司)．

1．2 實驗方法

(1)芝麻蛋白的制備．參照文獻[9]方法制備芝麻蛋白．稱取500 g脫脂芝麻餅(defatted sesame cake, DSC),按料液比1∶10(g/m L)加入蒸餾水,攪拌均勻．然后邊攪拌邊滴加2 mol/L NaOH溶液調節p H至10．0,室溫攪拌2 h,離心取上清,沉淀部分采用同樣方法再提取一次,合并兩次提取液,即為芝麻蛋白提取液．選擇截留相對分子質量為20 k Da超濾膜,在超濾壓力0．25 MPa、提取液p H為10．0的條件下,對芝麻蛋白提取液進行超濾,再將超濾濃縮液進行冷凍干燥,即得到超濾芝麻蛋白(以UF-SP表示)．等電點沉淀芝麻蛋白(以IEP-SP表示)則是采用2 mol/L HCl將芝麻蛋白提取液調p H至4．5,室溫靜置1 h,離心(4 000×g,15 min),去上清,沉淀部分采用p H 4．5水溶液洗滌2次,調節p H至7．0后進行冷凍干燥,即得到IEP-SP．

(2)成分分析．蛋白質含量采用考馬斯亮藍法測定[10];脂肪含量參照AACC方法采用索氏提取法測定[11];碳水化合物含量采用苯酚硫酸法測定;水分含量采用105℃恒溫法測定．

(3)功能特性．

溶解性．采用Achouri[12]法測定．準確稱取100 mg芝麻蛋白(m1),分散于10mL蒸餾水中,分別采用1 mol/L HCl和1 mol/L Na OH調節p H至所需范圍,室溫放置30 min,離心(4 000×g,15 min),收集上清液,記錄液體體積(V),并采用考馬斯亮藍測定上清液中蛋白質質量濃度(C),按式(1)計算芝麻蛋白的溶解性(Solubility)．

式中,C為上清液中蛋白質質量濃度;V為上清液的體積;m1為芝麻蛋白的質量．

吸油性．采用Boye[7]法測定．準確稱取0．5 g芝麻蛋白(m1),置于15mL刻度離心管(m2)中,再準確量取3 m L玉米油加入此離心管中,玻璃棒攪拌1 min,靜止30 min,離心(4 000×g,30 min),吸去上層溶液,準確稱量刻度離心管的質量(m3)．按式(2)計算吸油性(Oil absorption capacity,OAC)．

式中,m1為芝麻蛋白質量;m2為刻度離心管質量;m3為芝麻蛋白、吸附的油脂及刻度離心管的總質量．

持水性．采用AACC[13]法測定．準確稱取1．0g芝麻蛋白(m1)置于50mL塑料離心管(m2)中,加入蒸餾水30 m L,磁力攪拌使蛋白質分散均勻,采用1．0mol/L HCl和1mol/L NaOH調節pH至7．0,置于60℃水浴中保溫30 min,然后冷水冷卻,離心(15000×g,10min),去除上清液,稱取離心管的質量(m3),按式(3)計算芝麻蛋白的持水性(Water holding capacity,WHC)．

乳化活性和乳化穩定性．參照文獻[12,14]．將芝麻蛋白溶解于0．01 mol/L p H 7．0磷酸鹽緩沖溶液制成0．5%(w/v)溶液,量取該溶液3．0 m L,加入1．5 m L玉米油,高速均質(15 000×g,1 min),并且每隔60 s從容器底部取出100μL乳化液體,采用20 m L含有0．1%十二烷基硫酸鈉的磷酸鹽緩沖溶液進行稀釋,于500 nm測定此稀釋液在0和10 min時的吸光度值．分別按式(4)和式(5)計算乳化活性指數(Emulsifying activity index,EAI)和乳化穩定性指數(Emulsifying stability index,ESI)．

式中,A0為乳液稀釋液的吸光度值;N為稀釋倍數;c為蛋白質的質量濃度;φ為乳液中油脂的體積分數; ΔA為乳液稀釋液在0和10 min時吸光度值的變化量;t為間隔時間(10 min)．

發泡性和泡沫穩定性．參照文獻[15-16]所述方法,稱取一定質量的芝麻蛋白若干份,分別溶于0．01 mol/L p H 2．0～10．0磷酸鹽緩沖溶液,使混合液中蛋白質質量濃度為10 mg/m L．取上述混合液各50 m L,攪打5 min后立即轉移至100 m L量筒,記錄攪打前后溶液的體積．發泡性(Foaming capacity,FC)則表示攪打后體積增加量與攪打前初始體積的百分比．而泡沫穩定性(Foaming stability,FS)則表示為蛋白質溶液攪打發泡后靜止120 min量筒內泡沫體積的變化量占攪打后體積總增加量的百分比．芝麻蛋白的發泡性和泡沫穩定性分別按式(6)和式(7)計算．

式中,V0為攪打前溶液體積;V1為攪打后溶液體積;V2為攪打后溶液靜止一段時間的體積．

1．3 數據分析

實驗均重復3次,以平均值±標準偏差(mean±SD)表示,利用IBM SPSS Statistics 21軟件單因素分析中的LSD對數據進行比較分析,P＜0．05為差異顯著水平．

2 結果與分析

2．1 脫脂芝麻餅和芝麻蛋白主要成分

脫脂芝麻餅和芝麻蛋白主要成分如表1所示．由表1看出,脫脂芝麻餅、超濾芝麻蛋白和等電點沉淀芝麻蛋白中主要成分的質量百分比有顯著差異．脫脂芝麻餅經過堿液提取、超濾及等電點沉淀法制備芝麻蛋白,蛋白質含量由(53．82±0．18)%分別提高到(84．06±0．21)%和(83．85±0．18)%．此時,蛋白質得率分別為(75．42±0．17)%和(62．19±0．23)%．在蛋白質含量及蛋白質得率方面,超濾法均優于等電點沉淀法,這與Yoshie-Stark[17]報道一致．由此看出,超濾法是制備高蛋白質含量產品的一種有效方法．

表1 脫脂芝麻餅和芝麻蛋白主要成分α

2．2 芝麻蛋白的功能特性

(1)溶解性．芝麻蛋白溶解性隨p H變化曲線如圖1所示．由圖1可以看出,在不同p H值下,芝麻蛋白溶解性不同,在等電點附近(p H 5.0左右)時,UF-SP和IEP-SP的溶解性最小,分別為(4．12±1．89)%和(3．39±2．04)%．然而在p H 2．0～3．0和p H 8．0～10．0范圍之內,即偏離等電點時的酸性和堿性條件下,UF-SP和IEP-SP均具有較高的溶解性．當p H 10．0時, UF-SP和IEP-SP溶解性最大,分別為(46．09±2．45)%和(40．25±1．77)%．在p H 2．0～10．0范圍內,芝麻蛋白的溶解性隨p H增加而變化的趨勢與Achouri[12]等報道一致．當p H接近等電點時,由于分子間靜電斥力減小,蛋白質相互聚集形成聚集體,高密度和大直徑的聚集體的形成進一步導致蛋白質沉淀[18],因此,當p H接近等電點時芝麻蛋白溶解性較小．當p H高于或低于等電點時,蛋白質分子帶有靜電荷,由于靜電排斥和離子水化作用,蛋白質分子之間不易聚集,因此溶解性較高．由圖1還可以看出,相同pH條件下UF-SP溶解性均高于IEP-SP的溶解性,在pH 4．0～9．0時,UF-SP和IEP-SP的溶解性在相同pH條件下的差異不顯著(P＞0．05),可能是由于制備過程中酸堿條件的改變影響了蛋白質結構及分子間作用,導致其物理特性發生變化．較低的溶解性會降低蛋白質在食品中的應用,超濾法制備的芝麻蛋白具有較高的溶解性,有利于其產品的開發利用．

(2)吸油性和持水力．吸油性(OAC)是影響蛋白質乳化性能的重要因素．高吸油性蛋白質可用于食品生產,如肉類替代品、甜點和焙烤食品[16]．超濾和等電點沉淀法制備的芝麻蛋白OAC值分別為(174．56±14．32)%和(159．81±11．09)%．與等電點沉淀法相比,超濾法制備的芝麻蛋白具有較強的吸油性,但差異不顯著(P＞0．05)．

超濾和等電點沉淀法制備的芝麻蛋白的持水性分別為(3．11±0．94)g/g和(2．84±0．64)g/g,差異不顯著(P＞0．05)．與大豆蛋白相比,Achouri[12]等研究發現芝麻分離蛋白的吸油性和持水性均低于大豆分離蛋白．這是由于不同來源或者同一來源不同處理方法所得的蛋白質在吸油性和持水性方面存在差異,可能與蛋白質側鏈以及蛋白質的疏水性、變性程度、分子量大小及靈活性等有關[19-20]．

(3)乳化活性和乳化穩定性．乳化特性是蛋白質最重要最基本的功能活性,可顯著降低油、水和大氣之間的界面張力．乳化活性指數(EAI)和乳化穩定性指數(ESI)是評價蛋白質形成乳液能力的兩個重要指標[14]．EAI表示單位質量蛋白質所產生的界面面積[21],而ESI是一種檢測蛋白質乳液超過一定時間后是否穩定的方法．本研究采用文獻[12,14]所述方法比較了芝麻蛋白在p H 2．0～10．0范圍內乳化活性和乳化穩定性,結果分別如圖2、圖3所示．

由圖2可以看出,芝麻蛋白的EAI值隨著p H的變化而變化．在pH 2．0～10．0范圍內,UF-SP和IEPSP具有相似的EAI變化曲線,即隨著p H增大,EAI值均先增加再減少．當pH 5．0時,UF-SP和IEP-SP均達到最大值EAI值,分別為(32．11±2．81)m2/g和(21．06±2．83)m2/g,這與Achouri[12]等報道一致．Achouri[12]等研究發現,在p H 7．0時,芝麻分離蛋白的乳化活性指數和乳化穩定性指數均顯著高于大豆蛋白,并且還發現芝麻分離蛋白的乳化活性指數和乳化穩定性指數呈p H依賴性．在p H 5．0時,EAI和ESI最大,而在p H 2．0或p H 7．0時EAI和ESI均減少．López[22]等研究發現芝麻蛋白在pH 7．0時乳化活性指數最大,最大值為84 m2/g,明顯高于本研究中超濾法和等電點沉淀法制備的芝麻蛋白的EAI值．其原因可能與蛋白質的疏水作用有關,蛋白質的來源、種類、加工和處理方法是影響蛋白質疏水作用的重要因素[23]．由圖2還可以看出,在p H 2．0～10．0范圍內,UF-SP的EAI值均高于IEP-SP,當pH 4．0～8．0時,差異顯著(P＜0．05)．

由圖3可以看出,隨著p H變化,IEP-SP和UF-SP具有相似的ESI變化趨勢．在pH 2．0～4．0時,UFSP的ESI值隨著p H增加而逐漸增大,當p H 4．0時,ESI達到最大值為(25±2．42)min;再增大p H值, ESI值逐漸減少,當pH 10．0時,ESI最小,最小值為(16±2．51)min;而IEP-SP的ESI值在p H 5．0時達到最大值,最大值為(21±1．86)min,然后隨p H增大而減少．由圖3還可以看出,UF-SP的ESI值在整個p H范圍內均高于IEP-SP．在早期研究中,Achouri[24]報道等電點沉淀法制備的大豆蛋白的EAI和ESI值分別為10．86 m2/g和0．80min．Fuhrmeister[25]報道大豆蛋白的EAI值為18．6m2/g．Wang[26]等也報道大豆蛋白的EAI值為11m2/g．與大豆蛋白相比,本研究中超濾法制備的芝麻蛋白具有較高的乳化活性和乳化穩定性,這與Cano-Medina[23]的報道一致．

(4)發泡性和泡沫穩定性．芝麻蛋白的發泡性隨p H變化曲線如圖4所示．由圖4可以看出,超濾法和等電點沉淀法制備的芝麻蛋白的發泡性隨p H變化曲線具有相似的變化趨勢,該變化趨勢與溶解性曲線非常相似．在p H 5．0時,UF-SP和IEP-SP均具有最小FC值,分別為(31．85±2．36)%和(30．33±1．97)%;在p H 9．0時,UF-SP和IEP-SP的FC值達到最大,分別為(95．73±4．72)%和(72．36±4．70)%．Deng[16]等研究發現,蛋白質的溶解性與發泡性密切相關,高蛋白溶解性是獲得良好發泡能力和泡沫穩定性的先決條件．Chau[27]等報道,在任何給定p H條件下,蛋白質較高的發泡性與蛋白質分子靈活性的增加密切相關,因為靈活性的增加使蛋白質更易于快速擴散到氣液界面包裹大量空氣顆粒,從而提高蛋白質的發泡性能．

芝麻蛋白的泡沫穩定性隨p H變化曲線如圖5所示．由圖5可以看出,在不同p H條件下,超濾法和等電點沉淀法制備的芝麻蛋白具有相似的泡沫穩定性變化曲線．在pH 5．0時,UF-SP和IEP-SP的泡沫穩定性最小,其FS值分別為(49．88±5．31)%和(30．03±2．76)%;在pH 9．0時,FS值最大,分別為(68．95±1．95)%和(81．26±2．03)%．適易的溶解性是蛋白質泡沫形成的重要條件．在等電點區域,蛋白質分子相互聚集,導致了泡沫穩定性降低[16,27]．在酸性和堿性p H條件下,由于蛋白質帶有大量的凈負電荷,使蛋白質分子之間不易聚集,這將有助于提高蛋白質的溶解性和表面活性,從而有利于泡沫的形成[28]．而當p H高于9．0時,FC和FS反而下降,可能是由于強堿改變了蛋白質分子構象,從而導致蛋白質發泡性和泡沫穩定性的降低．由圖5還可以看出,在pH 4．0～7．0范圍內,UF-SP的泡沫穩定性明顯高于IEP-SP,而在pH 8．0～10．0范圍內,UP-SP的泡沫穩定性卻顯著低于IEP-SP．這表明超濾法和等電點沉淀法制備的芝麻蛋白在化學組成、構象、結構以及與環境介質之間相互作用存在某種程度的差異．

3 結論

以芝麻餅為原料,采用超濾和等電點沉淀法制備芝麻蛋白．比較了這兩種蛋白的吸油性和持水性及在不同p H條件下溶解性、乳化活性指數和乳化穩定性指數、發泡性和泡沫穩定性的變化．研究發現,UF-SP的吸油性和持水力高于IEP-SP,但差異不顯著;在p H 2．0～10．0范圍內,UF-SP和IEP-SP在溶解性、乳化性和乳化穩定性、發泡性和泡沫穩定性方面具有相似的變化趨勢,并且UF-SP的功能特性在一定的p H范圍內明顯優于IEP-SP．結果表明,超濾法制備的芝麻蛋白具有良好的功能特性,超濾法作為蛋白質制備的有效方法,將有助于芝麻蛋白資源的開發利用．

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Comparative study of functional properties of sesame proteins prepared by ultrafiltration and isoelectric precipitation

ZHU Xiu-ling,DAI Qing-yuan,JIA Dong,LI Peng-cheng, XIA Nan,HU Chuang,HU Long-ping
(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

The functional properties of sesame proteins from sesame cake by ultrafiltration(UF-SP)and isoelectric precipitation(IEP-SP)were investigated comparatively in this study．Results showed that the difference was not significant(P＞0．05)for the oil-absorption capacity as well as water-holding capacity between UF-SP and IEP-SP．In the p H range from 2．0～10．0,for UF-SP and IEP-SP,the solubility,emulsifying properties(foaming capacity(FC)and foaming stability(FS))were p H-dependent and similar in curves．Except for the lower foaming stability in the p H range from 8．0～10．0,UF-SP showed higher functional properties than IEP-SP in the p H range from 2．0 to 10．0．These results are helpful for the development and utilization of sesame cake proteins．

sesame protein;ultrafiltration;isoelectric precipitation;functional properties

TS229

A

1672-2477(2015)04-0001-07

2014-12-02

安徽省高校自然科學基金資助項目(KJ2012Z019);國家級大學生創新創業訓練計劃基金資助項目(201210363111,201410363074,201410363078);安徽省大學生創新創業訓練計劃基金資助項目(AH201310363323,AH201310363334,AH20141036374,AH201410363078)

朱秀靈(1978-),女,河南周口人,副教授,博士．