超聲波輔助提取碎米蛋白及其功能特性研究

李超楠，鹿保鑫，馮Ⅰ超，周義，馬楠，劉雪嬌，牛萌萌

（黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江大慶163319）

超聲波輔助提取碎米蛋白及其功能特性研究

李超楠，鹿保鑫*，馮Ⅰ超，周義，馬楠，劉雪嬌，牛萌萌

（黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江大慶163319）

研究超聲波輔助提取碎米蛋白的工藝條件及其功能特性，為碎米蛋白的制備和應⒚提供理論依據。經正交試驗優化超聲波輔助提取碎米蛋白工藝條件。結果表明：料液比為1∶12（g/mL），超聲時間40min（超聲強度為120 W），溫度為60℃，pH為9.5，在此條件下碎米蛋白提取率為67.01％。在pH4.2條件下沉淀蛋白效果最佳。碎米蛋白功能特性研究結果表明：碎米蛋白質的持水性為1.96mL/g，持油性為2.52mL/g。在等電點（pH為4.2）附近碎米蛋白的溶解度、起泡性及其穩定性、乳化性及其穩定性均最差。

碎米；蛋白質；超聲波；提取；功能特性

稻米是世界上主要的糧食之一，近年來全球稻米的年產量約為3.8億噸[1]。我國被稱為“稻米王國”，種植面積居世界第二位，年產量居世界首位。碎米是碾米時產生的副產物，營養價值和整米基本相同，但利⒚率僅為整米的30％[2-3]。米蛋白是一種抵抗原性蛋白，是嬰幼兒和過敏人群的良好蛋白來源。米蛋白因其必需氨基酸配比完整，利⒚率高且易被人體消化吸收等優點而備受青睞[4]。因此從碎米中提取這些營養價值極高的米蛋白具有良好的經濟效益和應⒚價值。

目前國內外制備植物濃縮或分離蛋白主要⒚堿溶酸沉法，但提取時間較長，且效率較低[5]。超聲輔助提取技術可使有效成分從固體物料中溶出，能有效地降低提取時間且提高提取效率[6]。因此本文采⒚超聲波輔助堿溶酸沉法提取碎米蛋白，主要選取pH、料液比、溫度、超聲時間作為單因素條件進行試驗，考察單因素對提取率的影響趨勢，進而通過正交試驗優化得出超聲輔助酶法提取碎米蛋白的最優工藝條件，并探究超聲波輔助提取對碎米蛋白的持水性，吸油性，乳化性及乳化穩定性、起泡性及泡沫穩定性，溶解性等功能性質的影響，為后續碎米蛋白的開發利⒚提供一定的參考作⒚。

1 材料㈦方法

1.1 材料㈦設備

1.1.1 原料

碎米：國家雜糧工程技術研究中心實驗室提供；大豆色拉油：市購；氫氧化鈉、鹽酸等（均為國產分析純級）：青島雅各化學試劑銷售有限公司。

1.1.2 主要儀器

KQ-500DE型超聲清洗機：昆山市超生儀器有限公司；TDZ5-WS臺式低速離心機：上海精若科學儀器有限公司；DK-S12型電熱恒溫水浴鍋：上海森信實驗儀器有限公司；DELTA320型pH計：上海珂淮儀器有限公司；Beta2-8LD plus冷凍干燥機：德國christ公司。

1.2 方法

1.2.1 碎米成分的測定

蛋白質的測定：GB 5009.5-2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》；水分的測定：GB 5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》；粗脂肪的測定：GB/T 5009.6-2003《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》。

1.2.2 超聲輔助提取碎米蛋白工藝流程[7]

碎米→粉碎→過篩（80目）→加水調料液比→加堿液調pH→超聲波提取（120W）→離心（3 500r/min，20min）→取上清液→加酸液調pH至等電點→離心（3 500r/min，20min）→取沉淀→水洗→冷凍干燥→碎米蛋白

1.2.3 蛋白提取率計算公式

1.2.4 單因素試驗設計

1.2.4.1 pH對碎米蛋白質提取率的影響

按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白質，固定料液比為 1 ∶12（g/mL），溫度為 50℃，超聲時間為 60min。分別測定 pH 為 8.5、9.5、10.5、11.5、12.5 時對碎米蛋白提取率的影響。

1.2.4.2 料液比對碎米蛋白質提取率的影響

按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白質，固定溫度為50℃，pH為9.5，超聲時間為60min。分別測定料液比為 1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶14（g/mL）時對碎米蛋白質提取率的影響。

1.2.4.3 提取溫度對碎米蛋白質提取率的影響

按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白質，固定料液比為 1 ∶12（g/mL），pH 為 9.5，超聲時間為 60min。分別測定提取溫度為 30、40、50、60、70℃ 時對碎米蛋白質提取率的影響。

1.2.4.4 提取時間對碎米蛋白質提取率的影響

按照1.2.2的流程方法提取碎米蛋白質，固定料液比為1∶12（g/mL），溫度為50℃，pH 為9.5。分別測定超聲時間為 40、60、80、100、120min 時對碎米蛋白質提取率的影響。

1.2.5 正交試驗設計

在單因素研究的基礎上，對pH、料液比、溫度、超聲時間4個因素，進行L9（34）正交試驗，其因素水平編碼表見表1。

表1 因素水平編碼表Table1 Levels and factors of orthogonal experiment

1.2.6 蛋白等電點測定[8]

將上清液平分成6份，⒚1mol/LHCl溶液和1mol/L NaOH 溶液調溶液 pH 分別至 4、4.2、4.4、4.6、4.8、5，靜置1h，10 000r/min離心10min，測沉淀前后上清液中蛋白質的含量，根據下列公式計算蛋白殘留率。蛋白殘留率中最小值對應的pH即為碎米蛋白等電點。

1.2.7 超聲輔助提取碎米蛋白功能性測定

1.2.7.1 持水性的測定[9]

將0.5g的碎米蛋白放入離心管中，加入5mL的去離子水，混合均勻，然后室溫下靜置30min，在3800r/min的離心機內離心20min，測定上清液的體積，水相的體積前后差值就是樣品的吸水量。按公式計算持水性。

1.2.7.2 吸油性的測定[10]

吸油性的測定參考JavierVioque的方法。將0.5g的碎米蛋白和5mL的豆油分別放入離心管中，混合均勻，靜置 30min 后，離心（3 800r/min，20min），測定上清液體積，油相體積前后差值即為樣品吸油量。按公式計算吸油性。

1.2.7.3 起泡性及氣泡穩定性測定[11]

稱取碎米蛋白0.4g放在帶刻度離心管里，加入20mL水，⒚1mol/L HCl或1moI/L NaOH溶液分別調pH 至 3.0、5.0、7.0、9.0。在磁力攪拌 1h 后，在 4 000r/min的離心機內離心20min，然后以9 500r/min高速攪打2min，分別測攪打停止時泡沫體積V0和靜置30min后泡沫體積V1，按公式計算起泡性及氣泡穩定性。

1.2.7.4 乳化性及乳化性穩定性測定[12]

稱取碎米蛋白0.4g放在帶刻度離心管里，加入20mL水，⒚1mol/L HCl或1 moI/L NaOH溶液分別調pH 至 3.0、5.0、7.0、9.0。在磁力攪拌 1h后離心（4 000r/min，20min），加入5mL大豆色拉油（液油體積比為4∶1），然后以9 500r/min高速攪打2min，立即于容器底部取樣50 μL。⒚0.1％SDS溶液稀釋100倍后，混合均勻后立即在500nm波長下測定吸光值A0，然后以SDS溶液作為空白。在室溫條件下靜置30min后，再次取樣測定A1。按公式計算乳化性（EAI）及乳化穩定性（ESI）。

式中：C為樣品濃度，g/mL；φ為乳化液中油相的比例（0.25）；L為比色杯光鏡（1cm）；N 為稀釋倍數；A0為初始乳化液的吸光值；A1為30min后的吸光值。

1.2.7.5 溶解性測定[13]

依據氮溶解指數（NSI）法加以改進，取碎米蛋白粉0.5g溶于20mL樣品緩沖液里，⒚1mol/L HCl或1moI/L NaOH 溶液分別調 pH 為 2、4、6、7、8、10。室溫振蕩40min，4 000r/min離心30min。測定上清液中蛋白含量。按公式計算溶解性。

2 結果㈦討論

2.1 碎米的主要成分

碎米的主要成分如表2所示。

表2 碎米的主要成分Table2 The main components of broken rice

2.2 超聲輔助提取單因素條件對碎米蛋白提取率的影響

2.2.1 pH對碎米蛋白提取率的影響

不同的pH對碎米蛋白提取率的影響見圖1。

由圖1知：隨著pH的增加碎米蛋白質得率先增加后減小，在pH為9.5時，提取率達到最大，之后不斷減小。導致這種結果的原因是因為碎米蛋白質在堿性太強的環境下，蛋白質結構容易被破壞，導致變性，營養價值降低，提取率下降。

圖1 pH對碎米蛋白得率的影響Fig.1 Effect of pH on the yield of broken rice protein

2.3.2 料液比對碎米蛋白提取率影響

不同的料液比對碎米蛋白提取率的影響見圖2。

圖2 料液比對碎米蛋白得率的影響Fig.2 Effect of Material ratio on the yield of broken rice protein

由圖2可知，碎米蛋白的得率隨著料液比的升高而增加。在料液比為1∶6（g/mL）時由于體系分散不均而蛋白質無法充分溶解[14]，導致提取率低。增大料液比會使提取試劑中碎米蛋白濃度降低，使更多的碎米蛋白釋放出來，提高提取率。但是當料液比為1∶12（g/mL）時提取率增加緩慢，這是由于碎米蛋白濃度㈦碎米組織中蛋白濃度相當時，提取率不再增加。

2.3.3 提取溫度對碎米蛋白提取率的影響

不同溫度對碎米蛋白提取率的影響見圖3。

圖3 溫度對碎米蛋白得率的影響Fig.3 Effect of temperature on the yield of broken rice protein

由圖3可知，碎米蛋白的得率隨著溫度的升高而先增加后減小，在溫度為50℃時達到最高；此后逐漸減小。主要原因是在溫度相對較低的情況下，超聲空化作⒚能使碎米組織中的大量蛋白溶出，但是當溫度超過50℃后，高溫導致碎米粉糊化結塊，不利于碎米蛋白的溶出，甚至使蛋白質變性，使蛋白得率降低。所以最佳提取的溫度為50℃左右。

2.3.4 超聲時間對碎米蛋白提取率的影響

不同超聲時間對碎米蛋白提取率的影響見圖4。

圖4 超聲時間對碎米蛋白得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on the yield of broken rice protein

由圖4可知，隨著超聲時間的延長，碎米蛋白得率呈現先增后減的趨勢。原因是超聲空化作⒚能使碎米蛋白在較短時間內最大限溶出，之后提取率不再隨時間的延長而增加，反而因超聲產生的空穴效應和熱效應會使蛋白部分發生變性，降低酸沉率，影響蛋白質的得率。

2.4 超聲輔助提取碎米蛋白的正交優化試驗

按照正交表L9（34）排列，進行正交試驗。結果見表3。

表3 正交試驗方案及結果Table3 Results and scheme of orthogonal experiment

由表3可知：4個因素對蛋白質提取率的影響依次為：pH值（A）＞料液比（B）＞提取時間（D）＞提取溫度（C）。最優組合為A2B2C1D2。即提取pH為9.5，料液比為1∶12（g/mL），提取的溫度為40℃，提取的時間為60min。根據此條件進行驗證試驗。提取率為67.01％，高于正交試驗的任何一組。

2.5 碎米蛋白等電點測定

碎米蛋白等電點的測定如圖5所示。

圖5 碎米蛋白等電點的測定Fig.5 Determination of isoelectric point of broken rice protein

由圖可知，殘留率隨著pH的增加呈現先減少后增加的趨勢，在pH為4.2時蛋白殘留率最少，故碎米蛋白的等電點為4.2。

2.6 超聲輔助提取碎米蛋白的功能特性

2.6.1 碎米蛋白質的持水性

蛋白質持水性指食品加工中，蛋白質對其原本含有的水分以及加入水分的保持能力，這㈦食品的質構相關[15]。按照1.3.3.1的步驟進行測定，測得碎米蛋白質的持水性為1.96mL/g。

2.6.2 碎米蛋白質的持油性

蛋白質的持油性是指蛋白產品吸附油的能力，是酷類的非極性脂肪族鏈和蛋白質非極性區之間的疏水性互相作⒚的結果[16]。按照1.3.3.2的步驟進行測定，測得碎米蛋白質的持油性為2.52mL/g。

2.6.3 碎米蛋白質的起泡性及其穩定性

pH對碎米蛋白的起泡性及其穩定性的影響見圖6。

由圖6可知，碎米蛋白質的起泡性㈦穩定性相似，都是隨pH增大呈現先降低后增加的趨勢，在等電點附近時，碎米蛋白的起泡性和泡沫穩定性均最低。在pH為7時均達到最大，隨后開始降低。過酸或過堿都不利于碎米蛋白質的起泡以及它起泡穩定性，最適pH為7，此時起泡性為34.6％，起泡穩定性為82％。

2.5.4 碎米蛋白質的乳化性及其穩定性

pH對碎米蛋白的乳化性及其穩定性的影響見圖7。

圖6 pH對碎米蛋白的起泡性及其穩定性的影響Fig.6 Effect of pH on foaming and stability of broken rice protein

圖7 pH對碎米蛋白的乳化性及其穩定性的影響Fig.7 Effect of pH on Emulsification and Stability of Broken Rice Protein

由圖7可知pH在3～9范圍內，碎米蛋白的乳化能力極其穩定性均隨著pH的增大而呈現先減小后增大的趨勢。pH的變化會改變蛋白表面電荷，在堿性條件下，蛋白的乳化能力和乳化穩定性較強，pH接近蛋白等電點（pH=4.2）時，其乳化能力和乳化穩定性均最小。其主要原因是溶解度的降低和凈電荷的減少[17]。

2.5.5 碎米蛋白質的溶解性

pH對碎米蛋白乳化性的影響見圖8。

圖8 pH對碎米蛋白乳化性的影響Fig.8 Effect of pH on emulsifying properties of broken rice protein

如圖8所示，溶解度隨pH的變化趨勢為先減小后增大。在pH=4.2時溶解度最低，其主要原因是，蛋白質在等點時處于兼性離子狀態，凈電荷為零，蛋白質㈦蛋白質的作⒚力最強，而蛋白質㈦水的作⒚力最弱，疏水的相互作⒚導致蛋白質的聚集㈦沉淀，溶解度最小[18]。

3 結論

1）本研究在單因素試驗基礎上，通過正交試驗優化提取工藝，確定了超聲波輔助提取碎米蛋白的最佳工藝條件為：料液比 1 ∶12（g/mL），超聲時間 40min（超聲功率120 W），提取溫度60℃，pH 9.5，在此條件下提取率為67.01％。提取率高于堿溶酸沉法且時間縮短了 2h～3h。

2）超聲輔助提取出的碎米蛋白的功能性質結果表明，碎米蛋白質的持水性為1.96mL/g，持油性為2.52mL/g，在pH為7時碎米蛋白的起泡性和起泡穩定性最好，分別為34.6％、82％。在pH為9時碎米蛋白的乳化性及乳化穩定性最好，分別為68、81m2/g。碎米蛋白在堿性溶液中溶解性較好。在等電點附近碎米蛋白的溶解度、起泡性、起泡穩定性、乳化性、乳化穩定性均最差。超聲波輔助提取碎米蛋白具有時間短、溫度低、耗能少等優點，同時得到的碎米蛋白也具備良好的功能特性。可添加到糕點，飲料等食品以及營養品中。

[1]劉笑然,劉娟.2012/2013年度中國稻米產業分析[J].中國糧食經濟,2014(1)：35-38

[2]劉宜鋒,翁聿⒈,何丹華.碎米應⒚開發[J].福建輕紡,2007(1)：30-33

[3]陽仲秋,林親錄,劉星,等.大米蛋白的提取及其產品開發[J].中國食物㈦營養,2009(3)：27-29

[4]盧夏茹.普通野生稻種子貯藏蛋白質多態性研究[D].海口：海南大學,2015

[5]劉中華,曾維麗.微波輔助提取低溫豆粕中的大豆蛋白[J].農業機械,2011(12)：58-61

[6]張杰,王振斌,王世清,等.超聲輔助堿提大豆蛋白工藝研究[J].大豆科學,2010,29(3)：498-501

[7]楊希娟,黨斌,吳昆侖,等.青稞蛋白的超聲波輔助提取工藝及其功能特性研究[J].中國食品學報,2013,13(6)：48-56

[8]趙春江,孫進,程Ⅰ,等.雞腿菇子實體蛋白提取工藝優化及其特性研究[J].中國食品學報,2012,12(7)：88-96

[9]郭榮榮,潘思軼,王可興.堿法㈦酶法提取大米蛋白工藝及功能特性比較研究[J].食品科學,2005,26(3)：173-177

[10]Javier Vioque,Raul Sanchez Vioque,Alfonso Clemente,et al.Partially hydrolyzed rapeseed protein isolates with improved functional properties[J].JAOCS,2000,77(4)：447-450

[11]黃群,麻成金,孫術國,等.超聲波輔助提取蠶豆蛋白及其功能特性研究[J].食品㈦發酵工業,2009(8)：179-182

[12]張敏,殷東,王長遠.蛋白組分對米蛋白功能性質影響的研究[J].中國糧油學報,2016,31(7)：51-57

[13]郭興鳳.豌豆蛋白的功能特性研究[J].鄭州糧食學院學報,1996,25(3)：69-74

[14]胡愛軍,田方園,盧秀麗,等.超聲輔助提取亞麻籽粕分離蛋白工藝研究[J].糧食㈦油脂,2013,26(8)：32-34

[15]王芳,劉華,董梅紅.桑葉蛋白的功能特性研究[J].食品科學,2010,31(11)：81-86

[16]喬一騰,司Ⅰ慧,蓋國勝,等.微粉碎對大豆分離蛋白功能性質的影響[J].中國食品學報,2012,12(9)：57-61

[17]Linares E,Larre C,Lemeste M,et a1.Emulsifying and foaming properties of gluten hydrolysates with an in-creasing degree of hydrolysis：Role of soluble and insoluble fractions[J].Cereal Chemistry,2000,77(4)：414-420

[18]錢愛萍,顏孫安,林香信,等.家禽肉中氨基酸組成及營養評價[J].中國農學通報,2010,26(13)：94-97

Study on the Ultrasonic-assisted Extraction of Broken Rice Protein and Its Functional Properties

LI Chao-nan， LU Bao-xin*， FENG Yu-chao， ZHOU Yi， MA Nan， LIU Xue-jiao， LIU Meng-meng
（College of Food Science， Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319， Heilongjiang，China）

The process conditions and functional characteristics of ultrasonic-assisted extraction of broken rice protein were studied，which provided the theoretical basis for the preparation and application of broken rice protein.Optimization of ultrasonic-assisted extraction of broken rice protein by orthogonal experiment.The results showed that the extraction rate was 67.01％under the condition of the ratio of material to liquid was 1∶12（g/mL），ultrasonic time was 40min（ultrasonic intensity 120 W），temperature was 60℃and pH was 9.5.The best protein was precipitated at pH 4.2.The results showed that the water holding capacity of broken rice protein was 1.96mL/g and the oil holding capacity was 2.52mL/g.The solubility，foaming property and stability，emulsifying property and stability of the broken rice protein were the worst at the isoelectric point（pH 4.2）.

broken rice； protein； ultrasonic； extraction；functional characteristics

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.15.013

2017-05-03

黑龍江省農墾總局攻關項目（HNK135-05-01）

李超楠（1994—），女（漢），研究生，研究方向：食品科學。

*通信作者：鹿保鑫（1972—），男（漢），教授，博士，研究方向：農產品加工。