大米蛋白的提取、特性及其應用的研究進展

李清泉,李德海,*

(1.東北林業大學林學院,黑龍江哈爾濱 150040;2.黑龍江省森林食品資源利用重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150040)

大米是我國主要的糧食作物之一,2018年在全球范圍內約有4.81億噸大米產生[1],預計到2030年大米需求量還會增加40%[2]。大米的主要成分為淀粉和蛋白質[3],含量分別占大米質量的80%和8%左右。其中大米淀粉具有顆粒細小、粒度均一、冷凍解凍穩定性較好等優點具有獨特的性能和用途[4];大米蛋白含有18種氨基酸,例如蛋氨酸、脯氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸和蘇氨酸等8種必需氨基酸,氨基酸組成合理具有較高的營養價值,且接近于WHO/FAO的推薦的營養模式[5],大米蛋白的生物效價高達77與牛肉和魚類的值相近,是一種優質的植物蛋白[6]。大米蛋白還具有獨特的低致敏性,經水解后的多肽具有降血壓、降膽固醇等保健作用[7]。所以大米的綜合利用主要集中在蛋白的改性[8]及營養價值開發上[9]。中國長期以來都是世界上最大的大米生產國[10],但我國對大米的開發力度不大,研究不夠深入,這造成了我國大米資源的嚴重浪費。隨著食品技術的不斷發展,應加大對大米資源的研究,使低價值的大米資源向高價值產品進行合理轉化,以此獲取更大的經濟效益和社會效益。本文就大米蛋白的提取技術、結構特性、功能特性和綜合利用進行了概述。

1 大米蛋白的提取方法

1.1 堿提酸沉法

堿法提取大米蛋白是目前較普遍、較傳統的方法,其利用大米蛋白中含有80%以上的堿溶性蛋白的原理。堿提得到的蛋白純度較高,但在提取過程中,由于采用了較高濃度的堿溶液,對大米蛋白的提取率和理化性質有一定的影響。Wang[11]探討了不同濃度的NaOH溶液對大米蛋白質的提取率和其理化性質的影響,研究表明在高堿濃度提取的條件下,蛋白質發生了劇烈變性,Maillard反應劇烈,賴氨酸與丙氨酸發生縮合反應,生成有毒物質,同時有褐色物質產生,影響產品的色澤,這說明堿液濃度對大米蛋白的影響較大。同時溫度、時間、料液比等因素對大米蛋白的提取率影響也較大[12]。王亞林等[13]和王立英等[14]利用堿提酸沉法提取大米蛋白,在最優條件下均可得到較多的蛋白組分。堿法提取工藝簡單,但水和堿消耗量大,因而將堿法提取應用于工業生產有一定的難度。

1.2 酶法

酶法提取可分為蛋白酶提取法和非蛋白酶提取法。蛋白酶提取法是利用相關酶對大米蛋白的降解和修飾作用,使大米蛋白變成可溶性肽而被提取出,常見的蛋白酶有中性蛋白酶、堿性蛋白酶、復合蛋白酶等,其中堿性蛋白酶的提取效果最好[15]。張娟娟等[16]分別用木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、菠蘿蛋白酶 4 種蛋白酶提取米渣中蛋白質,發現堿性蛋白酶跟中性蛋白酶的提取效果要優于木瓜蛋白酶跟菠蘿蛋白酶。根據蛋白酶水解類型的不同,蛋白酶又分為內切蛋白酶和外切蛋白酶,內切蛋白酶是與蛋白質內部的肽鍵反應,使蛋白質水解為多肽,如:堿性蛋白酶、中性蛋白酶等;外切蛋白酶是從肽鏈的任意一端使蛋白質被分解為單個的氨基酸,如:風味蛋白酶、木瓜蛋白酶等。Hamada等[17]利用堿性蛋白酶提取米糠蛋白,在水解度為10%時,米糠蛋白提取率達到92%,提取率較高;非蛋白酶提取法是指利用淀粉酶、纖維素酶等把稻米中的非蛋白質成分去掉,保留蛋白質成分,以此來提取大米蛋白的方法。Shih等[18]用α-淀粉酶對米渣進行酶解,得到的蛋白回收率及蛋白純度都高于蛋白酶法制備的米渣蛋白,這與Tang等[19]利用淀粉酶水解淀粉,提高了大米蛋白提取率的結果相似。

1.3 Osborne分級法

Osborne根據蛋白質的溶解性的不同,將其分為清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白4種類型。能被水溶解的蛋白為清蛋白,除去水溶性蛋白之外能被稀鹽溶液溶解的蛋白為球蛋白,清蛋白和球蛋白是大米的活性蛋白,含量較低。除去上述兩種蛋白外，能夠溶于50%～90%左右的乙醇的蛋白,是醇溶性蛋白,只能用酸或堿溶解的蛋白是谷蛋白,谷蛋白和醇溶蛋白屬于貯藏蛋白,是大米蛋白的主要組成成分,其中谷蛋白的含量約為80%,醇溶蛋白含量約為10%[20]。Osborne 在本世紀初利用小麥蛋白質溶解性質差異的特點首次將小麥蛋白進行連續提取,之后被廣泛應用于大米蛋白的分級提取。王艷玲等[21]采用Osboren分級提取法分別提取米糠中的四種蛋白,得到總蛋白的提取率為96%。此法的優點是可將 4 種蛋白質分級提取出來分別研究其性質,缺點是用到的儀器較多,操作復雜。

1.4 物理輔助法

物理輔助提取一般是利用超聲波、凍結-融化、高壓和高速度均質等物理手段輔助堿法或者酶法提取大米中蛋白質,物理輔助提取法的優點是可以提高大米蛋白的提取率。超聲波輔助提取是利用聲波的空化作用、機械效應和熱效應等提高提取劑中的物質分子運動的速度和頻率,使溶劑分子更快更容易的穿透提取物細胞,讓目標物質更快溶出的提取方法。蔡沙等[22]和劉海飛等[23]研究超聲波輔助堿法提取大米蛋白,利用超聲波輔助堿法提取米糠蛋白,均發現超聲波可以增加蛋白的提取率,原理可能是超聲波在液體中傳播時,使液體介質不斷受到拉伸和壓縮,形成空穴作用,這種空穴作用可破壞大米的細胞和細胞膜結構,從而增加了大米蛋白通過細胞膜的穿透能力。

凍結-融化原理是反復冷凍與融化時細胞中的水分會形成冰晶,剩余液體中鹽濃度增高,從而導致細胞溶脹細胞壁破裂,大米蛋白更易溶出。崔素萍等[24]采用凍融處理大米漿體后,再用堿法提取大米中的蛋白質。結果表明,大米漿體經凍融處理后蛋白質提取率較堿法提高了2.6%,Choi等[25]利用凍融輔助蛋白酶法去除蛋白質來獲得大米淀粉,與堿法、蛋白酶法相比,米蛋白的去除率分別提高了2.5%和7.57%。其推測凍融作用可以使大米內部的平衡狀態發生改變有關,部分結構發生改變,從而提高了蛋白的提取率。

高壓輔助提取法是當壓力達到一定程度后,大米中淀粉與蛋白質之間復雜的化學鍵發生斷裂[26],蛋白質的四級結構發生改變,從而提高大米蛋白的提取率。奚海燕等[27]利用超高壓輔助堿式酶法提取大米蛋白,發現壓力在 400 MPa時,大米蛋白提取率較堿式酶法提高了7.82%,趙叢叢等[28]利用高壓處理大米顆粒后,發現較堿提酸沉法蛋白提取率提高了24%,高壓可以使物料性質發生一定程度的變化,從而提高蛋白提取率。

高速均質是利用物料快速通過均質腔時,物料受到高速剪切、高頻振蕩、空穴現象和對流撞擊等機械力作用和相應的熱效應,由此引發的機械力及化學效應可誘導物料大分子的物理、化學及結構性質發生變化,最終達到提高蛋白提取率的效果,史宣明等[29]考察了不同提取方法對大米蛋白提取率的影響,發現高壓均質處理可提高大米蛋白提取率。

2 大米蛋白質的結構特性

大米胚乳內部結構緊密,蛋白體與細小淀粉顆粒包絡結合,二硫鍵和疏水集團交聯聚集在分子間[30]。根據蛋白體存在狀態可分為PB—I型和PB—Ⅱ型,通過電鏡觀察可以看到PB—I型結構緊密呈片層的顆粒狀,直徑在0.5～2 μm之間;PB-Ⅱ型質地均勻不分層呈橢球形,直徑在4 μm左右[31],醇溶蛋白主要PB—I型,球蛋白與谷蛋白主要是PB—Ⅱ型。

清蛋白由單條肽鏈構成,分子量廣泛,亞基主要分布在18～20 kDa[32],因具有高度水溶性和賴氨酸含量較高,與其他蛋白相比具有更高的營養價值,因此作為一種營養豐富的大米蛋白組成尤其受到重視[33];大米球蛋白多肽包括a、b、c、d四部分多肽,分子量分別為25.5、15、200及200 kDa以上[34],其中a-球蛋白多肽是大米球蛋白的主要多肽,儲存在成熟大米種子的胚乳中[35]。清蛋白和球蛋白對大米的生理活動具有重要影響,在稻米的生長期具有關鍵作用[36]。

醇溶蛋白和谷蛋白是大米的儲存蛋白。醇溶蛋白分子量較小,但種類較多,根據分子量的不同可分為:10 kDa醇溶蛋白(RP10)、13 kDa醇溶蛋白(RM1、RM2、RM4和RM9)和16 kDa醇溶蛋白(RP16)[37],10 kDa醇溶蛋白由110個氨基酸組成,其前體蛋白的N端含有由24個氨基酸組成的信號肽序列;13 kDa醇溶蛋白種類較多,氨基酸組成不盡相同,前體蛋白信號肽由18～19個氨基酸組成;16 kDa醇溶蛋白一般由130～140個氨基酸組成,前體蛋白信號肽由18～19個氨基酸組成[38]。根據分子量的不同谷蛋白分別為57 kDa谷蛋白、37～39 kDa谷蛋白和20～22 kDa谷蛋白,根據等電點的不同,37～39 kDa谷蛋白被稱為酸性亞基,20～22 kDa谷蛋白被稱為堿性亞基,根據氨基酸序列的相似性,谷蛋白還可分為四個亞基:GluA、GluB、GluC、GluD[37]。谷蛋白前體的氨基末端(N-端)含有24個氨基酸殘基組成的信號肽,該信號肽序列對谷蛋白前體的合成具有重要作用[30]。

3 大米蛋白質的功能特性

3.1 持水性

蛋白質的持水性是指配制成一定濃度的蛋白質水溶液,經離心分離后,蛋白質中殘留的水分質量。蛋白質構象、氨基酸組成、表面極性和表面疏水性對大米蛋白的持水性均有影響[39]。蛋白的肽鏈骨架可以保留住更多的水分,且保留水分的量與肽鏈骨架的疏松程度有關,肽鏈越疏松,保留的水分越多,此外大米蛋白中的部分極性基團能夠與原料中的離子相互作用,使肽鏈周圍結構變的疏松,保水效果增加[40]。Zhu等[41]利用高壓處理米糠蛋白,發現高壓處理對米糠持水性有明顯的增強作用,這是因為隨著壓力的增加,米糠蛋白的結構趨于展開,暴露出更多的親水基團和提供更多的水結合位點,壓力越高,暴露的氨基酸基團越多,持水性越好。

3.2 起泡性及起泡穩定性

起泡性是指蛋白質在發泡過程中所形成的界面面積,而起泡穩定性是指保持氣泡不破裂的能力。大米蛋白具有良好的起泡性和起泡穩定性,這是因為大米蛋白中同時含有親水和疏水基團。大米蛋白經高速均質處理后,空間結構展開和表面疏水性的增加改善了泡沫的形成[42],從而導致蛋白質在空氣-水界面的快速吸附,形成一層內聚蛋白[43]。萬紅霞等[44]對大米蛋白進行動態超高壓微射流均質處理,發現大米蛋白的起泡性顯著上升,這是因為大米蛋白疏水基團暴露和分子交聯程度增加,不同程度地提高了起泡性和起泡穩定性。

3.3 乳化性及乳化穩定性

乳化性是指蛋白質在水/油界面通過阻止結合而快速吸收極性和非極性成分的能力,乳化穩定性則反映了乳化液在可計量時間內保持自身乳化的能力。蛋白質的乳化性和穩定性取決于親水性和親脂性的平衡[45],Wang等[46]報道了表面疏水性對米糠乳化能力的影響,發現米糠蛋白空間結構的展開和疏水基團的暴露,能使米糠蛋白在油/水界面的吸收增加,乳化性得到提高,同時米糠蛋結構的展開,暴露出更多親水和親脂基團,這有利于蛋白質和溶劑之間的相互作用,并防止油滴的聚結,乳化穩定性也得到提高。實際上制約蛋白乳化穩定性因素有很多,這導致蛋白質的乳化能力和乳化穩定性呈現不同變化趨勢。劉芳等[47]研究發現以大米蛋白為原料,通過堿處理和熱處理對大米蛋白質結構與功能性質研究發現,乳化性與乳化穩定性隨著熱處理溫度升高而提高。張晶等[48]利用高壓均質對大米蛋白功能特性研究發現,大米蛋白的乳化性隨著壓力的增加,先增大后降低,而乳化穩定性卻不斷降低。

4 大米蛋白質的應用

4.1 高蛋白營養補充劑

大米蛋白由于其合理的氨基酸組成、獨特的低過敏性和較高的生物效價,是特殊人群補充營養時第一選擇的優質植物蛋白。部分植物蛋白或者動物蛋白具有抗營養因子,如大豆中的胰蛋白酶抑制劑、水蘇糖以及凝血素,雞蛋中的黏蛋白,牛乳中的β-乳球蛋白等。與以上蛋白相比,大米蛋白過敏性極低,可以作為其它植物蛋白如大豆蛋白及動物蛋白的替代物添加到嬰幼兒食品中,是嬰幼兒食品的重要蛋白來源[49]。另一方面大米蛋白粉在動物飼料上也得到了廣泛的研究,在水產、畜牧業等行業已得到廣泛的應用。

4.2 活性肽

大米蛋白酶解物中含有多種具有生理活性的小分子肽段,具有降血壓、抗衰老、降低膽固醇含量,增強人體免疫力的作用[50]。Yang等[7]通過研究醇溶蛋白對小鼠體外抗腫瘤免疫應答和體內白血病生長的影響,發現醇溶蛋白可有效促進抗腫瘤免疫,抑制白血病生長,且無明顯毒性。Wang等[46]通過研究大米谷蛋白和醇溶蛋白的不同成分是否能夠不同地發揮體外抗氧化活性,發現在胃蛋白酶-胰酶消化后,谷蛋白對自由基清除活性表現出更強的抗氧化反應,金屬螯合活性和還原能力,而醇溶蛋白產生較弱的抗氧化能力。

4.3 可食用膜

可食用膜是順應消費者對食品包裝的方便化和無公害化而迅速發展起來的新型食品包裝材料,它具有良好的阻氣性、阻油性、保香性[51]。大米蛋白本身的親水性決定了以大米蛋白為基料的可食用膜的阻水性比較差,故透水率高致使大米蛋白可食用膜只能應用于水分含量比較低的食品,如糖果、蜜餞和堅果類食品[52]。大米可食用膜的研究不僅順應了國際環保發展趨勢的需要,也是綜合開發與利用大米蛋白質的前瞻性探索。利用大米蛋白質制作綠色塑料與可食性包裝膜材料,是稻谷綜合利用技術的重要環節之一。

5 結語

蛋白質是組成人體一切細胞、組織的重要成分,是人體必需的七大營養元素之一。目前動物蛋白是人們主要的蛋白膳食來源,隨著生活水平的提高和人們對健康的不斷追求,植物性來源的蛋白質在膳食補充和食品加工中地位變的越來越重要。大米蛋白作為一種高營養、低過敏性的優質植物蛋白,非常適合兒童、老人和病人。但是,由于大米中蛋白質含量較低,長期以來對大米蛋白功能性營養機能的開發并未得到充分的重視。目前,大米蛋白的研究大多集中在大米蛋白的提取工藝上,盡管堿法提取大米蛋白工藝較為成熟,但由于種種缺點并沒有真正應用到工業生產中,而對于酶法提取大米蛋白雖然各方面性能都較佳,但是溶解度卻不容樂觀,其它輔助或者高新技術也僅僅只適用于實驗室研究。

大米中的蛋白質按其溶解性的不同可以分為清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白,不同種類的蛋白組分其實際應用領域不同。谷蛋白作為大米中含量最多的蛋白組分,在功能性食品加工中的應用相對較多,但谷蛋白的溶解性較差,因而目前部分研究集中在大米蛋白的改性上,以改善大米蛋白的溶解性、起泡性、乳化性、吸油性等,提高大米蛋白的功能特性,生產出大米蛋白粉、大米蛋白膜等具有高功能和加工指標良好的大米蛋白制品。

隨著研究的不斷深入和高新技術的介入,大米蛋白的提取率和功能性質也必將得到提高,大米蛋白的開發利用一定能實現低價值資源向高價值資源的合理轉化,從而獲得更大的經濟效益和社會效益。