馬鈴薯蛋白營養(yǎng)價值評價及其熱處理后的消化特性

陳蓬鳳,蔡芳,王少華,何建軍,黃師榮,施建斌,隋勇,蔡沙,熊添,梅新*

1(湘潭大學(xué) 化工學(xué)院,湖南 湘潭,411105) 2(湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所,湖北 武漢,430064)

馬鈴薯是世界第四大糧食作物,我國是世界上最大的馬鈴薯生產(chǎn)國和消費(fèi)國。我國馬鈴薯消費(fèi)以鮮食為主,加工占比不足30%。馬鈴薯加工產(chǎn)品有馬鈴薯淀粉及全粉、粉條、粉絲、粉皮等淀粉制品[1];包括薯條、薯片等方便膨化制品[2];還有饅頭、面條、米粉、餅干等發(fā)酵、非發(fā)酵、焙烤類主食產(chǎn)品[3]。

馬鈴薯蛋白約占馬鈴薯鮮重的0.15%～3.02%[4],是一種優(yōu)良植物蛋白,營養(yǎng)價值可與雞蛋相媲美,可廣泛用于食品與醫(yī)藥行業(yè)[5]。馬鈴薯蛋白可以分為3類,大分子蛋白(分子質(zhì)量>45 kDa),約占總量10%;patatin蛋白(40 kDa<分子質(zhì)量<45 kDa),約占總量40%;蛋白酶抑制劑(5 kDa<分子質(zhì)量<25 kDa),約占總量50%[6]。馬鈴薯蛋白酶抑制劑又可分抑制劑Ⅰ、抑制劑Ⅱ、絲氨酸蛋白酶抑制劑、半胱氨酸蛋白酶抑制劑、天門冬氨酸蛋白酶抑制劑、Kunitz型蛋白酶抑制劑、羧肽酶抑制劑等7類,其中抑制劑Ⅰ、抑制劑Ⅱ、Kunitz型蛋白酶抑制劑以及大部分的絲氨酸蛋白酶抑制劑、天冬氨酸蛋白酶抑制劑均具有胰蛋白酶抑制活性[7]。胰蛋白酶抑制劑可與胰蛋白酶結(jié)合,促進(jìn)膽囊收縮素釋放,提升飽腹感,起到控制體重的效果,此外,胰蛋白酶抑制劑還具有抗炎、抗菌、護(hù)胃等生理功效[8-9]。

目前的研究主要集中于馬鈴薯蛋白結(jié)構(gòu)特性[10-11]、物化特性[12-13],而對于馬鈴薯蛋白消化特性、胰蛋白酶活性,特別是不同熱加工處理方式對馬鈴薯蛋白胰蛋白酶活性與消化率影響報道較少。熱處理是食品加工中不可避免的加工方法,目前常見的熱處理方法包括濕熱、干熱、微波等方法[14],適度熱處理能夠使緊密的大豆蛋白結(jié)構(gòu)變得松散,導(dǎo)致其內(nèi)部酶作用位點(diǎn)充分暴露,利于蛋白酶與作用位點(diǎn)結(jié)合,提高大豆蛋白消化率[15]。本研究以3個不同品種馬鈴薯蛋白為原料,探討加工條件對馬鈴薯蛋白消化特性及胰蛋白酶抑制劑活性的影響,以期為馬鈴薯蛋白質(zhì)食品化利用和馬鈴薯產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鄂10、鄂11、米拉等3個品種鮮馬鈴薯均來自于湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所資源圃。

NaOH、HCl、Na2CO3、NaH2PO4、Na2HPO4、CaCl2、NaCl、Na-苯甲酰-DL-精氨酸-對硝基酰胺鹽酸鹽(Na-Benzoyl-DL-arginine-4-nitroanilide hydrochloride,BAPNA)等,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;胃蛋白酶(P7000)、胰蛋白酶(T—4799),Sigma公司;透析袋(1 k、2 kDa),上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FG2便攜式pH計,梅特勒-托利多儀器有限公司;LXJ-ⅡB型離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;LGJ-25C冷凍干燥機(jī),北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司;L-8900型全自動氨基酸分析儀,日本日立;YM-75立式壓力蒸汽滅菌器,上海三申醫(yī)療器械有限公司;MKX-G1C1B微波加熱裝置,青島邁可威微波創(chuàng)新科技有限公司;DHG-9423A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海精宏實驗設(shè)備有限公司;SHA-B恒溫振蕩器,常州國華電器有限公司;SKD-0852消化爐,上海沛歐分析儀器有限公司;K9840自動凱氏定氮儀,濟(jì)南海能儀器股份有限公司;UV-3802分光光度計,上海尤尼科儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 馬鈴薯蛋白制備及基本成分測定

馬鈴薯蛋白提取參照齊斌等[17]的方法。新鮮馬鈴薯經(jīng)清洗、切塊、打碎后,按料液比1∶10與0.4 mol/L NaCl溶液(pH 8.0)混合,40 ℃下浸提1 h,于室溫下3 000 r/min離心15 min,取上清液,調(diào)節(jié)pH至3.2,充分?jǐn)嚢韬?靜置1 h,于4 ℃下3 000 r/min離心15 min,收集沉淀,加水溶解,調(diào)節(jié)pH至中性,透析袋(1 kDa)脫鹽,凍干得馬鈴薯蛋白,備用。

參照GB 5009.3—2016、GB 5009.4—2016、GB 5009.5—2016、GB 5009.9—2016中方法測定馬鈴薯蛋白中水分、灰分、蛋白質(zhì)、淀粉含量;采用苯酚-硫酸法測定馬鈴薯蛋白中可溶性總糖含量。

1.3.2 蛋白質(zhì)氨基酸組成分析

參照鞠棟等[17]的方法。蛋白經(jīng)酸解后,采用全自動氨基酸分析儀分析氨基酸組成。

1.3.3 氨基酸營養(yǎng)價值指標(biāo)及計算方法

在不同馬鈴薯蛋白氨基酸組成分析結(jié)果基礎(chǔ)上,馬鈴薯蛋白氨基酸比值系數(shù)(ratio coefficient of amino acid,RCAA)與氨基酸比值系數(shù)分(score of ratio coefficient of amino acid,SRCAA)以FAO/WHO標(biāo)準(zhǔn)蛋白模式必需氨基酸組成為對照,參照鞠棟等[17]的方法。基于雞蛋蛋白模式,計算馬鈴薯蛋白必需氨基酸指數(shù)(essential amino acid index,EAAI)、生物效價(biological valence,BV)、營養(yǎng)指數(shù)(nutrition index,NI)等指標(biāo),分別按公式(1)(2)(3)計算:

(1)

BV=1.09×EAAI-11.7

(2)

(3)

式中:A、B…I,必需氨基酸含量,mg/g;p,馬鈴薯蛋白;s,雞蛋蛋白。

馬鈴薯蛋白相對于標(biāo)準(zhǔn)蛋白(雞蛋蛋白)貼近度:以雞蛋蛋白中必需氨基酸組成為對照,參照趙鳳敏等[18]的方法進(jìn)行計算。

1.3.4 不同熱處理方式下馬鈴薯蛋白消化率

馬鈴薯蛋白溶液(8 mg/mL)置于三角瓶中封口后分別于100 ℃下水浴處理30 min、121 ℃下處理20 min、700 W下微波處理3 min后,分別凍干備用,得常壓熱處理、高壓熱處理、微波處理馬鈴薯蛋白;取一定量馬鈴薯蛋白粉,于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)130 ℃下處理1 h,得干熱處理馬鈴薯蛋白,測定不同熱處理方式下馬鈴薯蛋白消化率。

馬鈴薯蛋白消化率測定參照文獻(xiàn)[19-20]的方法,稍作修改。取10 mL質(zhì)量濃度為4 mg/mL,pH 1.5的馬鈴薯蛋白溶液,按酶底質(zhì)量比1∶100加入5 mg/mL胃蛋白酶溶液(用0.01 mol/L HCl溶液配制),充分混合后于37 ℃下水浴振蕩(150 r/min)消化30 min,用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)酶解液pH至7.8,按酶底質(zhì)量比1∶30加入5 mg/mL胰酶(pH 7.0磷酸緩沖液),充分混合后于40 ℃下水浴振蕩(150 r/min)消化120 min,隨后加入100 μL 150 mmol/L的Na2CO3溶液終止反應(yīng)。消化液用2 kDa透析袋透析過夜后,凍干,得未消化馬鈴薯蛋白,采用微量凱氏定氮法測定未消化馬鈴薯蛋白含量。馬鈴薯蛋白消化率按公式(4)計算:

馬鈴薯蛋白消化率/%=

(4)

1.3.5 不同常壓熱處理時間下馬鈴薯蛋白消化率及胰蛋白酶抑制劑活性測定

取一定量馬鈴薯蛋白與蒸餾水混合,配制成質(zhì)量濃度為8 mg/mL蛋白溶液,馬鈴薯蛋白溶液分別置于100 ℃下處理0、10、20、30、40、50、60 min后,凍干,測定凍干粉中蛋白消化率及胰蛋白酶抑制劑活性(trypsin inhibitor activity,TIA)。

馬鈴薯TIA測定按照參照文獻(xiàn)[21-22]的方法進(jìn)行。取4支10 mL試管,分別標(biāo)記為a、b、c、d,其中a試管中加入2.0 mL蒸餾水;b管中加入2.0 mL胰蛋白酶溶液,2.0 mL蒸餾水;c試管中加入1.0 mL上述熱處理后馬鈴薯蛋白溶液(pH 9.4～9.6),1.0 mL蒸餾水;d試管中加入1.0 mL上述熱處理后馬鈴薯蛋白溶液,1.0 mL蒸餾水,2.0 mL胰蛋白酶溶液。各試管充分混勻后,于37 ℃下預(yù)熱10 min,隨后向每個試管中加入5.0 mL 37 ℃預(yù)熱的BAPNA,充分混勻后,37 ℃下反應(yīng)10 min,隨后,立即向各試管中加入1.0 mL 體積分?jǐn)?shù)30%的乙酸終止反應(yīng),且向a和c試管中分別加入2.0 mL胰蛋白酶溶液,混合液于1 500 r/min下離心10 min后,上清液于410 nm下比色,記錄各管吸光值分別為Aa、Ab、Ac、Ad,設(shè)定Ae=(Ab-Aa)-(Ad-Ac),在此需調(diào)整待測馬鈴薯蛋白溶液濃度,使得40%<100Ae/(Ab-Aa)<60%,此外,經(jīng)測定,1 μg胰蛋白酶可導(dǎo)致吸光值變化幅度為0.019,馬鈴薯蛋白TIA按公式(5)計算:

(5)

式中:D,測定過程中馬鈴薯蛋白溶液稀釋倍數(shù);c,初始馬鈴薯蛋白溶液濃度。

BAPNA溶液配制:40 mg BAPNA完全溶解于1 mL二甲基亞砜中,用50 mmol/L pH 8.2 Tris緩沖液(含20 mmol/L CaCl2)定容至100 mL。胰蛋白酶溶液配制:用1 mmol/L HCl溶液溶解至最終質(zhì)量濃度為20 mg/L。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

所有試驗均重復(fù)3次,利用SPSS Statistics軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,數(shù)據(jù)均以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,顯著水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種馬鈴薯蛋白基本成分

由表1可知,鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白的純度分別為73.48%、75.37%、80.36%;可溶性糖含量分別為7.34%、6.76%、5.92%;淀粉含量分別為0.86%、1.05%、0.46%;灰分含量分別為5.12%、4.37%、3.08%。

表1 不同品種馬鈴薯蛋白基本成分 單位：%

2.2 不同品種馬鈴薯蛋白氨基酸組成

由表2可知,鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白均檢測出17種氨基酸(未檢測出色氨酸),包括8種必需氨基酸(酪氨酸由苯丙氨酸轉(zhuǎn)化而成)、9種非必需氨基酸,總氨基酸含量分別為732.37、745.48、788.68 mg/g,其中必需氨基酸含量分別為327.53、317.98、349.02 mg/g,必需氨基酸占總氨基酸比例分別為44.72%、42.65%、44.25%,必需氨基酸與非必需氨基酸含量比值分別為0.81、0.74、0.79。齊斌等[16]制備的馬鈴薯蛋白中必需氨基酸占總氨基酸比例為44.02%,必需氨基酸含量與非必需氨基酸含量比值為0.79,與本研究結(jié)果接近,且亦未檢測出色氨酸。

表2 不同品種馬鈴薯蛋白氨基酸含量 單位：mg/g

2.3 馬鈴薯蛋白營養(yǎng)價值評價

2.3.1 基于FAO/WHO標(biāo)準(zhǔn)蛋白模式的馬鈴薯蛋白RCAA

表3 不同品種馬鈴薯蛋白RCAATable 3 RCAA of potato protein from different varieties

2.3.2 基于雞蛋蛋白模式的馬鈴薯蛋白營養(yǎng)價值評價

由表4可知,相對于雞蛋蛋白,鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白貼近度分別為0.865、0.858、0.884,均超過0.85,接近1,這與趙鳳敏等[18]研究結(jié)果相近。相對于雞蛋蛋白,米拉EAAI最高,鄂10次之,鄂11最小,分別為67.54、63.27、61.81。BV是評價蛋白經(jīng)消化吸收后利用的程度,米拉BV最高達(dá)61.92,鄂11最低僅55.67。鄂10、鄂11、米拉3個品種馬鈴薯蛋白NI分別為42.07、41.96、49.76。

表4 不同品種馬鈴薯蛋白營養(yǎng)價值評價Table 4 Nutrition value evaluation of potato protein from different varieties

2.4 不同熱處理方式對馬鈴薯蛋白消化率的影響

由圖1可知,熱處理方式對馬鈴薯蛋白消化率有顯著影響(P<0.05),高壓熱處理馬鈴薯蛋白消化率最高,處理后鄂10、鄂11、米拉等蛋白消化率分別達(dá)82.77%、88.92%、89.69%;干熱處理馬鈴薯蛋白消化率最低,處理后鄂10、鄂11、米拉等蛋白消化率分別僅為53.54%、51.74%、51.50%。常壓、高壓熱處理后鄂10的蛋白消化率顯著低于鄂11和米拉,后兩者間無顯著差異;微波處理的鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白消化率存在顯著差異,分別為64.63%、66.68%、62.34%;干熱處理后鄂10的蛋白消化率顯著高于鄂11和米拉,后兩者間無顯著差異。VANGA等[24]研究結(jié)果表明,未經(jīng)處理豆奶蛋白消化率為77.35%,隨著超聲處理時間延長,豆奶蛋白消化率呈上升變化趨勢,超聲波處理16 min后,消化率可達(dá)84.03%;85 ℃微波處理6 min,豆奶蛋白消化率可達(dá)91.38%。

圖1 熱處理方式對馬鈴薯蛋白消化率的影響Fig.1 Effect of heat-treated method on digestibility of potato protein注:小寫字母不同表示相同品種不同熱處理方式間存顯著性差異(P<0.05);大寫字母不同表示相同熱處理方式不同品種間存在顯著性差異(下同)

2.5 常壓熱處理時間對馬鈴薯蛋白胰蛋白酶抑制劑活性影響

由圖2可知,常壓熱處理時間對馬鈴薯蛋白TIA有顯著影響,未經(jīng)處理鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白TIA分別為537.81、524.28、471.41 mg/g,常壓熱處理40 min內(nèi),馬鈴薯蛋白TIA值與熱處理時間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);熱處理40 min后,熱處理時間對馬鈴薯蛋白TIA無顯著影響,常壓熱處理60 min后,鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白TIA分別降至20.24、20.07、13.41 mg/g。相同熱處理時間下,馬鈴薯品種鄂10、鄂11蛋白的TIA顯著高于米拉。LI等[7]研究表明,隨著熱處理溫度與時間延長,從馬鈴薯汁中回收馬鈴薯分離蛋白的TIA顯著降低,與未處理馬鈴薯分離蛋白相比,馬鈴薯分離蛋白于70 ℃下熱處理70 min,其TIA值下降了86.13%。WAGLAY等[5]比較了熱沉、酸沉法及FeCl3、乙醇、(NH4)2SO4等試劑沉淀制備的馬鈴薯蛋白的TIA,其中酸沉法制備馬鈴薯蛋白的TIA為493.6 mg/g,明顯低于本研究中酸沉法制備鄂10、鄂11、米拉等馬鈴薯蛋白的TIA。

圖2 常壓熱處理時間對馬鈴薯胰蛋白酶抑制劑活性影響Fig.2 Effect of normal pressure heat-treated time on TIA of potato protein

2.6 常壓熱處理時間對馬鈴薯蛋白消化率的影響

由圖3可知,常壓熱處理時間對馬鈴薯蛋白消化率有顯著影響,未經(jīng)處理鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白消化率分別為28.80%、42.95%、48.42%,常壓熱處理50 min內(nèi),熱處理時間與馬鈴薯蛋白消化率呈顯著正相關(guān)(P<0.05);熱處理50 min后,熱處理時間對馬鈴薯蛋白消化率無顯著影響,常壓熱處理60 min后,鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白消化率分別達(dá)72.47%、82.55%、83.75%。相同熱處理時間下,鄂10的蛋白消化率顯著低于鄂11和米拉;未經(jīng)處理及熱處理10、20、50 min時,米拉的蛋白消化率顯著高于鄂11,其他熱處理時間下這2個品種間蛋白消化率無顯著差異。不同品種牛豆蛋白消化率也存在顯著差異[25];多糖可以弱化水溶膠中蛋白間相互作用,使得蛋白酶更易與酶切位點(diǎn)結(jié)合,提高蛋白消化利用率[26]。

圖3 常壓熱處理時間對馬鈴薯蛋白消化率的影響Fig.3 Effect of normal pressure heat-treated time on digestibility of potato protein

3 結(jié)論與討論

米拉、鄂10、鄂11等3個品種馬鈴薯蛋白均具有較高營養(yǎng)價值,相比之下,米拉營養(yǎng)價值較高、鄂11營養(yǎng)價值較低。鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白必需氨基酸占總氨基酸比例分別為44.72%、42.65%、44.25%,對比FAO/WHO標(biāo)準(zhǔn)蛋白模式,3個品種馬鈴薯蛋白第一限制性氨基酸均為蛋氨酸,且纈氨酸、異亮氨酸含量均相對不足,其SRCAA由高到低依次為71.17(米拉)、71.16(鄂11)、70.76(鄂10)。對比雞蛋蛋白,鄂10、鄂11、米拉等3個品種馬鈴薯蛋白貼近度分別為0.865、0.858、0.884;EAAI分別為67.54、63.27、61.81;BV分別為57.26、55.67、61.92;NI分別為42.07、41.96、49.76。

熱處理方式及常壓熱處理時間對馬鈴薯蛋白消化率有顯著影響,幾種處理方式下馬鈴薯蛋白消化率由高到低依次為高壓熱處理>微波>常壓熱處理>干熱;常壓、高壓熱處理下,鄂11和米拉蛋白消化率顯著高于鄂10,而干熱處理的鄂10蛋白消化率顯著高于米拉和鄂11,高壓熱處理下,鄂10、鄂11和米拉蛋白消化率分別為82.77%、88.92%、89.69%。隨著常壓熱處理時間延長,3個品種馬鈴薯蛋白TIA均呈下降趨勢、消化率呈上升趨勢,常壓熱處理0～50 min,相同品種不同處理時間下馬鈴薯蛋白TIA與消化率均存顯著性差異。相同熱處理條件不同品種間馬鈴薯蛋白消化率差異可能與品種有關(guān),也可能與蛋白質(zhì)中多糖含量有關(guān),具體原因還有待進(jìn)一步探討。