超聲波處理對燕麥蛋白質含量及功能特性的影響

徐長韋，周海龍，馬利華，王 露

（徐州工程學院食品與生物工程學院，江蘇 徐州 221111）

燕麥為禾本科一年生草本植物,屬小雜糧，燕麥中含有脂質、蛋白質、抗氧化物等營養成分，是一種優質谷物[1]。蛋白質不僅影響加工食品的營養價值，而且也關乎食品的品質特性，食品的感官特性受蛋白質特性的影響，同時食品成分在加工過程中的物理特性也會受到蛋白質特性的影響，因此蛋白質研究是食品領域的熱門之一[2]。

超聲波處理可通過在一定范圍內增加超聲功率，使超聲波振蕩頻率增加，液體中的壓力增大，超聲波的空化作用和機械剪切力作用得到增強，細胞壁被破壞的速度加快，有利于蛋白質分子展開并與溶劑接觸，最終促進蛋白質溶解于提取液中，具有效率高、成本低、操作簡單、污染小等優點[3-4]。其次，超聲處理還改變了蛋白質的空間結構，從而改變蛋白的功能特性。邵婷等[5]以脫脂辣木籽粉為原料，采用超聲輔助法提取蛋白質，最高提取率可達88.09%；李超楠等[6]采用超聲波輔助提取碎米蛋白，其提取率高于堿溶酸沉法，提取時間縮短了2～3 h，且持水性、持油性、泡沫穩定性及乳化性均有所提高；耿軍鳳等[7]研究表明，在超聲波功率密度3.17 W/cm3、時間30 min、溫度35℃和占空比50%時，花生蛋白的溶解度、持水性和起泡性等功能特性有所改善。

本研究以燕麥為原料，考察不同超聲功率及超聲時間處理后燕麥蛋白質含量及功能特性的變化，以期為燕麥蛋白質相關產品的開發利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

燕麥：本地大潤發超市購買。石油醚、NaOH、HCl、考馬斯亮藍G-250、磷酸、95%乙醇：均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；2,2’-聯氮雙（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）：美國Sigma公司。

1.1.2 儀器與設備

YM-1000Y超聲波細胞粉碎儀：上海新芝科技股份有限公司；VFD-1000冷凍干燥機：天津東美儀器公司；RE-2000A旋轉蒸發儀：上海華科儀器儀表有限公司；ZNCL-BS恒溫磁力加熱攪拌器：上海越眾儀器設備有限公司；TG-16W-I高速離心機：濟南鑫宇鑫醫療設備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 超聲波處理燕麥及蛋白質的提取

取適量燕麥粒置于燒杯中，超聲時在盛放樣品的燒杯外套一個裝有冷水的大燒杯（以達到控溫的作用），分別采用超聲功率100、200、300、400 W對燕麥超聲波處理5、10、15、20、25、30 min，超聲波處理結束后，將燕麥粒粉碎備用。

采用堿溶酸沉法[8]提取燕麥蛋白。將粉碎后的燕麥粉按料液比1∶2（g/mL）添加石油醚浸泡30 min后，將石油醚倒掉，并待石油醚揮發完全即可得脫脂燕麥粉。按料液比1∶10（g/mL）加入蒸餾水，調節溶液pH為10，于40℃水浴2 h，4 000 r/min離心20 min，收集上清液，調節pH為4有沉淀析出，靜置、離心，將沉淀水洗至中性，進行冷凍干燥，即可得燕麥蛋白質。

1.2.2 燕麥中可溶性蛋白質含量的測定

采用考馬斯亮藍法，參照參考文獻[9]并作修改。

以牛血清白蛋白制備標準溶液，繪制標準曲線C=0.009 0X-0.041 8，R2=0.993 5。

式中：X為吸光度；C為蛋白質濃度，μg/mL。

式中：C為蛋白質濃度，μg/mL；V為樣液總體積，mL；m為樣品質量，g。

1.2.3 燕麥蛋白質持油性的測定

參照參考文獻[10]并略有修改：稱取1 g燕麥蛋白質樣品于離心管中，稱量離心管和蛋白質樣品的總質量，加入5 mL大豆油攪拌后，于4 000 r/min離心15 min，離心后取出游離油，稱量離心管與管中沉淀物的總質量。式中：m為蛋白質樣品的質量，g；m1為離心管和蛋白質樣品的總質量，g；m2為離心管與管中沉淀物的總質量，g。

1.2.4 燕麥蛋白質乳化性的測定

參照參考文獻[11]并作修改：取燕麥蛋白質樣品0.50 g于10 mL蒸餾水中并加入等體積大豆油，用磁力攪拌器以1 800 r/min攪拌5 min，然后在2 000 r/min條件下離心10 min，記錄乳化層高度，計算其乳化性。

1.2.5 燕麥蛋白質氮溶指數的測定

參照參考文獻[12]并作修改：稱0.5 g樣品加入蒸餾水定容至50 mL，攪拌混勻后進行離心（2 000 r/min，15 min），取上清液，用考馬斯亮藍法測定蛋白質含量，計算氮溶指數。

式中：NSI為蛋白質氮溶指數，%；N1為上清液中蛋白質含量，mg；N2為燕麥提取蛋白質含量，mg。

1.2.6 燕麥蛋白質DPPH·清除率的測定

DPPH·是一種穩定的自由基，其乙醇溶液顯紫色，在517 nm處有最大吸收，當有自由基清除劑存在時，DPPH·的單電子由于被配對，DPPH·濃度減小而使其顏色變淺，在517 nm處的吸光度值變小，從而計算出其清除DPPH·的能力。

稱取0.012 8 g DPPH溶解于50 mL容量瓶中，定容、搖勻配制成DPPH溶液[13]。取1 g燕麥蛋白質樣品加入10 mL蒸餾水，搖勻后靜置1 h，過濾，取上清液備用。2 mL DPPH溶液及1 mL 70%乙醇溶液在517 nm處的吸光度記為A0，2 mL DPPH溶液加入1 mL上清液在517 nm處的吸光度記為Ai，2 mL DPPH溶液加入1 mL 70%乙醇在517 nm處的吸光度記為Aj，按照下列公式計算DPPH·清除率（SA）。

1.2.7 燕麥蛋白質ABTS+·清除率的測定

參考劉曉燕等[14]的方法。取1 g燕麥蛋白質樣品加入10 mL蒸餾水，搖勻后靜置1 h，過濾，取上清液備用。取7 mmol/LABTS溶液（用pH為7.4的5 mmol/L磷酸緩沖液（PBS）配制），加入過硫酸鉀最終濃度為2.45 mmol/L，在室溫下黑暗放置12～16 h。使用前將ABTS溶液用PBS稀釋成在734 nm下吸光度為0.70±0.02。取8μL樣品，用PBS（5 mmol/L，pH 7.4）補至12μL，加入200μL ABTS溶液，30℃反應1 h。以去離子水為對照，在734 nm下測定吸光度，計算樣品的ABTS＋·清除能力。

式中：A0為空白對照液的吸光度；A1為樣品測定管的吸光度；A2為樣品本底管的吸光度。

1.2.8 數據處理

采用Origin和Excel軟件進行分析、處理試驗數據。

2 結果與分析

2.1 不同超聲處理條件對燕麥中可溶性蛋白質含量的影響

提取率的提高與超聲波獨特的熱效應、機械效應、空化效應密不可分，但同時也與超聲波對物質結構的影響有一定聯系[15]。

由圖1可以看出，超聲處理后燕麥中可溶性蛋白質含量均高于未處理燕麥，不同超聲功率下，超聲前期，燕麥中可溶性蛋白質含量隨超聲時間的延長而升高，達到峰值后下降。可見適當的超聲條件可以使燕麥中可溶性蛋白質含量升高，但超聲功率過大、時間過長反而會使蛋白質變性，影響燕麥中可溶性蛋白質的溶出率。總的來看，超聲功率大，可采用較短的超聲時間，而超聲功率小，則需要較長的時間才能達到最大值。

圖1 不同超聲處理條件對燕麥中可溶性蛋白質含量的影響Fig.1 Effects of different ultrasonic power and treatment time onsoluble protein content of oat

超聲功率100 W在超聲25 min時燕麥中可溶性蛋白質含量達到最高值，超聲功率200、300、400 W時，燕麥中可溶性蛋白質含量均在15 min達到最高值，且超聲功率200 W處理15 min的燕麥中可溶性蛋白質含量最高，為67.92 mg/g，因此確定其為最佳超聲處理條件。

2.2 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質持油性的影響

持油性是指蛋白產品吸附油脂的能力，是非極性脂肪族鏈和蛋白質非極性區之間的疏水性互相作用的結果[16]。圖2顯示，超聲處理后燕麥蛋白質的持油性均高于未處理燕麥，可能是由于超聲波與脂肪分子中的烴鏈相互作用后，非極性殘基側鏈暴露于分子表面，從而導致油脂更易滲出[17]。隨著超聲時間的延長，燕麥蛋白質持油性達到最高值后有所下降，這可能是因為超聲波處理使部分蛋白質變性，結構變得緊密，不溶性蛋白質增多，導致其持油性下降。超聲功率100、200、300、400 W分別在超聲20、15、10、5 min時出現最高峰，且超聲功率200 W處理15 min的燕麥蛋白質持油性最佳，達到1.84 g/g。

圖2 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質持油性的影響Fig.2 Effects of different ultrasonic power and treatment time on oil retention of oat protein

2.3 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質乳化性的影響

蛋白質作為一種表面活性物質，既含有親水性基團，又含有親油性基團，具有降低水-油界面表面張力的作用，同時其降低水和空氣表面張力的能力表現為乳化穩定性，在食品加工中應用蛋白質的表面活性，使產品具有乳化穩定狀態，進而可以延長產品貨架期[18]。

蛋白質分子的空間結構隨著超聲波處理時間的增加而愈加疏松，從而使極性部分朝向水相，非極性部分朝向脂質，適當的超聲處理可以提高燕麥蛋白的乳化性能[19]。由圖3可見，超聲功率100 W在處理25 min時蛋白質乳化性達到最大值，超聲功率200、300 W在超聲15 min時達到最大，超聲功率400 W則在超聲10 min時達到最大值。超聲功率為200 W處理15 min時乳化性最高（49.82%），為最佳超聲處理條件。

圖3 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質乳化性的影響Fig.3 Effects of different ultrasonic power and treatment time on emulsification of oat protein

2.4 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質氮溶指數的影響

超聲波處理能夠一定程度提高燕麥蛋白質的氮溶指數，這可能是由于超聲處理過程中，超聲空穴效應增大了固液接觸的表面積，大量的空穴氣泡使得蛋白顆粒周圍形成較大的壓強，充分伸展了蛋白質的空間結構，肽鍵斷裂，相互間的作用力下降，親水性氨基酸暴露，從而增強了溶解性[20]。

由圖4可見，超聲功率為100 W在處理20 min時氮溶指數達到最大值，超聲功率200、300、400 W則均在超聲15 min時達到最大，之后，隨著超聲時間繼續延長，氮溶指數有所下降。超聲功率為400 W處理15 min時氮溶指數達到最高（29.01%），與200 W處理15 min最高值（28.91%）接近。綜合考慮，選擇最佳超聲處理條件為200 W處理15 min。

圖4 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質氮溶指數的影響Fig.4 Effects of different ultrasonic power and treatment time on nitrogen solubility index of oat protein

2.5 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質DPPH·清除率的影響

蛋白質的結構是其功能特性的基礎，空間結構的改變會在一定程度上引起蛋白質功能特性的變化[21]。超聲波處理不只對蛋白質的理化功能特性有影響，對蛋白質的生物活性也有一定程度的影響。

由圖5可以看出，未經超聲處理時，燕麥蛋白質對DPPH·的清除率為26.01%，隨著超聲時間和功率的變化，燕麥蛋白質對DPPH·的清除作用均有一定程度的提高，這可能與超聲波處理改變了燕麥蛋白質的結構有關。超聲功率為100 W在處理20 min時，燕麥蛋白質DPPH·清除率達到最大值，超聲功率200 W在超聲15 min時達到最大值，超聲功率300、400 W則在超聲10 min時達到最大值。超聲功率為200 W處理15min時DPPH·清除率達到最高（88.03%），為最佳超聲處理條件。

圖5 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質DPPH·清除率的影響Fig.5 Effects of different ultrasonic power and treatment time on DPPH free radical scavenging rate of oat protein

2.6 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質ABTS+·清除率的影響

由圖6可以看出，超聲波處理能夠提高燕麥蛋白質對ABTS+·的清除作用，隨著超聲時間的延長，各功率下燕麥蛋白質對ABTS+·的清除率呈現先升高后降低的趨勢。超聲功率為100 W在處理20 min時，燕麥蛋白質ABTS+·清除率達到最大值，超聲功率200、300 W均在超聲15 min時達到最大，超聲功率400 W則在超聲10 min時達到最大值。超聲功率為200 W處理15 min時ABTS+·清除率達到最高（81.93%），為最佳超聲處理條件。

圖6 不同超聲處理條件對燕麥蛋白質ABTS+·清除率的影響Fig.6 Effects of different ultrasonic power and treatment time on ABTS cation free radical scavenging rate of oat protein

3 結論

本試驗研究了不同超聲功率和超聲時間對燕麥中可溶性蛋白質含量、功能特性及抗氧化活性的影響。結果表明，超聲功率200 W處理15 min為最佳超聲處理條件。適當的超聲波處理可以提高燕麥的可溶性蛋白質含量，改善燕麥蛋白質功能特性和抗氧化性，但是超聲時間過長、功率過高會破壞蛋白質的空間結構、改變蛋白質分子聚集程度以及蛋白質表面的疏松程度等，致使蛋白質變性[22]，蛋白質持油性、乳化性等蛋白質特性以及DPPH·清除率、ABTS+·清除率出現下降的趨勢，從而對蛋白質食品及生物活性產生不利影響。本試驗結果可為燕麥蛋白質相關產品的開發利用提供理論參考。