楊柳,江連洲,2,李楊,婁巍,范佳璐,高珊

1(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱,150030) 2(國(guó)家大豆工程技術(shù)中心,黑龍江哈爾濱,150030)

水酶法提取的大豆蛋白功能特性研究

楊柳1,江連洲1,2,李楊1,婁巍1,范佳璐1,高珊1

1(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱,150030) 2(國(guó)家大豆工程技術(shù)中心,黑龍江哈爾濱,150030)

以大豆為原料,采用Alcalase 2.4 L對(duì)其進(jìn)行水酶法試驗(yàn),研究了不同預(yù)處理方式下利用水酶法(簡(jiǎn)稱水酶法大豆蛋白)大豆蛋白的功能特性隨水解時(shí)間的變化,并對(duì)超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究表明,水酶法大豆蛋白的功能特性受水解時(shí)間的影響,其中溶解性隨水解時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,而乳化性與起泡性隨水解時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后降低。且超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性好于濕熱處理及擠壓膨化輔助水酶法大豆蛋白。超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性優(yōu)于大豆?jié)饪s蛋白,與大豆分離蛋白接近。在等電點(diǎn)(pH值4.0～5.0)附近,其溶解性、乳化性及起泡性均優(yōu)于大豆?jié)饪s蛋白及大豆分離蛋白。

水酶法,大豆蛋白,溶解性,乳化性,起泡性,超聲波

大豆含18%～22%的油脂和40%左右的蛋白質(zhì),不僅是主要的油料作物,更是巨大的優(yōu)質(zhì)植物蛋白資源。目前從植物油料中提油的主要方法是壓榨法和浸出法,這些方法雖然出油率高,但設(shè)備復(fù)雜,更主要的是造成蛋白質(zhì)變性,使提油后餅粕不能有效利用,蛋白質(zhì)資源嚴(yán)重浪費(fèi),且溶劑浸出后需要脫溶過程,設(shè)備多、投資大、污染重。為克服傳統(tǒng)制油工藝的弊端,考慮到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和安全等多方面的因素,水酶法提取植物油技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-6]。

水酶法是一種新興的提油方法。它以機(jī)械和酶解為手段破壞植物細(xì)胞壁,使油脂得以釋放。該技術(shù)處理?xiàng)l件溫和,而且可以同時(shí)提取油和蛋白質(zhì),在水酶法制油過程中,伴隨著蛋白質(zhì)的有限水解,這個(gè)過程本身就是對(duì)蛋白質(zhì)的改性過程,必然對(duì)大豆蛋白的功能特性,如溶解性、起泡性、乳化性等產(chǎn)生影響,這直接影響到對(duì)大豆蛋白的綜合利用。因此,研究水酶法提取的大豆蛋白的功能特性十分必要,這對(duì)加快水酶法提油技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用具有重大意義。

本試驗(yàn)主要比較了不同預(yù)處理方式下水酶法大豆蛋白的溶解性、起泡性及乳化性,從而確定一種適宜的水酶法提取大豆油脂及蛋白質(zhì)的預(yù)處理方式,使其可以獲得具有較好功能特性的大豆蛋白。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑

市售東北大豆(其中水分10.3%,脂肪20.1%,蛋白質(zhì)40.3%),Alcalase 2.4 L(諾維信生物技術(shù)有限公司,最適溫度50～60℃,最適pH值8～10),大豆分離蛋白(哈爾濱高科技集團(tuán)有限公司),大豆?jié)饪s蛋白(大慶日月星集團(tuán)有限公司),其余試劑均為實(shí)驗(yàn)室常用試劑。

1.2 主要儀器設(shè)備

pHS-25型酸度計(jì),上海偉業(yè)儀器廠;FA2004B型電子分析天平,梅勒特-托利多儀器(上海)有限公司;G1-21M離心機(jī),上海市離心機(jī)械研究所;JJ-1電動(dòng)攪拌器,江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠;電熱恒溫水浴鍋DZ W-4,余姚市東方電工儀器廠;半自動(dòng)定氮儀,上海纖檢儀器有限公司;HYP-Ⅱ消化爐Q/ IDYQ,上海纖檢儀器有限公司;中草藥粉碎機(jī),天津市華鑫儀器廠;KQ-500DV型數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;剖分式雙螺桿擠壓機(jī),東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院張兆國(guó)教授自行研制;XL-30型掃描電子顯微鏡,荷蘭飛利浦公司; IB-3型離子濺射儀,日本日立公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水酶法大豆蛋白質(zhì)的制備

將原料大豆進(jìn)行清理(去除肉眼可見雜質(zhì))后,用中草藥粉碎機(jī)粉碎90 s備用,取粉碎后的豆粉50 g置于四頸瓶中,加入250 mL蒸餾水,混勻,進(jìn)行預(yù)處理,取出,調(diào)整其pH值至適當(dāng)條件,加入相應(yīng)量的酶,置恒溫水浴鍋中反應(yīng),不斷攪拌,以1 mol/L的NaOH或HCl調(diào)整pH值。反應(yīng)結(jié)束后,于90℃水浴鍋中加熱8 min滅酶,4000 r/min離心20 min。收集水解液,進(jìn)行噴霧干燥(進(jìn)口溫度175～180℃,出口溫度81～84℃),即得水酶法大豆蛋白。

其中預(yù)處理方式包括3種:超聲波處理(300 W,30℃,15 min)、濕熱處理(90℃,15 min)、擠壓膨化處理(?？卓讖?8 mm,套筒溫度90℃,物料含水率14%,螺桿轉(zhuǎn)速100 r/min)。

1.3.2 功能性質(zhì)的測(cè)定方法

樣品經(jīng)處理后,離心,參照GB/T5511-2003分別測(cè)定清液和樣品中總氮含量,并按下式計(jì)算:

1.3.2.2 蛋白質(zhì)乳化性的測(cè)定[7-8]

用 0 .05 mol/L,pH值7.0磷酸鈉緩沖液配置1%的蛋白溶液,加入大豆油(0.25 L/L),均質(zhì)(10000 r/min×10 s)2遍,形成均一的乳化液。

乳化活性(EA I)采用混濁度法測(cè)定。均質(zhì)后,分別在0 min和10 min取1 mL新制備的乳化液,用蒸餾水稀釋100倍,然后再取1 mL被稀釋的乳化液,用0.1%SDS稀釋10倍,在500 nm下測(cè)定吸光值。EA I計(jì)算公式:

A0為均質(zhì)后迅速被稀釋的乳化液的吸光值。

1.3.2.3 蛋白質(zhì)起泡性的測(cè)定[9]

用0.2 mol/L,pH值7的磷酸緩沖溶液配制1%的蛋白溶液150 mL,在高速組織搗碎機(jī)中以12000 r/min攪打30 s,4次。迅速倒入500 mL量筒中,記錄泡沫體積,以此表示起泡能力大小。

1.3.3 電鏡分析方法

采用掃描電鏡觀察不同預(yù)處理方式對(duì)大豆超微結(jié)構(gòu)的影響時(shí),以粉碎并經(jīng)過預(yù)處理的豆粉為原料。觀察豆粉微觀結(jié)構(gòu)時(shí),將經(jīng)過預(yù)處理的豆粉用戊二醛混合液固定,用磷酸緩沖液漂洗,然后乙醇脫水,用醋酸異戊酯置換乙醇后,用臨界點(diǎn)干燥法進(jìn)行干燥,經(jīng)離子濺射噴金,置于掃描電鏡下觀察,拍照。

自1933年美國(guó)聯(lián)邦存款保險(xiǎn)公司（FDIC）成立以來(lái)，美國(guó)問題銀行市場(chǎng)化退出機(jī)制不斷完善。在歷史上比較大的金融危機(jī)中，美國(guó)雖然發(fā)生了數(shù)百家商業(yè)銀行出現(xiàn)經(jīng)營(yíng)困難甚至倒閉的情況，但是由于存款保險(xiǎn)制度發(fā)揮了重要作用，很少發(fā)生銀行擠兌現(xiàn)象。美國(guó)在商業(yè)銀行風(fēng)險(xiǎn)處置方面的做法受到廣泛關(guān)注。英國(guó)參考美國(guó)的做法，在2009年頒布了專門針對(duì)銀行的破產(chǎn)法。金融穩(wěn)定理事會(huì)（FSB）以美國(guó)的商業(yè)銀行風(fēng)險(xiǎn)處置法律制度為藍(lán)本，發(fā)布了《金融機(jī)構(gòu)有效處置機(jī)制核心要素》，成為金融機(jī)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)處置領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白功能特性的影響

2.1.1 預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白溶解性的影響

由圖1可知,隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng),水酶法大豆蛋白質(zhì)溶解性不斷提高,原因是蛋白質(zhì)經(jīng)過酶解改性后分子質(zhì)量變小,很多可電離的氨基和羰基隨著水解暴露出來(lái),使蛋白質(zhì)極性基團(tuán)(,-COO-)的數(shù)量增加,多肽鏈平均分子量降低,引起蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生有利于增加親水性的變化,從而使蛋白質(zhì)與水的作用加強(qiáng)。從圖1還可以看出,預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白質(zhì)的溶解性有一定的影響,經(jīng)超聲波處理的水酶法大豆蛋白的溶解性明顯高于經(jīng)濕熱處理和擠壓膨化處理的。原因可能是超聲處理產(chǎn)生強(qiáng)有力的空化,攪拌,崩潰作用使可溶蛋白成分分散到溶劑中,從而有利于酶解,提高了蛋白質(zhì)的溶解性。

圖1 預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白溶解性的影響

2.1.2 預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白乳化性的影響

由圖2可知,水酶法大豆蛋白乳化性隨水解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,但當(dāng)水解到一定程度時(shí),再延長(zhǎng)水解時(shí)間,乳化性反而下降。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi),全脂豆粉受酶作用后,結(jié)構(gòu)發(fā)生變化:分子鏈變短,水溶性增加;很多原來(lái)包裹在蛋白質(zhì)分子中的疏水基團(tuán)暴露出來(lái),親油性增強(qiáng);電荷數(shù)量增加,阻止了油滴的相互靠近[10]。因此,總體表現(xiàn)為大豆蛋白質(zhì)分子易分散于油/水界面,乳化性增強(qiáng)。但是隨著大豆蛋白酶解物溶解度的提高,大豆蛋白水解程度提高,水解后的小肽不容易被吸附在油水界面形成的黏膜上,因此進(jìn)入深度水解后,產(chǎn)物乳化穩(wěn)定性反而降低。

圖2 預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白乳化性的影響

由圖2可知,預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白質(zhì)乳化性的影響不同,經(jīng)超聲波預(yù)處理后的全脂豆粉,在水解2 h時(shí)水酶法大豆蛋白的乳化性達(dá)到最高,而經(jīng)濕熱處理與擠壓膨化處理的全脂豆粉,水解3 h,其水酶法大豆蛋白的乳化性達(dá)到最高,且超聲波輔助水酶法大豆蛋白的乳化性高于濕熱處理輔助水酶法大豆蛋白及擠壓膨化輔助水酶法大豆蛋白。

2.1.3 預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白起泡性的影響

由圖3 可知,水酶法大豆蛋白起泡性隨水解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,水解到一定程度時(shí),再延長(zhǎng)水解時(shí)間,起泡性反而下降。因?yàn)槠鹋菪允鼙砻鎻埩Φ挠绊?在酶解初期,由于蛋白質(zhì)分子中的-NH2、-COOH之間形成的氫鍵數(shù)目增多,形成的薄膜具有足夠的黏度和機(jī)械強(qiáng)度,使得大豆蛋白的起泡性增加。隨著酶解過程的進(jìn)行,-NH2、-COOH的數(shù)目不斷增加,電荷數(shù)目也隨之增加,當(dāng)增加到一定程度后,氣液薄膜強(qiáng)度降低,泡沫易破裂,起泡性也隨之降低[11]。

圖3 不同預(yù)處理方式下水酶法大豆蛋白起泡性隨水解時(shí)間的變化

由圖3可知,預(yù)處理方式對(duì)水酶法大豆蛋白質(zhì)起泡性的影響有所不同,經(jīng)超聲波和濕熱處理后的全脂豆粉,在水解2 h時(shí)水酶法大豆蛋白的起泡性達(dá)到最高,而經(jīng)擠壓膨化處理的全脂豆粉,在水解3 h時(shí),其水酶法大豆蛋白的起泡性達(dá)到最高,且超聲波輔助水酶法大豆蛋白的起泡性高于濕熱處理輔助水酶法大豆蛋白及擠壓膨化輔助水酶法大豆蛋白。

2.2 超聲波輔助水酶法大豆蛋白功能特性研究

2.2.1 超聲波輔助水酶法大豆蛋白溶解性研究

由圖4知,大豆?jié)饪s蛋白與大豆分離蛋白的溶解度隨pH變化較大,其溶解度在等電點(diǎn)區(qū)域(pH值4.0～5.0)都很低,偏離這個(gè)等電點(diǎn)區(qū)域,大豆蛋白的溶解度隨之增大。超聲波輔助水酶法大豆蛋白,溶解度隨pH值的變化減小,和大豆?jié)饪s蛋白相比較,同一pH值下溶解度顯著提高。在大豆蛋白等電點(diǎn)區(qū)域,其溶解性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大豆?jié)饪s蛋白和大豆分離蛋白。說(shuō)明超聲波輔助水酶法提取油脂的方法能較好地改善大豆蛋白的水溶性,同時(shí)也可降低蛋白質(zhì)NSI對(duì)溶液pH值的依賴性。原因是超聲處理產(chǎn)生強(qiáng)有力的空化,攪拌,崩潰作用使全脂豆粉中的可溶蛋白成分分散到溶液中,蛋白質(zhì)經(jīng)過酶解改性后分子量變小,很多可電離的氨基和羰基隨著水解暴露出來(lái)[12],它們改變了蛋白質(zhì)表面的電荷分布,使得等電點(diǎn)偏移,蛋白質(zhì)在原來(lái)的等電點(diǎn)處帶上凈的正電荷或負(fù)電荷,分子中表面親水性殘基的數(shù)量遠(yuǎn)高于疏水性殘基的數(shù)量,帶電的氨基酸殘基的靜電推斥和水合作用促進(jìn)了蛋白質(zhì)的溶解。

圖4 大豆蛋白質(zhì)的NSI-pH曲線(25℃)

2.2.2 超聲波輔助水酶法大豆蛋白乳化性研究

由圖5可以看出,在試驗(yàn)條件下,大豆蛋白乳化活性受pH的影響,在pH 4.0～5.0等電點(diǎn)區(qū)域乳化活性較低,偏離等電區(qū)域乳化活性隨之增大,同時(shí)超聲波輔助水酶法大豆蛋白與大豆分離蛋白的乳化活性較接近,而明顯優(yōu)于大豆?jié)饪s蛋白。

圖5 大豆蛋白質(zhì)的乳化性-pH曲線(25℃)

蛋白質(zhì)的乳化性與其分子的疏水性質(zhì)有關(guān),同時(shí)還受疏水性基團(tuán)在分子中分布的影響。超聲處理使大豆蛋白的三、四級(jí)結(jié)構(gòu)被打開,蛋白質(zhì)鏈被打斷,使疏水基團(tuán)外露,蛋白質(zhì)親水、疏水基團(tuán)增多,乳化能力增強(qiáng)[13],而且水解作用導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子緊密構(gòu)象的破壞,進(jìn)而引起包埋于分子內(nèi)部的疏水性氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)暴露,在乳化體系形成過程中易于與脂類結(jié)合,有利于形成穩(wěn)定的乳化體系。

2.2.3 超聲波輔助水酶法大豆蛋白起泡性研究

由圖6知,大豆蛋白質(zhì)起泡性在pH 4.0～5.0等電點(diǎn)區(qū)域較低,偏離這個(gè)等電區(qū)域,在等電點(diǎn)左邊的pH區(qū)域內(nèi),起泡性隨著pH值的升高而降低;在其右邊的pH區(qū)域內(nèi),起泡性隨pH值的升高而升高,說(shuō)明起泡性與蛋白質(zhì)溶解性存在相關(guān)性。超聲波輔助水酶法大豆蛋白與大豆分離蛋白的起泡性接近,高于大豆?jié)饪s蛋白。這是因?yàn)槠鹋菪允鼙砻鎻埩Φ挠绊?大豆蛋白分子包含疏水性基團(tuán)和親水性基團(tuán),因而具有表面活性,能降低水的表面張力,在劇烈攪拌時(shí)形成泡沫,蛋白質(zhì)水解后,水解物黏度降低,低表面張力對(duì)泡沫的形成比較有利。超聲波產(chǎn)生空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)促使蛋白質(zhì)分子發(fā)生解聚,打斷蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu),釋放出小分子亞基和肽,同時(shí)超聲波處理還會(huì)使更多疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)暴露,因此具有更大表面活性,能降低水的表面張力,提高蛋白質(zhì)起泡性[14]。

圖6 大豆蛋白質(zhì)的起泡性-pH曲線(25℃)

2.3 電鏡圖片

圖7～圖10分別為原料豆粉、濕熱處理、擠壓膨化處理及超聲波處理后的豆粉的掃描電鏡圖片?？梢钥闯?原料豆粉在電鏡下呈聚集狀態(tài),經(jīng)濕熱處理后,聚集狀態(tài)有所改變,但顆粒仍較大;經(jīng)擠壓膨化處理后,聚集狀態(tài)有一定規(guī)則,甚至可以看到呈現(xiàn)纖維狀聚集。這可能由于在高溫、高壓條件下,豆粉中的高聚物質(zhì)發(fā)生斷裂,產(chǎn)生了聚合度相對(duì)低的成分,這些成分發(fā)生了有規(guī)則的重新聚集;超聲波處理改變了物料的狀態(tài),由聚集變?yōu)榉稚?并且在原料分子內(nèi)部產(chǎn)生了“空化”作用,而這種改變不但有利于油脂的提取,更有利于蛋白質(zhì)功能特性的提高。

圖7 全脂豆粉的掃描電鏡圖片

圖8 經(jīng)濕熱處理的豆粉的掃描電鏡圖片

圖9 經(jīng)擠壓膨化處理的豆粉的掃描電鏡圖片

圖10 經(jīng)超聲波處理后的豆粉的掃描電鏡圖片

3 結(jié)論

(1)水酶法大豆蛋白質(zhì)功能特性受水解時(shí)間的影響,其中溶解性隨水解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,而乳化性與起泡性隨水解時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后降低。

(2)水酶法大豆蛋白質(zhì)功能特性受預(yù)處理方式的影響,其中超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性好于濕熱處理及擠壓膨化輔助水酶法大豆蛋白。

(3)超聲波輔助水酶法大豆蛋白的功能特性優(yōu)于大豆?jié)饪s蛋白,與大豆分離蛋白接近,在等電點(diǎn)(pH值4.0～5.0)附近,其溶解性、乳化性及起泡性均優(yōu)于大豆?jié)饪s蛋白及大豆分離蛋白。這些特性使得超聲波輔助水酶法大豆蛋白更有利于用作食品原料及食品添加劑。

(4)綜合電鏡圖片與試驗(yàn)結(jié)果,豆粉經(jīng)超聲波處理后,物料受到空化作用和機(jī)械作用,分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,而這種改變有利于大豆蛋白質(zhì)功能特性的提高。

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ABSTRACTIn this paper,soybean was used as raw material.The aqueous enzymatic extraction of soybean oil and protein was carried out by usingAlcalase 2.4 L and the change of function properties of soybean protein from different preliminary treatment aqueous enzymatic extraction in the wake of hydrolysis t ime was studied.Functional properties of soybean protein from ultrasonic pre-irradiation aqueous enzymatic extraction were also evaluated.The study shows that the hydrolysis t ime has certain effect on the functional properties of soybean protein from aqueous enzymatic extraction,and solubility increased with prolonged hydrolysis time,while the emulsification and frothiness increased then decreased when hydrolysis time prolonged.Functional properties of soybean protein from ultrasonic pre-irradiation aqueous enzymatic extraction was better than both the moist heat processing and extrusion pre-irradiation aqueous enzymatic extraction.Ultrasound-assisted aqueous enzymatic functional properties of soy protein is superior to soy protein concentrate,and close to soy protein isolate.Isoelectric point(pH4.0～5.0)near its solubility,emulsibility and frothiness are better than both soy protein concentrate and soy protein isolate.

Key wordsaqueous enzymatic extraction,soybean protein,solubility,emulsibility,frothiness,ultrasonic wave

Studies on Function Properties of Soybean Protein from Aqueous Enzymatic Extraction

Yang Liu1,Jiang Lian-zhou1,2,Li Yang1,LouWei1,Fan Jia-lu1,Gao Shan1
1(NortheastAgriculturalUniversity,Institute of Food,Harbin 150030,China)
2(Soybean Engineering Technology Research Center of China,Harbin 150030,China)

碩士研究生。

2010-01-21,改回日期:2010-03-06