王玉琦 王東華 李婷婷 王 旭 于殿宇
(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院1,哈爾濱 150030)(東北農(nóng)業(yè)大學園藝學院2,哈爾濱 150030)
米糠是稻米加工的副產(chǎn)物,它的利用價值非常高,含有的必需氨基酸平衡合理,生物效價高[1]。研究表明,米糠中富含多種營養(yǎng)成分和生理活性物質(zhì),其中米糠多糖能降血壓、降血糖和抗腫瘤;米糠中植酸鈣有促進人體新陳代謝和骨骼組織生長發(fā)育的功能;米糠蛋白是目前世界公認的優(yōu)質(zhì)植物性蛋白,米糠中含有10%~20%的米糠蛋白[2]。米糠蛋白不含抗營養(yǎng)因子,對人體具有低過敏性、抗癌活性和保健的功能[3-8],米糠蛋白功效比為2.0~2.5,與牛奶中功效比為2.5的酪蛋白相近,消化率達90%以上,米糠蛋白的營養(yǎng)價值可與動物蛋白相媲美[9-10]。目前,從米糠中提取米糠油的研究比較深入,由于研究技術(shù)的限制,造成我國米糠資源的利用率仍然偏低,經(jīng)脫脂后的米糠中仍有多種水溶性營養(yǎng)物質(zhì)沒被提取出來,如可溶性的米糠蛋白、米糠多糖、碳水化合物、植酸、維生素、礦物質(zhì)等。
米糠中的植酸鹽與蛋白質(zhì)和糖類等物質(zhì)易結(jié)合形成難溶的復(fù)合物,同時米糠蛋白分子間又含較多二硫鍵,導(dǎo)致米糠蛋白的溶解性降低,從而使營養(yǎng)物質(zhì)利用率下降[11-12]。已有研究用酶法改善米糠的溶解性,其反應(yīng)條件溫和,不產(chǎn)生有害物質(zhì),且米糠粉得率較高[13-14]。白莉等[15]分別采用α-淀粉酶、纖維素酶和果膠酶對米糠提取蛋白,得到蛋白質(zhì)提取率分別為37.85%、43.93%、30.73%,其中纖維素酶的提取效果最佳。王雪飛等[16]比較了多種酶酶解回收蛋白質(zhì),回收率達62.04%,但由于是單一酶作用,蛋白質(zhì)回收率低;李坤等[17]采用淀粉酶、纖維素酶和植酸酶復(fù)合酶法提取米糠蛋白,米糠蛋白提取率為80.06%。但在超臨界CO2狀態(tài)下利用植酸酶、淀粉酶和堿性蛋白酶的復(fù)合酶法生產(chǎn)米糠粉還鮮見報道。反應(yīng)物在超臨界流體中的溶解度增大,使酶與底物充分接觸,反應(yīng)時間短、效率高,且超臨界CO2具有無毒無味、化學性質(zhì)穩(wěn)定、經(jīng)濟、來源廣泛、不會對熱敏性食品及其風味產(chǎn)生影響等優(yōu)點[18-20]。
本實驗利用植酸酶將難溶性的植酸鹽絡(luò)合物酶解后,把蛋白質(zhì)釋放出來,而不影響蛋白整體結(jié)構(gòu),解除它們對蛋白質(zhì)和淀粉的干擾[21-22];再選擇一定比例的堿性蛋白酶和α-淀粉酶消除淀粉與蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用,降低淀粉分子的分支化度,增加直鏈淀粉的比例,通過對蛋白質(zhì)進行降解使其轉(zhuǎn)化為容易消化吸收的多肽,有利于蛋白質(zhì)和糖類等營養(yǎng)成分的提取[23],提高米糠蛋白的溶解性。
本研究主要考察超臨界CO2流體對酶的酶解效率影響,以及將淀粉酶解為可溶解的多糖和單糖的效率以及蛋白質(zhì)的提取效率,考察制得米糠粉的成分和得率,確定二次酶解對米糠粉特性的影響。
1.1 材料與儀器
低溫脫脂米糠:黑龍江省北大荒米業(yè)集團有限公司;植酸酶(10 000 U/g,食品級)、α-淀粉酶(10 000 U/g,食品級)、堿性蛋白酶(60 000 U/g,食品級):上海萬安科技有限責任公司;3,5-二硝基水楊酸、乙醇、鹽酸和燒堿等均為分析純。
RE-501旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:北京瑞成偉業(yè)儀器設(shè)備有限公司;JMS-50膠體磨:廊坊利杰食品有限公司;150 mL超高壓反應(yīng)釜:實驗室自制;LD4-2A低速離心機:北京醫(yī)用離心機廠;B-290噴霧干燥機:瑞士BUCHI公司。
1.2 實驗方法
1.2.1 脫脂米糠酶解的過程
在常壓狀態(tài)下,稱取低溫脫脂米糠10 g,加入80 mL體積的水分,浸泡處理后經(jīng)膠體磨磨漿,得到米糠漿液,添加到150 mL超高壓反應(yīng)釜內(nèi),參照王雪飛[24]的實驗條件并略有改動,植酸酶的添加量為1.0%,pH為5.5,酶解溫度50 ℃,將其加入反應(yīng)釜內(nèi),酶解一定時間后,終止反應(yīng),滅酶鈍化后,將底物經(jīng)離心分離、蒸發(fā)濃縮和噴霧干燥后稱重,得到一次酶解產(chǎn)物。同樣方法,將底物添加到150 mL超高壓反應(yīng)釜內(nèi),充入8 MPa CO2,使酶解反應(yīng)在超臨界CO2狀態(tài)下進行。
得到一次酶解產(chǎn)物后,在常壓狀態(tài)下,調(diào)節(jié)超高壓反應(yīng)釜內(nèi)溫度和pH以適應(yīng)堿性蛋白酶與α-淀粉酶的反應(yīng)條件,再加入適量堿性蛋白酶與α-淀粉酶,酶解一定時間后,終止反應(yīng),得到的產(chǎn)物經(jīng)滅酶鈍化處理后,得到二次酶解產(chǎn)物。將底物冷卻至室溫,在3 000 r/min條件下離心分離5 min,得到濾渣和濾液。將濾液利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮后,通過真空噴霧干燥,進風溫度185 ℃,出風溫度90 ℃,離心噴霧轉(zhuǎn)速2 000 r/min,得到米糠粉并稱重。同樣方法,得到一次酶解產(chǎn)物后,將酶添加到150 mL超高壓反應(yīng)釜內(nèi),充入8 MPa CO2,調(diào)節(jié)超高壓反應(yīng)釜內(nèi)溫度和pH,使酶解反應(yīng)在超臨界CO2狀態(tài)下進行,滅酶鈍化后得到二次酶解產(chǎn)物,再經(jīng)離心分離和噴霧干燥后,得到米糠粉并稱重。
1.2.2 產(chǎn)品得率的測定
米糠粉是脫脂米糠經(jīng)過復(fù)合酶水解法等處理后得到的富含多種營養(yǎng)元素的固態(tài)粉末,根據(jù)米糠粉得率來反映脫脂米糠酶解的效果:
得到二次酶解產(chǎn)物后,加上一次酶解產(chǎn)物的質(zhì)量比上脫脂米糠的質(zhì)量為二次酶解后的得率。
1.3 原料組分測定
水分含量:GB/T 5497—1985《糧食、油料檢驗 水分測定方法》;灰分:GB/T 5505—2008《糧油檢驗 灰分測定法》;粗脂肪含量:GB/T5512—2008《糧食、油料檢驗 粗脂肪測定法》;淀粉含量:GB/T 5009.9—2003《食品中淀粉的測定方法》;膳食纖維含量:GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》;還原糖含量:GB/T 5009.7—2008《食品中還原糖的測定方法》;蛋白質(zhì)含量、氮溶指數(shù)(NSI):GB/T 5009.5—1985《食品中蛋白質(zhì)的測定》;可溶性糖含量(以蔗糖計)的測定采用苯酚-硫酸法[25]。
1.4 速溶性分析
參照劉曉毅[26]的方法測定米糠粉的速溶性,用45 g溫度為80 ℃的蒸餾水,溶解5 g酶解后脫脂米糠粉,啟動攪拌器低速攪拌,記錄粉末完全溶解的時間為t,根據(jù)QB/T 4067《食品工業(yè)用速溶茶行業(yè)標準》,全部溶解的時間在5 s內(nèi)即為速溶。
1.5 數(shù)據(jù)分析
所有實驗數(shù)據(jù)重復(fù)3次,利用正交設(shè)計助手對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并做方差分析,用Origin 8.0軟件作圖。
2.1 一次酶解脫脂米糠的效果
在常壓下酶解時間為70 min時,米糠粉得率最高為42.3%,在超臨界酶解脫脂米糠,當酶解時間為60 min時,米糠粉得率最高為48.2%,可以看出在超臨界CO2條件下酶解脫脂米糠后,因其在超臨界流體中的溶解度增大,酶與底物充分接觸,使反應(yīng)時間縮短、酶解效率高。如圖1所示,超臨界CO2狀態(tài)下米糠粉得率較常規(guī)酶解高出14.0%左右,酶解時間縮短了10 min。
圖1 酶解時間和質(zhì)量比對米糠粉得率的影響
2.2 堿性蛋白酶與α-淀粉酶最佳配比的選擇
在1.2.1所述條件下進行,堿性蛋白酶與α-淀粉酶的酶添加量4.0%,酶解時間60 min,pH為8.0,酶解溫度55 ℃時,按照不同的比例進行酶解,結(jié)果如圖1所示。最終確定堿性蛋白酶與α-淀粉酶質(zhì)量比為1:1時,米糠粉得率最高。沒有選擇在常壓的條件下進行,由于在實驗中發(fā)現(xiàn)超臨界CO2的條件下只影響酶的酶解效率和米糠粉的得率,不影響其酶的比例,故此常壓條件下實驗并未體現(xiàn)。
2.3 二次酶解脫脂米糠的效果
2.3.1 酶解時間對米糠粉得率的影響
調(diào)節(jié)pH 8.0,酶添加量4.0%,溫度55 ℃,在磁力攪拌條件下分別進行超臨界和常壓酶解反應(yīng),考察堿性蛋白酶和α-淀粉酶酶解時間對米糠粉得率的影響,實驗結(jié)果如圖1所示。
由圖1可知,脫脂米糠在超臨界CO2體系酶解反應(yīng)中,在開始的一段時間里,隨著酶解時間的增加,米糠粉得率逐漸提高,這是由于此時底物濃度較高,酶解時間較短,反應(yīng)還未飽和。酶解時間為60 min時,米糠粉得率達到最高,之后趨于穩(wěn)定,這是由于反應(yīng)趨于飽和狀態(tài),隨著產(chǎn)物濃度的增加,對底物產(chǎn)生了抑制作用,且酶的活性逐漸降低,因此米糠粉得率幾乎不再增加,所以選擇最適酶解時間為60 min,而常規(guī)酶法酶解最適時間70 min。原因可能是在超臨界CO2狀態(tài)下激發(fā)了酶的活性中心,同時進行二次酶解新鮮米糠蛋白,使酶在各自的反應(yīng)體系內(nèi)更好地發(fā)揮了效率,使酶解的時間縮短,所以在超臨界CO2體系下生產(chǎn)米糠粉的酶解反應(yīng)時間相比于常規(guī)酶法大大縮短了,提高了酶解效率的同時提高了米糠粉得率。
2.3.2 酶添加量對米糠粉得率的影響
按照1.2.1方法進行,調(diào)節(jié)pH 8.0,溫度55 ℃,加入不同量的酶,在磁力攪拌條件下分別進行超臨界和常壓酶解反應(yīng),酶解時間為60 min,考察酶添加量對米糠粉得率的影響,實驗結(jié)果如圖2所示。
圖2 酶解溫度、pH及酶添加量對米糠粉得率的影響
由圖2可知,開始時隨著酶添加量的增加,米糠粉得率逐漸增加,當酶添加量超過4.0%時,酶解反應(yīng)中米糠粉得率的增加趨于平緩。是由于隨著酶添加量的增加,酶分子與底物結(jié)合位點增多,反應(yīng)速度加快,當酶量趨于飽和時,繼續(xù)增加對米糠粉得率影響不大,結(jié)合成本考慮,選擇最適添加量為4.0%。而且從圖2中可以看出超臨界CO2條件下米糠粉得率高于常規(guī)酶法酶解米糠粉的得率。
2.3.3 酶解液pH對米糠粉得率的影響
在溫度55 ℃,酶添加量4.0%,pH不同的情況下,在磁力攪拌條件下分別進行超臨界和常壓酶解反應(yīng),酶解時間為60 min,分別考察2個酶解反應(yīng)中pH對米糠粉得率的影響,實驗結(jié)果如圖2所示。
由圖2可知,米糠粉得率隨pH的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,當酶解pH為8.0時,米糠粉得率最高。這是由于pH一般影響酶活性部位可影響基團、復(fù)合物及底物的離解,且酶在一定的pH范圍內(nèi)才有活性,超過一定的pH后,酶的空間結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變,以致使酶失活。只有在最適pH條件下活性最高,從而將底物最大程度的轉(zhuǎn)變?yōu)槊附猱a(chǎn)物,米糠粉得率最高,所以選擇酶解最適pH為8.0。且在超臨界CO2條件下米糠粉得率較高。
2.3.4 酶解溫度對米糠粉得率的影響
調(diào)節(jié)pH 8.0,酶添加量4.0%,在不同溫度條件下,在磁力攪拌條件下分別進行超臨界和常壓酶解反應(yīng),酶解時間60 min,考察酶解溫度對米糠粉得率的影響,實驗結(jié)果如圖2所示。
由圖2可知,米糠粉得率隨著溫度的升高而逐漸增加,當酶解溫度55 ℃,米糠粉得率達到最高,隨后又逐漸下降。原因是在未達到最適溫度之前,溫度升高,酶分子與底物分子之間有效碰撞頻繁,致使酶分子與底物之間的結(jié)合速度加快,促進酶解反應(yīng)的進行,當溫度達到了酶的最適溫度時,最利于酶解反應(yīng);超過了酶系的最適溫度,會使得維持酶自身結(jié)構(gòu)的次級鍵解體,酶的活性受到抑制甚至失活。所以選擇在超臨界CO2條件下酶解的最適溫度為55 ℃。
2.4 正交實驗優(yōu)化結(jié)果
在單因素實驗的基礎(chǔ)上,已經(jīng)得出在超臨界CO2條件下米糠酶解時間短,酶解效率高,米糠粉得率高,所以在此只做超臨界CO2條件下以酶解時間、酶添加量、pH、酶解溫度作為考察因子,以米糠粉得率作為實驗指標,采用L16(45)正交實驗設(shè)計,如表1所示。
表1 正交實驗設(shè)計及結(jié)果
表2 正交實驗方差分析
注:*表示差異顯著(P<0.05)。
由方差結(jié)果可知,影響米糠粉得率的4個因素的主次順序為:酶添加量>酶解溫度>pH>酶解時間,酶解溫度和酶添加量對速溶米糠粉得率有顯著影響。最佳組合為A2B2C3D2,即酶解最佳工藝參數(shù)為酶解時間60 min,酶添加量4.0%,pH為8.0,酶解溫度55 ℃,在此條件下米糠粉得率為79.0%,比常規(guī)酶法生產(chǎn)米糠粉得率約提高了14.0%。
2.5 原料及米糠粉組分分析
原料及米糠粉組分分析結(jié)果如表3所示,所得米糠粉中主要營養(yǎng)成分為60.54%的可溶性總糖和15.28%的蛋白質(zhì),脫脂米糠經(jīng)二次酶解反應(yīng)后有84.23%的蛋白質(zhì)被提取出來。經(jīng)超臨界CO2條件下復(fù)合酶解的米糠粉中NSI為93.28%,比原料脫脂米糠的NSI提高了51.53%。在80 ℃條件下,脫脂米糠粉僅有極少部分可以溶解,而經(jīng)過酶解處理后的米糠粉在4.26 s內(nèi)完全溶解,達到了速溶的標準,進一步證明米糠粉的溶解性得到了明顯改善[27]。米糠經(jīng)復(fù)合酶解后,大分子物質(zhì)被降解成小分子物質(zhì),有利于其在水中分散,其可溶性糖和可溶性多肽氨基酸等的含量得以增加,易為人體消化吸收[28],使得其溶解性增加,從而也改善了粉體的沖調(diào)性。
表3 原料及米糠粉組成成分及相關(guān)指標分析
以低溫脫脂米糠為原料,先用植酸酶酶解低溫脫脂米糠,將難溶性的植酸鹽絡(luò)合物酶解后,把蛋白質(zhì)釋放出來,再利用堿性蛋白酶和α-淀粉酶酶解一次酶解后的脫脂米糠,使酶能夠在各自的最佳條件下酶解底物,同時由于超臨界流體的存在激發(fā)了酶的活性中心,使蛋白質(zhì)和淀粉更容易酶解成小分子物質(zhì),所得米糠粉中主要營養(yǎng)成分為60.54%的可溶性總糖和15.28%的蛋白質(zhì),酶解反應(yīng)時間較常規(guī)酶解反應(yīng)時間縮短了約10 min,酶的效率提高增加了米糠粉的得率,在酶添加量4.0%,酶解時間60 min,pH為8.0,酶解溫度55 ℃時,米糠粉得率為79.0%,脫脂米糠中84.23%的蛋白質(zhì)被提取出來,米糠粉中NSI值為93.28%,米糠粉溶解性增大,為生產(chǎn)高質(zhì)量的米糠蛋白提供借鑒,提高了米糠綜合利用的價值。
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