王紀(jì)輝,田婭玲,侯娜,*,耿陽陽,胡伯凱,梁美,何佳麗
(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院貴州省核桃研究所,貴州貴陽550005;2.黔東南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州黔東南苗族侗族自治州556000)
核桃(Juglans regia),又稱胡桃、羌桃,為胡桃科植物。核桃富含脂肪、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分,即可生食,又可作為食品輔料進(jìn)行添加[1],目前核桃已經(jīng)成為高效優(yōu)質(zhì)補(bǔ)品之一。核桃蛋白為優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì),每100 g核桃含有蛋白質(zhì)16.67 g[2],核桃蛋白中氨基酸種類齊全,含有8種必需氨基酸[1],氨基酸中以精氨酸、谷氨酸含量最高[3-4],在開發(fā)植物蛋白方面具有很大的市場前景。有關(guān)研究表明:冷榨后的核桃餅粕中蛋白質(zhì)含量高達(dá)33.2%[5],而目前我國的核桃餅粕大都用于飼養(yǎng)牲畜[6],對核桃餅粕中富含的蛋白質(zhì)資源造成極其不合理的利用與浪費(fèi)[7]。有關(guān)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),核桃多肽的生理活性較高,具有抑制炎癥,清除體內(nèi)自由基,延緩衰老等功能[8-9],大力開發(fā)集天然、安全、高效于一身的核桃多肽抗氧化劑具有很廣闊的市場潛力[10-11]。然而,目前對于水解核桃餅粕制備核桃多肽的研究大都集中于單一酶類,針對復(fù)合酶水解制備核桃多肽的研究則較少[12-14],如果以不同酶類進(jìn)行復(fù)合,充分利用其協(xié)同增效作用,對于提高核桃餅粕的水解程度具有重要的意義[15]。
因此,本研究以冷榨后的核桃餅粕為原料,水解度為考察指標(biāo),以雙酶復(fù)配同步水解核桃餅粕為基礎(chǔ)[16],通過單因素和正交試驗對雙酶復(fù)配酶解核桃餅粕制備核桃多肽進(jìn)行優(yōu)化,研究結(jié)果對充分利用核桃副產(chǎn)物,提高核桃附加產(chǎn)值,助力貴州省實現(xiàn)脫貧攻堅具有重要的現(xiàn)實意義[17]。
核桃冷榨餅粕:(實驗室自制);正己烷(分析純):天津市富宇精細(xì)化工有限公司;木瓜蛋白酶(72×104U/g)、中性蛋白酶(14×104U/g)、堿性蛋白酶(9.3×104U/g)、胰蛋白酶(11×104U/g)、鄰二氮菲、氫氧化鈉(分析純):四川化工有限公司;DPPH(分析純):美國Sigma公司。
50T型液壓榨油機(jī):河南貝斯德糧油機(jī)械工程公司;101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱:鶴壁市天冠儀器儀表有限公司;L5S型紫外可見分光光度計:上海精密儀器儀表有限公司;FD1A-50型冷凍干燥機(jī):江陰市新申寶科技有限公司;FW-100型高速萬能粉碎機(jī):北京成萌偉業(yè)科技有限公司;TDL-40B型離心機(jī):常州市儀都儀器有限公司;DEITA320型酸度計:上海平軒科學(xué)儀器有限公司;85-2A型恒溫磁力攪拌器:常州金壇良友儀器有限公司;HH-54型恒溫水浴鍋:上海安亭科學(xué)儀器廠。
1.3.1 核桃多肽制備
1.3.2 蛋白質(zhì)水解度的測定
總氮的測定采用凱氏定氮法GB 5009.5-2016《食品安全國家標(biāo)食品中蛋白質(zhì)的測定》,氨態(tài)氮的測定采用雙指示劑甲醛滴定法[18]。核桃餅粕中蛋白質(zhì)水解度計算公式如下:
1.3.3 單因素試驗
選擇木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、胰蛋白酶作為水解酶類,在復(fù)合酶質(zhì)量配比為(1∶1、1∶2、1∶3、2 ∶1、3 ∶1)、底物質(zhì)量濃度為(10、20、30、40、50g/L),酶添加量為(1%、3%、5%、7%、9%),溫度為(30、35、40、45、50、55、60 ℃),pH 值為(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0),酶解時間為(2、3、4、5、6 h),測定核桃餅粕中蛋白質(zhì)的水解度,考察酶種類、復(fù)合酶配比、底物質(zhì)量濃度、酶添加量、溫度、pH值、時間對核桃餅粕中蛋白質(zhì)水解效果的影響。
1.3.4 正交試驗
在單因素研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)單因素研究結(jié)果,選擇溫度、pH值、底物質(zhì)量濃度、時間、酶添加量為研究因素,以水解度為指標(biāo),研究影響雙酶復(fù)合水解核桃餅粕制備核桃肽的因素。正交試驗設(shè)計見表1。
表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test
1.3.5 統(tǒng)計分析
研究數(shù)據(jù)(3次數(shù)據(jù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)采用Excel2007制圖及SPSS19.0進(jìn)行單因素方差分析。
2.1.1 酶種類的選擇
按復(fù)合酶質(zhì)量配比為1∶2(中性蛋白酶∶木瓜蛋白酶=1∶2)、溫度35℃、pH 值 6.0、底物質(zhì)量濃度 30 g/L、時間3 h、酶添加量3%,研究酶種類對水解度的影響,結(jié)果見圖1。
由圖1可以看出,4種蛋白酶均可以酶解核桃餅粕制備核桃多肽,然而4種酶的水解能力卻有所不同,4種酶的水解能力大小順序為中性蛋白酶>木瓜蛋白酶>堿性蛋白酶>胰蛋白酶,其中中性蛋白酶與木瓜蛋白酶之間差異性顯著(p<0.05),并且這2種酶與堿性和胰蛋白酶之間均呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05),但堿性蛋白酶與胰蛋白酶之間無顯著性差異。4種蛋白酶均在其最適條件水解相同時間后,中性蛋白酶水解度最高(8.47%),效果最佳,胰蛋白酶水解程度最差(5.94%)。因此,后續(xù)研究選擇中性蛋白酶和木瓜蛋白酶作為水解酶類。
圖1 酶種類對水解度的影響Fig.1 Effect of enzyme species on degree of hydrolysis
2.1.2 復(fù)合酶質(zhì)量配比對水解度的影響
以中性蛋白酶和木瓜蛋白酶為水解酶,按溫度35℃、pH值6.0、底物質(zhì)量濃度30 g/L、時間3 h、酶添加量3%,研究復(fù)合酶質(zhì)量配比對水解度的影響,結(jié)果見圖2。
圖2 復(fù)合酶質(zhì)量配比對水解度的影響Fig.2 Effect of compound enzyme mass ratio on degree of hydrolysis
由圖2可知,復(fù)合酶質(zhì)量配比為2∶1時(中性蛋白酶∶木瓜蛋白酶),核桃蛋白水解程度最大,并且與其它復(fù)合酶質(zhì)量比均呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05),復(fù)合酶質(zhì)量配比為3∶1的水解度次之,但與復(fù)合酶質(zhì)量配比為 1∶1、1∶2、1∶3也存在差異性(p<0.05),而復(fù)合酶質(zhì)量配比1∶2、1∶3之間差異性不顯著,但與復(fù)合酶質(zhì)量配比為1∶1卻呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05)。由于復(fù)合酶之間的協(xié)同增效作用,復(fù)合酶的水解程度高于單一用酶,綜上,后續(xù)研究選擇復(fù)合酶質(zhì)量配比為2∶1。
2.1.3 溫度對水解度的影響
以復(fù)合酶質(zhì)量配比為2∶1,按pH值6.0、底物質(zhì)量濃度30 g/L、時間3 h、酶添加量3%,研究溫度對水解度的影響,結(jié)果見圖3。
圖3 溫度對水解度的影響Fig.3 Effect of temperature on the degree of hydrolysis
由圖3可知,核桃蛋白水解度隨溫度的升高呈現(xiàn)先升高而后逐漸降低的趨勢,在溫度為40℃時,蛋白水解度達(dá)到最大,并且與其它溫度梯度之間均呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05),酶解溫度為45℃時的水解度與其余溫度梯度之間也出現(xiàn)顯著性差異(p<0.05),核桃蛋白水解度僅次于40℃,此后核桃蛋白水解度下降趨勢加快,究其主要原因是水解能力強(qiáng)的中性蛋白酶活力逐漸降低直至失活,依上述分析得出后續(xù)研究選擇溫度為40℃。
2.1.4 pH值對水解度的影響
以復(fù)合酶質(zhì)量配比為2∶1、溫度為40℃,按底物質(zhì)量濃度30 g/L、時間3 h、酶添加量3%,研究pH值對水解度的影響,結(jié)果見圖4。
pH值是酶活性的關(guān)鍵參數(shù)之一。酶作為特殊蛋白質(zhì),它的分子構(gòu)像以及其所處的解離狀態(tài)、底物分子的解離狀態(tài)都會依據(jù)pH值的不同而發(fā)生變化[19],進(jìn)而影響酶和底物結(jié)合、催化。所以只有處于適宜的pH環(huán)境條件下,酶和要催化的底物才能處于最易于結(jié)合的狀態(tài),才能有效的對底物進(jìn)行徹底催化[20]。
從圖4可以看出,pH值對核桃蛋白水解程度有顯著影響,在pH值為7.0時,核桃蛋白的水解程度處于最佳點(diǎn),并且不同pH值之間的水解度兩兩之間存在顯著性差異(p<0.05),之后隨著pH值偏于堿性,核桃蛋白水解程度明顯下降,綜上選擇pH值為7.0作為后續(xù)研究所需。
2.1.5 酶添加量對水解度的影響
以復(fù)合酶質(zhì)量配比為2∶1、溫度為40℃、pH值為7.0,按底物質(zhì)量濃度30 g/L、時間3 h,研究酶添加量對水解度的影響,結(jié)果見圖5。
圖4 pH值對水解度的影響Fig.4 Effect of pH on the degree of hydrolysis
圖5 酶添加量對水解度的影響Fig.5 Effect of enzyme addition on the degree of hydrolysis
由圖5可知,核桃蛋白的水解度隨酶添加量的增大而逐漸升高,之后呈現(xiàn)下降趨勢,雖然加酶量越多,生成的產(chǎn)物也就隨之增加,但是酶解反應(yīng)為可逆反應(yīng),生成的產(chǎn)物積累到一定程度時,就會反過來抑制酶解反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)致水解程度下降[21];當(dāng)酶添加量為5%時,水解程度最佳,與其它濃度梯度之間差異性均顯著(p<0.05),酶添加量7%、9%之間差異性不顯著,但均與1%、3%呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05),后者兩兩之間也存在差異性(p<0.05),綜上選擇酶的最適添加量為5%。
2.1.6 底物質(zhì)量濃度對水解度的影響
以復(fù)合酶質(zhì)量配比為2∶1、溫度為40℃、pH值為7.0、酶添加量為5%,按時間3 h,研究底物質(zhì)量濃度對水解度的影響,結(jié)果見圖6。
圖6 底物質(zhì)量濃度對水解度的影響Fig.6 Effect of substrate mass concentration on hydrolysis degree
由圖6可知,底物質(zhì)量濃度能顯著影響核桃蛋白水解度,底物質(zhì)量濃度較低時,酶與底物不能充分接觸,反應(yīng)速率慢,導(dǎo)致水解程度較低;適當(dāng)?shù)牡孜镔|(zhì)量濃度有利于促進(jìn)酶解反應(yīng)向產(chǎn)物生成的方向移動[22];而隨著底物質(zhì)量濃度繼續(xù)增大,產(chǎn)物的生成量有所降低,其原因主要是,在底物質(zhì)量濃度較大時,要被催化的底物蛋白之間發(fā)生交聯(lián)聚合現(xiàn)象[23],導(dǎo)致酶與蛋白之間接觸的幾率減小,溶解性降低,黏度增大,引起酶解反應(yīng)速率減緩,水解度下降[24]。底物質(zhì)量濃度30 g/L、40 g/L之間無顯著性差異,但水解度高于30 g/L,以上兩者與其余濃度之間呈現(xiàn)差異性顯著(p<0.05),綜上,選擇底物的最適質(zhì)量濃度為40 g/L。
2.1.7 時間對水解度的影響
以復(fù)合酶質(zhì)量配比為2∶1、溫度為40℃、pH值為7.0、酶添加量為5%,底物質(zhì)量濃度為40 g/L,研究時間對水解度的影響,結(jié)果見圖7。
圖7 時間對水解度的影響Fig.7 Effect of time on the hydrolysis degree
由圖7可知,核桃蛋白水解度隨著酶解時間的延長呈現(xiàn)先上升而后逐漸趨于平緩,在酶解剛開始時,酶的活力強(qiáng),產(chǎn)物生成量少,有利于酶解傳質(zhì)過程的進(jìn)行[25],所以核桃蛋白水解度上升較快,當(dāng)酶解時間為4 h時,蛋白酶的活性有所下降,此時游離多肽的增多對產(chǎn)物的生成抑制逐漸變大[26],核桃蛋白水解程度逐漸變得緩慢趨于平衡。從差異性看可知,酶解時間4、5、6 h兩兩之間不存在差異性,均與2、3 h之間呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05)。綜上,選擇酶解時間為4 h。
在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以溫度(A)、pH值(B)、酶添加量(C)、底物質(zhì)量濃度(D)、時間(E)為試驗因素,蛋白水解度為考察指標(biāo),采用L16(45)正交設(shè)計研究不同因素對核桃蛋白水解度的影響,正交試驗結(jié)果與分析見表2。
表2 核桃多肽制備工藝條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal test for walnut polypeptides preparation conditions optimization
由表2可知,以核桃蛋白水解度為評價指標(biāo)時,影響核桃多肽制備工藝的因素主次為A>B>D>C>E,即溫度>pH值>底物質(zhì)量濃度>酶添加量>時間,其最優(yōu)的試驗組合為A3B3C2D2E2,即溫度為40℃、pH值為7.2、酶添加量為5%、底物質(zhì)量濃度為40 g/L、時間為4 h,其中溫度對結(jié)果影響顯著(p<0.05);在正交試驗優(yōu)化最佳條件下進(jìn)行3次平行驗證試驗,核桃蛋白水解度為26.72%。所以,確定復(fù)合酶水解核桃餅粕蛋白制備核桃多肽的最佳制備工藝為:復(fù)合酶最佳質(zhì)量配比為2∶1、溫度為40℃、pH值為7.2、酶添加量為5%、底物質(zhì)量濃度為40 g/L、時間為4 h。
本文對中性蛋白酶和木瓜蛋白酶進(jìn)行復(fù)合對雙酶水解核桃餅粕制備核桃多肽的影響因素進(jìn)行研究,通過單因素和正交試驗確定了核桃多肽最佳制備條件為:復(fù)合酶最佳質(zhì)量配比為2∶1、溫度為40℃、pH值為7.2、酶添加量為5%、底物質(zhì)量濃度為40 g/L、時間為4 h,在此條件下核桃餅粕中蛋白質(zhì)的水解度為26.72%。研究結(jié)果對核桃提質(zhì)增效、促進(jìn)核桃資源充分利用,助推貴州省核桃產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展及助力國家脫貧攻堅具有重要的現(xiàn)實意義。
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