易佳,劉昆侖
(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南 鄭州 450001)
米糠是糙米加工的主要副產(chǎn)物(占稻谷的10%),產(chǎn)量高,具有一定的營養(yǎng)價值,但其利用率低,多被用作飼料處理,造成了米糠資源浪費[1-2]。米糠蛋白在米糠營養(yǎng)物質(zhì)中占13%~18%,富含限制性氨基酸(賴氨酸),是一種優(yōu)質(zhì)的谷物蛋白[3]。米糠蛋白具有氨基酸組成合理、生物效價高及消化率高等優(yōu)點[4]。此外,米糠蛋白還具有低過敏性,可適用于易過敏人群及嬰幼兒。因此,充分提取米糠蛋白是改善米糠資源浪費、提高米糠資源利用率的有效途徑。
米糠蛋白中的二硫鍵使蛋白質(zhì)發(fā)生高度聚合,從而導(dǎo)致米糠蛋白提取率低、溶解性差[5],在食品應(yīng)用方面受限制。提取米糠蛋白的方法主要有物理法、堿法、酶法等[6]。堿法會導(dǎo)致蛋白質(zhì)氨基酸之間反應(yīng)生成有毒物質(zhì)或變性;酶法會破壞米糠蛋白的天然結(jié)構(gòu),從而影響其功能特性。相比于以上兩種方法,物理法提取具有減小米糠顆粒、打破米糠細胞結(jié)構(gòu)、維持米糠蛋白功能特性,且不引起蛋白質(zhì)變性等優(yōu)點,更適用于工業(yè)生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn),超微粉碎能快速、高效地粉碎物料,保持物料原有的理化特性和活性物質(zhì)。相關(guān)研究表明,與普通粉碎相比,經(jīng)超微粉碎的酸棗仁蛋白質(zhì)提取率由69.71%提高至76.56%[7-8]。Bedin等[9]對比堿提、超聲波輔助堿提等方法,發(fā)現(xiàn)超聲波輔助提取能在較短時間內(nèi)獲得較高米糠蛋白提取率,且雜質(zhì)少,對米糠蛋白結(jié)構(gòu)破壞小。超聲波能產(chǎn)生高剪切力,破壞米糠細胞結(jié)構(gòu)[10],增大米糠蛋白分子運動頻率和速度;超微粉碎能減小米糠顆粒、打破米糠結(jié)構(gòu),提高米糠資源利用率[11];研究表明[12-14]聯(lián)合兩種物理方法較單一物理法更能提高蛋白質(zhì)的提取率。
目前,超聲波和超微粉碎已廣泛應(yīng)用于活性物質(zhì)的提取,但兩者聯(lián)合作用提取米糠蛋白的報道較少。因此,為了提高米糠蛋白的提取率、加深米糠資源的利用率,本研究聯(lián)合超微粉碎和超聲波提取米糠蛋白,并采用響應(yīng)面法對米糠蛋白提取工藝進行優(yōu)化,確定米糠蛋白的高效提取工藝。
新鮮米糠:原陽縣八素米業(yè)有限公司;正己烷、鹽酸、氫氧化鈉、硫酸(均為分析純):四川西隴科學(xué)有限公司;考馬斯亮藍G-250:上海藍季科技發(fā)展有限公司。
WF-18小型超微粉碎機:溫州頂歷醫(yī)療器械有限公司;JY92-IIN超聲波細胞粉碎機(變幅桿型號Φ10):寧波新芝生物科技股份有限公司;Kjeltec 8400全自動凱式定氮儀:丹麥福斯公司;UV1800PC紫外可見分光光度計:上海菁華科技有限公司。
1.3.1 米糠基本成分的測定
分別參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》、GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》、GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》和GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》測定米糠中的水分、灰分、蛋白質(zhì)和脂肪。
1.3.2 脫脂米糠的制備
新鮮米糠經(jīng)超微粉碎后,以1∶10(g/mL)的料液比加入正己烷,在(25±2)℃下對米糠進行振蕩脫脂3 h,重復(fù)3次,靜置30 min。上清液通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收正己烷,沉淀于通風(fēng)櫥晾干10 h,于-20℃密封保存。
1.3.3 米糠蛋白提取工藝流程
脫脂米糠→以一定料液比加入去離子水→以一定條件(超聲功率、超聲時間)進行超聲波處理(固定超聲間歇時間:2、2 s)→調(diào)節(jié)pH值至9.5→50℃水浴攪拌→5 000 r/min離心30 min→收集上清液,定容→測定上清液中蛋白質(zhì)含量,計算提取率→酸沉,調(diào)節(jié)pH值為4.5→冷凍干燥→-20℃貯藏、備用。
1.3.4 米糠蛋白提取率的測定
采用GB 5009.5—2016中的凱式定氮法測定蛋白質(zhì)含量,米糠蛋白提取率按公式(1)計算。
1.3.5 單因素試驗
選擇料液比 [1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60(g/mL)]、超聲功率(65、130、195、260、325 W)、超聲時間(4、8、12、16、20 min)和提取時間(1、2、3、4、5 h)進行單因素試驗,探究各因素對米糠蛋白提取率的影響。
1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗
選取料液比、提取時間和超聲時間為優(yōu)化因素,利用響應(yīng)面法優(yōu)化米糠蛋白提取工藝。保持超聲功率為130 W,以米糠蛋白提取率為響應(yīng)值,采用Box-Behnken設(shè)計進行試驗。因素水平見表1。
表1 響應(yīng)面因素水平Table 1 Response surface factor level
1.3.7 蛋白質(zhì)溶解度
配制10 mg/mL的米糠蛋白溶液(以pH7.0的磷酸緩沖液配制),(25±2)℃下振蕩 30 min,離心 10 min(4 000 r/min),取上清液,經(jīng)考馬斯亮藍G-250染色后,測定可溶性蛋白質(zhì)量[15],溶解度根據(jù)公式(2)計算。
1.3.8 數(shù)據(jù)處理
所有試驗重復(fù)3次,取平均值。采用SPSS 23.0進行顯著性分析(P<0.05),Design-Expert 10.0.1進行響應(yīng)面設(shè)計、方差分析及預(yù)測。
米糠基本成分測定結(jié)果見表2。
表2 基本成分的測定Table 2 Determination of basic components
如表2所示,原料米糠中水分、灰分、蛋白質(zhì)和脂肪分別為10.68%、9.56%、13.68%和21.36%。
2.2.1 料液比對米糠蛋白提取率的影響
料液比對米糠蛋白提取率的影響,結(jié)果見圖1。
圖1 料液比對米糠蛋白提取率的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on extraction rate of rice bran protein
由圖1可知,當溶劑用量較少時,反應(yīng)體系因淀粉及纖維素等物質(zhì)[16]吸水膨脹變黏稠,導(dǎo)致流動性變差,蛋白分子擴散變慢,米糠蛋白無法充分溶出,從而降低了蛋白提取率;當料液比為1∶50(g/mL)時,反應(yīng)體系黏度降低、物料流動性增強且充分擴散[17],增加了溶液中物質(zhì)的傳質(zhì)速度,從而提高了米糠蛋白的提取率;但繼續(xù)增加溶劑用量時,其他非蛋白物質(zhì)溶出[18],阻礙了米糠蛋白的溶出,從而導(dǎo)致蛋白提取率降低。因此,提取工藝最佳料液比確定為1∶50(g/mL)。
2.2.2 超聲功率對米糠蛋白提取率的影響
超聲功率對米糠蛋白提取率的影響見圖2。
圖2 超聲功率對米糠蛋白提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on extraction rate of rice bran protein
由圖2可知,當超聲功率增加至130 W時,超聲波的空化效應(yīng)破壞了米糠細胞,加快了傳質(zhì)速度,促進了細胞內(nèi)容物溶出,增大了物質(zhì)和液體之間的接觸面,從而進一步提高了米糠蛋白提取率[19-20];超聲功率繼續(xù)增加,過強的剪切力破壞了米糠蛋白的高級結(jié)構(gòu)[10,21],且反應(yīng)體系溫度升高,米糠中淀粉發(fā)生糊化,使蛋白質(zhì)溶出受到阻礙,從而導(dǎo)致米糠蛋白提取率下降。因此,提取工藝最佳超聲功率確定為130 W。
2.2.3 超聲時間對米糠蛋白提取率的影響
超聲時間對米糠蛋白提取率的影響見圖3。
圖3 超聲時間對米糠蛋白提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on extraction rate of rice bran protein
由圖3可知,米糠蛋白提取率隨超聲時間的延長有明顯變化。在料液比為1∶50(g/mL)、超聲功率為130 W的條件下,當超聲時間延長至12 min時,超聲波的空化效應(yīng)逐漸增強,使米糠蛋白與淀粉、纖維素等結(jié)合物分離[22],且空化氣泡破裂所產(chǎn)生的壓力使米糠結(jié)構(gòu)變得疏松[10],引入了大量溶劑,增大了細胞內(nèi)物質(zhì)與溶劑的接觸面,促進了米糠蛋白的溶出;而當超聲時間過長時,超聲所伴隨的熱量過高,使米糠蛋白發(fā)生變性[22],導(dǎo)致米糠蛋白提取率下降。因此,提取工藝最佳超聲時間確定為12 min。
2.2.4 提取時間對米糠蛋白提取率的影響
提取時間對米糠蛋白提取率的影響見圖4。
圖4 提取時間對米糠蛋白提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of rice bran protein
在料液比1∶50(g/mL)、超聲功率130 W及超聲時間12 min的條件下,提取時間對米糠蛋白提取率有明顯影響。由圖4可知,當提取時間較短時(1h~2 h),米糠蛋白與其結(jié)合物的分離程度較小[23],導(dǎo)致提取率較低;隨著提取時間增至4 h,長時間地浸泡使米糠結(jié)構(gòu)變疏松,米糠蛋白大量溶出,導(dǎo)致米糠蛋白提取率逐漸上升;但當提取時間超過4 h時,米糠蛋白因其高聚合活性發(fā)生聚集沉淀[18,24],進而導(dǎo)致米糠蛋白提取率降低。因此,提取工藝最佳提取時間確定為4 h。
根據(jù)單因素試驗,選擇料液比、超聲時間及提取時間進行響應(yīng)面Box-Behnken優(yōu)化試驗,其中固定超聲功率為130 W,以米糠蛋白提取率為優(yōu)化指標。試驗設(shè)計及結(jié)果見表3,方差分析見表4。
表3 試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Test design and results
表4 方差分析Table 4 Analysis of variance
利用軟件Design-Expert 10.0.1對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析,得到擬合后的二次多項回歸方程為Y=63.20+0.70X1-0.059X2-0.57X3+0.52X1X2-0.30X1X3+0.43X2X3-0.99X12-1.67X22-0.37X32。由表4可知,該回歸模型極顯著(P<0.0001),且模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.9827,R2adj=0.960 5,說明該模型置信度高。因此,超微超聲輔助提取工藝可用該模型進行分析和預(yù)測。根據(jù)F值的大小可以判斷出各因素對米糠蛋白提取率的影響程度:X1>X3>X2,即料液比>超聲時間>提取時間。根據(jù) P值可以看出,X1、X3影響極顯著(P<0.01),X2影響不顯著(P>0.05);X1和X2的交互作用對Y值的影響極顯著(P<0.01),X2和 X3的交互作用顯著(P<0.05),而 X1和X3的交互作用不顯著(P>0.05),可能是由于因素的主效應(yīng)大于因素間的相互作用。
圖5是各因素影響米糠蛋白提取率的直觀反映。根據(jù)響應(yīng)曲面坡度及等高線密度可判斷交互作用是否顯著,坡度越陡、密度越密,交互作用越顯著。
圖5 各因素交互作用響應(yīng)面Fig.5 Response surface of interaction of factors
由圖5可知,料液比和提取時間、提取時間和超聲時間的交互作用顯著,料液比和超聲時間的交互作用不顯著,其結(jié)論與方差分析相符。
對該回歸模型進行計算,得最佳提取工藝為料液比1∶56.52(g/mL)、提取時間 4.06h、超聲時間9.28min。根據(jù)實際可操作性,修改工藝參數(shù)為料液比1∶57(g/mL)、提取時間4 h、超聲時間9 min。經(jīng)多次驗證試驗,米糠蛋白提取率為(64.31±0.18)%,與預(yù)測結(jié)果63.58%接近。說明該回歸模型能準確預(yù)測試驗結(jié)果。因此,確定最佳工藝參數(shù)為料液比1∶57(g/mL)、提取時間4 h、超聲時間9 min。
將超微聯(lián)合超聲提取與傳統(tǒng)堿溶酸沉提取的米糠蛋白進行比較,以蛋白提取率、蛋白純度和蛋白溶解度為比較參數(shù),結(jié)果如圖6所示。
由圖6可知,經(jīng)超微聯(lián)合超聲提取,米糠蛋白提取率有極顯著提升,由傳統(tǒng)堿溶酸沉提取的45.41%提升到64.31%,提高了41.62%。超微粉碎減小了米糠粒徑,增大了米糠與堿液的接觸面,使得米糠蛋白更易提??;同時由于超聲波的空化效應(yīng)加快了米糠混合液的傳質(zhì)速度,加速了米糠蛋白的溶出,并且破壞了米糠蛋白與其他非蛋白物質(zhì)的聚集體,使得酸沉下來的蛋白質(zhì)純度升高。進一步研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)超微聯(lián)合超聲提取的米糠蛋白溶解度為25.49%,相比堿溶酸沉法有明顯提升。
研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)超微聯(lián)合超聲提取能有效提高米糠蛋白的提取率。通過單因素試驗和響應(yīng)面優(yōu)化后,得到最佳提取工藝:料液比 1∶57(g/mL)、提取時間4 h、超聲時間9min。最終米糠蛋白提取率為(64.31±0.18)%。進一步研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)超微聯(lián)合超聲提取后,米糠蛋白的提取率、純度及溶解度較傳統(tǒng)堿溶酸沉提取有所提高。本研究有效提高了米糠蛋白的提取率,同時發(fā)現(xiàn)經(jīng)此提取,其溶解度有所改善,后續(xù)將對米糠蛋白的增溶工藝進行探究,為米糠蛋白質(zhì)資源的精加工及利用提供參考。