裸燕麥球蛋白提取條件及其功能特性研究*

藺瑞，張美莉，劉全旺

1(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特，010018)2(內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特，010080)

內(nèi)蒙古是我國歷年種植燕麥面積最大的省份，約占全國種植面積的35%以上［1］。在這一地區(qū)發(fā)展燕麥生產(chǎn)具有得天獨(dú)厚的綠色生態(tài)條件。

燕麥具有抗血脂成分、高水溶性膠體、營養(yǎng)平衡的蛋白質(zhì)等，它對提高人類健康水平有著非常重要的價值。因而被營養(yǎng)學(xué)家譽(yù)為“全價營養(yǎng)食品”［2］。

國內(nèi)外大量研究表明，燕麥籽粒中的粗蛋白高達(dá)12% ～18%，居其他禾谷類作物之首。燕麥中蛋白質(zhì)是任何谷物中氨基酸最平衡的谷物之一，這些蛋白質(zhì)中含有18種氨基酸，其中8種是人體必需氨基酸，且配比合理、人體利用率高，其蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值可與雞蛋媲美［3～5］。近些年來，西方國家由于過量食用動物蛋白，從而導(dǎo)致肥胖癥、肝損傷、血糖、血脂異常等“富貴病”，于是，將目光轉(zhuǎn)向大豆、燕麥等高營養(yǎng)植物蛋白。對于缺乏動物蛋白的第三世界國家和貧困地區(qū)，燕麥?zhǔn)称窡o疑是一種很好的植物蛋白來源［6］。

本試驗(yàn)采用Osborne分級法提取裸燕麥球蛋白，尋找最佳提取工藝條件提高蛋白提取率，并對裸燕麥球蛋白的溶解性、乳化性、起泡性、黏度等功能特性進(jìn)行研究，為裸燕麥蛋白的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及主要儀器

材料:裸燕麥，取自內(nèi)蒙古武川縣，貯藏于0～4℃;大豆色拉油，市售。

藥品試劑:牛血清白蛋白(BSA)、VC(Sigma化學(xué)藥品公司);考馬斯亮藍(lán)G－250、十二烷基硫酸鈉(SDS)、鄰二氮菲、硫酸亞鐵、雙氧水等為分析純(AR)。

主要儀器:K9850全自動凱氏定氮儀(濟(jì)南海能儀器有限公司)，紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)，H2500R-2高速冷凍離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司)，RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)，F(xiàn)D-2冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2 .1 Osborne法提取裸燕麥球蛋白

裸燕麥去殼、脫毛、磨粉，并在低溫下用乙醚或石油醚浸泡80目裸燕麥粉去除脂肪，得到裸燕麥脫脂粉，于4℃下保存?zhèn)溆?。采用Osborne［7］方法分級提取裸燕麥球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白，測定各貯藏蛋白的含量，并對提取球蛋白工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 .2 溫度對裸燕麥球蛋白提取率的影響

分別在0～4℃，25～29℃，40～45℃下提取裸燕麥球蛋白，測定蛋白提取率及清除羥自由基能力［8］。

1.2 .3 單因素提取條件對球蛋白提取率的影響

1.2 .3.1 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

5 g脫脂裸燕麥粉在料液比1∶15(g∶mL)、提取時間40 min、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、8%、10%、15%NaCl的條件下，提取上清液，測定其蛋白濃度。

1.2 .3.2 料液比的影響

設(shè)計料液比分別為 1∶5、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20、1∶25，10%NaCl提取 40 min，測定其蛋白濃度。1.2.3.3 提取時間的影響

設(shè)計提取時間分別為 15、20、25、30、35、40、45、50 min，料液比 1∶15，10%NaCl，測定其蛋白濃度。

1.2 .3.4 提取次數(shù)的影響

在料液比1∶15、提取時間40 min、NaCl 10%的條件下，提取上清液，如此重復(fù)溶解、離心、收集上清液共7次。合并上清液并測定其蛋白濃度。

1.2 .4 正交試驗(yàn)設(shè)計優(yōu)化球蛋白提取條件

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比、提取時間為因素，設(shè)計正交試驗(yàn)(表1)，以裸燕麥球蛋白提取率為指標(biāo)進(jìn)行考察。

表1 球蛋白提取因素與水平表

1.2 .5 裸燕麥球蛋白的溶解性測定［10］

依據(jù)對氮溶解指數(shù)(NSI)所述方法加以改進(jìn)，將4份15 mL 1%裸燕麥球蛋白溶液，用0.5 mol/L HCl或0.5 mol/L NaOH溶液分別調(diào) pH值至3.0、5.0、7.0、9.0，磁力攪拌 45 min 后，10 000 g 離心 15 min，采用考馬斯亮藍(lán)法測定上清液中的蛋白質(zhì)含量，并繪制出NSI-pH曲線。

1.2 .6 裸燕麥球蛋白的乳化活性測定［11］

對Pearce K N所述方法加以改進(jìn)，將12 mL 1%裸燕麥球蛋白溶液用0.1mol/L HCl或0.1mol/L NaOH分別調(diào) pH 值 至3.0、5.0、7.0、9.0后，加入4 mL脫酸大豆色拉油，磁力攪拌1 min后，立即于容器底部取樣50 μL，用0.1%SDS溶液稀釋適當(dāng)倍數(shù)，混勻后500 nm處測定吸光值，以SDS溶液作為空白。室溫放置30 min后再次取樣測定。計算并作圖。

乳化活性(EAI)按下式計算:

乳化穩(wěn)定性(ESI)按下式計算:

式中:c為樣品濃度(g/mL);Φ為乳化液中油相的比例(0.25);L為比色杯光徑(1 cm);N為稀釋倍數(shù);A0為0時的吸光度;A1為30 min后的吸光度;t時間間隔(30 min)。

1.2 .7 裸燕麥球蛋白的黏度測定

在35℃、pH值7.0條件下將裸燕麥球蛋白溶液分別配成 15、25、50、100、200 g/L 溶液，用黏度計測其表觀黏度。

1.2 .8 裸燕麥球蛋白的起泡性測定［12］

分別稱取 4份 20 mL，20 g/L樣品溶液，用0.5mol/L HCl或0.5mol/L NaOH溶液分別調(diào)pH值至3.0、5.0、7.0、9.0，然后以 9 500 r/min 高速攪打 3 min，測量攪打停止時的液體總體積V0和攪打30 min和60 min后的液體總體積V1。

2 結(jié)果與分析

2.1 裸燕麥蛋白的組成分布

通過索氏抽提法測得裸燕麥中脂肪所占比例為19.8%。裸燕麥脫脂粉中總蛋白利用凱氏定氮法測得約占13%，各貯藏蛋白成分的分布情況如圖1所示。裸燕麥蛋白質(zhì)中的球蛋白為主要蛋白質(zhì)，占裸燕麥總蛋白的55%，占脫脂粉的7.15%。其次是谷蛋白，占總蛋白的30%。醇溶蛋白占11%，其他蛋白占4%。這與胡新中［13］報道的燕麥蛋白組成相一致。

圖1 蛋白質(zhì)組分在裸燕麥蛋白中的分布

2.2 溫度對裸燕麥球蛋白提取率的影響

為了確定適宜的提取溫度，以蛋白提取率和清除羥自由基能力為考察指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。由表2可知，提取溫度在40～45℃時球蛋白提取率最高為41.9%，而羥自由基清除率為28.5%。提取溫度在0～4℃時球蛋白提取率為27.5%，而羥自由基清除率最高為47.1%，所以本試驗(yàn)選擇提取溫度為0～4℃。

表2 溫度對球蛋白提取率及羥自由基清除率的影響

2.3 單因素提取條件對裸燕麥球蛋白提取率的影響

2.3.1 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對球蛋白提取率的影響

球蛋白不溶于水和高濃度的鹽溶液，但溶于稀鹽溶液，故稱為鹽溶蛋白［14］。由圖2可知，隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，提取率有所上升，但當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到10%時提取率達(dá)到最大值，而后稍有下降。故最適NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

圖2 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對球蛋白提取率的影響

2.3.2 料液比對裸燕麥球蛋白提取率的影響

由圖3可知，隨著料液比的增加，球蛋白提取率呈不規(guī)律波動。當(dāng)料液比1∶12(g∶mL)時，球蛋白提取率達(dá)最高，為30.2%。如果料液比過小，提取體系的黏度過大，不利于蛋白質(zhì)的溶出，使提取不完全;但增大料液比到一定比例后，蛋白溶出量達(dá)最大，而后趨于平緩或下滑。故最適料液比為1∶12。

圖3 料液比對球蛋白提取率的影響

2.3.3 提取時間對裸燕麥球蛋白提取率的影響

由圖4可知，隨著提取時間的增加，球蛋白提取率不斷上升，當(dāng)提取時間為35 min時，球蛋白提取率最高，為32.0%，隨后趨于平緩。提取時間不宜過長，否則蛋白質(zhì)易變性或易受微生物污染。故最適提取時間為35 min。

2.3.4 提取次數(shù)對裸燕麥球蛋白提取率的影響

由圖5可知，隨著提取次數(shù)的增加，球蛋白提取率不斷上升，當(dāng)提取次數(shù)為5次時，球蛋白的提取率最高為72.5%，隨后趨于平緩，表明殘?jiān)星虻鞍滓鸦咎崛⊥耆９首钸m提取次數(shù)為5次。

圖4 提取時間對球蛋白提取率的影響

圖5 提取次數(shù)對球蛋白提取率的影響

2.4 正交試驗(yàn)設(shè)計優(yōu)化球蛋白提取條件

從表3中的提取率可以看出，A2B1C2的提取率最高為90.4%，通過極差R值的比較得出，影響本試驗(yàn)結(jié)果因素的主次順序?yàn)镹aCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞提取時間＞料液比，表明NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)是提取球蛋白的關(guān)鍵影響因素。通過比較k1、k2、k3，得最優(yōu)試驗(yàn)方案為A2B1C3，考慮到試驗(yàn)效率，確定最佳提取條件為A2B1C2，即 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，料液比1∶10，提取時間35 min。對最佳試驗(yàn)方案A2B1C2進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該提取條件穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，提取率達(dá)到90%以上。

表3 球蛋白提取正交試驗(yàn)結(jié)果

2.5 裸燕麥球蛋白的溶解性

試驗(yàn)顯示pH值對裸燕麥球蛋白溶解性有一定的影響(圖6)。pH值在3.0～5.0時球蛋白溶解性是逐漸下降的，之后隨著溶液pH值的增加，球蛋白的溶解性逐漸上升。pH值為5.0時的球蛋白溶解度最小為53.2%，而在堿性和酸性條件下，球蛋白獲得了凈正電荷和負(fù)電荷，增強(qiáng)了分子間的排斥力，分子分散性好，因此溶解度高［15］。這與蕎麥球蛋白溶解度在pH值7～10時可達(dá)90%以上［16］和豇豆7S球蛋白的溶解性在pH＜4.2和pH＞6.8時可達(dá)90%以上的研究結(jié)果相似［17］。若把裸燕麥球蛋白添加到如焙烤制品和肉糜制品，既可強(qiáng)化營養(yǎng)，又能充分利用其溶解性，從而改善食品的內(nèi)在品質(zhì)和感官性能。

圖6 裸燕麥球蛋白在不同pH下的溶解度曲線

2.6 裸燕麥球蛋白的乳化性

蛋白質(zhì)乳化性是指蛋白質(zhì)能使油與水形成穩(wěn)定的乳化液而起乳化劑的作用，主要包括乳化能力和乳化穩(wěn)定性［18］。由圖7可知，當(dāng)pH值在3.0～7.0時球蛋白乳化性及乳化穩(wěn)定性是逐漸下降的，之后隨著溶液pH值的增加而升高。pH值7.0時球蛋白乳化性及乳化穩(wěn)定性最小，為18.1 m2/g和13.0 m2/g，而在堿性條件下乳化性及乳化穩(wěn)定性最高為53.6 m2/g和20.2 m2/g，表明球蛋白易于展開和定向排列，降低水和油的表面張力，形成穩(wěn)定的界面膜結(jié)構(gòu)，故可作食品工業(yè)中良好的乳化劑。

圖7 裸燕麥球蛋白在不同PH下的乳化性曲線

2.7 裸燕麥球蛋白的黏度

黏度在調(diào)整食品的物性方面是很重要的。由圖8可知，球蛋白濃度在1.5% ～5%時，黏度變化較為平緩，但當(dāng)濃度高于10%時，黏度上升較快。球蛋白溶液黏度變化較小，具有在高濃度時低黏度的特性，特別適合應(yīng)用在需要高蛋白質(zhì)含量而又有較好流動性的食品中，既可以作為食品中氮源的良好補(bǔ)充，又不會影響食品的流體性質(zhì)，有利于工業(yè)化操作。

圖8 不同濃度裸燕麥球蛋白的粘度曲線

2.8 裸燕麥球蛋白的起泡性

由圖9可知，球蛋白起泡性隨著pH值的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并在pH值5.0時起泡性最低，而在堿性條件下，球蛋白起泡性增大。試驗(yàn)顯示裸燕麥球蛋白具有較好的起泡能力，且氣泡穩(wěn)定性較好，有利于蛋白質(zhì)分子更快速的吸附至氣-液界面。

圖9 裸燕麥球蛋白在不同PH下的起泡性

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，裸燕麥中總蛋白約占13%，其中球蛋白占總蛋白的55%，為主要蛋白;其次為谷蛋白占30%;醇溶蛋白占11%，其他蛋白占4%。

(2)本試驗(yàn)選擇提取蛋白活性最高的溫度為0～4℃。在此溫度下，提取裸燕麥球蛋白的最佳條件為NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%，料液比 1∶10(g∶mL)，提取時間35 min，提取次數(shù)為5次，提取率可達(dá)90%以上。

(3)裸燕麥球蛋白pH值為5.0時的溶解度最小為53.2%，而在堿性和酸性條件下，溶解度較高。堿性條件下球蛋白乳化性可達(dá)53.6 m2/g。隨著球蛋白濃度的增加，黏度也隨之增加。堿性條件下，球蛋白起泡性可達(dá)86.9%，30 min和60 min氣泡穩(wěn)定性也較好。利用裸燕麥球蛋白功能特性改善食品的內(nèi)在品質(zhì)和感官性能極具潛力。

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