米糠蛋白提取工藝條件的優(yōu)化

李新華，富艷鑫，鄭煜焱*

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

米糠蛋白提取工藝條件的優(yōu)化

李新華，富艷鑫，鄭煜焱*

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

以米糠為原料，分別采用堿法和酶法對(duì)米糠蛋白進(jìn)行提取。在提取過程中，以蛋白提取率為指標(biāo)，確定料液比、酶用量、時(shí)間和溫度對(duì)米糠蛋白提取率的影響，通過正交試驗(yàn)確定最佳提取工藝。結(jié)果表明：堿法最佳提取工藝為料液比1:10(g/mL)、提取時(shí)間2.5h、提取溫度45℃，米糠蛋白提取率可達(dá)57.8%。酶法最佳提取工藝為酶用量2%(E/S)、酶解時(shí)間2.5h、酶解溫度50℃，米糠蛋白提取率可達(dá)38.4%。

米糠蛋白；提??；堿法；酶法

米糠是糙米碾白過程中被碾下的皮層，包括果皮、種皮、珠心層、糊粉層、米胚芽和小碎米屑的混合物[1]。米糠是一種價(jià)廉、營養(yǎng)豐富的稻米加工副產(chǎn)品，我國年產(chǎn)米糠1000萬噸以上，是一種量大面廣可再生資源[2]。全脂米糠一般含有蛋白質(zhì)12%～18%，脂肪16%～20%，灰分12%左右，膳食纖維14%，包括淀粉、半纖維素和纖維素等在內(nèi)的碳水化合物總量50%左右，具有較高的利用價(jià)值[3]。在天然狀態(tài)下，米糠蛋白與米糠中的植酸和半纖維素等結(jié)合在一起[4]。早在1966年Cagampanget就采用堿法從米糠中提取蛋白質(zhì)[5]。堿法提取雖然簡單易行，但產(chǎn)品風(fēng)味和色澤不理想，同時(shí)還會(huì)引起營養(yǎng)物質(zhì)的損失[6]。酶法提取其反應(yīng)條件較為溫和，對(duì)蛋白質(zhì)影響小，而且降解后的多肽具有一定的生理活性，在增大米糠蛋白溶解度同時(shí)，能改善蛋白質(zhì)發(fā)泡、乳化等物化性能[7]。本研究分別采用堿法和酶法對(duì)蛋白進(jìn)行提取，優(yōu)化兩種方法的工藝參數(shù)，為米糠蛋白的生產(chǎn)提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

微波穩(wěn)定化米糠：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)場富友米業(yè)，實(shí)測(cè)蛋白質(zhì)含量為13.91%、脂肪含量為22.54%、水分含量6.58%；纖維素酶(15000U/g)、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、石油醚(均為分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

電子天平 上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司；半微量凱式定氮儀 成都萬科公司；TDL-5型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；pH-3C型酸度汁 上海雷磁儀器廠；恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 指標(biāo)測(cè)定

水分：恒重法；蛋白含量：凱氏定氮法；脂肪：索氏抽提法。

1.2.2 堿法提取米糠蛋白工藝流程

穩(wěn)定化米糠→過篩(40目)→膠體磨→調(diào)pH9.0→水浴(過程中控制一定的溫度和時(shí)間，并使用NaOH調(diào)節(jié)pH值)→過濾→取上清液→調(diào)pH值至pI4.0→4000r/min離心30min→沉淀→酸洗→3000r/min離心15min→沉淀→調(diào)漿→調(diào)pH7.0→冷凍干燥→米糠蛋白

1.2.3 酶法提取米糠蛋白工藝流程

穩(wěn)定化米糠(10g)→去離子水(100mL)→調(diào)pH5.0→添加纖維素酶→保溫2h(55℃)→滅酶(調(diào)pH10.0)→3000r/min離心30min→取上清液→調(diào)pH值至pI4.0→3000r/min離心10min→調(diào)pH7.0→冷凍干燥→米糠蛋白

1.2.4 單因素及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究堿法提取米糠蛋白條件的優(yōu)化，采用料液比、時(shí)間和溫度3個(gè)因素對(duì)蛋白的提取效果進(jìn)行考察；研究酶法提取米糠蛋白條件的優(yōu)化，采用酶用量、酶解時(shí)間和溫度3個(gè)因素對(duì)蛋白提取率的影響進(jìn)行考察。進(jìn)而通過正交試驗(yàn)得到最佳提出條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿法提取實(shí)驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)米糠蛋白提取率的影響

在pH9、50℃的條件下反應(yīng)2h，采用不同的料液比(g/mL)對(duì)米糠蛋白進(jìn)行提取，考察料液比與米糠蛋白提取率的關(guān)系。

圖1 料液比對(duì)蛋白提取率的影響Fig.1 Effect of material-liquid ratio on extraction rate of rice bran protein using alkali extraction method

從圖1可以看出，料液比1:5～1:10，隨著液體量的增加，其蛋白提取率也隨之增加，在1:10的條件下蛋白提取率達(dá)到最大值54.1%。當(dāng)料液比在1:10～1:15之間時(shí)，隨著液體量的增加，蛋白提取率開始下降。說明提取米糠蛋白最佳的料液比是1:10。

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)米糠蛋白提取率的影響

在pH9、提取溫度50℃、料液比1:10的條件下，分別測(cè)定不同時(shí)間米糠蛋白的提取率，考察提取時(shí)間對(duì)蛋白提取率的影響。

圖2 提取時(shí)間對(duì)米糠蛋白提取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on extraction rate of rice bran protein using alkali extraction method

從圖2可以看出，隨著提取時(shí)間的延長，米糠的提取率不斷增加。在1～2.5h之間，隨著提取時(shí)間的延長，蛋白提取率明顯增加。在2.5h以后，蛋白提取率雖提取時(shí)間的延長增加緩慢。說明2.5h以后延長提取時(shí)間對(duì)增加米糠蛋白的提取效果不明顯，因此最佳提取時(shí)間應(yīng)為2.5h。

2.1.3 提取溫度對(duì)米糠蛋白提取率的影響

在pH9、料液比1:10的條件下提取2h，分別測(cè)定不同提取溫度下米糠蛋白的提取率，考察提取溫度對(duì)米糠蛋白提取率的影響。

圖3 提取溫度對(duì)米糠蛋白提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of rice bran protein using alkali extraction method

從圖3可以看出，隨著溫度的升高，米糠蛋白提取率不斷增加，45℃時(shí)蛋白提取率達(dá)到最大，當(dāng)溫度超過45℃時(shí)蛋白提取率開始下降。因此提取時(shí)間選擇45℃左右最為適宜。

2.1.4 堿法提取正交試驗(yàn)

在pH9的條件下，以蛋白提取率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用正交試驗(yàn)篩選出堿法提取米糠蛋白的最佳工藝參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

表1 堿法提取米糠蛋白正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table1 Design and results of orthogonal experiments for optimizing extraction of rice bran protein by alkali extraction method

由表1可知，RA＞RB＞RC，即料液比是影響提取率的主要因素，提取時(shí)間次之，提取溫度最小。由此得出堿法提取米糠蛋白最佳工藝條件：料液比1:10、提取時(shí)間2.5h、提取溫度45℃。

2.2 酶法提取實(shí)驗(yàn)

酶法提取米糠蛋白是利用酶對(duì)米糠蛋白的降解和修飾作用，使其變成可溶性肽而被提取出來[8-9]。米糠中含有大量的纖維素，對(duì)蛋白的束縛作用大，增大了蛋白的提取難度。采用纖維素酶能水解纖維素，使細(xì)胞壁被破壞，從而解除纖維素和半纖維素與蛋白質(zhì)的相互作用，增加和改善蛋白質(zhì)的可溶性，有利于蛋白的提取[10-13]。

2.2.1 酶用量對(duì)米糠蛋白提取率的影響

在pH5、溫度50℃條件下提取2h，改變反應(yīng)體系中纖維素酶的添加量，考察酶用量對(duì)米糠蛋白酶解的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 酶用量對(duì)蛋白提取率的影響Fig.4 Effect of enzyme dosage on extraction rate of rice bran protein using enzymatic hydrolysis method

從圖4可以看到，在酶添加量為1%～2%(E/S)時(shí)，隨著酶添加量的增多，蛋白的提取率顯著增加，酶用量為2%(E/S)時(shí)達(dá)到最高峰；繼續(xù)增大酶用量，米糠蛋白提取率增加趨勢(shì)不明顯，而且酶添加量過大會(huì)增加提取成本，因此該纖維素酶的最適酶用量為2%(E/S)。

2.2.2 酶解時(shí)間對(duì)米糠蛋白提取率的影響

在pH5、酶用量2%(E/S)、溫度50℃的條件下，測(cè)定不同酶解時(shí)間米糠蛋白的提取率。酶解時(shí)間對(duì)米糠蛋白提取率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 酶解時(shí)間對(duì)米糠蛋白提取率的影響Fig.5 Effect of hydrolysis time on extraction rate of rice bran protein using enzymatic hydrolysis method

從圖5可以看出，在米糠蛋白提取過程中，隨著時(shí)間的增加米糠蛋白提取率也不斷增加。但酶解2.5h以后，蛋白提取率增加緩慢，所以從經(jīng)濟(jì)效益兩方面考慮提最佳酶解間應(yīng)選擇2.5h。

2.2.3 酶解溫度對(duì)米糠蛋白提取率的影響

在pH5、酶用量2%(E/S)的條件下酶解2h，控制不同溫度對(duì)米糠進(jìn)行酶解。以蛋白提取率為指標(biāo)，考察酶解溫度對(duì)蛋白提取率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 酶解溫度對(duì)米糠蛋白提取率的影響Fig.6 Effect of hydrolysis temperature on extraction rate of rice bran protein using enzymatic hydrolysis method

從圖6可以看出，在50℃時(shí)蛋白提取率最高，但溫度大于50℃時(shí)蛋白提取率明顯下降，這是由于溫度過高引起的部分纖維素酶失活，酶解效果減弱。因此，選擇50℃的酶解溫度最為適宜。

2.2.4 酶法提取正交試驗(yàn)

采用纖維素酶對(duì)米糠蛋白進(jìn)行提取，以蛋白提取率

作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用正交試驗(yàn)篩選出酶法提取米糠蛋白的最佳工藝參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 酶法提取米糠蛋白正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Results of orthogonal experiments for optimizing extraction of rice bran protein by enzymatic hydrolysis method

由表2可知，RA＞RC＞RB，即酶用量是影響提取率的主要因素，酶解溫度次之，酶解時(shí)間最小。由此得出酶法提取米糠蛋白最佳工藝條件：酶用量2%(E/S)、酶解時(shí)間2.5h、酶解溫度50℃。

3 結(jié)論與討論

在堿法提取條件下，研究單因素下料液比、時(shí)間和溫度對(duì)米糠蛋白的提取效果，進(jìn)而通過正交試驗(yàn)得到最佳工藝提取條件：料液比1:10、提取時(shí)間2.5h、提取溫度45℃，獲得蛋白提取率為57.8%。

在酶法提取條件下，分別驗(yàn)證了酶用量、酶解時(shí)間和溫度對(duì)蛋白提取率的影響，進(jìn)而通過正交試驗(yàn)得到最佳提取工藝：酶用量2%(E/S)、酶解時(shí)間2.5h、酶解溫度50℃，獲得蛋白提取率為38.4%。

利用堿法提取米糠蛋白，堿液可以使米糠中緊密的結(jié)構(gòu)變得疏松，同時(shí)堿液對(duì)蛋白質(zhì)分子的次級(jí)鍵特別是氫鍵具有破壞作用，并可使某些極性基團(tuán)發(fā)生解離，使蛋白質(zhì)分子表面的分子具有相同電荷，促進(jìn)了結(jié)合物與蛋白質(zhì)的分離，從而對(duì)蛋白質(zhì)分子有增溶作用，所以隨著堿性的增加，米糠中蛋白質(zhì)的提取率增加。本實(shí)驗(yàn)利用堿法提取米糠蛋白，提取率達(dá)到了57.8%。但高濃度的堿溶液會(huì)產(chǎn)生潛在毒性，氨基酸間有可能發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，生成賴氨酰、丙氨酸等有害身體健康的物質(zhì)，還能引起一些副反應(yīng)，如蛋白質(zhì)變性和水解、增加美拉德反應(yīng)等[14-15]。而利用纖維素酶作用米糠提取米糠蛋白，可以打破米糠纖維素對(duì)蛋白質(zhì)的束縛，有利于米糠蛋白的提取分離，并消除了堿法提取時(shí)堿液對(duì)米糠蛋白的不良影響，確保米糠蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和固有的營養(yǎng)價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)采用酶法提取米糠蛋白，提取率為38.4%，低于堿法提取。進(jìn)一步提高酶法的蛋白質(zhì)提取率，還有待于做深入的實(shí)驗(yàn)研究。

[1]姚惠源. 米橄脫醉穩(wěn)定化技術(shù)和米鑲食品的開發(fā)研究[J]. 糧食與油脂, 2002(4): 2-5.

[2]周素梅. 脫脂米糠中蛋白質(zhì)提取工藝的研究[C]. 中國糧油學(xué)會(huì): 中國糧油學(xué)會(huì)第二屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文, 2002。

[3]金世合, 陳正行. 米糠蛋白提取和功能性質(zhì)研究[J]. 糧食與油脂, 2003 (6): 21-22.

[4]SLAUDER S R M. The properties of rice bran as food stuff[J]. Cereal Foods World, 1990, 35(7): 632-636.

[5]李喜紅, 代紅麗, 魏安池. 酶法從脫脂米糠中提取蛋白質(zhì)[J]. 糧油加工與食品機(jī)械, 2005(6): 62-64.

[6]HAMADA J S. Use of protease to enhance solubilization of rice bran protein[J]. J Food Biochem, 1999, 23(3): 307-321.

[7]王立, 周素梅, 陳正行. 提取米糠蛋白的探討[J]. 西部糧油科技, 2002 (3): 15-17.

[8]ANSHARULLAH J A H, CHESTERMAN C F. Application of carbohydrasesin extracting protein from rice bran[J]. Journal of Science Food Agriculture, 1997, 74(2): 141-146.

[9]王文高. 過低敏性大米蛋白質(zhì)的研究[D]. 無錫: 無錫輕工大學(xué), 2001.

[10]劉志強(qiáng), 何昭青. 水解法花生蛋白提取及制油研究[J]. 中國糧油學(xué)報(bào), 1999, 14(1): 36-39.

[11]HAMADA J S. Characterization of protion fractions of rice bran to devise method of protein solubility[J]. Cereal Chemistry, 1997, 74(5): 662-668.

[12]FREDERICK F S, DAIGLE K W. Preparation and characterization of rice protein isolate[J]. JAOCS, 2000, 77(8): 885-889.

[13]SENGUPTA R, BHATTACHARYYA D K. Enzymatic extraction of mustard seed and rice bran[J]. JAOCS, 1996, 73(6): 687-692.

[14]WANG M, HETTIARACHY N S, QI M, et al. Preparation and functional properties of rice bran protein isolate[J]. J Agric Food Chem, 1999, 47(2): 411-416.

[15]王文高, 陳正行, 姚惠源. 不同蛋白酶提取大米蛋白質(zhì)的研究[J]. 糧食與飼料工業(yè), 2002(2): 41-42.

Optimization of Extraction Conditions for Rice Bran Protein

LI Xin-hua，F(xiàn)U Yan-xin，ZHENG Yu-yan*
(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Rice bran was used as the raw material to extract rice bran protein by alkali extraction method and enzymatic hydrolysis method. The optimal extraction processing parameters were explored by orthogonal experiments through evaluating the effects of material-liquid ratio, enzyme addition amount, extraction time and extraction temperature on extraction rate of rice bran protein. Results indicated that the optimal extraction processing parameters for alkali extraction method were material-liquid ratio of 1:10, extraction time of 2.5 h, and extraction temperature of 45 ℃. The extraction rate of rice bran protein was 57.8% under the optimal extraction conditions. Similarly, the optimal extraction processing parameters for enzymatic hydrolysis method were enzyme dosage of 2% (E/S), hydrolysis time of 2.5 h, hydrolysis temperature of 50 ℃. The extraction rate of rice bran protein was 38.4% under the optimal hydrolysis conditions. These studies will provide a theoretical reference for protein extraction from rice bran.

rice bran protein；extraction；alkali extraction metod；enzymatic hydrolysis method

TS210.9

A

1002-6630(2010)22-0251-04

2010-06-30

李新華(1955—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z油加工與轉(zhuǎn)化。E-mail：lixh.syau@163.com

*通信作者：鄭煜焱(1976—)，女，講師，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品深加工轉(zhuǎn)化理論及技術(shù)。E-mail：zhengyuyan76@163.com