大米蛋白改性技術(shù)的研究進(jìn)展

銀 波 李亦蔚 汪霞麗 沈 娜 程云輝

（長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

大米蛋白改性技術(shù)的研究進(jìn)展

銀 波 李亦蔚 汪霞麗 沈 娜 程云輝

（長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

大米蛋白是公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)植物蛋白，具有高營養(yǎng)價值和低過敏性等特點(diǎn)，但因大米蛋白溶解性差，進(jìn)而導(dǎo)致乳化性、發(fā)泡性、膠凝性等功能特性不佳，限制了其在食品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。文章綜述了物理、化學(xué)和酶法3大改性技術(shù)的最新進(jìn)展，分析了各類技術(shù)的特點(diǎn)和研究重點(diǎn)，以期為大米蛋白的改性及應(yīng)用提供理論參考。

大米蛋白質(zhì)；改性；功能特性

近年全球年產(chǎn)大米在6.1億t左右，其中中國年產(chǎn)大米1.85～2.0億t，居世界首位［1］。利用早秈稻或碎米為原料生產(chǎn)淀粉糖、氨基酸的副產(chǎn)品米渣中蛋白質(zhì)含量高達(dá)50%（干基），但目前在中國卻并未得到很好的開發(fā)利用，造成了蛋白質(zhì)資源的極大浪費(fèi)。大米蛋白質(zhì)的氨基酸組成合理，與WHO／FAO推薦的理想模式非常接近，其生物價為77，高居各種糧食作物的第一位［2］；同時，相比其他含有過敏和抗?fàn)I養(yǎng)因子的植物性蛋白，大米蛋白的低過敏性顯得更為安全可靠，可用作開發(fā)嬰幼兒食品的基料。

但因大米蛋白溶解性差，進(jìn)而導(dǎo)致其乳化性、發(fā)泡性、膠凝性等功能特性不佳，限制了其在食品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。蛋白質(zhì)的溶解性是其最重要的功能性質(zhì)之一，能使它更容易溶解或混入到各種食品體系特別是溶液體系中；同時，溶解性也是乳化性、發(fā)泡性等功能性質(zhì)的基礎(chǔ)。占大米蛋白80%左右的谷蛋白中胱氨酸含量較高，其鏈內(nèi)或鏈間的二硫鍵使蛋白質(zhì)多肽鏈聚集成致密分子，大量的疏水基團(tuán)被包埋在分子內(nèi)部［3］；谷蛋白中含α、β兩條多肽鏈，α、β鏈等電點(diǎn)分別為6.6～7.5、9.4～10.3，在p H 4～10范圍內(nèi)大米蛋白的溶解性皆很差［4］，從而導(dǎo)致其其它功能性質(zhì)也較差。因此，有必要通過改性來提高其功能特性，研制出不同功能特性的專用大米蛋白粉，以拓展其在食品及其它領(lǐng)域中的應(yīng)用。

國內(nèi)外食品蛋白質(zhì)的改性方法主要包括物理法、化學(xué)法、酶法和基因工程法，對大米蛋白質(zhì)的改性方法主要采用化學(xué)法和酶法。

1 物理改性

物理改性是指通過機(jī)械處理、冷凍、擠壓、磁場、電場、聲場、超濾、低劑量輻射及添加小分子雙親物質(zhì)等方法來改善蛋白質(zhì)的功能特性。采用物理方法改性大米蛋白的報道不多，Kato等［5］將大米浸入蒸餾水中，100～400 MPa處理時大米中的過敏性蛋白溶入水溶液中，且溶解量達(dá)到0.2～0.5 mg蛋白／g（大米）；300～400 MPa處理時過敏性蛋白溶解量最大，達(dá)到0.5 mg（蛋白）／g（大米）；壓力超過500 MPa時過敏性蛋白溶解量不再增大。涂宗財?shù)龋?］采用超高壓處理大豆蛋白，其溶解性、乳化性及乳化穩(wěn)定性可分別提高到50%、0.25和0.35；朱建華等［7］采用超聲處理大豆蛋白，其溶解性、起泡性、乳化性及乳化穩(wěn)定性均有所提高，分別可提高到53%、30%、0.95、1.10。趙學(xué)偉等［8］研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)擠壓處理后小米的水溶性、鹽溶性、醇溶性及堿溶性蛋白的溶解性均有降低。

物理改性具有成本低、無毒副作用、作用時間短及對營養(yǎng)價值影響小等優(yōu)點(diǎn)，但目前關(guān)于采用物理法改性大米蛋白的報道很少，效果也不顯著。

2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是通過化學(xué)手段在蛋白質(zhì)中引入各種功能基團(tuán)，如親水親油基團(tuán)、二硫基團(tuán)、帶負(fù)電荷基團(tuán)等，利用蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)活性，改善蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、靜電荷和疏水性，以此達(dá)到改變蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的目的［9］。化學(xué)改性有酸、堿、鹽作用下的改性，脫酰胺、?；⑻腔?、磷酸化、烷基化及親脂化改性等，關(guān)于大米蛋白化學(xué)改性的報道主要集中在脫酰胺、?；?、磷酸化、糖基化改性方面。

2.1 大米蛋白的脫酰胺改性

采用溫和酸水解的脫酰胺作用能有效提高大米蛋白的功能性質(zhì)。易翠萍等［10］研究了酸法脫酰胺后大米濃縮蛋白功能特性的改變，結(jié)果表明在脫酰胺度0%～63.5%范圍內(nèi)，大米蛋白溶解度提高至99.4%，持水性提高了1.55～1.78倍，持油性提高了3.28～3.64倍；鄭建冰等［11］研究表明在大米蛋白溶液濃度為25 g／L、鹽酸濃度為0.19 mol／L、溫度為92℃條件下反應(yīng)3.18 h，脫酰胺度可達(dá)48.9%，且隨著脫酰胺程度的增加，溶解性、乳化性及穩(wěn)定性都有所增加，溶解度最大可達(dá)96.6%，但持水、持油性變化不大。

脫酰胺改性［12］是通過羰基中的O和H＋發(fā)生質(zhì)子化作用，導(dǎo)致氨釋放，酸法脫酰胺是由酸提供H＋將－NH2鍵打斷脫去－NH2，這就增加了蛋白質(zhì)表面的負(fù)電荷，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的展開和疏水性殘基的暴露，進(jìn)而提高了蛋白分子的溶解性、乳化性等功能性質(zhì)。

2.2 大米蛋白的?；男?/h3>

國內(nèi)外關(guān)于植物蛋白?；男缘膱蟮郎婕靶←湹鞍?、棉籽蛋白、菜籽蛋白、花生蛋白、葵花子蛋白、亞麻籽蛋白、大米蛋白等。Wanasundara等［13］進(jìn)行了乙?；顽牾；男詠喡樽训鞍坠δ芴匦缘难芯?，研究結(jié)果顯示?；男阅苊黠@改善其乳化能力，特別是乙?；男允箒喡樽训鞍椎娜芙庑缘玫搅孙@著提高，但起泡能力提高不大；張凱［14］以乙酸酐為酰基化試劑，研究確定了?；男源竺椎鞍椎淖罴压に噮?shù)：乙酸酐添加量0.3 g／g·蛋白、p H 8.0、50 ℃、反應(yīng)時間3 h，所得酰基化改性大米蛋白的溶解度可達(dá)88.15%。?；蟮牡鞍追肿颖砻尕?fù)電荷增多，多鏈肽伸展和空間結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致分子柔韌性提高，進(jìn)而提高了蛋白分子的溶解性、持水性、吸油性、乳化性和起泡性。

2.3 大米蛋白的磷酸化改性

磷酸化改性是指為蛋白分子引進(jìn)親水性的磷酸根基團(tuán)，其改性效果與磷酸化試劑的選擇有關(guān)，利用三氯氧磷改性能提高乳清蛋白、大豆蛋白質(zhì)形成凝膠的能力；Chan等［15］采用三聚磷酸鈉對大豆蛋白進(jìn)行改性，結(jié)果顯示改性后的大豆蛋白等電點(diǎn)向酸性區(qū)域發(fā)生了遷移，蛋白的溶解能力、乳化能力、及持水能力也有明顯提高；張凱［14］研究確定了三聚磷酸鈉改性大米蛋白的最佳工藝參數(shù)為STPP 6%、p H 8.5、45℃、反應(yīng)時間90 min，所得磷酸化改性大米蛋白的溶解度可達(dá)90.5%。磷酸化改性是通過增加蛋白電負(fù)性、提高蛋白分子間的電荷斥力而使蛋白分子更容易分散，從而達(dá)到提高溶解度、改善乳化性和起泡性的目的。

2.4 大米蛋白的糖基化改性

蛋白糖基化改性正成為食品科學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。蛋白－糖的接枝反應(yīng)主要基于蛋白質(zhì)分子中氨基酸側(cè)鏈的自由氨基和糖分子還原末端的羰基之間的羰氨反應(yīng)－美拉德反應(yīng)（maillard reaction）［16］，屬于化學(xué)改性范疇。

通過糖基化改性的動物性蛋白有卵清蛋白［16］、血漿蛋白［17－18］、酪蛋白［19－20］、乳球蛋白［21］、乳清蛋白［22］等，在植物蛋白研究中對大豆蛋白［23］、小麥面筋蛋白［24］研究較多。近幾年來中國關(guān)于大米蛋白糖基化改性研究報道較多：Li等［25］研究了大米蛋白有限水解下與不同相對分子量多糖發(fā)生美拉德反應(yīng)后功能特性的變化，得到溶解性、乳化性，乳化穩(wěn)定性均有較大提高的大米蛋白－葡聚糖接枝物；華靜嫻［26］研究表明大米蛋白－葡聚糖接枝物在接枝度為46.6%時溶解度可達(dá)91.3%、乳化性0.645、起泡力增至150%；陸鈁［27］將大米蛋白與葡萄糖進(jìn)行濕法接枝改性，其乳化性及乳化穩(wěn)定性較改性前分別提高了1.37倍、1.62倍；紀(jì)崴［28］在蛋白∶糖＝1∶1、蛋白水解度5%、p H 11、100℃的條件下濕法接枝反應(yīng)20 min制備的大米蛋白－葡聚糖接枝物的溶解性、乳化性、乳化穩(wěn)定性分別為對照蛋白的3.83倍、5.28倍、6.57倍；郭建偉［29］研究制備的大米蛋白－麥芽糊精接枝物其溶解度可達(dá)69.58%，乳化性、起泡性較改性前分別提高了1.08倍、1.29倍。

由于糖鏈的引入，多羥基的親水特性使蛋白質(zhì)－糖接枝物整個分子的溶解性顯著提高。Matsudomi等［17］研究指出血漿蛋白－半乳甘露聚糖接枝物的乳化特性甚至優(yōu)于某些小分子乳化劑。Shu等［30］研究發(fā)現(xiàn)隨著多糖分子量的增加，蛋白－多糖接枝物在膠體體系中形成的保護(hù)層厚度增加，其乳化性、乳化穩(wěn)定性也逐步改善；接枝物具有較好乳化特性是基于其蛋白質(zhì)部分可有效地吸附在油－水界面上降低界面張力，而同時共價結(jié)合的糖鏈（尤其是多糖分子）在吸附膜的周圍形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了膜的厚度和機(jī)械強(qiáng)度。

化學(xué)法改性蛋白質(zhì)，方法簡便，通過選擇合適的改性方式和反應(yīng)條件，即可使蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)得到有效改善。但在改性取得預(yù)期效果的同時，因被改性的蛋白質(zhì)殘基往往是必需氨基酸，因此，有時會破壞蛋白質(zhì)原有的營養(yǎng)功效，產(chǎn)生一些副反應(yīng)，甚至是有害的毒理效應(yīng)，同時還必須考慮所使用化學(xué)試劑的毒性及殘留。因此，要盡可能選擇營養(yǎng)功效破壞少、無副反應(yīng)并對環(huán)境友好的化學(xué)改性方法。

3 酶法改性

廣義的酶法改性包括酶催化水解、類蛋白反應(yīng)、蛋白質(zhì)交聯(lián)3類方法，其中酶解改性植物蛋白的研究一直很活躍。

3.1 酶催化水解改性

蛋白在某種酶的作用下發(fā)生特定的水解，可產(chǎn)生區(qū)別于母體蛋白、相對較小的分子，同時伴有重要結(jié)構(gòu)的重排，導(dǎo)致一些原來包埋在蛋白分子內(nèi)部的疏水區(qū)暴露在溶劑中，從而產(chǎn)生新的營養(yǎng)功能及生物特性。

玄國東等［31］采用堿性蛋白酶研究制備的4%米糟蛋白酶解液在中性條件下氮溶解指數(shù)可達(dá)95%，乳化性、起泡性分別為55%、70%；葛娜等［32］采用酸性蛋白酶提取的大米水解蛋白在p H 2～12范圍內(nèi)的起泡能力隨p H增大而增大，其乳化能力和乳化穩(wěn)定性隨p H變化的趨勢與溶解性類似，在p H 4～6范圍內(nèi)最低；奚海燕等［33］研究了超高壓輔助堿性蛋白酶提取大米水解蛋白的工藝，提取率達(dá)78.72%；王章存等［34］研究表明隨著p H增加，經(jīng)堿性蛋白酶和復(fù)合蛋白酶共同水解所得水解物的溶解度、發(fā)泡能力和乳化性等均有明顯增加，但其泡沫穩(wěn)定性和乳化穩(wěn)定性卻未呈現(xiàn)規(guī)律性變化；黃正虹等［35］研究比較了 Alcalase、Protease N、Protease 1398、中性蛋白酶、Protease FP 5種蛋白酶的催化反應(yīng)動力學(xué)特性及改性后的功能性質(zhì)，確定采用堿性蛋白酶制備高溶解性、高乳化性、高持水性的大米蛋白酶解物宜將水解度控制在4%左右；紀(jì)崴［28］采用堿性蛋白酶Protease N水解大米蛋白，研究發(fā)現(xiàn)水解度為5%的水解產(chǎn)物其乳化性及溶解性最佳，在p H 8.0時溶解性提高了3.44倍，乳化活性是酶解前的2.22倍，起泡性、持水性也分別提高了2.88、4.76倍。

若采用部位專一性酶或可控酶解將蛋白部分水解，往往能改進(jìn)蛋白的乳化和起泡性質(zhì)；若采用非專一性蛋白酶充分水解，水解物中小分子肽比例較高，雖能增溶原先溶解度低的蛋白，但也損害了蛋白質(zhì)的膠凝、乳化、起泡等功能性質(zhì)，充分水解改性的蛋白質(zhì)通常被應(yīng)用在液態(tài)食品體系中。因此，可通過控制水解度，使蛋白大分子降解成不同鏈長的小分子來達(dá)到改善不同功能性質(zhì)的目的。

3.2 類蛋白反應(yīng)

類蛋白反應(yīng)是指濃縮蛋白水解物在合適條件下經(jīng)蛋白酶作用合成新的蛋白（沉淀或凝膠狀物質(zhì)）的反應(yīng)［36］，人們期望通過類蛋白反應(yīng)來改善蛋白的營養(yǎng)及功能特性、脫除蛋白酶解物苦味。

Yamashita等［37］通過類蛋白反應(yīng)將L－蛋氨酸乙酯導(dǎo)入大豆蛋白中以提高含硫氨基酸水平；張雅麗等［38］采用胃蛋白酶催化大豆蛋白和芝麻蛋白的胰蛋白酶水解物進(jìn)行類蛋白反應(yīng)，類蛋白中Lys與含硫氨基酸實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，其必需氨基酸分?jǐn)?shù)明顯高于原料蛋白；楊倩等［39］采用胃蛋白酶催化大米蛋白的堿性蛋白酶水解物進(jìn)行類蛋白反應(yīng)，大米類蛋白中Thr、Ile、Phe、Lys等必需氨基酸含量高于大米蛋白及其堿性蛋白酶水解物。這些研究結(jié)果表明類蛋白反應(yīng)可在合成中有效地將限制性氨基酸導(dǎo)入到肽鏈中從而提高某些蛋白產(chǎn)品的生物有效利用率。

Eriksen等［40］認(rèn)為類蛋白反應(yīng)中凝膠的形成是因疏水相互作用，使得一些肽中的疏水性氨基酸得以富集，在水中很難溶解的疏水肽經(jīng)凝聚形成顆粒而沉淀下來，同時被包裹起來的疏水側(cè)鏈不能和味覺細(xì)胞作用；Synowiecki等［41］在牛紅血球細(xì)胞的Alcalase水解物中添加谷氨酸乙酯進(jìn)行合成類蛋白反應(yīng)，可使牛紅血球細(xì)胞水解物苦味降至原來的50%，產(chǎn)物中游離氨基酸總量由原來的18.6 mg／g降低到1.85 mg／g。說明合成類蛋白反應(yīng)具有明顯的去除蛋白質(zhì)酶解物苦味的效果。

Yamashita等［42］采用木瓜蛋白酶催化胃蛋白酶水解的大豆產(chǎn)物、L－谷氨酸二乙基酯合成類蛋白，其產(chǎn)物含谷氨酸41.93%，溶解性好，100℃加熱1 h也不混濁；安廣杰等［43］采用木瓜蛋白酶催化蛋氨酸酯與水解明膠進(jìn)行類蛋白反應(yīng)，具有較強(qiáng)疏水性的長烴鏈與親水性的水解明膠能形成較好的兩親性產(chǎn)物，由長鏈醇所形成的酯改性后的水解明膠其乳化能力較短鏈的強(qiáng)。說明類蛋白反應(yīng)能有效地改變蛋白質(zhì)的溶解性、乳化性等功能特性。

3.3 酶法轉(zhuǎn)酰胺和脫酰胺

轉(zhuǎn)谷酰胺酶［44］（TGase）可催化蛋白質(zhì)及肽鍵中谷氨酰胺殘基的C2羧酰胺基和賴氨酸殘基的E2氨基相連，形成谷氨?；嚢彼峁矁r鍵，賦予食品蛋白質(zhì)特有的流變特性和口感［45］。Gujral［46］等利用 TGase對大米粉進(jìn)行改性，經(jīng)TG處理后大米蛋白發(fā)生聚集，形成較好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在發(fā)酵過程中可更好地保持氣體；米粉的流變學(xué)特性發(fā)生很大改善，黏性模量G”和彈性模G’量都有所增加。

Yong等［47］采 用 蛋 白 質(zhì) 谷 氨 酰 胺 酶 （protein glutaminase，PG）［48］對小麥蛋白脫酰胺，脫酰胺小麥蛋白在中性p H條件下的溶解性及乳化性質(zhì)有顯著提高；李向紅等［49］采用PG對大米谷蛋白脫酰胺，脫酰胺大米谷蛋白在中性溶液中溶解度高達(dá)96.99%，強(qiáng)酸性條件下的乳化穩(wěn)定性得到顯著改善，起泡性隨酶解時間增加而提高，改性蛋白的持水性、持油性比未改性蛋白分別提高1.75～2.03倍、1.58～1.94倍；周小玲等［50］研究結(jié)果表明PG酶法脫酰胺使大米谷蛋白在中性p H條件下溶解度顯著提高的原因是基于蛋白分子所帶負(fù)電荷增加、分子間靜電排斥作用增大。

蛋白質(zhì)谷氨酰胺酶僅作用于蛋白質(zhì)或肽的谷氨酰胺基團(tuán)，對天冬酰胺殘基或游離谷氨酰胺無影響，同時也不會導(dǎo)致蛋白質(zhì)肽鏈的水解，因此，可避免非專一性蛋白酶充分水解而引起的對蛋白質(zhì)膠凝、乳化、起泡等功能性質(zhì)的損害。

4 展望

大米蛋白改性研究的熱點(diǎn)目前主要集中在化學(xué)法和酶法。因無化學(xué)試劑殘留的隱患，近年糖基化改性大米蛋白的研究很活躍，但大多停留在接枝條件的探索上，接枝反應(yīng)的機(jī)理還有待深入研究。酶法改性食品蛋白因?qū)Ｒ恍愿?、條件溫和、毒副產(chǎn)物產(chǎn)生的可能性小而一直受到青睞，其中酶催化水解改性的產(chǎn)業(yè)化前景很好，但要注意區(qū)分部位專一性和非專一性蛋白酶的酶解特點(diǎn)，可通過水解度的控制使大米蛋白降解成不同鏈長分子來達(dá)到改善不同功能性質(zhì)的目的；雖然類蛋白反應(yīng)、酶法轉(zhuǎn)酰胺和脫酰胺在改善食品蛋白的營養(yǎng)及功能特性方面有了一些研究積累，但工業(yè)化道路還較長，還需加強(qiáng)反應(yīng)機(jī)理的研究，并有效降低酶反應(yīng)的成本。

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Progress of rice protein modification technology

YIN Bo LI Yi－wei SHEN Na WANG Xia－liCHENG Yun－h(huán)ui

（School of Chemistry and Biological Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan410114，China）

Rice protein is recognized as a quality plant protein with high nutritive value and hypoallergenic.Due to the poor solubility of rice protein，the emulsification，foaming，gelling and other features are not well，which limited the wide application in food industry.The paper introduces the latest development of physical，chemical and enzymatic modification technology，analyses the technical features and key research fields，looking forward to providing theory reference for rice protein modification and applications.

Rice protein；Modification；Functional properties

10.3969／j.issn.1003－5788.2011.03.045

長沙市科技局重點(diǎn)項目（編號：K0902041－21）

銀波（1986－），女，長沙理工大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：yinboshirely＠126.com

程云輝

2011－03－10