王瑞萍 黃紀(jì)念 艾志錄
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院1,鄭州 450002)(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所2,鄭州 450002)
芝麻是我國(guó)四大油料之一,2009年我國(guó)芝麻播種面積為33.7萬(wàn)公頃,產(chǎn)量達(dá)到31.8萬(wàn)t[1]。芝麻大部分用于制油,制油后芝麻餅粕蛋白含量為40%~46%[2]。芝麻蛋白是一種優(yōu)質(zhì)的植物蛋白質(zhì)資源,其氨基酸組成合理,必需氨基酸含量豐富[3]。為了使芝麻香油產(chǎn)生獨(dú)特風(fēng)味,芝麻在制油前都要經(jīng)過(guò)高溫焙炒,而焙炒使芝麻蛋白質(zhì)發(fā)生熱變性,芝麻餅粕中的蛋白質(zhì)溶解性降低,增大了蛋白提取和利用的難度,故高溫芝麻粕目前大多作為肥料和飼料使用,附加值低,造成了資源浪費(fèi)。因此有必要對(duì)高溫芝麻粕中蛋白的提取和應(yīng)用做更深一步研究,提高其經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。
目前油料植物蛋白的提取多用堿溶酸沉法[4-5],但堿溶酸沉使用化學(xué)試劑量大,污染環(huán)境并增加設(shè)備投資,而酶法提取植物蛋白已有一定的研究基礎(chǔ),該法條件溫和、綠色節(jié)能、產(chǎn)品品質(zhì)好并且應(yīng)用前景廣泛[6-7]。目前有研究水酶法提取冷榨芝麻油和蛋白[8-9],但將酶法提取應(yīng)用于高溫芝麻粕蛋白提取的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究按 pH分類,評(píng)價(jià)酸性蛋白酶(胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶)、中性蛋白酶(胰蛋白酶、Neutrase、復(fù)合蛋白酶Protamex)和堿性蛋白酶(Alcalase、堿性蛋白酶2709)3大類8種蛋白酶提取高溫壓榨芝麻餅中蛋白的效率,篩選出優(yōu)勢(shì)蛋白酶種類,研究此種蛋白酶酶解對(duì)高溫芝麻粕蛋白溶出率的影響,采用響應(yīng)面法(response surface methodology,RSM)優(yōu)化提取工藝,考察各工藝參數(shù)對(duì)高溫芝麻粕蛋白溶出率的影響,為規(guī)模化提取高溫芝麻粕蛋白提供指導(dǎo)。
高溫芝麻粕:實(shí)驗(yàn)室自制;福林酚試劑、堿性蛋白酶Alcalase(酶活 94 400 U/mL)、中性蛋白酶Neutrase(酶活 87 500 U/mL)、復(fù)合蛋白酶Protamex(酶活 87 400 U/g):美國(guó)Sigma公司;堿性蛋白酶2709(酶活 108 666 U/g)、菠蘿蛋白酶(酶活 55 840 U/g):上海源葉生物科技有限公司;胰蛋白酶(酶活 85 400 U/g):北京索萊寶科技有限公司;木瓜蛋白酶(酶活 44 160 U/g)、胃蛋白酶(酶活 97 200 U/g):北京中生瑞泰科技有限公司;其他藥品和試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
K—05型自動(dòng)定氮儀:上海晟聲儀器有限公司;DGX-9243型鼓風(fēng)干燥箱:上海?,攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;DL-5-B離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;TGL-16A離心機(jī):金壇市億通電子有限公司;XS205電子天平、pH計(jì):瑞士梅特勒-托利多公司; DF-101S集熱磁力加熱攪拌器:金壇市醫(yī)療儀器廠。
1.2.1 高溫芝麻粕蛋白酶解法提取工藝流程
高溫芝麻粕→石油醚回流脫脂后烘干→研磨粉碎過(guò)60目篩→稱取樣品→加入蒸餾水分散調(diào)節(jié)至適宜pH→加蛋白酶酶解→滅酶→離心取上清液→測(cè)定蛋白溶出率
1.2.2 測(cè)定方法
蛋白測(cè)定(凱氏定氮法GB 5009.5—2010,換算系數(shù)5.3);灰分測(cè)定(550 ℃灰化法 GB/T 5505—2008);水分測(cè)定(105 ℃恒重法 GB 5512—1985);粗脂肪測(cè)定(索氏抽提法 GB/T 14772—2008);蛋白酶酶活標(biāo)定(福林酚法 SB/T 10317—1999),其中酸性蛋白酶、中性蛋白酶和堿性蛋白酶的酶活測(cè)定 pH 分別為 5、7、10。
1.2.3 蛋白溶出率的計(jì)算
按照凱氏定氮法測(cè)定高溫芝麻粕及酶解液中的蛋白含量,酶解后芝麻蛋白溶出率采用以下公式計(jì)算:
蛋白溶出率=(上清液中水溶性蛋白質(zhì)量/原料中蛋白質(zhì)量)×100%
1.2.4 酶增溶的蛋白溶出率的計(jì)算
酶增溶的蛋白溶出率=(酶法蛋白溶出率-對(duì)照蛋白溶出率)×100%
1.2.5 酶法提取芝麻粕蛋白工藝研究
1.2.5.1 蛋白酶種類和酶解pH對(duì)芝麻蛋白提取的影響
稱取10.0 g高溫芝麻粕粉于三角瓶中,采用酶解溫度40 ℃,液料比為 10∶1(mL/g,下同),加酶量為100 U/g(以原料質(zhì)量計(jì),下同),酶解2 h。試驗(yàn)中,由于蛋白酶的最適pH 不同,結(jié)合前人研究和不同蛋白酶的特性,分別采用不同 pH條件酶解;對(duì)照組為采用相同試驗(yàn)條件,未加入酶的體系進(jìn)行試驗(yàn),隨后測(cè)定上清液中蛋白質(zhì)量,計(jì)算蛋白溶出率,采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理,分析不同蛋白酶對(duì)芝麻蛋白溶出率的影響。
1.2.5.2 高溫芝麻粕蛋白堿性蛋白酶2709酶解單因素試驗(yàn)
稱取10.0 g高溫芝麻粕粉于三角瓶中,以加酶量(0、50、100、150、200、250 U/g),酶解時(shí)間(1、2、3、4、5 h),溫度(35、40、45、50、55、60 ℃),液料比(5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1)和酶解pH值(8、9、10、11、12)等5個(gè)工藝參數(shù)為考察因素,以蛋白溶出率為指標(biāo),對(duì)篩選出的蛋白酶進(jìn)行單因素試驗(yàn),分析各因素對(duì)芝麻蛋白溶出率的影響。
1.2.5.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)
在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken設(shè)計(jì)的自變量,采取固定酶解時(shí)間,選擇酶解溫度(A)、加酶量(B)、液料比(C)和提取pH值(D)為自變量,以蛋白質(zhì)溶出率(Y)為響應(yīng)值,利用Design-Expert 7.0 Trial軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面分析優(yōu)化提取條件。
由表1可以看出,酶法提取芝麻蛋白時(shí),添加不同種類的酶對(duì)芝麻蛋白溶出率均有增加作用,可能由于酶法提取芝麻蛋白時(shí),蛋白酶部分酶解芝麻蛋白,打破了原有體系的平衡,從而推動(dòng)固相中的蛋白溶入到溶液中,此時(shí)上清液蛋白包括被酶解后增溶的部分蛋白和自身溶解的蛋白,提高了蛋白溶出率[10]。酶法提取芝麻蛋白的效果受酶種類影響明顯,堿性蛋白酶2709 提高蛋白溶出率效果較好,明顯高于堿溶酸沉法的50.92%[11]。同時(shí),同一種酶在不同pH 值下的溶出率均有顯著差異(P<0.05) 。pH 對(duì)酶解芝麻蛋白的影響主要通過(guò)2個(gè)途徑:蛋白酶的活性和芝麻蛋白的溶解度。芝麻蛋白在溶液中的溶解度受溶液 pH 影響顯著(見(jiàn)表1) ,酸性條件下溶解度小,堿性條件下溶解度大,這也是堿性蛋白酶和中性蛋白酶提取芝麻蛋白獲得較好結(jié)果的原因之一。以蛋白溶出率為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用堿性蛋白酶2709作為提取芝麻蛋白的工具酶進(jìn)行下一步試驗(yàn)。
表1 不同蛋白酶及酶解pH對(duì)芝麻蛋白提取的影響/%
注: 0.05為顯著水平。同一酶種中,相同字母項(xiàng)表示無(wú)顯著差異;對(duì)照同一列中,相同字母項(xiàng)表示無(wú)顯著差異。
2.2.1 加酶量對(duì)蛋白質(zhì)溶出率的影響
在pH 10,液料比10∶1,溫度40 ℃,酶解時(shí)間2 h的條件下,考察加酶量對(duì)芝麻蛋白溶出率的影響,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,隨著加酶量增加,蛋白質(zhì)溶出率增加,但在加酶量大于100 U/g后溶出率增加趨勢(shì)不明顯。加酶量過(guò)大會(huì)使成本增加,且可能使蛋白被過(guò)度酶解生成短肽,因此選擇加酶量為100 U/g。
圖1 加酶量對(duì)蛋白溶出率的影響
2.2.2 酶解時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)溶出率的影響
在加酶量100 U/g、液料比10∶1、pH 10、溫度40 ℃的條件下,考察酶解時(shí)間對(duì)芝麻蛋白溶出率的影響,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,蛋白質(zhì)溶出率隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,從1 h到2 h溶出率增加顯著,之后增加緩慢。2 h以后酶解時(shí)間增加蛋白質(zhì)溶出率不再升高,同時(shí)考慮到酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)消耗較多的熱能,增加生產(chǎn)成本,因此酶解時(shí)間選擇為2 h。
圖2 酶解時(shí)間對(duì)蛋白溶出率的影響
2.2.3 酶解提取溫度對(duì)蛋白質(zhì)溶出率的影響
在pH 10、加酶量100 U/g、液料比10∶1、酶解時(shí)間2 h的條件下,研究酶解溫度對(duì)芝麻蛋白溶出率的影響,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,酶解溫度在55 ℃以下,蛋白質(zhì)的溶出率隨著酶解溫度的升高而增加,超過(guò)55 ℃蛋白質(zhì)溶出率下降,因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)使蛋白酶活性降低。酶解溫度超過(guò)50 ℃后提高溫度蛋白溶出率增加不明顯,溫度過(guò)高使酶解物的顏色加深,高溫也會(huì)消耗過(guò)多能源增加生產(chǎn)成本,因此選擇酶解溫度為50 ℃。
圖3 酶解溫度對(duì)蛋白溶出率的影響
2.2.4 液料比對(duì)蛋白質(zhì)溶出率的影響
在pH為10、加酶量100 U/g、溫度50 ℃、酶解時(shí)間2 h條件下,研究不同液料比對(duì)蛋白質(zhì)溶出率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知,隨著液料比的升高,蛋白溶出率先升高后下降,在15∶1時(shí)最高。但當(dāng)液料比增加到一定程度,底物濃度過(guò)低,蛋白酶不能充分作用,因此選擇液料比為15∶1。
圖4 液料比對(duì)蛋白溶出率的影響
2.2.5 酶解pH對(duì)蛋白質(zhì)溶出率的影響
在加酶量100 U/g、溫度50 ℃、酶解時(shí)間2 h、液料比15∶1的條件下,考察不同酶解pH值對(duì)蛋白質(zhì)溶出率的影響,結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,在酶解pH低于11時(shí)蛋白質(zhì)溶出率隨著pH值的增加而提高,這是由于溶液pH 值的變化改變了蛋白質(zhì)的帶電情況,在堿性條件下,蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷,蛋白質(zhì)的溶解度增加,利于蛋白溶出率提高[11],pH 值大于11時(shí)溶出率有所降低,過(guò)高的pH會(huì)影響到蛋白酶的活性,因此選擇11為最適的酶解pH值。
圖5 酶解pH對(duì)蛋白溶出率的影響
基于單因素試驗(yàn)結(jié)果,為了提高試驗(yàn)的可靠性,根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì),酶解時(shí)間固定為2 h,以單因素試驗(yàn)的最優(yōu)值為中間值,采用四因素三水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì),以芝麻蛋白溶出率為響應(yīng)值,確定最佳酶解工藝參數(shù),結(jié)果見(jiàn)表2、表3。利用Design-Expert 7.0 Trial 軟件對(duì)響應(yīng)面回歸方程進(jìn)行方差分析和回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。
表2 響應(yīng)面分析因素與水平表
表3 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
表3(續(xù))
表4 方差分析表
注:**,P<0.01表示差異極顯著,*,P<0.05表示差異顯著。
由表4可以看出該模型回歸極顯著,經(jīng)過(guò)二次多項(xiàng)回歸擬合后,得到蛋白溶出率(Y)與溫度(A)、加酶量(B)、液料比 (C)、pH (D)4個(gè)因素的二次回歸方程為:
Y=69.01-1.81A+3.07B+3.96C+1.12D+1.89AB+1.64AC-0.78AD-2.75BC+1.91BD-3.49CD-12.88A2-3.18B2-9.35C2-7.48D2
其中該方程一次項(xiàng)B、C與二次項(xiàng)A2、C2、D2表現(xiàn)出了極顯著水平,交互項(xiàng)CD與二次項(xiàng)B2對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響達(dá)到了顯著水平,說(shuō)明各因素對(duì)蛋白溶出率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系;失擬項(xiàng)P=0.075 4,不顯著,該回歸模型R2=0.931 5,說(shuō)明模型擬合程度良好,能夠較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和分析實(shí)際情況。所選的各因素水平范圍內(nèi),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響次序?yàn)镃>B>A>D,即液料比>加酶量>溫度> pH。pH值在試驗(yàn)所選水平范圍內(nèi)未對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響,但是其與液料比的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。方程的二次項(xiàng)4個(gè)因素的特征值全為負(fù)值,表明該模型有穩(wěn)定性最大值[12]。pH值與液料比交互作用對(duì)芝麻蛋白溶出率的影響作用顯著,根據(jù)回歸分析結(jié)果做pH值與液料比交互項(xiàng)的等高線圖和3D曲面圖,見(jiàn)圖6。由圖6可知pH值與液料比交互項(xiàng)的等高線圖顏色對(duì)比強(qiáng)烈,說(shuō)明交互作用顯著[13],等高線的形狀反映交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小,圓形表示兩因素交互作用不顯著,而橢圓形則表示兩因素交互作用顯著[14]。在所選范圍內(nèi)存在極點(diǎn),即等高線最小橢圓的中心點(diǎn)(5點(diǎn)),也是響應(yīng)面的最高點(diǎn)。
圖6 pH與液料比對(duì)蛋白溶出率的交互影響
通過(guò)對(duì)響應(yīng)面優(yōu)化工藝結(jié)果擬合分析得出,在酶解時(shí)間2 h的條件下,酶解芝麻蛋白的最優(yōu)工藝參數(shù)為:酶解溫度49.83 ℃,pH 11.11,液料比15.61∶1,加酶量122.60 U/g,在此條件下,芝麻蛋白的理論溶出率為70.03%。
為了檢驗(yàn)響應(yīng)面模型的有效性和可靠性,根據(jù)優(yōu)化得到最佳條件,考慮操作的可行性,修正了最佳蛋白酶解條件:在酶解時(shí)間2 h,酶解溫度50 ℃,pH 11,液料比16∶1,加酶量125 U/g的試驗(yàn)條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),得到蛋白溶出率均值為70.36%,與模型理論預(yù)測(cè)值70.03%基本吻合。說(shuō)明該方程與實(shí)際情況擬合很好,試驗(yàn)結(jié)果較為理想,證明應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化條件來(lái)提高芝麻蛋白溶出率的方法可行。
高溫芝麻餅粕中蛋白變性程度高,溶解性低,要提取其中的蛋白需要將其溶出,再進(jìn)一步分離純化等。經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)探索,利用酶法提取高溫芝麻餅粕中的蛋白較為可行。影響酶法提取高溫粕蛋白的因素主要有酶的種類、加酶量、酶解pH、液料比等因素。合適工具酶的選擇建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以蛋白溶出率為評(píng)價(jià)指標(biāo),得到了提取效果較好的堿性蛋白酶2709。堿性蛋白酶2709是2709枯草桿菌經(jīng)過(guò)深層發(fā)酵、提取精制成的一種蛋白酶,對(duì)底物有高度專一性,具有強(qiáng)水解能力、耐堿能力[16],其價(jià)格相對(duì)低廉,從經(jīng)濟(jì)成本考慮也是理想選擇。
加酶量的選擇在蛋白提取工藝中尤為重要,有限酶解幫助蛋白酶切斷芝麻蛋白的肽鏈,提高溶解性,促進(jìn)芝麻蛋白提?。坏用噶刻髸?huì)使芝麻蛋白大量被水解為短肽,與其他水溶性雜質(zhì)混合,難以提取分離。因此本研究中酶解工藝優(yōu)化時(shí),選擇的加酶量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于已有報(bào)道中制備功能性多肽的加酶量9 600 U/g[17],不足以生成大量多肽。堿性蛋白酶的作用位點(diǎn)主要是丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、酪氨酸等,由于芝麻蛋白中上述氨基酸殘基數(shù)目有限,也會(huì)限制多肽的生成。
酶解pH也是響應(yīng)面試驗(yàn)中對(duì)蛋白溶出率影響顯著的重要因素。當(dāng)極端堿性pH時(shí),部分埋藏在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的羥基、酚羥基和巰基離子化并暴露至水相環(huán)境中,造成肽鏈散開[18]。同時(shí)高堿性條件下較高溫度會(huì)使芝麻蛋白部分氨基酸產(chǎn)生消旋現(xiàn)象生成D—氨基酸,影響到芝麻蛋白產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[19],生產(chǎn)中可結(jié)合實(shí)際需要降低提取pH。下一步研究可對(duì)酶解液進(jìn)行超濾脫鹽,提取出的蛋白適于應(yīng)用在飲料工業(yè)中或者酶解制備功能性多肽。
通過(guò)系統(tǒng)分析8種蛋白酶在不同pH值條件下對(duì)酶法提取高溫芝麻餅中蛋白的效果表明,使用堿性蛋白酶2709的酶解效果較好,蛋白溶出率達(dá)到60%以上。采用單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面法優(yōu)化酶解條件,利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合,得到堿性蛋白酶2709酶解高溫芝麻粕蛋白的數(shù)學(xué)模型,固定酶解時(shí)間2 h,最佳工藝條件為酶解溫度50 ℃,pH 11,液料比16∶1,加酶量125 U/g,在此工藝條件下芝麻蛋白溶出率為70.36%。
[1]中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒編輯委員會(huì)編.中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒2010[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2011
[2]鄭華麗, 魏安池, 牛新培. 芝麻餅粕蛋白應(yīng)用進(jìn)展[J]. 糧食與油脂, 2012, 3(8):8-10
[3]高桐梅, 衛(wèi)雙玲, 張海洋, 等. 食用白芝麻營(yíng)養(yǎng)成分分析[J].營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào), 2011, 33(4):419-420
[4]黃紀(jì)念, 孫強(qiáng), 李夢(mèng)琴, 等.芝麻蛋白的超聲提取工藝研究[J].糧油加工, 2009 (8):69-71
[5]董英, 邵元龍, 楊杰. 芝麻餅粕蛋白提取與制備條件研究[J].食品科技, 2008, 33(8):106-110
[6]馮務(wù)霞, 馮程, 韓艷. 響應(yīng)面法優(yōu)化堿性蛋白酶提取菜籽餅中可溶性蛋白質(zhì)的研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2012, 33(11):179-182
[7]劉志強(qiáng), 賀建華, 曾云龍, 等. 酶及處理參數(shù)對(duì)水酶法提取菜籽油和蛋白質(zhì)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2004, 37(4):592-596
[8]Sajid L, Farooq A. Aqueous enzymatic sesame oil and protein extraction[J]. Food Chemistry, 2011,125:679-684
[9]李娜. 水酶法制備芝麻油和蛋白的研究[D]. 鄭州:河南工業(yè)大學(xué), 2007
[10]蘆鑫, 孫強(qiáng), 張麗霞, 等. 蛋白酶種類對(duì)酶法提取高溫壓榨花生餅中蛋白的影響[J]. 中國(guó)油脂, 2012,37 (6):23-27
[11]金青哲.芝麻蛋白提取工藝研究[J]. 糧食與油脂,1999(3):19-21
[12]楊波, 楊光, 張靜. 水酶法提取花生蛋白工藝的研究[J].食品科學(xué), 2006,27(11):253-256
[13] Yin Xiulian, You Qinghong, Jiang Zhonghai. Optimization of enzyme assisted extraction of polysaccharides from Tricholoma matsutake by response surface methodology[J].Carbohydrate Polymers, 2011, 86: 1358-1364
[14]陶發(fā)琴, 王明鵬, 王衛(wèi)星, 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化酵母油脂的提取工藝[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào), 2013, 28(4):52-57
[15]朱會(huì)霞, 孫金旭. Nisin液體發(fā)酵工藝條件的響應(yīng)面分析優(yōu)化[J]. 中國(guó)乳品工業(yè), 2009, 37(8): 31-34
[16]林敏剛. 堿性蛋白酶在水解植物蛋白中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)油脂, 2009, 34(12): 30-33
[17]李干紅, 丁曉雯. 芝麻蛋白酶解條件控制及其產(chǎn)物抗氧化研究[J]. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào), 2006, 21(1): 104-108
[18]王璋, 許時(shí)嬰, 湯堅(jiān). 食品化學(xué)[M]. 北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2011
[19]張英君, 陳有亮, 董雅芳. 堿處理引起蛋白質(zhì)的變旋和賴丙復(fù)合物的生成[J]. 肉類工業(yè), 2001 (2): 31-36.