米糠貯藏時間對米糠球蛋白功能性質的影響

蔡勇建,吳 偉,*,吳曉娟,張 琪,葉建芬,衷淑珺,楊偉霞

(1.中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院,稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實驗室,湖南長沙 410004;2.湖南糧食集團有限責任公司,湖南長沙 410201)

米糠貯藏時間對米糠球蛋白功能性質的影響

蔡勇建1,吳 偉1,*,吳曉娟2,張 琪1,葉建芬1,衷淑珺1,楊偉霞1

(1.中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院,稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實驗室,湖南長沙 410004;2.湖南糧食集團有限責任公司,湖南長沙 410201)

以新鮮米糠為原料經(jīng)不同時間貯藏后脫脂制備米糠球蛋白,研究米糠貯藏時間對米糠球蛋白功能性質的影響。結果表明:隨著米糠貯藏時間延長,米糠球蛋白羰基含量增加,表明米糠球蛋白在貯藏過程中發(fā)生了氧化;新鮮米糠在10 d貯藏過程中,米糠球蛋白溶解性從66.30%降低至54.86%,其他功能性質均先上升后下降,其中起泡能力在貯藏1 d后達到最大值為55.64%;持水性、持油性、泡沫穩(wěn)定性和乳化性均在貯藏3 d后達到最大值,分別為325.10%、533.55%、70.46%和74.92 m2/g,乳化穩(wěn)定性則在貯藏5 d后達到最大值,為21.27 min;表明新鮮米糠短時間貯藏可改善米糠球蛋白持水性、持油性、起泡性和乳化性,但長時間貯藏對這些功能性質產(chǎn)生負面影響。

米糠,貯藏,米糠球蛋白,蛋白質氧化,功能性質

我國每年生產(chǎn)稻谷2億t以上,若以8%出糖率計算米糠產(chǎn)量,我國米糠年產(chǎn)量在1000萬t以上。米糠中含有豐富的脂肪和蛋白質,因而米糠油和米糠蛋白是米糠在食品加工領域的主要產(chǎn)品[1]。米糠蛋白氨基酸組成合理,起泡性和乳化性與大豆蛋白相當,是一種來源豐富、營養(yǎng)價值高、功能性質良好的食品加工配料[2]。米糠蛋白是一種混合蛋白,根據(jù)溶解性差異,以Osborne分級法依次提取的清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白質量比分別為37∶36∶5∶22,其中超過米糠蛋白總含量三分之一的球蛋白主要是由單鏈組成的低分子量代謝蛋白,具有諸多生理活性,尤其對稻谷發(fā)芽早期生理作用的啟動至關重要[3]。

米糠中含活性較強的脂肪水解酶和脂肪氧化酶,可導致米糠迅速酸敗變質,因此米糠綜合利用之前需要穩(wěn)定化處理[1]。目前我國大米生產(chǎn)企業(yè)分布廣、規(guī)模小、產(chǎn)量低,而米糠穩(wěn)定化設備投資高,很多中小型企業(yè)無力配備,因此普遍采用集中穩(wěn)定化模式處理米糠,由于米糠分布較為分散,集中穩(wěn)定化之前米糠已經(jīng)發(fā)生了不同程度的酸敗[4]。米糠酸敗過程中產(chǎn)生的大量脂質自由基和脂質活性氧化產(chǎn)物具有反應活性,可氧化修飾蛋白質結構[5-6],進而影響蛋白質功能性質。目前沒有米糠酸敗導致米糠蛋白氧化的報道,本研究以不同貯藏時間米糠為原料脫脂制備米糠球蛋白,研究米糠貯藏時間對制備米糠球蛋白功能性質的影響,為開發(fā)米糠球蛋白和提高米糠綜合利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮米糠、大豆油 湖南糧食集團有限責任公司;磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氫氧化鈉、鹽酸、2,4-二硝基苯肼、十二烷基硫酸鈉(SDS) 國藥集團上?；瘜W試劑有限公司;所用試劑均為分析純。

Sorvall LYNX 6000高速落地離心機 美國Thermo Fisher 公司;FD5-4冷凍干燥機 美國GOLD-SIM公司;SHA-2A冷凍水浴恒溫振蕩器 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;FA25高速分散均質機 上海弗魯克流體機械制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 米糠預處理 將新鮮米糠過40目篩除雜質,隨后置于25 ℃、相對濕度85%恒溫培養(yǎng)箱中,分別貯藏0、1、3、5和10 d,取出得到不同酸敗程度的米糠。將不同酸敗程度米糠在室溫條件下按1∶4(w/v)的料液比與正己烷混合脫脂,振蕩30 min后抽濾得到濾餅,濾液旋轉蒸發(fā)回收正己烷,如此重復三次脫脂,將濾餅在通風櫥中室溫風干,制得的脫脂米糠置于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 米糠球蛋白的制備 參考王長遠等[3]方法制備米糠球蛋白。將脫脂米糠以1∶8(w/v)料液比與去離子水混合,在40 ℃條件下攪拌2 h后,將懸浮液在4 ℃條件下8000 r/min離心20 min,棄上清取沉淀;將沉淀與2% NaCl溶液混合,在40 ℃條件下繼續(xù)攪拌2 h后,將懸浮液在4 ℃條件下8 000 r/min離心20 min,上清液用2 mol/L鹽酸調pH至4.3,靜置20 min后在4 ℃條件下8000 r/min離心15 min,水洗沉淀三次,取蛋白沉淀分散于去離子水中并用2 mol/L NaOH調pH至7.0。最后在4 ℃條件下8000 r/min離心30 min除去少量雜質,冷凍干燥得到米糠球蛋白。

1.2.3 米糠球蛋白羰基含量的測定 采用2,4-二硝基苯肼比色法[5],以22000(mol/L)-1cm-1消光系數(shù)計算每毫克蛋白質羰基衍生物的摩爾數(shù)。

1.2.4 米糠球蛋白溶解性的測定 將米糠球蛋白分散于去離子水中,磁力攪拌2 h后,室溫條件10000 r/min離心20 min,收集上清液。隨后采用微量凱氏定氮法測定上清液中可溶解氮含量,蛋白質溶解性表示為可溶解氮與樣品中總氮的百分比。

1.2.5 米糠球蛋白持水性的測定 參考張海暉等[7]方法。預先稱取離心管的質量m1,再準確稱取0.2 g左右米糠球蛋白樣品(m2)置于預先稱重過的離心管中。逐步向離心管中加去離子水(共計6～8 mL),每加一次水就用玻璃棒將樣品攪勻,并在管壁上擦干玻璃棒,于3000 r/min離心20 min,倒去上清液,稱重質量m3。若無上清液,則應再加水攪拌離心,至離心后有少量上清液為止。

1.2.6 米糠球蛋白持油性的測定 參考張海暉等[7]方法。預先稱取離心管的質量M1,再準確稱取0.2 g左右米糠球蛋白樣品(M2)置于預先稱重過的離心管中。逐步向離心管中加大豆油4 mL,用玻棒輕輕攪拌,分散至無明顯顆粒,再用吸管取2 mL大豆油沖洗玻棒和管壁,3000 r/min離心20 min,吸去上層未吸附油,稱重質量M3。

1.2.7 米糠球蛋白起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的測定 參考Zhang等[8]方法。準確稱量0.2 g左右的米糠球蛋白樣品置于已加入20 mL磷酸鹽緩沖液(0.05 mol/L,pH7.0)的50 mL燒杯中。使用高速分散均質機以10000 r/min的速度均質30 s,連續(xù)3次共計2 min,記錄均質后的泡沫體積,記為V0,靜置30 min后再次記錄泡沫體積,記為V30。

1.2.8 米糠球蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的測定 參考Zhang等[8]方法。將米糠球蛋白樣品溶解于去離子水中,調整蛋白濃度為1 mg/mL。取1 mg/mL蛋白溶液15 mL與5 mL大豆油混合放入100 mL燒杯中,于10000 r/min均質2 min后立即開始取樣。取20 μL米糠蛋白-大豆油乳狀液與5 mL 0.1% SDS均勻混合,以0.1% SDS為空白,在500 nm處測定吸光值(記為A0)。乳狀液靜置30 min后采用相同的方法測定乳狀液吸光值(記為A30)。

式中:N:稀釋倍數(shù)(250);C:樣品溶解液中蛋白質濃度(0.001 g/mL);φ:油相所占的分數(shù)(0.25)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗結果用“平均值+標準偏差”表示,重復三次。顯著性采用SPSS20.0軟件統(tǒng)計分析,p<0.05為顯著差異。

2 結果與分析

2.1 貯藏時間對米糠球蛋白羰基含量的影響

目前評價蛋白質氧化程度最常見的指標是蛋白質羰基含量。米糠貯藏時間對米糠球蛋白羰基含量的影響如圖1所示,新鮮米糠制備米糠球蛋白羰基值為1.28 nmol/mg,隨著米糠貯藏時間延長,米糠球蛋白羰基含量不斷增加,貯藏10 d后達到最大值為5.04 nmol/mg。米糠中含有活性較強的脂肪水解酶和脂肪氧化酶,這些酶在米糠貯藏期間可迅速分解脂質產(chǎn)生游離脂肪酸、發(fā)生脂質過氧化反應,造成米糠酸敗。米糠酸敗過程中產(chǎn)生的脂質自由基和脂質活性氧化產(chǎn)物具有生物活性,可誘使蛋白質結構發(fā)生氧化性修飾,引起蛋白質氧化[1,5-6]。田其英[9]發(fā)現(xiàn)低變性脫脂豆粕在常溫和低溫儲存過程中發(fā)生脂質氧化反應,其脂質氧化產(chǎn)物可誘使大豆蛋白氧化,使蛋白羰基含量增加。米糠酸敗期間同樣存在類似脫脂豆粕的脂質氧化體系,因而貯藏期間米糠球蛋白羰基含量的變化極有可能是米糠酸敗產(chǎn)生的脂質氧化產(chǎn)物誘使米糠球蛋白氧化,使蛋白質羰基化,從而造成米糠球蛋白羰基含量增加。

圖1 貯藏時間對米糠球蛋白羰基含量的影響Fig.1 Effect of storage time on the protein carbonyl content of rice bran globulin注:不同小寫字母或大寫字母表示顯著差異,p<0.05;圖2～圖6同。

2.2 貯藏時間對米糠球蛋白溶解性的影響

良好的溶解性是蛋白質功能性質在食品加工領域應用的前提和基礎[10]。米糠貯藏時間對米糠球蛋白溶解性的影響如圖2所示,新鮮米糠制備米糠球蛋白溶解性為66.30%,隨著米糠貯藏時間的延長,米糠球蛋白溶解性顯著降低,貯藏10 d后降至最低值為54.86%。米糠球蛋白溶解性下降可能是由于米糠酸敗產(chǎn)生的脂質自由基和脂質活性氧化產(chǎn)物誘使米糠球蛋白氧化,使米糠球蛋白共價交聯(lián)形成不可溶性聚集體,導致米糠球蛋白溶解性降低。

圖2 貯藏時間對米糠球蛋白溶解性的影響Fig.2 Effect of storage time on solubility of rice bran globulin

2.3 貯藏時間對米糠球蛋白持水性的影響

米糠貯藏時間對米糠球蛋白持水性的影響如圖3所示,新鮮米糠制備米糠球蛋白持水性為281.03%,隨著米貯藏時間的延長,米糠球蛋白持水性呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢,并且在貯藏3 d后達到最大值為325.10%。Cao等[10]發(fā)現(xiàn)不同谷物蛋白的持水能力隨著蛋白質結構穩(wěn)定性變化而改變,尤其與蛋白質疏水/親水基團的分布有密切關系。米糠球蛋白在貯藏過程中的變化可能是短期貯藏時米糠球蛋白氧化程度較低,米糠球蛋白結構緩慢展開,逐漸改變米糠球蛋白內(nèi)部的疏水/親水基團分布情況,使得較多水分進入米糠球蛋白內(nèi)部,從而提高了米糠球蛋白的持水能力;隨著貯藏時間不斷延長,蛋白氧化程度明顯加深并生成羰基衍生物等大分子物質,使得米糠球蛋白結構穩(wěn)定性下降,進而導致米糠球蛋白持水性下降。

圖3 貯藏時間對米糠球蛋白持水性的影響Fig.3 Effect of storage time on water holding capacity of rice bran globulin

2.4 貯藏時間對米糠球蛋白持油性的影響

米糠貯藏時間對米糠球蛋白持油性的影響如圖4所示,米糠球蛋白持油性隨著貯藏時間的延長先上升后下降,且在貯藏3 d后達到最大值為533.55%。Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定化處理脫脂米糠所制備的米糠蛋白持油性主要與其結構變化和內(nèi)部疏水基團暴露有關。米糠貯藏過程中米糠持油性的變化可能是米糠貯藏初期米糠球蛋白氧化程度較低,不斷暴露的疏水基團增加了米糠球蛋白與脂質的吸附能力;隨著貯藏時間的延長,米糠蛋白氧化程度加深使得暴露的疏水基團通過疏水相互作用交聯(lián)形成聚集體,導致米糠球蛋白結構穩(wěn)定性降低,并限制了米糠球蛋白對脂質的吸附能力,使得米糠球蛋白持油性顯著下降。

圖4 貯藏時間對米糠球蛋白持油性的影響Fig.4 Effect of storage time on oil-absorbing capacity of rice bran globulin

2.5 貯藏時間對米糠球蛋白起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的影響

蛋白質的起泡性質與其溶解性相關,一般而言,溶解性較好的蛋白質,其結構易于展開而能在溶解液中形成穩(wěn)定的氣-液界面,從而展現(xiàn)出良好的起泡性質[2]。米糠貯藏時間對米糠球蛋白起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的影響如圖5所示,隨著貯藏時間的延長,米糠球蛋白起泡能力和泡沫穩(wěn)定性均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,不同的是米糠球蛋白起泡能力在貯藏1 d后達到最大值為55.64%;而泡沫穩(wěn)定性則在貯藏3 d后達到最大值為70.46%。米糠貯藏過程中米糠起泡性的變化可能是米糠貯藏初期米糠球蛋白氧化程度較低,此時米糠球蛋白結構局部展開,較多蛋白分子快速吸附至氣-液界面而形成粘彈性和空氣阻隔性良好的連續(xù)蛋白膜,提升了米糠球蛋白的起泡性質;隨著貯藏時間不斷延長,米糠球蛋白氧化程度顯著加深,不斷暴露的疏水基團聚集形成不可溶性聚集體,使米糠球蛋白的結構穩(wěn)定性和溶解性下降,導致米糠球蛋白表面張力下降而無法形成粘彈性良好的連續(xù)蛋白膜,進而降低了米糠球蛋白的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。

圖5 貯藏時間對米糠球蛋白起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of storage time on foaming capacity and foam stability of rice bran globulin

2.6 貯藏時間對米糠球蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

米糠貯藏時間對米糠球蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響如圖6所示。米糠球蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢,不同的是米糠球蛋白乳化性在貯藏3 d后達到最大值為74.92 m2/g;而乳化穩(wěn)定性則在貯藏5 d后達到最大值為21.27 min。Khan等[11]在研究不同穩(wěn)定化處理對米糠蛋白功能性質的影響時發(fā)現(xiàn),米糠蛋白疏水基團的暴露和蛋白表面靜電斥力的分布是引起米糠蛋白乳化特性改變的重要因素;Zhang等[8]也發(fā)現(xiàn)溶解性越好的米糠蛋白越易吸附脂質,進而形成穩(wěn)定的油-水界面。米糠球蛋白在貯藏初期的變化可能主要由于蛋白氧化引起分子內(nèi)部疏水基團暴露,使分子中親油基團吸附至油-水界面而增加了米糠球蛋白與脂質的結合能力,提高了米糠球蛋白的乳化特性;隨著貯藏時間的延長,米糠球蛋白氧化程度加深,一方面使大量暴露的疏水基團通過疏水相互作用聚集形成不可溶性聚集體,降低了米糠球蛋白的溶解性,另一方面改變了蛋白表面靜電斥力,使得油-水界面穩(wěn)定性下降,從而導致米糠球蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性降低。

圖6 貯藏時間對米糠球蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of storage time on emulsification and emulsion stability of rice bran globulin

3 結論

將新鮮米糠貯藏不同時間后脫脂制備米糠球蛋白,研究米糠貯藏時間對米糠球蛋白功能性質的影響。結果發(fā)現(xiàn):隨著米糠貯藏時間延長,米糠球蛋白羰基含量不斷增加,隨之米糠球蛋白溶解性下降;同時,米糠球蛋白持水性、持油性、起泡能力、泡沫穩(wěn)定性、乳化性和乳化穩(wěn)定性均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。表明米糠短期貯藏可部分提高米糠球蛋白功能性質,而長時間貯藏則會降低米糠球蛋白的功能性質,進而影響米糠球蛋白在食品加工領域的應用。

[1]史樂偉,王珂,鄧紅,等.射頻加熱滅酶處理對米糠穩(wěn)定性和品質的影響[J].食品工業(yè)科技,2014,35(12):113-117.

[2]Chandi G K,Sogi D S. Functional properties of rice bran protein concentrates[J]. Journal of Food Engineering,2007,79:592-597.

[3]王長遠,許鳳,程皓.響應面優(yōu)化堿性蛋白酶酶解米糠球蛋白工藝的研究[J].農(nóng)產(chǎn)品加工(學刊),2014,8:18-21,24.

[4]胡健華,雙楊.米糠穩(wěn)定化技術研究[J].武漢工業(yè)學院學報,2013,32(1):1-3.

[5]Wu W,Hou L,Zhang C M,et al. Structural modification of soy protein by 13-hydroperoxyoctadecadienoic acid[J]. European Food Research and Technology,2009,229(5):771-778.

[6]Stadtman E R,Levine R L. Free radical-mediated oxidation of free amino acids and amino acid residues in proteins[J]. Amino Acids,2003,25(3-4):207-218.

[7]張海暉,武妍,段玉清,等.亞臨界水萃取米糠蛋白工藝與功能特性研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2011,42(11):139-143.

[8]Zhang H J,Zhang H,Wang L,et al. Preparation and functional properties of rice bran proteins from heat-stabilized defatted rice bran[J]. Food Research International,2012,47:359-363.

[9]田其英. 脫脂豆粕氧化及其對分離蛋白凝膠性的影響[D].無錫:江南大學,2008.

[10]Cao X H,Wen H B,Li C J,et al. Difference s in functional properties and biochemical characteristics of congenetic rice proteins[J]. Journal of Cereal Science,2009,50:184-189.

[11]Khan S H,Butt M S,Sharif M K,et al. Functional properties of protein isolates extracted from stabilized rice bran by microwave,dry heat,and parboiling[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2011,59:2416-2420.

Effect of storage time on the functional properties of rice bran globulin

CAI Yong-jian1,WU Wei1,*,WU Xiao-juan2,ZHANG Qi1,YE Jian-fen1,ZHONG Shu-jun1,YANG Wei-xia1

(1.School of Food Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,National Engineering Laboratory for Rice and By-product Deep Processing,Changsha 410004,China;2.Hunan Grain Group,Changsha 410201,China)

Fresh rice bran which stored in a condition for different period were used as material to prepare rice bran globulin after defatting,and the effect of storage time on the functional properties of rice bran globulin were investigated. The results indicated that rice bran globulin carbonyl content were increased as storage time increased,which indicated that storage of rice bran lead to oxidation of rice bran globulin. As storage time of fresh rice bran from 0 d to 10 d,solubility of rice bran globulin were decreased from 66.30% to 54.86%,and other functional properties were first increased,and then decreased,which foaming activity of rice bran globulin after 1 d reached maximum value 55.64%,and water holding capacity,oil-absorbing capacity,foaming stability,and emulsifying activity after 3 d reached maximum value 325.10%,533.55%,70.46% and 74.92 m2/g,and emulsifying stability after 5 d reached maximum value 21.27 min. The results indicated that short time storage of fresh rice bran could improve the water holding capacity,oil-absorbing capacity,foaming and emulsification of rice bran globulin,but long time storage had a negative influence on these functional properties.

rice bran;storage;rice bran globulin;protein oxidation;functional properties

2015-01-15

蔡勇建(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：糧油加工，E-mail：cai2097@163.com。

*通訊作者:吳偉(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：糧油加工，E-mail:foodwuwei@126.com。

國家自然科學基金(31201319)；湖南省教育廳項目(14C1181)；湖南省科技計劃專項(2014GK4003)；長沙市科技計劃重大專項(K1404006-21)；中南林業(yè)科技大學研究生科技創(chuàng)新基金(CX2015B07)；中南林業(yè)科技大學大學生創(chuàng)新研究項目。

TS201.1

A

1002-0306(2015)19-0054-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.19.002