大豆分離蛋白提取及其植酸脫除的研究

魯洋 史文靜 王文婷

摘要：大豆分離蛋白（SPI）營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，但其含有的植酸可與礦物質(zhì)離子結(jié)合并減少蛋白質(zhì)可利用性，為獲得SPI最佳提取工藝并降低其植酸含量，通過(guò)堿溶酸沉法從低溫脫脂豆粕中提取SPI，利用離子交換法脫除其中的植酸，篩選出最佳樹(shù)脂，在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了脫除植酸前后SPI的理化性質(zhì)。結(jié)果表明，SPI最佳提取工藝為浸提液料液比1∶10，溫度50 ℃，pH值9.0，提取率達(dá)79.01%。相比于D001，D301和D152型樹(shù)脂，D201型強(qiáng)堿陰離子樹(shù)脂對(duì)植酸脫除效果最佳。脫除植酸后的SPI與脫除前相比，溶解性有所下降，分散速度略有提高，起泡能力提高而泡沫穩(wěn)定性降低。

關(guān)鍵詞：大豆分離蛋白;提取;植酸;脫除;離子交換法

中圖分類號(hào)：TS214.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2020.01.044

Abstract：SPI has high nutritional value，but it contains phytic acid that binds to mineral ions and reduces protein availability. In order to obtain optimal extraction process of SPI and reduce phytic acid content，the SPI was extracted from low-temperature defatted soybean meal through the method of alkali-solution and acid-isolation. The phytic acid was removed by ion exchange and the best resin was selected. On the basis，the physicochemical properties of the SPI before and after removal of phytic acid were compared and analyzed. The results showed that the optimal extraction process of the SPI were solid liquid ratio 1∶10，temperature 50 ℃，pH 9.0，and the extraction rate was 79.01%. Compared with D001，D301 and D152 resins，D201 strong base anion resins had the best removal effect on phytic acid. After removal of phytic acid，the SPI had lower solubility，higher dispersion rate，higher foaming ability and lower foam stability.

Key words：soybean protein isolate;extraction;phytic acid;removal;ion exchange method

大豆分離蛋白（SPI）屬于全價(jià)蛋白，其資源極其豐富，營(yíng)養(yǎng)較為全面，而且具有溶解性、分散性、起泡性等特殊性能[1]。SPI中普遍含有一種抗?fàn)I養(yǎng)因子——植酸，植酸會(huì)和SPI包括一些酶結(jié)合形成植酸蛋白質(zhì)復(fù)合物，從而影響蛋白質(zhì)的生理功能[2]。當(dāng)4.5<pH值<9.0時(shí)，帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)、金屬陽(yáng)離子與帶負(fù)電荷的植酸形成難溶的復(fù)合物[3]，影響人體對(duì)蛋白質(zhì)與礦物質(zhì)的吸收，并且植酸的存在對(duì)SPI的溶解性、分散性、起泡性也有一定影響[4]。所以，在SPI的生產(chǎn)中一般都會(huì)設(shè)法除去植酸。使植酸含量減少的方法主要有溶劑萃取法、膜分離法和離子交換法。其中，溶劑萃取法作為傳統(tǒng)工藝，雖操作簡(jiǎn)單，卻有經(jīng)濟(jì)效益差、得到的產(chǎn)品雜質(zhì)較多等不足之? ?處[5]。膜分離法是采用有選擇性的高分子生物膜，通過(guò)膜兩端的一定濃度和壓力差來(lái)選擇性提取原料組分，但膜分離法中交換液的大分子物質(zhì)容易堵塞超濾膜，清理較為麻煩[6]。離子交換法則是通過(guò)離子交換樹(shù)脂對(duì)植酸的吸附作用來(lái)得到低植酸含量的產(chǎn)品，該方法較適合食品工業(yè)生產(chǎn)[7]。

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化，探究通過(guò)堿溶酸沉法從低溫脫脂豆粕中提取SPI的最佳工藝，然后利用離子交換法研究D001，D201，D301和D152等4種類型樹(shù)脂對(duì)SPI中植酸脫除的效果，篩選出最佳樹(shù)脂，在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析脫除植酸前后SPI的理化性質(zhì)。以上研究能夠?yàn)榈椭菜岷康腟PI提取及生產(chǎn)提供一定的理論參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?主要原料與試劑

1.1.1? ?主要原料

低溫脫脂豆粕，山東萬(wàn)德福實(shí)業(yè)集團(tuán)提供。

1.1.2 主要試劑

氫氧化鈉、鹽酸、濃硫酸、丙酮，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供;無(wú)水乙醇，安徽安特食品股份有限公司提供;植酸鈉，Sigma;D001、D201、D301、D152型樹(shù)脂，安徽三星樹(shù)脂廠提供。

1.2? ?主要儀器

HH-S型恒溫水浴鍋，江蘇國(guó)盛實(shí)驗(yàn)儀器廠產(chǎn)品;SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限公司產(chǎn)品;T系列電子天平，上海越平科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品;UV-5100H型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司產(chǎn)品;20 mm×200 mm離子交換柱，安徽千玻教學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品;HL-2型恒流泵、BSZ-160型自動(dòng)部分收集器，上海滬西分析儀器廠產(chǎn)品;pHS-3C型pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)品。

1.3? ?大豆分離蛋白的提取試驗(yàn)

1.3.1? ?工藝流程

低溫脫脂豆粕→堿溶→離心→酸沉→離心→洗滌、過(guò)濾沉淀→烘干得SPI。

1.3.2? ?操作要點(diǎn)

（1）原料。將豆粕稍加烘干，除去結(jié)塊后備用。

（2）堿溶。向豆粕中加入適量水，調(diào)pH值至堿性條件，在一定溫度下攪拌50 min，溶解其中蛋白質(zhì)。

（3）離心。在4 ℃條件下以轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心15 min，棄去沉淀。

（4）酸沉。將上清液pH值調(diào)至酸性條件，搖勻，室溫下靜置30 min。

（5）離心。在4 ℃條件下以轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心15 min，去除上清液。

（6）洗滌、過(guò)濾沉淀。用蒸餾水洗滌沉淀并抽濾，直至濾液pH值為中性。

（7）烘干。將得到的SPI凝乳放入烘箱中烘干，粉碎，粉狀物即為SPI[8]。

1.3.3? ?蛋白質(zhì)含量的測(cè)定

參照GB 5009.5—2016（第一法），凱氏定氮法。

1.3.4? ?SPI提取率的計(jì)算

SPI提取率=■×100%.

1.3.5? ?SPI提取單因素試驗(yàn)

（1）浸提液料液比對(duì)SPI提取率的影響。按料液比1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶14配制浸提液，并將pH值調(diào)至10.0，在45 ℃水浴中浸取50 min，調(diào)pH值為4.5，以沉淀提取SPI[9]。

（2）pH值對(duì)SPI提取率的影響。料液比為1∶ 10時(shí)，調(diào)浸取液的pH值分別為8，9，10，11，12，在45 ℃水浴中浸提50 min，調(diào)pH值為4.5，以沉淀提取SPI[9]。

（3）溫度對(duì)SPI提取率的影響。浸提液料液比為1∶10，pH值為10的條件下，分別在35，40，45，50，55 ℃水浴中浸提50 min，調(diào)pH值為4.5，以沉淀提取SPI[10-11]。

1.3.6? ?SPI提取正交試驗(yàn)

按照以上3個(gè)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)。

SPI提取正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

1.4? ?脫除植酸最佳樹(shù)脂的選擇

1.4.1? ?樹(shù)脂預(yù)處理

試驗(yàn)選擇4種常見(jiàn)的離子交換樹(shù)脂，分別為D001大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、D201大孔強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂、D301大孔弱堿性陰離子交換樹(shù)脂和D152大孔弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。預(yù)處理方法參照GB/T 5476—2013。

1.4.2? ?樹(shù)脂吸附能力的測(cè)定

分別稱量3.0 g（濕質(zhì)量）4種不同型號(hào)的樹(shù)脂于500 mL燒杯中，再各加入5%的SPI溶液400 mL，調(diào)溶液pH值至8.0，于室溫下靜置12 h后測(cè)樹(shù)脂對(duì)植酸的吸附能力[12]。

樹(shù)脂對(duì)植酸的吸附能力=

式中：C1——SPI溶液中植酸的含量，mg/mL;

C2——離子交換后SPI溶液中植酸的含量，

mg/mL;

V1——離子交換后SPI溶液的體積，mL;

G——樹(shù)脂的濕質(zhì)量，g

1.4.3? ?SPI中植酸脫除工藝流程

SPI→溶解→進(jìn)入離子交換柱→流出液調(diào)pH值至7.0→干燥[13-14]。

1.4.4? ?SPI中植酸含量測(cè)定

參照GB 5009.153—2016測(cè)定SPI中植酸含量。

1.5? ?大豆分離蛋白的理化性質(zhì)

1.5.1? ?溶解性

將最佳工藝條件下提取的SPI進(jìn)行植酸脫除后干燥，收集備用。溶解度的測(cè)定方法參照GB 5413.29—2010，測(cè)量每100 g SPI樣品在規(guī)定條件下溶解后全部溶解的質(zhì)量。

1.5.2? ?分散速度

室溫下向50 mL燒杯中加入20 mL純水，再加入0.2 g SPI，攪拌30 s，過(guò)60目濾網(wǎng)，量取其中5 mL濾液，于105 ℃下烘干，然后稱質(zhì)量[15]。

式中：G——5 mL濾液固形物質(zhì)量，g。

1.5.3? ?起泡性和泡沫穩(wěn)定性

（1）起泡性的測(cè)定方法。向250 mL燒杯中加入200 mL純水，取5 g SPI溶于水，以轉(zhuǎn)速10 000 r/min離心2 min，記錄剛離心后的泡沫體積[15]。

式中：V1——泡沫體積，mL;

200——純水體積，mL。

（2）泡沫穩(wěn)定性的測(cè)定方法

泡沫穩(wěn)定性=■.

式中：V1——上述剛離心后的泡沫體積，mL;

V2——靜置30 min后的泡沫體積，mL。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?大豆分離蛋白提取單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1? ?堿溶浸取液料液比對(duì)SPI提取率的影響

浸提液料液比對(duì)SPI提取率的影響見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，在料液比為1∶6～1∶10時(shí)，SPI提取率逐漸上升，在1∶10之后逐漸下降。料液比升高時(shí)，酸沉提取過(guò)程使蛋白乳清中溶解的球蛋白變多，隨之丟失的蛋白也變多，SPI的提取率就會(huì)降低。故選擇堿溶最佳料液比為1∶10。

2.1.2? ?堿溶pH值對(duì)SPI提取率的影響

堿溶pH值對(duì)SPI提取率的影響見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，pH值為8～10時(shí)SPI的提取率越來(lái)越高，pH值為10～12時(shí)逐漸減小。這可能是因?yàn)楫?dāng)pH值變大時(shí)蛋白分子的表面電荷變多，溶解的蛋白質(zhì)增加，提取的SPI也隨之增多，然而pH值過(guò)高會(huì)使蛋白質(zhì)變性，降低了SPI提取率。因此，選擇最佳pH值為10。

2.1.3? ?堿溶溫度對(duì)SPI提取率的影響

堿溶溫度對(duì)SPI提取率的影響見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，SPI提取率在35～45 ℃時(shí)逐漸升高，超過(guò)45 ℃逐漸降低。溫度升高使SPI溶解度變大，溫度降低溶解度變小，但溫度過(guò)高會(huì)使SPI變性，溶液黏度增加，其溶解度隨之降低，從而減小了SPI的提取率。故可得出最佳堿溶溫度為45 ℃。

2.2? ?大豆分離蛋白提取正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

SPI提取正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，3個(gè)因素對(duì)SPI提取率的影響程度為A>B>C，即料液比對(duì)SPI提取率的影響最大，溫度最小。最佳工藝條件為A2B2C3，即料液比1∶10，堿溶pH值9，溫度50 ℃。在最佳工藝下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到SPI提取率為79.01%。

2.3? ?最佳脫除植酸樹(shù)脂選擇的結(jié)果與分析

不同樹(shù)脂對(duì)植酸的吸附能力見(jiàn)圖4。

不同類型離子交換樹(shù)脂對(duì)植酸的脫除能力不同，從圖4可以看出，陰離子交換樹(shù)脂D201脫除植酸能力比D001，D301，D152型樹(shù)脂要強(qiáng)。這可能是由于SPI溶液中植酸易解離出質(zhì)子，其本身帶有較多的負(fù)電荷，與D201強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂中的負(fù)離子進(jìn)行交換吸附，使植酸能夠被大量脫除。故選擇D201型樹(shù)脂作為最佳樹(shù)脂用于SPI中植酸的脫除。

2.4? ?脫除植酸前后SPI理化性質(zhì)分析

2.4.1? ?SPI溶解度

脫除植酸前后SPI在不同溫度下的溶解度見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，在20～50 ℃時(shí)，經(jīng)植酸脫除的SPI溶解度逐漸增大，超過(guò)50 ℃時(shí)溶解度變化不明顯，該變化趨勢(shì)與未經(jīng)過(guò)植酸脫除的SPI基本一致，但脫除植酸后的SPI溶解度有所降低，溶解度下降的原因可能是SPI在離子交換過(guò)程中與樹(shù)脂發(fā)生了交換反應(yīng)造成。在食品加工生產(chǎn)中SPI的溶解性十分重要，其與SPI其他功能特性，如分散速度、起泡性等均有關(guān)，因此研究SPI在不同溫度下的溶解性有一定實(shí)際意義。

2.4.2? ?SPI分散性

脫除植酸前后SPI的分散性見(jiàn)圖6。

從圖6可以看到，經(jīng)脫除植酸處理的SPI分散性為65.9%，稍高于未經(jīng)植酸脫除的SPI分散性，這可能是因?yàn)椴蝗苄灾菜?蛋白質(zhì)復(fù)合物的解離所引起的，經(jīng)植酸脫除后的SPI能更好、更快地分散于水中。

2.4.3? ?SPI起泡性和泡沫穩(wěn)定性

脫除植酸前后SPI在不同溫度下起泡性和泡沫穩(wěn)定性見(jiàn)圖7。

由圖7（a）可以看出，脫除植酸后SPI的起泡能力隨溫度升高而變大，在20～50 ℃變化較明顯，這一趨勢(shì)與未經(jīng)植酸脫除的SPI一致，且經(jīng)過(guò)植酸脫除后起泡能力有所增加。由圖7（b）可以看出，隨著溫度升高，泡沫穩(wěn)定性逐漸下降，且經(jīng)植酸脫除的SPI泡沫穩(wěn)定性與未經(jīng)脫除的相比有所降低，可能是由于分子構(gòu)象發(fā)生變化引起。溫度的升高使SPI溶解性變大，從而改變了SPI的起泡性和泡沫穩(wěn)定性。

3? ?結(jié)論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用正交試驗(yàn)優(yōu)化得出大豆分離蛋白的最佳提取工藝為堿溶浸提液料液比1∶10，堿溶pH值9，堿溶溫度50 ℃，此時(shí)SPI提取率達(dá)79.01%。D201，D001，D301和D152這4種樹(shù)脂對(duì)植酸的脫除效果不同，結(jié)果表明D201型樹(shù)脂對(duì)植酸的脫除效果最好。脫除植酸后，SPI的溶解度、分散性、起泡能力和泡沫穩(wěn)定性都有變化，其中，溶解度降低，分散性稍有增加，起泡能力提高而泡沫穩(wěn)定性有所下降。研究得出了一些對(duì)提取低植酸含量的SPI有參考和借鑒價(jià)值的參數(shù)和結(jié)論，總體上提高了SPI的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

吳謀成. 功能性食品研究與應(yīng)用[M]. 北京：化工工業(yè)出版社，2004：214-220.

吳道銀. 大豆中抗?fàn)I養(yǎng)因子簡(jiǎn)介[J]. 四川糧油科技，2003（1）：51-52.

OKubo K，Waldorp A，Iacobucci G，et al. Preparation of low-phytate soybean protein isolate and concentrate by ultra-filtration[J]. Cereal Chemistry，1975，52（2）：263-271.

Gosal W S，Ross-Murphy S B. Globular protein gelation[J]. Current Opinion in Colloid and Interface Science，2000（3）：188-194.

袁建，王艷，范哲，等. 響應(yīng)面法優(yōu)化小麥麩皮中植酸的提取工藝[J]. 糧食與飼料工業(yè)，2013（12）：13-17.

史冰清. 植酸的測(cè)定及其提取工藝[J]. 現(xiàn)代食品，2017（15）：78-80.

錢庭寶，朱常英. 離子交換樹(shù)脂在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代化工，1987（4）：57-58，46.

李大鵬，趙睿. 低溫脫脂豆粕中大豆分離蛋白提取工藝的研究[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工，2014（12）：22-24.

石彥國(guó)，任莉. 大豆制品工藝學(xué)[M]. 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1998：154-170.

陳姿含，管驍，李景軍. 響應(yīng)面法優(yōu)化低溫豆粕大豆分離蛋白提取工藝[J]. 生物加工過(guò)程，2012，10（3）：39-44.

尹秀蓮，趙瑜輝，管明，等. 大豆分離蛋白提取及其凝膠制備影響因素研究[J]. 食品與發(fā)酵科技，2017，53（6）：62-66.

王琳，羅建平，查學(xué)強(qiáng)，等. 陰離子交換樹(shù)脂對(duì)米糠植酸的吸附解析性能[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（5）：160-165.

陶然，范玲慧，李雯，等. 離子交換法制備低植酸含量大豆蛋白的研究[J]. 大豆科學(xué)，2015，34（2）：293-297.

李健秀，王建剛. 植酸的制備及應(yīng)用發(fā)展[J]. 化工進(jìn)展，2006，25（6）：629-633.

王一熹. 半干法改性對(duì)大豆分離蛋白特性的影響[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016. ◇