米糠蛋白提取工藝研究進(jìn)展

曹慧英，李航，段慶松，霍金杰，肖志剛，高育哲

沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院（沈陽 110034）

米糠是大米加工的廉價(jià)副產(chǎn)品，其蛋白質(zhì)、油脂、膳食纖維和其他微量植物化學(xué)成分具有較高的營養(yǎng)價(jià)值[1]。米糠中含10%～16%蛋白質(zhì)，由于米糠蛋白良好的生物價(jià)值、抗癌活性、低致敏性及其豐富營養(yǎng)價(jià)值而被廣泛認(rèn)可。近年來，米糠因其高營養(yǎng)特性，如均衡的氨基酸、低過敏性、低膽固醇和降血脂作用，以及高抗癌活性等而備受關(guān)注[2]。除此之外，米糠蛋白不含乳糖、麩質(zhì)和大豆，這使得它在非過敏和健康食品領(lǐng)域具有良好的市場機(jī)會(huì)。大米蛋白被認(rèn)為是最重要的植物蛋白之一，可用于嬰兒食品、無麩質(zhì)食品等多種產(chǎn)品中。因此，尋找提取米糠蛋白質(zhì)的方法具有重要的研究意義。

對(duì)于用于米糠蛋白的提取方法，如堿法提取、酶法提取、物理方法、多溶劑萃取等，在米糠蛋白的聚集和二硫鍵交聯(lián)的作用下，米糠蛋白的提取仍然很困難[3]。米糠含有高植酸鹽（1.7%），植酸鹽可以與蛋白質(zhì)結(jié)合，因此很難將蛋白質(zhì)從中分離出來。而且，植酸還會(huì)與可能影響蛋白質(zhì)溶解度的物質(zhì)相互作用。pH低于蛋白質(zhì)等電點(diǎn)（約pH 5）時(shí)，植酸鹽的陰離子磷酸鹽基團(tuán)與蛋白質(zhì)的陽離子基團(tuán)強(qiáng)結(jié)合。pH高于等電點(diǎn)（約pH 5）時(shí)，蛋白質(zhì)和植酸都帶有凈負(fù)電荷。然而，在此pH下，植酸在鈣等多價(jià)陽離子存在下仍能與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成蛋白質(zhì)-陽離子植酸的三元絡(luò)合物[4]，均會(huì)影響蛋白質(zhì)的提取。

1 米糠蛋白提取工藝

自20世紀(jì)70年代以來，關(guān)于米糠蛋白提取方法的研究取得進(jìn)展。米糠蛋白的主要提取步驟包括物理方法、堿處理、酶水解和多溶劑萃取等。

1.1 物理方法

物理方法可通過破壞細(xì)胞壁來為米糠蛋白的提取創(chuàng)造良好的條件。雖然提取效率相對(duì)較低，但物理技術(shù)以其操作簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)在蛋白質(zhì)的提取中仍有廣泛應(yīng)用。提取工藝：經(jīng)物理處理后，調(diào)pH 4.5，根據(jù)等電點(diǎn)沉淀法來回收米糠蛋白，具體物理處理方法及結(jié)果見表1。

表1 物理處理提取米糠蛋白

膠體研磨和均質(zhì)化降低米糠的粒徑，并影響了回收產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的分布，超聲波或水煮烹飪可以破壞細(xì)胞壁和分子鍵，稀硫酸浸泡可以幫助超聲波使生物量的結(jié)構(gòu)變松或打開，從而提高蛋白質(zhì)的溶劑可及性。雖然物理技術(shù)工業(yè)化更容易、更經(jīng)濟(jì)，但與以前的化學(xué)和酶法提取相比，蛋白質(zhì)回收率明顯降低。這表明物理方法在破壞蛋白質(zhì)中各組分之間的廣泛聚集還是有所不足。因此，建議物理處理結(jié)合其他方法，如酶處理和堿處理等，可以更有效地從米糠中提取蛋白質(zhì)。

1.2 化學(xué)方法

1.2.1 堿法提取

堿處理是生產(chǎn)米糠蛋白最常用的方法，高濃度NaOH溶液可導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集物中的氫、酰胺和二硫鍵水解[10]。提取工藝為米糠經(jīng)正己烷（1∶10，W/V）脫脂4 h，通風(fēng)櫥風(fēng)干一夜后，溶于去離子水（1∶6，W/V），攪拌1 h，用2 mol/L NaOH溶液調(diào)pH 9.0，攪拌2 h，以1000 g離心30 min。取上清液，用2 mol/L HCl溶液調(diào)pH 4.5，以1000 g離心20 min，取沉淀，去離子水洗滌，冷凍干燥，即得米糠蛋白。在pH方面，pH 7.5～11，蛋白質(zhì)純度線性增加，達(dá)到pH 12時(shí)開始降低，這是由于在較高pH下一些非蛋白氮的溶解作用[11]。Yadav等[12]設(shè)定條件為：在pH 11，60 ℃下攪拌60 min，在pH 4.5，所得米糠蛋白最佳提取率為13.2%。而Zhang等[13]對(duì)于熱穩(wěn)定的米糠設(shè)定條件為：在pH 9.5，50 ℃下攪拌20 min，在pH 3.8，所得最佳提取率為32.9%。結(jié)合物理處理與堿法，獲得較好的米糠蛋白提取率。具體條件及結(jié)果見表2。

表2 物理處理輔助堿法提取米糠蛋白

在極端的堿性或高溫環(huán)境下，蛋白會(huì)發(fā)生變性，并且產(chǎn)生令人不好的氣味和顏色，導(dǎo)致各種營養(yǎng)物質(zhì)不必要的損失，同時(shí)還會(huì)伴隨著產(chǎn)生一些有毒化合物，如賴氨酸氨基丙氨酸等。堿法提取米糠蛋白的缺點(diǎn)突出。因此，探索米糠蛋白提取的有效方法還有待進(jìn)一步研究。

1.2.2 酶法提取

與堿法相比較，酶法是一種不需極端條件就可以提取米糠蛋白的溫和方法，既保留了米糠蛋白特有的營養(yǎng)特性，又改善米糠蛋白的功能和感官特性，并且通過從多糖基質(zhì)中釋放更多的蛋白質(zhì)提高中性pH下的產(chǎn)量[16]。將米糠樣品（10 g）置于1個(gè)錐形瓶中，并將4個(gè)體積pH 3.8～5.4的醋酸鹽溶液放入培養(yǎng)設(shè)備中，醋酸鹽中含有任意1種或多種酶，水浴震蕩3～4 h，在40 ℃下培養(yǎng)。酶處理后，加入6體積的去離子水，用2 mol/L NaOH溶液調(diào)pH 7.0，1 h后，以3500 g離心15 min[17]，具體條件及結(jié)果見表3。

隨著酶的使用，米糠蛋白提取率顯著提升。從表3中能夠看出，植酸酶和木聚糖酶的聯(lián)合應(yīng)用使得米糠蛋白獲得最高的提取率（74.6%）和純度（92.0%）。Wang等[11]認(rèn)為植酸酶和木聚糖酶的結(jié)合具有釋放和提高與細(xì)胞成分、礦物質(zhì)和/或植酸結(jié)合的蛋白質(zhì)的可提取性的優(yōu)點(diǎn)。因此，釋放的蛋白質(zhì)可以溶解，分離，并以分離物的形式獲得。且在植酸酶和木聚糖酶處理過程中，這些柔性蛋白質(zhì)的表面可能會(huì)有更多的親水基團(tuán)，這可能導(dǎo)致這種米糠蛋白的表面疏水性低于未經(jīng)植酸酶和木聚糖酶處理的米糠蛋白。植酸酶和木聚糖酶水解米糠釋放的RBPI具有更為靈活的無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)。由于植酸鹽、礦物質(zhì)和細(xì)胞成分的損失，這些蛋白質(zhì)可能更具彈性，因?yàn)樗鼈兪?fù)雜的二級(jí)或三級(jí)結(jié)構(gòu)，具有與蛋清相似的起泡特性。由于酶的成本較高，無法實(shí)現(xiàn)酶法提取米糠蛋白的商業(yè)化生產(chǎn)。

表3 酶法提取米糠蛋白

1.2.3 多溶劑萃取

米糠中的蛋白質(zhì)可在水、鹽、醇溶液和酸中溶解，將其依次分為白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白。多溶劑萃取就是分別用水、2% NaCl、70%乙醇和0.1 mol/L鹽酸將米糠蛋白質(zhì)依次分離為34%白蛋白、15%球蛋白、6%醇溶蛋白和11%谷蛋白。剩余的不溶性部分由高分子量多肽組成，具有較強(qiáng)的聚集性和交聯(lián)性。具體工藝：新鮮米糠經(jīng)0.250 mm孔徑篩過濾后，在室溫下用1∶10（g/mL）正己烷脫脂3次，時(shí)間4 h。在4 ℃下去除己烷10 min，并將顆粒部分在4 ℃下干燥48 h，篩分至0.250 mm，并在4 ℃下儲(chǔ)存直至使用。使用2% NaCl在150 r/min（25 ℃和1 h）下進(jìn)行振蕩，在5000g離心機(jī)分離2次（每次15 min），組合上清液通過光譜透析膜在4 ℃下用蒸餾水透析48 h，分餾成白蛋白和球蛋白，用70%乙醇提取復(fù)合沉淀，上清液以5000g離心15 min得到醇溶蛋白，用0.1 mol/L氫氧化鈉提取得到谷蛋白。結(jié)果為清蛋白提取率34.4%，球蛋白提取率30.7%，醇溶蛋白提取率5.5%，谷蛋白提取率23.4%[25]。

16 kDa米糠白蛋白具有抗氧化活性，并且米糠白蛋白的性質(zhì)比其他米糠蛋白更加明顯，能阻止Cu2+誘導(dǎo)的低密度脂蛋白氧化，性質(zhì)與血清白蛋白類似。米糠白蛋白的抗氧化活性之所以與血清白蛋白相似，是因?yàn)樗鼈兊腘端氨基酸序列是同源的。因?yàn)橹参锖幸欢康柠}，所以可以同時(shí)進(jìn)行白蛋白和球蛋白的提取。球蛋白中含有適量的胱氨酸和蛋氨酸，但不含賴氨酸。由于它們帶有凈電荷，它們都很容易溶于鹽水。廣泛聚集、二硫鍵合和糖基化是大米谷蛋白的特性之一，這些特性使其難以溶解，難以從米糠中提取。

多溶劑萃取的米糠蛋白和堿法提取的米糠蛋白的氨基酸組成相比，谷氨酸鈉和賴氨酸含量均高于堿法提取的米糠蛋白。pH 8左右時(shí)，可溶性成分主要是白蛋白，其次為球蛋白，還有很少的醇溶蛋白和谷蛋白。pH 12時(shí)，白蛋白具有最高的起泡能力（95.3%）。而醇溶蛋白分子內(nèi)疏水性較強(qiáng)或分子外疏水性較低或較松散。白蛋白中含有較多的α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲，球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白中β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲不多，說明多溶劑萃取提取后，球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白失去了有序的二級(jí)結(jié)構(gòu)。這些性質(zhì)揭示米糠蛋白在乳化、起泡、發(fā)泡等方面的潛在應(yīng)用前景，為米糠蛋白組分結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究提供基礎(chǔ)。

2 米糠蛋白功能特性及應(yīng)用

米糠蛋白在功能性食品配料和營養(yǎng)補(bǔ)充劑等方面具有很高的潛力。米糠蛋白的蛋氨酸、酪氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、組氨酸、胱氨酸、精氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸和色氨酸含量與大豆分離蛋白相近或較高。由于嬰兒的快速生長和胃腸功能的不成熟，嬰兒有非常關(guān)鍵的營養(yǎng)需求，且米糠蛋白具有低過敏性，它可以作為嬰兒食品配方和食物過敏兒童限制飲食的合適成分。此外，從米糠蛋白質(zhì)中提取的肽被報(bào)道具有更好的溶解性和乳化能力，以及令人滿意的生理功能，包括抗氧化劑、抗癌、抗糖尿病能力和降血脂功能，因此，它們可以作為其他蛋白質(zhì)肽用于健康補(bǔ)充劑[26]和特殊飲食食品中。

米糠蛋白可以通過氫鍵和疏水相互作用作為生物活性化合物的載體[26]。米糠白蛋白與其他蛋白一樣，其容易溶于水，因?yàn)榇嬖谧銐虻膬綦姾珊腿狈θ魏螐V泛的二硫鍵交聯(lián)或聚集，而且米糠白蛋白在防止Cu2+誘導(dǎo)的低密度脂蛋白氧化方面比其他大米蛋白更加有效[27]。將米糠蛋白（如球蛋白和白蛋白）加入茶兒茶素中可以提高茶兒茶素在消化過程中的穩(wěn)定性。水解度15.1%的米糠蛋白水解物可有效抑制糊化大米淀粉的回生[28]。因此，有可能成為保持淀粉基食品質(zhì)量的天然替代品。米糠蛋白還具有較好的水和油的吸附能力，無麩質(zhì)面包通過添加2%米糠蛋白濃縮物改善比體積、孔徑、保氣性和貨架期。有研究用蛋清蛋白、乳清蛋白濃縮物、大豆蛋白濃縮物和米糠濃縮蛋白制備富含蛋白質(zhì)的無麩質(zhì)面食。近年來，越來越多的米糠蛋白制品應(yīng)用投放于市場。其中，理柏科技的Proryza黃金就是一種低過敏性米糠纖維和蛋白質(zhì)產(chǎn)品，適合作為健康營養(yǎng)食品的營養(yǎng)成分。

3 結(jié)語與展望

對(duì)米糠蛋白的提取工藝、功能特性及其在各方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述。米糠蛋白來源簡單廉價(jià)，具有獨(dú)特的低過敏性和抗癌活性等營養(yǎng)價(jià)值，具有很大應(yīng)用開發(fā)潛力。然而，根據(jù)以往的研究，米糠蛋白性質(zhì)復(fù)雜，提取困難。堿法提取堿性過大會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，酶法具有較好的提取率，但是酶的成本較高，單純物理處理提取率較低。近幾年，研究者趨向于結(jié)合一種或多種輔助方式對(duì)米糠蛋白進(jìn)行提取，使米糠蛋白提取率提高。為充分利用米糠中蛋白質(zhì)，需要開展更多研究工作，找到一種更加簡單、經(jīng)濟(jì)的米糠蛋白提取工藝。