超聲波處理對(duì)燕麥蛋白質(zhì)含量及功能特性的影響

徐長(zhǎng)韋，周海龍，馬利華，王 露

（徐州工程學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，江蘇 徐州 221111）

燕麥為禾本科一年生草本植物,屬小雜糧，燕麥中含有脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、抗氧化物等營(yíng)養(yǎng)成分，是一種優(yōu)質(zhì)谷物[1]。蛋白質(zhì)不僅影響加工食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且也關(guān)乎食品的品質(zhì)特性，食品的感官特性受蛋白質(zhì)特性的影響，同時(shí)食品成分在加工過程中的物理特性也會(huì)受到蛋白質(zhì)特性的影響，因此蛋白質(zhì)研究是食品領(lǐng)域的熱門之一[2]。

超聲波處理可通過在一定范圍內(nèi)增加超聲功率，使超聲波振蕩頻率增加，液體中的壓力增大，超聲波的空化作用和機(jī)械剪切力作用得到增強(qiáng)，細(xì)胞壁被破壞的速度加快，有利于蛋白質(zhì)分子展開并與溶劑接觸，最終促進(jìn)蛋白質(zhì)溶解于提取液中，具有效率高、成本低、操作簡(jiǎn)單、污染小等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。其次，超聲處理還改變了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，從而改變蛋白的功能特性。邵婷等[5]以脫脂辣木籽粉為原料，采用超聲輔助法提取蛋白質(zhì)，最高提取率可達(dá)88.09%；李超楠等[6]采用超聲波輔助提取碎米蛋白，其提取率高于堿溶酸沉法，提取時(shí)間縮短了2～3 h，且持水性、持油性、泡沫穩(wěn)定性及乳化性均有所提高；耿軍鳳等[7]研究表明，在超聲波功率密度3.17 W/cm3、時(shí)間30 min、溫度35℃和占空比50%時(shí)，花生蛋白的溶解度、持水性和起泡性等功能特性有所改善。

本研究以燕麥為原料，考察不同超聲功率及超聲時(shí)間處理后燕麥蛋白質(zhì)含量及功能特性的變化，以期為燕麥蛋白質(zhì)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

燕麥：本地大潤(rùn)發(fā)超市購買。石油醚、NaOH、HCl、考馬斯亮藍(lán)G-250、磷酸、95%乙醇：均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；2,2’-聯(lián)氮雙（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）：美國(guó)Sigma公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

YM-1000Y超聲波細(xì)胞粉碎儀：上海新芝科技股份有限公司；VFD-1000冷凍干燥機(jī)：天津東美儀器公司；RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海華科儀器儀表有限公司；ZNCL-BS恒溫磁力加熱攪拌器：上海越眾儀器設(shè)備有限公司；TG-16W-I高速離心機(jī)：濟(jì)南鑫宇鑫醫(yī)療設(shè)備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 超聲波處理燕麥及蛋白質(zhì)的提取

取適量燕麥粒置于燒杯中，超聲時(shí)在盛放樣品的燒杯外套一個(gè)裝有冷水的大燒杯（以達(dá)到控溫的作用），分別采用超聲功率100、200、300、400 W對(duì)燕麥超聲波處理5、10、15、20、25、30 min，超聲波處理結(jié)束后，將燕麥粒粉碎備用。

采用堿溶酸沉法[8]提取燕麥蛋白。將粉碎后的燕麥粉按料液比1∶2（g/mL）添加石油醚浸泡30 min后，將石油醚倒掉，并待石油醚揮發(fā)完全即可得脫脂燕麥粉。按料液比1∶10（g/mL）加入蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH為10，于40℃水浴2 h，4 000 r/min離心20 min，收集上清液，調(diào)節(jié)pH為4有沉淀析出，靜置、離心，將沉淀水洗至中性，進(jìn)行冷凍干燥，即可得燕麥蛋白質(zhì)。

1.2.2 燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量的測(cè)定

采用考馬斯亮藍(lán)法，參照參考文獻(xiàn)[9]并作修改。

以牛血清白蛋白制備標(biāo)準(zhǔn)溶液，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線C=0.009 0X-0.041 8，R2=0.993 5。

式中：X為吸光度；C為蛋白質(zhì)濃度，μg/mL。

式中：C為蛋白質(zhì)濃度，μg/mL；V為樣液總體積，mL；m為樣品質(zhì)量，g。

1.2.3 燕麥蛋白質(zhì)持油性的測(cè)定

參照參考文獻(xiàn)[10]并略有修改：稱取1 g燕麥蛋白質(zhì)樣品于離心管中，稱量離心管和蛋白質(zhì)樣品的總質(zhì)量，加入5 mL大豆油攪拌后，于4 000 r/min離心15 min，離心后取出游離油，稱量離心管與管中沉淀物的總質(zhì)量。式中：m為蛋白質(zhì)樣品的質(zhì)量，g；m1為離心管和蛋白質(zhì)樣品的總質(zhì)量，g；m2為離心管與管中沉淀物的總質(zhì)量，g。

1.2.4 燕麥蛋白質(zhì)乳化性的測(cè)定

參照參考文獻(xiàn)[11]并作修改：取燕麥蛋白質(zhì)樣品0.50 g于10 mL蒸餾水中并加入等體積大豆油，用磁力攪拌器以1 800 r/min攪拌5 min，然后在2 000 r/min條件下離心10 min，記錄乳化層高度，計(jì)算其乳化性。

1.2.5 燕麥蛋白質(zhì)氮溶指數(shù)的測(cè)定

參照參考文獻(xiàn)[12]并作修改：稱0.5 g樣品加入蒸餾水定容至50 mL，攪拌混勻后進(jìn)行離心（2 000 r/min，15 min），取上清液，用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白質(zhì)含量，計(jì)算氮溶指數(shù)。

式中：NSI為蛋白質(zhì)氮溶指數(shù)，%；N1為上清液中蛋白質(zhì)含量，mg；N2為燕麥提取蛋白質(zhì)含量，mg。

1.2.6 燕麥蛋白質(zhì)DPPH·清除率的測(cè)定

DPPH·是一種穩(wěn)定的自由基，其乙醇溶液顯紫色，在517 nm處有最大吸收，當(dāng)有自由基清除劑存在時(shí)，DPPH·的單電子由于被配對(duì)，DPPH·濃度減小而使其顏色變淺，在517 nm處的吸光度值變小，從而計(jì)算出其清除DPPH·的能力。

稱取0.012 8 g DPPH溶解于50 mL容量瓶中，定容、搖勻配制成DPPH溶液[13]。取1 g燕麥蛋白質(zhì)樣品加入10 mL蒸餾水，搖勻后靜置1 h，過濾，取上清液備用。2 mL DPPH溶液及1 mL 70%乙醇溶液在517 nm處的吸光度記為A0，2 mL DPPH溶液加入1 mL上清液在517 nm處的吸光度記為Ai，2 mL DPPH溶液加入1 mL 70%乙醇在517 nm處的吸光度記為Aj，按照下列公式計(jì)算DPPH·清除率（SA）。

1.2.7 燕麥蛋白質(zhì)ABTS+·清除率的測(cè)定

參考劉曉燕等[14]的方法。取1 g燕麥蛋白質(zhì)樣品加入10 mL蒸餾水，搖勻后靜置1 h，過濾，取上清液備用。取7 mmol/LABTS溶液（用pH為7.4的5 mmol/L磷酸緩沖液（PBS）配制），加入過硫酸鉀最終濃度為2.45 mmol/L，在室溫下黑暗放置12～16 h。使用前將ABTS溶液用PBS稀釋成在734 nm下吸光度為0.70±0.02。取8μL樣品，用PBS（5 mmol/L，pH 7.4）補(bǔ)至12μL，加入200μL ABTS溶液，30℃反應(yīng)1 h。以去離子水為對(duì)照，在734 nm下測(cè)定吸光度，計(jì)算樣品的ABTS＋·清除能力。

式中：A0為空白對(duì)照液的吸光度；A1為樣品測(cè)定管的吸光度；A2為樣品本底管的吸光度。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理

采用Origin和Excel軟件進(jìn)行分析、處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

提取率的提高與超聲波獨(dú)特的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)密不可分，但同時(shí)也與超聲波對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響有一定聯(lián)系[15]。

由圖1可以看出，超聲處理后燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量均高于未處理燕麥，不同超聲功率下，超聲前期，燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，達(dá)到峰值后下降?？梢娺m當(dāng)?shù)某晽l件可以使燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量升高，但超聲功率過大、時(shí)間過長(zhǎng)反而會(huì)使蛋白質(zhì)變性，影響燕麥中可溶性蛋白質(zhì)的溶出率?？偟膩砜?，超聲功率大，可采用較短的超聲時(shí)間，而超聲功率小，則需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到最大值。

圖1 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.1 Effects of different ultrasonic power and treatment time onsoluble protein content of oat

超聲功率100 W在超聲25 min時(shí)燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高值，超聲功率200、300、400 W時(shí)，燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量均在15 min達(dá)到最高值，且超聲功率200 W處理15 min的燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量最高，為67.92 mg/g，因此確定其為最佳超聲處理?xiàng)l件。

2.2 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)持油性的影響

持油性是指蛋白產(chǎn)品吸附油脂的能力，是非極性脂肪族鏈和蛋白質(zhì)非極性區(qū)之間的疏水性互相作用的結(jié)果[16]。圖2顯示，超聲處理后燕麥蛋白質(zhì)的持油性均高于未處理燕麥，可能是由于超聲波與脂肪分子中的烴鏈相互作用后，非極性殘基側(cè)鏈暴露于分子表面，從而導(dǎo)致油脂更易滲出[17]。隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，燕麥蛋白質(zhì)持油性達(dá)到最高值后有所下降，這可能是因?yàn)槌暡ㄌ幚硎共糠值鞍踪|(zhì)變性，結(jié)構(gòu)變得緊密，不溶性蛋白質(zhì)增多，導(dǎo)致其持油性下降。超聲功率100、200、300、400 W分別在超聲20、15、10、5 min時(shí)出現(xiàn)最高峰，且超聲功率200 W處理15 min的燕麥蛋白質(zhì)持油性最佳，達(dá)到1.84 g/g。

圖2 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)持油性的影響Fig.2 Effects of different ultrasonic power and treatment time on oil retention of oat protein

2.3 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)乳化性的影響

蛋白質(zhì)作為一種表面活性物質(zhì)，既含有親水性基團(tuán)，又含有親油性基團(tuán)，具有降低水-油界面表面張力的作用，同時(shí)其降低水和空氣表面張力的能力表現(xiàn)為乳化穩(wěn)定性，在食品加工中應(yīng)用蛋白質(zhì)的表面活性，使產(chǎn)品具有乳化穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而可以延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期[18]。

蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)隨著超聲波處理時(shí)間的增加而愈加疏松，從而使極性部分朝向水相，非極性部分朝向脂質(zhì)，適當(dāng)?shù)某曁幚砜梢蕴岣哐帑湹鞍椎娜榛阅躘19]。由圖3可見，超聲功率100 W在處理25 min時(shí)蛋白質(zhì)乳化性達(dá)到最大值，超聲功率200、300 W在超聲15 min時(shí)達(dá)到最大，超聲功率400 W則在超聲10 min時(shí)達(dá)到最大值。超聲功率為200 W處理15 min時(shí)乳化性最高（49.82%），為最佳超聲處理?xiàng)l件。

圖3 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)乳化性的影響Fig.3 Effects of different ultrasonic power and treatment time on emulsification of oat protein

2.4 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)氮溶指數(shù)的影響

超聲波處理能夠一定程度提高燕麥蛋白質(zhì)的氮溶指數(shù)，這可能是由于超聲處理過程中，超聲空穴效應(yīng)增大了固液接觸的表面積，大量的空穴氣泡使得蛋白顆粒周圍形成較大的壓強(qiáng)，充分伸展了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，肽鍵斷裂，相互間的作用力下降，親水性氨基酸暴露，從而增強(qiáng)了溶解性[20]。

由圖4可見，超聲功率為100 W在處理20 min時(shí)氮溶指數(shù)達(dá)到最大值，超聲功率200、300、400 W則均在超聲15 min時(shí)達(dá)到最大，之后，隨著超聲時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，氮溶指數(shù)有所下降。超聲功率為400 W處理15 min時(shí)氮溶指數(shù)達(dá)到最高（29.01%），與200 W處理15 min最高值（28.91%）接近。綜合考慮，選擇最佳超聲處理?xiàng)l件為200 W處理15 min。

圖4 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)氮溶指數(shù)的影響Fig.4 Effects of different ultrasonic power and treatment time on nitrogen solubility index of oat protein

2.5 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)DPPH·清除率的影響

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是其功能特性的基礎(chǔ)，空間結(jié)構(gòu)的改變會(huì)在一定程度上引起蛋白質(zhì)功能特性的變化[21]。超聲波處理不只對(duì)蛋白質(zhì)的理化功能特性有影響，對(duì)蛋白質(zhì)的生物活性也有一定程度的影響。

由圖5可以看出，未經(jīng)超聲處理時(shí)，燕麥蛋白質(zhì)對(duì)DPPH·的清除率為26.01%，隨著超聲時(shí)間和功率的變化，燕麥蛋白質(zhì)對(duì)DPPH·的清除作用均有一定程度的提高，這可能與超聲波處理改變了燕麥蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。超聲功率為100 W在處理20 min時(shí)，燕麥蛋白質(zhì)DPPH·清除率達(dá)到最大值，超聲功率200 W在超聲15 min時(shí)達(dá)到最大值，超聲功率300、400 W則在超聲10 min時(shí)達(dá)到最大值。超聲功率為200 W處理15min時(shí)DPPH·清除率達(dá)到最高（88.03%），為最佳超聲處理?xiàng)l件。

圖5 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)DPPH·清除率的影響Fig.5 Effects of different ultrasonic power and treatment time on DPPH free radical scavenging rate of oat protein

2.6 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)ABTS+·清除率的影響

由圖6可以看出，超聲波處理能夠提高燕麥蛋白質(zhì)對(duì)ABTS+·的清除作用，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，各功率下燕麥蛋白質(zhì)對(duì)ABTS+·的清除率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。超聲功率為100 W在處理20 min時(shí)，燕麥蛋白質(zhì)ABTS+·清除率達(dá)到最大值，超聲功率200、300 W均在超聲15 min時(shí)達(dá)到最大，超聲功率400 W則在超聲10 min時(shí)達(dá)到最大值。超聲功率為200 W處理15 min時(shí)ABTS+·清除率達(dá)到最高（81.93%），為最佳超聲處理?xiàng)l件。

圖6 不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)燕麥蛋白質(zhì)ABTS+·清除率的影響Fig.6 Effects of different ultrasonic power and treatment time on ABTS cation free radical scavenging rate of oat protein

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究了不同超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)燕麥中可溶性蛋白質(zhì)含量、功能特性及抗氧化活性的影響。結(jié)果表明，超聲功率200 W處理15 min為最佳超聲處理?xiàng)l件。適當(dāng)?shù)某暡ㄌ幚砜梢蕴岣哐帑湹目扇苄缘鞍踪|(zhì)含量，改善燕麥蛋白質(zhì)功能特性和抗氧化性，但是超聲時(shí)間過長(zhǎng)、功率過高會(huì)破壞蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)、改變蛋白質(zhì)分子聚集程度以及蛋白質(zhì)表面的疏松程度等，致使蛋白質(zhì)變性[22]，蛋白質(zhì)持油性、乳化性等蛋白質(zhì)特性以及DPPH·清除率、ABTS+·清除率出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，從而對(duì)蛋白質(zhì)食品及生物活性產(chǎn)生不利影響。本試驗(yàn)結(jié)果可為燕麥蛋白質(zhì)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)利用提供理論參考。