从碎米和米渣中提取大米蛋白的研究进展

从碎米和米渣中提取大米蛋白的研究进展

美国蛋白质是一种公认的优质植物蛋白，具有平衡、合理、低过敏等特点。适合婴儿和特殊人群的营养食品。国内外高度重视对美国蛋白质的研究和开发。从经济性角度看,直接从整米中提取并不是最佳选择,但碎米、米渣可作为大米蛋白提取的原料。我国稻米资源丰富,稻谷总产量达到1.867亿t,约占粮食作物总产量的44%。稻谷在加工过程中产生约55%的整米,15%的碎米,10%的米糠和20%的谷壳。但是碎米和米糠的售价及综合利用水平一直不高,为了提升碎米的附加值,很多企业用碎米生产大米淀粉糖,提糖后的残渣中蛋白质含量高达50%,因此,残渣可作为提取大米蛋白的优质资源。据报道:在大米淀粉糖生产中每消耗7t碎米将产生1t米渣蛋白,因此米渣蛋白资源甚为可观。目前碎米或早籼米生产糖产生的米渣主要用于动物饲料,未能将这一宝贵的蛋白资源进行更充分的利用。笔者重点论述从碎米和米渣中提取大米蛋白的方法和对大米蛋白改性的研究进展。1蛋白质氨基酸大米蛋白的氨基酸配比合理,生物价为77,不但在各种粮食中居第一位(包括大豆),而且可以与鱼(生物价76)、虾及牛肉相媲美。大米中蛋白质的氨基酸成分比较完全,含有人体和动物生长所必需的各种氨基酸,与FAO/WHO所推荐的营养配比模式极相近(如表1所示)。同时,大米蛋白是一种低抗原性蛋白,不会产生过敏反应,美国临床研究表明,在700个遗传性过敏症的病例中,高度过敏病人中对大米蛋白过敏的低于1%,而儿科过敏病人中很少对大米蛋白过敏。2pb-及民糖抗氧化蛋白的结构及功能按照Osborne的分类方法,大米蛋白质可分为清蛋白(Albumin)——可溶解于水的蛋白质(4%～9%);球蛋白(Globulin)——可溶于稀盐的蛋白质(10%～11%);醇溶蛋白(Gliadin)——可溶解于70%乙醇的蛋白质(3%);谷蛋白(Glutenin)——可溶于稀酸或稀碱的蛋白质,其中水不溶性的谷蛋白占66%～78%。大米蛋白在胚乳中主要以PB-I和PB-Ⅱ两种蛋白体形式存在,PB-Ⅰ具有明显的片层结构,颗粒致密,表面有许多核糖体;而PB-Ⅱ呈椭圆形,质地均匀,表面没有核糖体。超微结构观察和生化研究表明,PB-Ⅱ的数量多于PB-Ⅰ。经过SDS分析,α-谷蛋白和β-谷蛋白分子以及12ku蛋白产生抗体,这些抗体显示高特异性,25ku球蛋白和12ku醇溶蛋白的抗体与其各自的蛋白肽反应强烈,而与其它蛋白之间存在轻微的可交叉反应。球蛋白位于胚乳细胞中,OgawaM的SDS分析显示,PB-I包含几种多肽组,主要是分子最大的13ku醇溶蛋白组和分子较小的10ku、16ku的球蛋白组等,后来又发现13ku由13a和13b两种不同分子量的蛋白组成,13a和13b中醇溶蛋白的含量占有绝对优势,所以PB-I是醇溶蛋白的储藏体。据Krishnan等报道,PB-Ⅱ中的球蛋白包裹在谷蛋白的外围,有些可能是蛋白酶,这样的位置分布有利于谷蛋白的水解和利用。由于PB-I和PB-Ⅱ在结构成分上的差异,它们的可消化性也有明显不同。PB-I稳定,对蛋白酶有较强的抵抗力,可能是醇溶蛋白含有较多二硫键的缘故,而PB-Ⅱ则容易被酶水解。Chrastil等对大米蛋白分析还表明,大米谷蛋白中除氨基酸外还有非氨基酸成分,他们将纯化后的谷蛋白用三氯乙酸水解,然后作薄层透析,发现还有2%的葡萄糖的存在,蛋白与葡萄糖结合非常牢固,用尿素-巯基乙醇处理再用硫酸氨沉淀也无法将两者分开。次糖链结构主要是乙酰-N-半乳糖β-1,3半乳糖结构,进一步研究发现,在大米蛋白中有50多种非氨基酸成分与其共存,其中包括具有抗乳腺癌作用的三萜烯醇、多种阿魏酸和脂肪酸等。从蛋白质种类的分布看,清蛋白、球蛋白的比例在其外层最高,越往中心越低,而谷蛋白的含量恰好相反。3大米蛋白的提取大米蛋白提取的目的是为了获得高纯度的大米蛋白产品,一般称为大米分离蛋白(RPI)和大米浓缩蛋白(RPC)两大类,大米蛋白目前提取方法有多种:酶法、碱法、复合提取法、排杂法和物理方法等。3.1酶法提取大米蛋白酶法提取是利用蛋白酶对大米蛋白降解和修饰作用,使其变成可溶性的肽而被提出,这种方法反应条件温和,提取的大米蛋白没有异味,性能良好。按照蛋白酶作用条件不同可分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶。郭荣荣等用Alcalase碱性蛋白酶提取籼米中的大米蛋白,发现在温度为50℃,pH为8,E/S为5%,液固比为3∶1,酶解时间为4h时,大米蛋白提取率为40%,蛋白质纯度为45%;还有人用胃蛋白酶从米渣中提取大米蛋白,提取率为72.4%。蛋白酶法提取蛋白的工艺,有限水解可使蛋白溶解性有一定增加,但过度水解会降低蛋白质的某些功能性,并限制其在某些食品工业中的应用。α-淀粉酶可以有效地去除蛋白液中的淀粉,对大米蛋白营养、品质和理化特性影响较小,并且可以减轻环境污染。此外,α-淀粉酶可将大米淀粉降解为易溶解的糊精和低聚糖,可通过离心或过滤方法将其除去,相对提高沉淀物中的蛋白质含量,从而可以生产高质量的大米蛋白粉。Morita在1993年报道了用高温液化的淀粉酶在97℃下与大米粉反应2h,然后将糖类物质过滤,得到的大米蛋白纯度在90%以上,生产工艺如下:近期还有采用高温α-淀粉酶酶解淀粉制取麦芽糊精,然后分离提取浓缩蛋白的报道,报道结果显示,在使用高温α-淀粉酶3ml、固液比1∶4、酶解温度95℃、酶解时间1h、DE值为8.44的情况下,大米蛋白纯度达82.41%,提取率高达94.69%。麦芽糊精的理论平均分子量为2140.68u;通过蛋白质氨基酸组成分析表明,氨基酸组成没有明显变化。蛋白酶也可用于米粉中蛋白质的提取,但是谷蛋白经蛋白酶水解后产生易溶于水的小分子,产品的乳化性能增加。这种方法可以用于提取蛋白后剩余部分来生产大米淀粉,使淀粉质量明显提高。酶法提取由于酶制剂价格昂贵,特别是复合使用几种酶,生产成本高,要实现产业化还需要一定时间的研究。至于提取大米蛋白具体采用何种蛋白酶更加合适,不同研究由于采用酶来自不同生产厂商,酶活力、组成等存在不同,采用原料不同,提取工艺也不尽相同,所以结论也有所差异。3.2对大米淀粉性质的改变大米胚乳的内部结构紧密,淀粉颗粒细小,并几乎全部以复粒形式存在;蛋白质与淀粉颗粒结合紧密,蛋白分子间通过二硫键和疏水基团进行交联而凝聚。碱溶酸沉法一般是用10～15倍体积的NaOH(浓度0.1～0.2mol/L)溶液,在常温下提取1～2.5h,蛋白质抽提率可达90%以上。Ju和Hettiarachchy采用新的提取工艺,使总蛋白的回收率达到97.4%。有报道指出,碱法提取蛋白后的大米淀粉可用于食品、化妆品和医药工业,但用碱溶液提取蛋白质的同时也改变了大米淀粉的性质,给淀粉的利用带来新的问题。碱溶酸沉法提取大米蛋白的工艺过程如下:碎米→碱液浸泡2～3h→磨浆过100目筛→加碱液搅拌提取→离心分离→蛋白上清液→酸沉→离心分离→调pH值→离心分离→干燥→蛋白粉(包装)。WangM试验了不同浓度的NaOH溶液提取大米中的蛋白质,实验表明在高碱浓度提取的状况下,会引起蛋白质的剧烈变性,而且Maillard反应剧烈,产生褐色物质,影响最终蛋白产品的品质,高碱环境会导致氨基酸之间的缩合反应,生成lysinoalnine等有毒物质,损坏肾脏功能;Cloria早在1966年就将大米蛋白的提取率提高到90%以上,但是由于料液比为1∶20,在加工过程中有大量废水出现,用水量大,运营成本高,后来的研究者针对这一问题对提取工艺做了进一步优化,将酶法列入到大米蛋白的提取中。碱水解和酶水解有着本质的区别,碱法提取蛋白质是提取其中占蛋白质总量80%以上的碱溶性蛋白,是蛋白质大分子,但强碱可能会使氨基酸之间缩合产生有毒物,且产生苦涩怪味;而酶法提取则可提取更多的水溶性蛋白、醇溶蛋白及经降解和修饰水溶性小分子活性肽和游离氨基酸,不仅不会破坏大米蛋白生物功能,降低提取物营养价值,而且还可以提高和促进人体对其消化和吸收。因此从营养角度和风味角度以及生物功能等多方面考虑,酶法水解提取蛋白质要优于碱法提取。3.3蛋白质的提取由于单纯使用碱法或酶法提取会出现这样或那样的问题,人们开始考虑采用复合提取法,既保证产品的质量和产率,又尽可能的降低成本。有人采用碱、酶两步法从米渣分步提取大米蛋白,获得较好的效果。该方法先用碱溶法提取部分蛋白质,然后采用碱性蛋白酶对残渣轻微水解,以提高蛋白质的溶解性,进行蛋白质二次提取,使蛋白质提取率达到78.8%。碎米采用碱酶两步法提取大米蛋白,工艺流程如下:碎米→粉粹(过80目筛)→稀碱提取(pH11.0、50℃、水料比8、120min)→离心(3000r/min、20min)→蛋白液→淀粉酶水解(120U/g、pH6.0、50℃、30min)→灭酶(pH9.0、15min)→离心(3000r/min、30min)→沉淀→冷冻干燥→大米蛋白,大米蛋白提取率为73.22%,纯度为88.75%。3.4其他物理法提取大米蛋白最近又提出一种提取大米蛋白的方法——排杂法,它是以去除杂质为目标,采用各种可行的手段,尽量把各种非蛋白成分除去,最终获得高纯度的大米蛋白,工艺流程如下:在对米糟一般化学成分的含量与特性进行分析的基础上,采用己烷抽提脱脂、粉碎、热水洗涤、除糖等方法,制备食用大米浓缩蛋白。发现原料中的蛋白质回收率达到94.6%,产品中蛋白质含量达到72.5%,与传统的碱溶酸沉法和蛋白酶水解法相比具有明显的优越性。还有人尝试采取用物理法进行辅助提取,如Tang等分别采用超声波、冻结-融解、高压力、高剪切力对米糠进行预处理,再进行酶法提取,结果表明提取率得到一定的提高。2005年《世界农业》报道,经4年研究,美国科学家最近发明了一种价效比更高的新方法,即利用一种特别的均质器所产生的高压,对大米中的淀粉和蛋白质聚成块进行物理分解。大米只需一次性通过这种设备,即可产生水状的颗粒均匀的淀粉和蛋白质微分子,利用淀粉颗粒和蛋白质分子的密度不同进行离心分离。这种新工艺可保留所提取大米蛋白质和淀粉原有的品质,生产出的蛋白质和淀粉与传统的加工方法相比具有更好的完整性和功能性。他们认为,这种新方法有可能对大米淀粉和蛋白质生产业带来革命性变化。目前,美国科学家正在研究采用同样的工艺从米糠中提取蛋白质。大米蛋白的提取方法较多,对于如何提取,科技人员进行过很多研究工作,酶法提取大米蛋白,虽然大米蛋白的性质良好,但生产成本高,得率偏低;碱法提取存在环保问题;排杂法生产成本高、所得产品中难免有试剂残留,存在安全隐患等问题;物理分离需要有特制处理设备。所以今后研究方向应针对具体原料,把常规方法加以合理组合进行大米蛋白提取有良好的应用前景。4谷蛋白肽中的大米蛋白大米蛋白改性的目的是获得发泡性、乳化性和溶解性等性能得以增强的或者具有蛋白质生理活性物质的一些产品,大米蛋白功能性差主要原因是含有一定数量的谷蛋白肽。大米蛋白中谷蛋白含有两条多肽链,一条为α链,一条为β链,α链的等电点是6.6～7.5,β链的等电点为9.4～10.3,在pH值4～10时溶解性差,因此非蛋白酶水解获得的大米浓缩蛋白和大米分离蛋白的溶解性小,进而导致其稳定性、乳化性、发泡性等性能不佳,影响了大米在溶液体系中的应用。因此有必要对大米蛋白进行改性研究,一般改性采用酶或酸碱对蛋白质进行水解,以获得可溶性的蛋白。4.1确定最佳工艺条件,在食品中的应用目前,国内外大米蛋白的改性工作主要采用蛋白酶水解,一般采用风味酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、复合蛋白酶等对大米蛋白进行改性研究,改性后蛋白溶解度、稳定性和乳化性比未改性蛋白明显增强。有人研究在中性条件下,用碱性蛋白酶酶解,4%蛋白酶解物溶液的氮溶解指数(NSI)为95%、乳化性为55%、起泡性为70%。顿新鹏等人还用木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶、复合蛋白酶等四种酶的单酶和双酶酶解大米蛋白,获得水溶性良好的改性大米蛋白。通过性能测定,证明了碱性蛋白酶在水解大米蛋白的过程中明显优于其他蛋白酶。后来又试验比较了五种蛋白酶的水解效率,最后确定用胰蛋白酶进行水解,但在高水解度下,产生一定小分子的苦味肽。胡中泽等采用酶法水解制取大米蛋白发泡粉,考察固液比、酶用量、水解时间、pH值以及温度等因素对产品起泡性能的影响,通过正交试验,确定制取起泡性和稳定性能较好产品时最佳工艺条件,可应用到食品中。有报道指出,可用木瓜蛋白酶对蛋白进行酶解,再在酶解液中加入蔗糖液、柠檬液、水、防腐剂等进行调配,配制成氨基氮蛋白饮料,产品清澈透亮,甜度适口。从现阶段来看,大米蛋白饮料的开发是一个热门课题,但是存在水解大米蛋白一些不良气味和风味的问题,为了解决这些难题,在水解过程中需对某些氨基氮基团进行修饰,采用微生物发酵的办法对大米蛋白进行降解,是改善蛋白风味的一个方法。发酵的关键是菌种,吴国杰等用丝绸加工业的副产品——蚕蛹与大米一起发酵,经反复试验,最终得到一种新型发酵饮料,发酵后汁液甜香浓郁,糖度较高,氨基酸含量达到1000mg/L。蚕蛹蛋白质降解后生成的氨基酸不仅可作为一种补充蛋白质的食品加工辅料,还增加了大米发酵饮料的营养价值,大大改善了大米蛋白饮料的色泽和风味。暨南大学田利春确定了大米酶解的最佳工艺参数、饮料的最佳风味配方和乳化稳定剂配方,并对大米饮料的营养价值和贮藏稳定性进行了探讨。确定了饮料的最佳风味配方,为蛋白饮料的研制提供了一定的基础。国外在大米蛋白的酶法改性方面和国内大致相仿,对Pronase酶处理的米谷蛋白进行水解物的功能性评价,发现处理后的米谷蛋白在pH值2～12时溶解性增加,发泡性和乳化性也得到一定的改善。大米蛋白中天门冬氨酸和谷氨酸的含量很高,其脱酰氨和蛋白质水解物可作为食品风味增强剂。用蛋白酶(Alcalase)2～4L处理米糠,使其7.6%的肽键水解,然后用高效液相色谱分离,进一步脱氨发现,可得到很好的风味增强剂。功能肽是具有调节人体生理节律、增强机体防御功能、预防疾病等功能的生物活性分子。蛋白质水解可以产生某些活性肽,现已发现了多种具有潜在应用价值的活性肽。现在报道较多的是大米来源活性肽,Ma.CY.采用胰蛋白酶消化大米蛋白获得的一种新的生物活性肽,结构为Gly-Tyr-Pro-Met-Tyr-Leu-Pro-Arg,命名为Oryzatensin,也可表示为:GTPMTLPA,具有引起豚鼠回肠收缩、抗吗啡和免疫调节活性的功能。Oryzatensin显示了二步回肠收缩方式,当浓度较低时如0.3μmol/L,只能引起回肠缓慢收缩,浓度较高时如5μmol/L,则快速收缩后跟随着缓慢收缩。大米蛋白中含有较高的天冬氨酸、谷氨酸及其酰胺,大米蛋白的水解和脱酰胺作用还可产生某些风味肽,当酶解产物与糊精混合经喷雾干燥即得到市售的食品风味改良剂。分析表明这类风味肽中谷氨酸的含量很高,它与盐结合形成谷氨酸单钠盐而呈现鲜味。4.2大米蛋白的乳化性能酸法脱酰胺改性也是大米蛋白改性的一种方法,酸法脱酰胺的蛋白质与未改性样品比较,溶解度、乳化与乳化稳定