大米蛋白改性技術的研究進展

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近年全球每年大米產量在6.1億噸左右,中國年產大米1.85~2.0億噸,居世界首位[1]。利用早秈稻或碎米為原料生產淀粉糖、氨基酸的副產品米渣中蛋白質含量高達50% (干基),但目前在我國卻并未很好的開發利用,造成了蛋白質資源的極大浪費。大米蛋白質的氨基酸組成合理,WHO/FAO推薦的理想模式非常接近,其生物價為77,高居各種糧食作物的第一位[2];同時,相比其他含有過敏和抗營養因子的植物性蛋白,大米蛋白的低過敏性顯得更為安全可靠,可用作開發嬰幼兒食品的基料。

但因大米蛋白溶解性差,進而導致其乳化性、發泡性、膠凝性等功能特性不佳,限制了其在食品領域的廣泛應用。蛋白質的溶解性是其最重要的功能性質之一,能使它更容易溶解或混入到各種食品體系特別是溶液體系中;同時,溶解性也是乳化性、發泡性等功能性質的基礎。占大米蛋白80%左右的谷蛋白中胱氨酸含量較高,其鏈內或鏈間的二硫鍵使蛋白質多肽鏈聚集成致密分子,大量的疏水基團被包埋在分子內部[3];谷蛋白中含α、β兩條多肽鏈,α、β鏈等電點分別為6.67.5、9.410.3,在pH410范圍內大米蛋白的溶解性皆很差[4],從而導致其它功能性質也較差。因此,有必要通過改性來提高其功能特性,研制出不同功能特性的專用大米蛋白粉,以拓展其在食品及其它領域的應用。

國內外食品蛋白質的改性方法主要包括物理法、化學法、酶法和基因工程法,對于大米蛋白質的改性方法主要集中在化學法和酶法。 

物理改性

物理改性是指通過機械處理、冷凍、擠壓、磁場、電場、聲場、超濾、低劑量輻射及添加小分子雙親物質等方法來改善蛋白質的功能特性。采用物理方法改性大米蛋白的報道不多,Kato[5]將大米浸入蒸餾水中,100400MPa 處理時大米中的過敏性蛋白溶入水溶液中,且溶解量達到0.20.5mg(蛋白)/g(大米);300400MPa處理時過敏性蛋白溶解量最大,達到0.5mg(蛋白)/g(大米);壓力超過500MPa時過敏性蛋白溶解量不再增大。涂宗財等[6]采用超高壓處理大豆蛋白,其溶解性、乳化性及乳化穩定性可分別提高到50%、0.250.35;朱建華等[7]采用超聲處理大豆蛋白,其溶解性、起泡性、乳化性及乳化穩定性均有所提高,分別可提高到53%、30%、0.95、1.10;趙學偉[8]等研究發現經擠壓處理后小米的水溶性、鹽溶性、醇溶性及堿溶性蛋白的溶解性均有降低。



化學改性

化學改性是通過化學手段在蛋白質中引入各種功能基團如親水親油基團、二硫基團、帶負電荷基團等,利用蛋白質側鏈基團的化學活性,改善蛋白質的結構、靜電荷和疏水性,以此來達到改變蛋白質功能性質的目的[9]?;瘜W改性有酸、堿、鹽作用下的改性,脫酰胺、?;?、糖基化、磷酸化、烷基化及親脂化改性等,關于大米蛋白化學改性的報道主要集中在脫酰胺、?;?、磷酸化、糖基化改性方面。

2.1 大米蛋白的脫酰胺改性

脫酰胺改性[10]是通過羰基中的OH+發生質子化作用,導致氨釋放(又稱脫氨)。酸法脫酰胺是由酸提供H+-NH2鍵打斷,脫去-NH2,這就增加了蛋白質表面的負電荷、導致蛋白質結構的展開和疏水性殘基的暴露。采用溫和酸水解的脫酰胺作用能有效提高大米蛋白的功能性質,易翠萍[11]等研究了酸法脫酰胺后大米濃縮蛋白功能特性的改變,結果表明在脫酰胺度0~63.5%范圍內,大米蛋白溶解度提高至99.4%,持水性提高了1.55~1.78倍,持油性提高了3.28~3.64倍;鄭建冰等[12]研究表明在脫酰胺度19.6%~64.5%范圍內,大米蛋白的溶解性隨脫酰胺度增加而提高;19.6%~35.7%脫酰胺度的大米蛋白的乳化性能較好,而脫酰胺后大米蛋白的持水、持油性變化不大。

2.2 大米蛋白的?;男?/span>

?;蟮牡鞍追肿颖砻尕撾姾稍龆?,多鏈肽伸展和空間結構的改變導致分子柔韌性提高,進而提高了蛋白分子的溶解性、持水性、吸油性、乳化性和起泡性。國內外關于植物蛋白?;男缘膱蟮郎婕靶←湹鞍?、棉籽蛋白、菜籽蛋白、花生蛋白、葵花子蛋白、亞麻籽蛋白、大米蛋白等。wanasundara[13] 等進行了乙?;顽牾;男詠喡樽训鞍坠δ芴匦缘难芯?,研究結果顯示?;男阅苊黠@改善其乳化能力,特別是乙?;男允箒喡樽训鞍椎娜芙庑缘玫搅孙@著提高,但起泡能力提高不大;張凱[14]以乙酸酐為?;噭?,研究確定了?;男源竺椎鞍椎淖罴压に噮担阂宜狒砑恿?/span>0.3g/g蛋白、pH8.O、50℃、反應時間3h,所得?;男源竺椎鞍椎娜芙舛瓤蛇_88.15%。 

2.3  大米蛋白的磷酸化改性

磷酸化改性是指為蛋白分子引進親水性的磷酸根基團,增加蛋白的電負性,提高蛋白分子間的電荷斥力,使蛋白分子更容易分散,從而達到提高溶解度、改善乳化性和起泡性的目的。改性效果與磷酸化試劑的選擇有關,利用三氯氧磷改性能提高乳清蛋白、大豆蛋白質形成凝膠的能力;chan等采用美國FDA準許使用的三聚磷酸鈉對大豆蛋白進行改性,結果顯示改性后的大豆蛋白等電點向酸性區域發生了遷移,蛋白的溶解能力、乳化能力、及持水能力也有明顯地提高[15]。張凱[14]以三聚磷酸鈉為磷酸化試劑,研究確定磷酸化改性大米蛋白的最佳工藝參數為:STPP6%、pH8.5、45℃、反應時間90min,所得磷酸化改性大米蛋白的溶解度可達90.5%。

2.4  大米蛋白的糖基化改性

蛋白糖基化改性正成為食品科學領域的一個研究熱點,蛋白-糖的接枝反應主要基于蛋白質分子中氨基酸側鏈的自由氨基和糖分子還原末端的羰基之間的羰氨反應美拉德反應(Maillard Reaction)[16],屬于化學改性范疇。

由于糖鏈的引入,多羥基的親水特性使蛋白質-糖接枝物整個分子的溶解性顯著提高;接枝物具有較好的乳化特性[17,18]是基于其蛋白質部分可有效地吸附在油-水界面上降低界面張力,而同時共價結合的糖鏈(尤其是多糖分子)在吸附膜的周圍形成立體網狀結構增加了膜的厚度和機械強度。Matsudomi[18]等研究指出血漿蛋白-半乳甘露聚糖接枝物的乳化特性甚至優于某些小分子乳化劑;Shu[19]等研究發現隨著多糖分子量的增加,蛋白-多糖接枝物在膠體體系中形成的保護層厚度增加,其乳化性、乳化穩定性也逐步改善;糖鏈長度還影響接枝物熱穩定性,當蛋白分子上共價結合的多糖鏈長超過一定范圍,蛋白質受熱展開時,長鏈多糖的位阻效應就會阻止展開的蛋白分子聚集,從而使接枝物在高溫下保持較好的乳化性能;若多糖鏈太短,位阻效應不明顯,也就不能有效提高接枝物的熱穩定性。

通過糖基化改性的動物性蛋白有卵清蛋白[16]、血漿蛋白[19,21]、酪蛋白[1822]、乳球蛋白[23]、乳清蛋白[17]等,植物蛋白中對大豆蛋白[24]、小麥面筋蛋白[25]研究較多。近幾年來國內大米蛋白糖基化改性研究報道較多,Li[26]等研究了大米蛋白有限水解下與不同相對分子量多糖發生美拉德反應后功能特性的變化,得到溶解性、乳化性,乳化穩定性均有較大提高的大米蛋白-葡聚糖接枝物;華靜嫻[27]研究表明大米蛋白-葡聚糖接枝物在接枝度為46.6%時溶解度可達91.3%、乳化性0.645、起泡力增至260%?;陸鈁[28]將大米蛋白與葡萄糖進行濕法接枝改性,其乳化性及乳化穩定性較改性前分別提高了1.37倍、1.62倍;紀崴[29]在蛋白︰糖=11、蛋白水解度5%、pH11、100℃的條件下濕法接枝反應20 min制備的大米蛋白-葡聚糖接枝物的溶解性、乳化性、乳化穩定性分別為對照蛋白的3.83倍、5.28倍、6.57倍;郭建偉[30]研究制備的大米蛋白-麥芽糊精接枝物其溶解度可達69.58%,乳化性、起泡性較改性前分別提高了1.08倍、1.29倍。

酶法改性

廣義的酶法改性包括酶催化水解、類蛋白反應、蛋白質交聯3類改性方法,其中酶解改性植物蛋白的研究一直很活躍。

3.1 酶催化水解改性

蛋白在某種酶的作用下發生特定的水解,可產生區別于母體蛋白的、相對較小的分子,同時伴有重要結構的重排,導致一些原來包埋在蛋白分子內部的疏水區暴露在溶劑中,從而產生新的營養功能及生物特性。若采用部位專一性酶或可控酶解將蛋白部分水解,往往能改進蛋白的乳化和起泡性質;若采用非專一性蛋白酶充分水解,水解物中小分子肽比例較高,雖能增溶原先溶解度低的蛋白,但也損害了蛋白質的膠凝、乳化、起泡等功能性質,充分水解改性的蛋白質通常被應用在液態食品體系中。因此,可通過控制水解度,使蛋白大分子降解成不同鏈長的小分子來達到改善不同功能性質的目的。

玄國東[31]等采用堿性蛋白酶研究制備的4%米糟蛋白酶解液的氮溶解指數可達95%,乳化性、起泡性分別為55%、70%;奚海燕[32]等研究了超高壓輔助堿性蛋白酶提取大米水解蛋白的工藝,提取率高達78.72%;王章存[33]等對比研究了3種蛋白酶催化反應動力學的特性,確定堿性蛋白酶Alcalase水解效果最佳,大米蛋白水解物溶解度、發泡力、乳化力最大可分別達到50.2%、50mL、73.6mL/g;黃正虹[34]等研究比較了Alcalase、Protease N、Protease 1398、中性蛋白酶、Protease FP 5種蛋白酶的催化反應動力學特性及改性后的功能性質,確定采用堿性蛋白酶制備高溶解性、高乳化性、高持水性的大米蛋白酶解物宜將水解度控制在4%左右;紀崴[29]采用堿性蛋白酶Protease N水解大米蛋白,研究發現水解度為5%的水解產物其乳化性及溶解性最佳,在pH8.0溶解性提高了3.44倍,乳化活性是酶解前的2.22倍,起泡性、持水性也分別提高了2.88、4.76倍。

3.2 類蛋白反應

類蛋白反應是指濃縮蛋白水解物在合適條件下經蛋白酶作用合成新的蛋白(沉淀或凝膠狀物質)的反應[35],通過類蛋白反應可改善蛋白的營養及功能特性、脫除蛋白酶解物苦味。

類蛋白反應可在合成中將限制性氨基酸導入到肽鏈中而提高某些蛋白產品的生物有效利用率,Yamashita[36]等通過類蛋白反應將L-蛋氨酸乙酯導入大豆蛋白中以提高含硫氨基酸水平;張雅麗[37]等采用胃蛋白酶催化大豆蛋白和芝麻蛋白的胰蛋白酶水解物進行類蛋白反應,類蛋白中Lys與含硫氨基酸實現互補,其必需氨基酸分數明顯高于原料蛋白;楊倩[38]等采用胃蛋白酶催化大米蛋白的堿性蛋白酶水解物進行類蛋白反應,大米類蛋白中Thr、Ile、Phe、Lys等必需氨基酸含量高于大米蛋白及其堿性蛋白酶水解物。Eriksen[39]等認為類蛋白反應中凝膠的形成是因疏水相互作用,使得一些肽中的疏水性氨基酸得以富集,在水中很難溶解的疏水肽經凝聚形成顆粒而沉淀下來,同時被包裹起來的疏水側鏈不能和味覺細胞作用,從而有效脫苦。Yamashita[40]等采用木瓜蛋白酶催化胃蛋白酶水解的大豆產物、L-谷氨酸二乙基酯合成類蛋白,其產物含谷氨酸41.93%,溶解性好,100℃加熱1h也不混濁;安廣杰[41]等采用木瓜蛋白酶催化蛋氨酸酯與水解明膠進行類蛋白反應,由長鏈醇所形成的酯改性后的水解明膠其乳化能力較短鏈的強,此因長的烴鏈具有較強疏水性,與親水性的水解明膠反應能形成較好的兩親性產物,使其乳化能力加強。

3.3 酶法轉酰胺和脫酰胺

轉谷酰胺酶[42](TGase)可催化蛋白質及肽鍵中谷氨酰胺殘基的C2 羧酰胺基和賴氨酸殘基的E2 氨基相連,形成谷氨?;?/span>-賴氨酸共價鍵,賦予食品蛋白質特有的流變特性和口感[43]。Gujral[44]等利用TGase對大米粉進行改性,經TG處理后,大米蛋白發生聚集,形成較好的網絡結構,在發酵過程中可更好地保持氣體,米粉的流變學特性發生很大改善,粘性模量G”和彈性模G’量都有所增加。

蛋白質谷氨酰胺酶[45,46] (Protein Glutaminase PG)僅作用于蛋白質或肽的谷氨酰胺基團,對天冬酰胺殘基或游離谷氨酰胺無影響,同時也不會導致蛋白質肽鏈的交聯和水解。李向紅[47]等研究了PG對大米谷蛋白功能性質的影響,結果表明經PG脫酰胺的大米谷蛋白其功能性質均有提高,在中性溶液中溶解度高達96.99%,強酸性條件下的乳化穩定性得到顯著改善,起泡性隨酶解時間增加而提高,改性蛋白的持水性、持油性比未改性蛋白分別提高1.752.03倍、1.581.94 倍;周小玲[48]等研究認為酶法脫酰胺使蛋白質分子所帶負電荷增加、分子間靜電排斥作用增大是大米谷蛋白在中性pH 條件下溶解度顯著提高的原因。

4 展望

縱觀前述3大類改性方法,物理改性具有成本低、無毒副作用、作用時間短及對營養價值影響小等優點,但目前采用物理法改性大米蛋白的報道很少,效果也不顯著,有待于進一步廣泛開展研究。

化學法改性蛋白質,方法簡便,通過選擇合適的改性方式和反應條件,即可使蛋白質的功能性質得到有效改善。但在改性取得預期效果的同時,因被改性的蛋白質殘基往往是必需氨基酸,有時會破壞蛋白質原有的營養功效;有時會產生一些副反應,甚至是有害的毒理效應;還必須考慮所使用化學試劑的毒性及殘留。因此,要盡可能選擇營養功效破壞少、無副反應并對環境友好的化學改性方法;因無化學試劑殘留的隱患,近年糖基化改性大米蛋白的研究很活躍,但大多停留在接枝條件的探索上,接枝反應的機理還有待深入研究。

酶法改性食品蛋白因專一性高、條件溫和、毒副產物產生的可能性小而一直受到青睞。酶催化水解改性的產業化前景很好,但要注意區分部位專一性和非專一性蛋白酶的酶解特點,可通過水解度的控制使大米蛋白降解成不同鏈長的小分子來達到改善不同功能性質的目的;雖然類蛋白反應、酶法轉酰胺和脫酰胺在改善食品蛋白的營養及功能特性方面有了一些研究積累,但工業化道路還較長,還需加強反應機理的研究,并有效降低酶反應的成本。

 

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標簽: 水稻畢業論文

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