蒸汽爆破輔助提取高溫豆粕中的蛋白質*

張燕鵬，楊瑞金，華霄，趙偉，張文斌，劉枕，章玉清

1(江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學食品學院，江蘇 無 錫，214122)

豆粕是大豆榨油后的副產物，約含45% ～50%的蛋白質質和20%～30%的碳水化合物。豆粕分為高溫豆粕和低溫豆粕，低溫豆粕是目前生產大豆蛋白質的主要原料，但產量較低，價格昂貴。世界上每年高溫豆粕的產量達上千萬噸，大部分應用于飼料生產，只有少部分應用于食品中的釀造行業。高溫豆粕由于經過高溫處理，蛋白質發生了變性，使得蛋白質的溶解性較低，不利于提取。如果可以提高高溫豆粕中蛋白質的溶解性，改善其功能性質，則對擴大高溫豆粕的應用價值具有重要意義。

目前從高溫豆粕中提取蛋白質的方法主要有酶法和物理法［1-6］。Fischer 等人［5］研究發現，利用蛋白質酶和糖酶共同作用于經高溫處理的豆粕，其蛋白質提取率可達80% ～94%，但酶法容易使蛋白質降解為短肽進而影響蛋白質的功能性，另外酶法的成本較高，不利于大規模工業上的應用。Wang等人［6-7］利用熱水蒸煮的方法對擠壓壓榨后的變性豆粕進行了處理，發現蛋白質溶出率有所提高，尤其是在熱水蒸煮處理過程中加入一定量的堿，可以使得蛋白質溶出率達到80%，但加入堿會對環境造成影響，而且在單批豆粕處理量上，熱水蒸煮法也受到一定的限制。

蒸汽爆破技術是一種新型的物理加工技術，它利用高溫飽和蒸汽快速滲透進植物細胞組織中，然后在極短的時間內以爆破的方式釋放，把熱能瞬間轉化為機械能，從而破壞植物的細胞組織［8］，實現蛋白質提取率的提高。本文研究了高密度蒸汽爆破處理技術對高溫豆粕中蛋白質氮溶解指數和提取條件的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高溫豆粕，由杭州啟明星生物營養有限公司提供，其蛋白質含量為49.49%，氮溶解指數(NSI)為18.90%。實驗所用其他化學試劑均為分析純。

WK-1000A高速藥物粉碎機，青州精誠機械有限公司;電熱恒溫水浴鍋，上海精宏;FiveEasy實驗pH計，METTLER TOLEDO;冷凍離心機，BeckMan;JB300-D型強力電動攪拌器，上海標本模型廠;高密度蒸汽爆破機(QBS-200B):鶴壁市正道生物能源有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆粕粉碎

用高速藥物粉碎機把豆粕粉碎至20～40目，40～60目，60～80目和小于100目等幾種目數范圍，并將豆粕按目數的不同進行分裝備用。

1.2.2 高密度蒸汽爆破處理

取粉碎好的豆粕粉600 g放入高密度蒸汽爆破機的處理腔中，然后通入飽和蒸汽并保壓一定時間，然后在極短時間(ms)內實現蒸汽爆破處理，處理后的樣品完全收集并保存于-20℃下，待分析。

1.2.3 豆粕氮溶解指數的測定

根據 AOCS Official Method Ba 11-65［9］方法并做一定修改后測定豆粕中的氮溶解指數。具體操作步驟如下:在500 mL的燒杯內稱取豆粕5 g，加入200 mL的去離子水，把燒杯放入30℃的水浴鍋中，在120 r/min的攪拌速度下攪拌2h，然后把燒杯中的豆粕懸浮液轉移至250 mL的容量瓶中并定容?；靹蚝笕?0 mL轉移至50 mL的離心管中，在1 500 r/min下離心10 min后，上清液再用濾紙過濾到100 mL的燒杯中。取25 mL的過濾液，用mico-Kjeldahl法測定蛋白質的含量。同時用mico-Kjeldahl法測定豆粕中蛋白質含量，按公式(1)計算氮溶解指數并以不經爆破的豆粕為對照。

1.2.4 大豆蛋白質的提取

取高密度蒸汽爆破處理的豆粕樣品，按一定的料水比與去離子水混合，在一定的溫度下攪拌、浸提一定的時間，并在浸提的過程中保持pH值的恒定。浸提完成后，20℃下8 000 r/min離心10 min，收集上清液，用mico-Kjeldahl法測定上清液中蛋白質的含量，同時測定蒸汽爆破處理的豆粕樣品中蛋白質含量，按公式(2)計算蛋白質提取率。

2 結果與分析

2.1 豆粕顆粒度對蒸汽爆破處理的豆粕氮溶解指數的影響

在蒸汽爆破前對豆粕樣品進行粉碎并過不同目數的篩子，然后在相同爆破條件下研究豆粕顆粒度對蒸汽爆破處理樣品的氮溶解指數的影響。由表1可知，未爆破處理的豆粕樣品的氮溶解指數為18.28%，粉碎后過20～40目，40～60目和60～80目的豆粕樣品經蒸汽爆破處理后，其氮溶解指數與豆粕原樣相比有明顯的提高，分別為41.79%，42.28% 和39.44%，且這3組豆粕的氮溶解指數間沒有顯著差異。當豆粕粉碎后的目數小于100目時，其氮溶解指數不升反降，這主要因為，當豆粕粉碎的目數過小，在通入飽和蒸汽時豆粕顆粒之間容易結塊，使得外部的豆粕凝聚在一起，阻礙了飽和蒸汽對內部豆粕的滲入，從而造成豆粕樣品處理的不均一性，影響了蛋白質的氮溶解指數，所以后續的研究中，豆粕粉碎過篩的目數保持在20～80目。

2.2 蒸汽壓力對豆粕氮溶解指數的影響

當蒸汽爆破的保壓時間為180s時，蒸汽壓力對豆粕氮溶解指數的影響見圖1。由圖1可知，經蒸汽爆破處理后，豆粕的氮溶解指數得到了顯著提高，而且在相同的保壓時間內，隨著蒸汽壓力的升高，處理后豆粕的氮溶解指數也逐漸增加。但當蒸汽壓力為2.1 MPa和2.4 MPa時，豆粕的氮溶解指數分別為45.71%和45.88%，表明豆粕的氮溶解指數沒有隨著蒸汽壓力的不斷升高而持續增加，同時分析發現，過高的蒸汽壓力可能會對豆粕中蛋白質的造成破壞，影響其功能性質的利用，所以本研究中蒸汽壓力都控制在1.8 MPa以內。當爆破條件為1.8 MPa、180 s時，蒸汽爆破處理的豆粕的氮溶解指數為39.03%，與不經爆破處理的豆粕相比，氮溶解指數增加了1.1倍，這表明蒸汽爆破處理后，豆粕中蛋白質的溶解性有了很大提高。在后續研究中選取1.8 MPa、180 s爆破條件下的豆粕為研究對象，研究提取條件對蛋白質提取率的影響。

表1 豆粕顆粒對蒸汽爆破處理豆粕氮溶解指數的影響Table 1 The effect of particle size of soybean meal on NSI of HDSFE treated soybean meal

圖1 蒸汽壓力對豆粕氮溶解指數的影響Fig.1 Effect of steam pressure on NSI of soybean meal

2.3 提取條件對蛋白質提取率的影響

2.3.1 提取溫度對蛋白質提取率的影響

浸提溫度對蛋白質的提取率有重要影響，浸提的溫度越高，浸提的效率越高。從圖2中可看出，隨著溫度的升高，蛋白質提取率從34.13%增加到40.25%，但如果溫度過高，體系黏度會增加，且蛋白質易變性，影響蛋白質的溶解性，降低蛋白質的功能性質，同時增加了能耗，所以工業生產上大豆蛋白質的浸提溫度控制在60℃左右［10］。

圖2 提取溫度對蛋白質提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on protein extraction yield

2.3.2 提取時間對蛋白質質提取率的影響

在一定的條件下，浸提時間越長，蛋白質的提取率越高，但當達到一定的時間后，蛋白質的提取率趨于恒定見圖3所示。圖3表明當浸提時間超過40 min后，其蛋白質的提取率趨于穩定，所以浸提時間確定為40～60 min左右為宜。在實際生產時還要充分的考慮設備的周轉，能源消耗以及成本等各因素來確定浸提時間。

圖3 提取時間對蛋白質提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on protein extraction yield

2.3.3 料水比對蛋白質提取率的影響

不同料水比對蛋白質提取率的影響見圖4。由圖4可知，當料水比超過1∶10(g∶mL)時蛋白質的提取率變化不顯著，若加水量過多，會使得蛋白質的濃度降低，不利于后續的進一步分離純化，另外從經濟的角度考慮，加水量過多也會增加生產的成本，所以本研究中把料液比定在1∶10左右比較合適。

2.3.4 pH值對蛋白質質提取率的影響

圖4 料水比對蛋白質提取率的影響Fig.4 Effect of the ration of biomass to deionized water on protein extraction yield

從圖5可看出，蛋白質的提取率隨著浸提液pH值的增大而逐漸升高，當pH值為9.0時，蛋白質的提取率達到最大為76.04%，表明當浸提液的pH值越高于蛋白質的等電點，越有利于蛋白質的溶出，但浸提液的pH值也不易過高，否則容易導致在浸提過程中發生美拉德反應，使得蛋白質顏色發生變化;另外大豆蛋白質在強堿條件下，容易引起脫氨、脫羧、肽鍵斷裂，以及胱賴反應，把氨基酸轉變為有毒化合物，降低蛋白質質營養價值［11-12］。因此在蛋白質提取過程中pH值的選擇一般不會超過9.0，控制在8.0～8.5為宜。

圖5 pH值對蛋白質提取率的影響Fig.5 Effect of pH on protein extraction yield

3 結論

高密度蒸汽爆破技術可以明顯提高高溫豆粕中蛋白質的氮溶解指數，在1.8 MPa，180 s的蒸汽爆破處理條件下，蒸汽爆破處理的豆粕的氮溶解指數增加了1.1倍左右，表明高密度蒸汽爆破使得豆粕中變性蛋白質的結構和物理化學性質發生了變化，導致蛋白質的親水性增強，更有利于蛋白質的溶出。進一步對蒸汽爆破條件為1.8 MPa，180 s處理豆粕的蛋白質提取條件研究發現，浸提時的pH值和浸提溫度是影響豆粕中蛋白質提取率的主要因素，當pH值為9.0時，蛋白質提取率可達到76.04%，接近低溫豆粕的蛋白質提取率，這就為高溫豆粕的開發與利用奠定了良好的理論基礎。

［1］ 鄭田要，楊曉泉.不同物理法提取高溫大豆粕中蛋白質的比較研究［J］.中國油脂，2009(12):22-26.

［2］ 楊曉泉，熊犍，陳中，等.低頻超聲對豆粕蛋白質浸出率及SPI功能特性的影響［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2003(11):30-32.

［3］ 劉芳，王遂.酶法提取變性脫脂豆粕中蛋白質質的研究［J］.食品科學，2004(3):89-92.

［4］ 鄭田要，楊曉泉.熱壓法提取高溫大豆粕中的大豆蛋白質［J］.食品與發酵工業，2009，35(8):175-178.

［5］ Fischer M，Kofod L V，Schols H A，et al.Enzymatic extractability of soybean meal proteins and carbohydeates:heat and humidity effects［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2001，49(9)，4 463-4 469.

［6］ Wang H，Wang T，Johnson L A.Refunctionalization of extruded-expelled soybean meals［J］.Journal of the American Oil Chemists'Society，2004，81(8)，789-794.

［7］ Wang H，Wang T，Johnson L A.Effect of alkali on the refunctionalization of soy protein by hydrothermal cooking［J］.Journal of the American Oil Chemists'Society，2005，82(6):451-456.

［8］ Y u Zhengdao，Zhang Bailiang，Yu Fuqiang，et al.A real explosion:The requirement of steam explosion pretreatment［J］.Bioresource Technology，2012，121:335-341.

［9］ O fficial and tentative methods of AOCS ，Ba11-65 ［S］.Washington D C:American Oil Chemist Society，2009.

［10］ 遲 玉杰，朱秀清，李文濱，等.大豆蛋白質質加工新技術［M］.北京:科學出版社，2008:116-117.

［11］ B erk Z.Technology of Production of Edible Flours and Protein Products from Soybeans［J］.Food and Agriculture Organization of the United Nations(FAO)，Rome，1992，73-96.

［12］ D ella A S，Wagner J R，Anon M C.Effects of treatment of soybean protein isolate on the characteristics and structure-function relationship of soluble and insoluble fraction［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1995(9):2471-2 479.