3種物理改性方法對大米蛋白質功能性質的影響

程云輝 趙紅清 張麗琍 杜葳萱 焦 葉

(1. 長沙理工大學化學與食品工程學院，湖南 長沙 410114；2. 安徽燕之坊食品有限公司，安徽 合肥 230000；3. 四川得意綠色食品集團有限公司，四川 成都 610000)

大米蛋白質氨基酸組成配比合理，可與牛乳、雞蛋、牛肉相媲美，并且大米蛋白質屬于低抗原性蛋白質，很適合作為生產嬰幼兒食品的原料、化妝品和藥物佐劑[1-3]。但是，大米蛋白質在中性條件下溶解度僅為3%～8%，而溶解度是蛋白質在工業應用中最為重要的性質之一，其不僅是功能性質的基本指標，而且還會影響其他功能性質[4]，因此大米蛋白質在食品領域中的廣泛應用大為受限。目前，這一優質蛋白質資源大多被當作飼料廉價處理，并未得到充分開發利用。因此，改善大米蛋白質的功能性質對于拓展其在工業領域中的應用是十分必要的[3, 5]。

食品蛋白質的改性方法主要包括物理法、化學法和酶法[6]。化學法雖然效果顯著，但對蛋白質原有營養功效的破壞、有害毒理效應的產生和化學試劑毒性及殘留等問題在一定程度上限制了其應用。酶催化水解改性雖然反應條件溫和、有害副產物少，但是低水解度改性效果不理想、高水解度改性產生苦味肽也使得蛋白質產品的食用價值下降。物理法改性因無毒副作用、對蛋白質自身營養性能影響較小、費用低等優點而備受青睞，但物理法對大米蛋白質改性效果還有待進一步研究[7]。

研究擬采用3種物理方法，即熱處理、高壓微射流處理以及冷凍與研磨組合處理對大米蛋白質進行改性，并通過溶解性、乳化性和起泡性的變化來考察物理改性對大米蛋白質功能性質的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

大米：金健米業股份有限公司；

大豆油：中糧集團有限公司；

2,4,6-三硝基苯磺酸(2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS)：美國Sigma公司；

十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate，SDS)：美國Fluka公司；

其他化學試劑：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

高剪切乳化均質器：LR型，無錫市群光化工設備有限公司；

微射流均質機：M-110EH-30型，加拿大Microfluidizer公司；

膠體磨：JTM50ABK型，沈陽新光粉碎機廠；

離心機：TDL-36C型，上海安亭科學儀器廠；

冷凍干燥機：FD-1型，北京博醫康實驗儀器有限公司；

pH計：DELTA 320型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

定時電動攪拌器：JJ-1型，江蘇省金壇市金城國勝實驗儀器廠；

數顯恒溫水浴鍋：HH型，江蘇省金壇市金城國勝實驗儀器廠；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9036A型，上海精宏實驗設備有限公司；

超低溫冰箱：MDF-382E型，日本三洋電機生物醫學有限公司；

高速萬能粉碎機：FW100型，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 制備大米蛋白質 大米粉碎過120目篩，將大米粉分散于0.05 mol/L氫氧化鈉溶液中(10 g/100 mL)，室溫下攪拌2 h，3 500 r/min離心30 min，上清液用1 mol/L的鹽酸溶液調節pH至4.8，3 500 r/min離心30 min，沉淀用去離子水洗滌3次后冷凍干燥備用。自制的大米蛋白質的蛋白質含量為88.4%(濕基)。

1.2.2 熱處理大米蛋白質 將大米蛋白質分散于去離子水中(2 g/100 mL)，分別于80，100，120，140，160，180，200 ℃下在反應釜中熱處理2 h，取出立即冷卻至室溫，冷凍干燥備用。

1.2.3 高壓微射流處理大米蛋白質 將大米蛋白質分散于去離子水中(2 g/100 mL)，用膠體磨均質處理，分別于80，100，120，140 MPa的高壓微射流壓力下處理3次，冷凍干燥備用。

1.2.4 冷凍研磨組合處理大米蛋白質 將大米蛋白質分散于去離子水中(2 g/100 mL)，用2 mol/L的氫氧化鈉溶液調節pH至12.5，放置到超低溫冰箱中，分別于-20，-40，-60 ℃下冷凍24 h，再經粉碎處理后，用1 mol/L 的鹽酸溶液調節pH至7.5，離心取上清液冷凍干燥備用。

1.2.5 蛋白質含量的測定 采用凱氏定氮法，按GB 50095—2010《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》執行，氮換算為蛋白質的系數為5.95。

1.2.6 溶解度測定 將0.5 g樣品分散于25 mL pH 8.0的磷酸鹽緩沖溶液中，室溫攪拌1 h，3 500 r/min離心30 min，按式(1)計算溶解度。

S=m1/m2×100%，

(1)

式中：

S——溶解度，%；

m1——上清液中蛋白質含量，g；

m2——樣品中總蛋白質含量，g。

1.2.7 乳化性與乳化穩定性測定 采用濁度法[8]，并略作修改。將樣品分散于pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液中(2 g/100 mL)，按m樣品液∶m大豆油=3∶1加入大豆油，攪拌后將樣品在高速分散器中以10 000 r/min分散30 s，制成均勻的乳濁液。在乳濁液靜置0，10 min后分別取50 μL 加入5 mL SDS溶液中，振蕩混勻后于500 nm處檢測吸收值A0、A10。乳化性由均質后0 min立即測定的吸光值表示，按式(2)計算乳化穩定性。

(2)

式中：

SE——乳化穩定性，min；

A0——均質結束后立即測定得到的吸光值；

A10——樣品靜置10 min后測定的吸光值；

Δt——間隔時間(即10 min)，min。

1.2.8 起泡性與起泡穩定性測定 將樣品分散于pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液中(2 g/100 mL)，攪拌均勻后取50 mL 該樣品于量筒中，室溫下用高速均質機分散40 s(10 000 r/min)，均質后于0，30 min后分別記錄泡沫體積V0和V30。起泡性與起泡穩定性分別按式(3)和(4)計算：

AF=V0/50×100%，

(3)

式中：

AF——起泡性，%；

V0——均質結束后立即測定得到的泡沫體積，mL。

SF=V30/V0×100%，

(4)

式中：

SF——起泡穩定性，%；

V0——均質結束后立即測定得到的泡沫體積，mL；

V30——樣品靜置30 min之后泡沫的體積，mL。

1.2.9 數據處理 每次試驗重復3次，試驗結果表示為“平均值±標準誤差”。試驗數據采用SPSS(version 19.0 for Windows)和Origin Pro 2016進行分析和處理。

2 結果與分析

2.1 熱處理對大米蛋白質功能性質的影響

由圖1可知，大米蛋白質的溶解度隨熱處理溫度的升高而增加，當溫度為200 ℃時大米蛋白質的溶解度達到最高值17.4%，是原大米蛋白質的4.0倍，可能是堿溶性蛋白含量降低所導致的[9]。但熱處理的溫度過高會使大米蛋白質顏色變黃，略有焦糊味，呂玉翠[10]研究發現大豆濃縮蛋白乳在高溫熱處理后出現由美拉德反應引發的褐變，與試驗熱處理大米蛋白質的顏色變化相符。同時，高溫可能會產生有害的雜環類化合物[11]，影響大米蛋白質的營養價值。

圖1 不同溫度的熱處理對大米蛋白質溶解度的影響

由圖2可知，大米蛋白質的乳化性隨熱處理溫度的升高逐漸增加，而乳化穩定性則隨熱處理溫度的升高而降低。當溫度為200 ℃時，大米蛋白質的乳化性最大，是原大米蛋白質的3.2倍，可能是熱處理導致大米蛋白質結構被破壞，蛋白質肽鏈松散，原不溶聚集體經解聚或與其他蛋白亞基/聚集體重新形成可溶性聚集體的結果[12]，從而導致大米蛋白質的乳化性增強。在測定乳化穩定性時，蛋白質溶解度較低，溶液中被乳化的油滴少，靜置后則只有少量油滴析出，從而可能表現出乳化穩定性高[13]。

圖2 不同溫度的熱處理對大米蛋白質乳化性及乳化穩定性的影響

由圖3可知，大米蛋白質的起泡性隨熱處理溫度的升高呈先升高后降低的趨勢。當溫度為120 ℃ 時，大米蛋白質的起泡性達到最高值151.4%，是原大米蛋白質的1.9倍。大米蛋白質起泡性穩定性和起泡性呈相反的變化趨勢，當溫度為120 ℃時，大米蛋白質的起泡穩定性達到最低值39.6%。起泡性與蛋白質降低界面張力的能力、分子結構的柔韌性以及兩親性、電荷分布等多種界面性質相關，提高可溶性蛋白比例可能有利于蛋白質泡沫的形成，但是蛋白質在溶液中的構象也會影響其起泡性[14]。而起泡穩定性對于蛋白質的要求與起泡性不盡相同，需要蛋白質能夠形成具有一定厚度、黏度和強度的液膜[15]，因此與起泡性表現出了不一樣的變化趨勢。

圖3 不同溫度的熱處理對大米蛋白質起泡性及起泡穩定性的影響

2.2 高壓微射流處理對大米蛋白質功能性質的影響

由圖4可知，高壓微射流處理能夠提高大米蛋白質的溶解度，當壓力為100 MPa時，溶解度為9.5%，是原大米蛋白質溶解性的2倍，可能是因為高壓作用下，大米蛋白質分子發生解聚和伸展，一方面增大了蛋白質與水的接觸面積，另一方面蛋白質結構被破壞，蛋白質分子表面電荷發生改變，水化作用增強，從而溶解度得以提高[16]。Fan等[17-18]研究發現動態高壓微射流處理顯著提高了食用燕窩內水不溶蛋白質的溶解度，并認為這可能是由于動態高壓微射流處理的強烈剪切力、湍流力和空化作用引起的。

圖4 不同壓力的高壓微射流處理對大米蛋白質溶解度的影響

由圖5可知，大米蛋白質經高壓微射流處理后，乳化性提高。當高壓微射流壓力為80 MPa時，乳化性最大值可達0.766，是原大米蛋白質的3.4倍。大米蛋白質的乳化穩定性隨高壓微射流壓力的提高逐漸降低，當壓力為140 MPa時，大米蛋白質的乳化穩定性最小值為10.8 min。邢貝貝等[19]采用高壓微射流處理(35，70，105，140 MPa)對天然大米谷蛋白進行酸法熱處理制備纖維化熱聚集體，乳化活性指數及乳化穩定性指數呈先上升后下降的趨勢，在70 MPa時達到最大。

圖5 不同壓力的高壓微射流處理對大米蛋白質乳化性及乳化穩定性的影響

由圖6可知，大米蛋白質經高壓微射流處理后，起泡性提高，但起泡穩定性降低，當高壓微射流壓力為80 MPa 時，起泡性最大可達136%，是原大米蛋白質起泡性的1.7倍。Hu等[20]發現適度的動態高壓微流化處理可以減小馬鈴薯分離蛋白—殼聚糖復合物的粒徑，增加表面電荷，改善馬鈴薯分離蛋白的溶解度及乳化和起泡性能。

圖6 不同壓力的高壓微射流處理對大米蛋白質起泡性及起泡穩定性的影響

2.3 冷凍研磨組合處理對大米蛋白質功能性質的影響

由圖7可知，大米蛋白質經冷凍研磨組合處理后溶解性顯著提高。隨著溫度的降低，大米蛋白質的溶解性逐漸增加。當冷凍溫度為-60 ℃時，大米蛋白質的溶解度為34.3%，是原大米蛋白質溶解性的7.8倍。冷凍過程中產生的冰晶體可能使蛋白質中水溶性亞基增加，從而使大米蛋白質的溶解性提高[21]。

圖7 不同溫度冷凍研磨組合處理對大米蛋白質溶解度的影響

不同溫度冷凍研磨組合處理對大米蛋白質乳化性及乳化穩定性的影響如圖8所示。大米蛋白質經冷凍研磨組合處理后，其乳化性顯著提高，當冷凍溫度為-60 ℃時，大米蛋白質的乳化性最高可達0.959，是原大米蛋白質乳化性的4.2倍，而乳化穩定性隨冷凍溫度的降低逐漸減小。Wang等[22]的研究也發現-20 ℃冷凍處理后大米蛋白質乳化性顯著提高。

圖8 不同溫度冷凍研磨組合處理對大米蛋白質乳化性及乳化穩定的影響

不同溫度冷凍處理對大米蛋白質起泡性及起泡穩定性的影響如圖9所示。經冷凍研磨組合處理后，大米蛋白質的起泡性隨處理溫度的降低逐漸升高，當冷凍溫度為-60 ℃時，大米蛋白質的起泡性達到180%，是原大米蛋白質的2.3倍，而大米蛋白質的起泡穩定性則減小。在冷凍研磨組合處理中，起泡性與蛋白質溶解度變化趨勢一致，與其密切相關[23-24]。

圖9 不同溫度冷凍研磨組合處理對大米蛋白質乳化性及乳化穩定的影響

3 結論

在對大米蛋白質進行熱處理、高壓微射流處理及冷凍研磨組合處理后，其溶解度、乳化性和起泡性均有所改善，但乳化穩定性與起泡穩定性則有所降低。大米蛋白質結構復雜，功能性質受諸多因素影響，物理改性手段的應用還需進一步研究和探索。同時，物理法改性雖然具有對蛋白質營養價值影響較小以及費用低等優點，但是對于蛋白質功能性質的改善，尤其是溶解度，仍不及化學法和酶法。將物理改性手段與其他方法相結合，探究適宜工業生產的改性工藝，是拓展大米蛋白質應用領域的研究方向。