結合物理化學和生物酶法提取豌豆蛋白豌豆纖維和豌豆淀粉工藝探索

韓文靜，吳延東，張廣昊，梁穎超，曹 雪，陶 進，李 義

（玉米深加工國家工程研究中心，吉林長春 130033）

豌豆中淀粉含量和蛋白質含量很高，而且氨基酸組成也符合人體需要，具有豐富的營養價值[1-4]。

豌豆在我國傳統加工中用于制取豌豆淀粉，但是在提取豌豆淀粉的同時，也造成了蛋白質資源的大量浪費。而豌豆蛋白具有很高的乳化性能、吸水性能和溶解度，在食品工業中應用廣泛。豌豆淀粉對于玉米、馬鈴薯、小麥淀粉而言，是一種較便宜的淀粉來源[5-8]。另外，豌豆中含有膳食纖維，有助于消化，可預防闌尾炎、心臟病和結腸癌等多種疾病。從豌豆中同時提取蛋白和淀粉，既具有重要的開發價值，又具有可觀的經濟價值，開發以豌豆為原料的綜合利用及深加工產品具有廣闊的前景[9-12]。

淀粉和蛋白質是豌豆的2 種主要成分，這2 種成分由于其特殊的功能性質得到越來越廣泛的重視。豌豆淀粉中含有較高的直鏈淀粉含量（33%左右），且由于具有較高的凝膠透明度和熱黏度及凝膠強度強而被應用于粉皮、粉絲的制作。豌豆蛋白質由于無臭味、乳化穩定性高、溶解性好、耐高溫且耐鹽，故可有效在肉制品、飲料、果汁，以及方便食品、冷凍食品中利用，同時具有營養價值高、味道鮮美的特點，使得豌豆蛋白深受廣大消費者的喜愛。

目前，國內總是在提取豌豆淀粉后的廢水中提取豌豆蛋白質，故回收率較低，質量也差，故只能用作飼料。20 世紀70 年代初，國外采用先進的超濾反滲透技術，能將提取豌豆淀粉后的下腳液中分子量較小的糖類化合物和其中的有害因子有效地去除，但這項技術生產費用較高，不符合國內的生產現狀。因此，可探求一條分離豌豆淀粉和豌豆蛋白質的途徑，達到聯產高效的目的。

1 材料與方法

1.1 原料

豌豆，購自當地超市。

1.2 試驗試劑

鹽酸（分析純）、硫酸（分析純）、中溫酶、低溫酶，湖南鴻鷹生物科技有限公司提供。

1.3 試驗儀器

三角瓶、燒杯、容量瓶、IKA 攪拌器、水浴鍋（HH-4 型數顯恒溫水浴鍋）、離心機（GL21M型- 高速冷凍離心機）、抽濾裝置（SHZ-95B 型循環水式多用真空泵）、冰箱（中科美菱YC-300L 型）、樣品篩。

1.4 試驗方法

（1） 通過采用干法物料探索試驗、顆粒度試驗等研究豌豆物理性質，掌握豌豆的組成比例；再利用單因素試驗法對破碎方式、浸泡的溫度、用水量、攪拌速度及不同種類酶制劑等進行試驗，確定最優工藝參數。

（2） 根據測定的豌豆粉水分，配置30%質量分數的豌豆粉料液，室溫下加入酶制劑浸泡攪拌（轉速300 r/min），料液微米化處理5 min，物料添加0.04%淀粉酶進行酶作用，經碘試檢測酶作用效果；檢測酶作用后蛋白進行干燥，并檢測蛋白含量。

（3） 在最優工藝條件下，采用纖維酶促收率試驗、纖維純度試驗，根據曲篩的原理試驗提取豌豆纖維素；利用生物酶法、酸沉絮凝、冷凍法、分離沉淀等方法研究；單因素控制試驗（pH 值、溫度、用水量、攪拌速度） 等提取豌豆蛋白；通過影響淀粉收率及黏度因素試驗研究，對比纖維洗滌用水采用淀粉洗滌水的效果等試驗，提取豌豆淀粉。

1.5 檢測方法

蛋白檢測采用凱氏定氮法。

1.6 工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

2 結果與分析

2.1 豌豆營養構成

以豌豆為原料，首先研究物料的性質，進行理化性質分析，其檢測項目如下：水分、蛋白、脂肪、淀粉、粗纖維。

豌豆營養成分含量見表1。

表1 豌豆營養成分含量/ %

總體來看，豌豆是一種以淀粉、蛋白為主的植物。營養非常豐富，富含有纖維；蛋白質和碳水化合物等物質，其營養全面且均衡。蛋白質的平均含量為24.84%，高于綠豆、豇豆；豌豆中淀粉的平均含量為48.3%，豌豆淀粉對于玉米、馬鈴薯、小麥淀粉而言，是一種較便宜的淀粉來源。

基于豌豆營養價值的測定數據，系統研究了豌豆淀粉、豌豆纖維和豌豆蛋白的聯產工藝。

2.1.1 豌豆浸泡時間對豌豆液化后蛋白質和脂肪含量的影響

準確稱取豌豆116 g（細度60 目），料液質量分數30%，置于不同的燒杯中。豌豆浸泡水采用常溫（16 ℃），分別浸泡1 h 和2 h，通過上述試驗方案優化試驗。

浸泡時間與蛋白質和脂肪含量的關系見圖2。

圖2 浸泡時間與蛋白質和脂肪含量的關系

浸泡的時間決定產品的品質。時間過短，豌豆未能吸水達到飽和膨脹，未被完全軟化，導致磨漿時磨碎得不夠徹底，淀粉顆粒仍被包裹著，蛋白質和淀粉難于分離，使得最終的產品純度降低；浸泡時間過長，豌豆原料容易變質，豆體變黏，蛋白質和淀粉不易分離，豌豆體積膨脹過大，空間利用率降低，工作效率和經濟效益不合理。

由圖2 可知，豌豆浸泡1 h 得到的豌豆蛋白質含量比浸泡2 h 得到的豌豆蛋白質含量高，因此可采取的浸泡時間為1h。

2.1.2 豌豆粉細度對豌豆蛋白質及脂肪的影響

不同的豌豆粉細度對豌豆蛋白質、豌豆淀粉、豌豆纖維的溶出效果不同，根據上述試驗方案進行豌豆粉細度優化試驗。試驗采用的豌豆粉細度分別是60，80，100 目。

豌豆粉細度與蛋白質和脂肪含量的關系見圖3。

由圖3 可知，豌豆粉細度對豌豆蛋白質和豌豆淀粉的分離有一定的影響，綜合得到豌豆蛋白質的含量考慮，豌豆粉細度為80 目。

圖3 豌豆粉細度與蛋白質和脂肪含量的關系

2.1.3 不同質量分數對豌豆蛋白質的影響

不同質量分數，豌豆蛋白質的得率和豌豆蛋白質含量不同，按照上述試驗優化后的參數及方案進行試驗。

質量分數對豌豆蛋白質關系見圖4。

圖4 質量分數對豌豆蛋白關系

由圖4 可知，質量分數對豌豆蛋白質含量有一定的影響，質量分數由30%降到18%過程中，蛋白質含量呈上升趨勢，但當質量分數為15%時，蛋白質出現下降趨勢，由此可見，采取的最優質量分數為18%。

2.1.4 浸提pH 值對豌豆蛋白的影響

取80 目豌豆粉，質量分數為18%的豌豆液，攪拌時間1 h ，對pH 值分別為7.0，8.0，9.0，10.0 進行單因素試驗。

浸提pH 值對豌豆蛋白質關系見表2。

表2 浸提pH 值對豌豆蛋白關系

由表2 可知，當pH 值小于9.0 時，隨著pH 值的增加，蛋白質含量明顯上升；但當pH 值大于9.0時，蛋白質含量有所下降，由于pH 值會干擾蛋白構象及改變蛋白表面電荷的分布和類型，所以過酸或過堿都會影響蛋白質含量。結合試驗數據，選擇最佳浸提pH 值9.0。

2.1.5 不同酶制劑對豌豆蛋白質的影響

豌豆浸泡過程中添加酶制劑，酶制劑可使豌豆淀粉、豌豆纖維、豌豆蛋白更快速有效的分離。試驗進行2 種酶制劑對比試驗，分別是淀粉酶1 和淀粉酶2；根據上述最優工藝參數進行對比試驗。

酶制劑對豌豆蛋白質關系見表3。

表3 酶制劑對豌豆蛋白關系

由圖4 可知，酶制劑對豌豆蛋白質含量影響較大，沒有添加酶制劑的空白試驗相同工藝下，豌豆蛋白質含量僅70.24%，添加酶制劑的豌豆蛋白質含量均比空白試驗高，但淀粉酶2 組豌豆蛋白質含量高于淀粉酶1 組。因此，選擇使用淀粉酶2。

2.1.6 微米化處理時間對豌豆蛋白質的影響

根據上述優化工藝，采用80 目豌豆粉，配置質量分數18%，浸泡時間為1 h，其他工藝不變的基礎上進行豌豆蛋白質提取試驗，單因素優化微米化處理時間對豌豆蛋白質的影響。

微米化時間對豌豆蛋白質關系見圖5。

圖5 微米化時間對豌豆蛋白質關系

由圖5 可知，微米化處理時間對豌豆蛋白質的含量有很大的影響，時間長，淀粉和蛋白質等結構發生變化，被破壞；時間短，淀粉和蛋白質不能得到充分的分離。綜合數據可以看出微米化處理時間10 min最佳。

采用淀粉酶作用方式進行提取豌豆蛋白質，以豌豆蛋白質含量為指標，在單因素試驗的基礎上得出最佳分離條件為浸提時間1 h，浸提pH 值9.0，質量分數18%，微米化處理時間10 min，豌豆粉細度80 目，在此條件下，得到的豌豆蛋白含量為85.30%。

2.2 纖維、淀粉、蛋白分離技術開發

經過2.1 的優化數據，可以確定豌豆蛋白質提取工藝參數，在最優工藝參數下進行豌豆纖維、豌豆蛋白質、豌豆淀粉的分離提取。

2.2.1 連續提取蛋白

試驗方案：進行稱取豌豆，116 g 豌豆粉，加入清水，在55 ℃下浸泡1 h，使用微米化處理10 min收集所得漿液備用。浸提完畢后分別用100，140，200 目篩對漿狀物過濾，以分離粗纖維素，并以轉速5 000 r/min 將過濾后的漿狀物離心4 min，以獲得上清液（蛋白液） 和淀粉漿。粗纖維分2 次用清水進行洗滌，洗滌后得到的纖維40.0 ℃溫度下熱風干燥，洗滌水和離心后的淀粉漿進行混合洗滌干燥。

離心后的蛋白液調節pH 值，加入淀粉酶進行作用，反應液調pH 值進行酸沉，經過酸沉之后，分別得到豆清水和沉淀物，取沉淀物進行水洗，得到豌豆蛋白質。

豌豆中各組分及含量見表4。

表4 豌豆中各組分及含量

經過連續4 批提取蛋白質，可以看出蛋白質含量達到86%～87%（干基），蛋白含量及提取量比較成型。

2.2.2 在蛋白質含量及提取量比較成型的基礎上，進行豌豆纖維分離的工藝優化

按照2.2.1 中試驗方案進行，B 組為對照試驗，B 組利用淀粉洗滌水洗滌纖維。

不同洗滌水對豌豆纖維的影響見表5。

由表5 可知，纖維收率偏高，淀粉收率偏低，洗滌淀粉水可以回收利用。

表5 不同洗滌水對豌豆纖維的影響

2.2.3 纖維素酶對纖維提取的影響

結合2.2.1 和2.2.2 的優化工藝，進行纖維素酶對纖維素提取的影響試驗，考慮同時對分離得到的蛋白質進行2 次離心，提高蛋白含量。

試驗方案：試驗方案參照2.2.1 中工藝流程進行，區別，在洗滌纖維時加入纖維素酶制劑攪拌作用；其他工藝相同。

纖維素酶對纖維素提取的影響見表6。

表6 纖維素酶對纖維素提取的影響

將數據進行對比可知，纖維素酶對豌豆纖維的提取作用不明顯，且由于纖維素酶的作用，使得淀粉的得率下降。因此，在該項目未來的開展過程中，不考慮添加纖維素酶。

2.2.4 聯產提取豌豆淀粉和豌豆蛋白

豌豆蛋白質在生產過程中，通常使用堿溶酸沉的方法，但豌豆中的白蛋白是一種非酸沉蛋白，在提取過程中不宜提出，隨著豌豆豆清水流失，導致傳統的豌豆蛋白粉中蛋白質成分不夠全面。采用試驗工藝進行豌豆淀粉和蛋白聯產，得到數據如下：

不同堿溶酸沉法提取豌豆淀粉和豌豆蛋白質的影響見表7。

由表7 可知，當在堿性條件下浸泡時，豌豆蛋白質的干基含量可以達到91.14%，但若堿液濃度過高會使得淀粉發生糊化，造成豌豆粉和水的糊狀物過于黏滯，甚至導致蛋白質與淀粉分子之間發生相互作用，從而不利于其淀粉與蛋白質的有效分離，同時，在高堿液濃度下，蛋白質易于發生美拉德反應和胱賴反應，影響蛋白質的營養價值和應用價值，因此確定料液需要堿性條件下浸泡。

表7 不同堿溶酸沉法提取豌豆淀粉和豌豆蛋白質的影響

與此同時，可以得出結論，在豌豆粉浸泡質量分數為18%，經過2 次加水洗滌纖維，得到的豌豆纖維達到標準，得到的豌豆蛋白含量可達到91.14%，蛋白質得率達到89.03%，淀粉得率達到94.33%。

通過試驗也可得知用堿溶酸沉法從豌豆中同時提取豌豆淀粉和蛋白質，使其達到聯產目的方法是可行的，而且具有分離時間短、操作方便、工藝簡單、成本低、對蛋白質功能特性影響小等優點。

2.2.5 淀粉洗滌水循環利用

在豌豆分離豌豆淀粉時，回收的淀粉洗滌水中還含有一定量的淀粉，可以回收利用淀粉洗滌水，利用淀粉洗滌水浸泡豌豆粉，由于淀粉洗滌水中含有一定量的豌豆營養物質，故將料液浸泡質量分數降低至15%。

通過對市場的調查可知，目前市場上的豌豆蛋白標準，蛋白質含量78%左右，根據中糧工藝制備的豌豆蛋白質含量可達到88%以上，為適應市場需求，中糧可適當降低蛋白質含量，采用二次離心后直接噴霧，從而對比蛋白質含量變化。

試驗方案：采用最優工藝進行試驗，進行2 組對比試驗，A 組為最優工藝，B 組使用淀粉洗滌水配置豌豆料液，其他工藝與A 組相同。

不同堿溶酸沉法提取豌豆淀粉和豌豆蛋白質的影響見表8。

由表8 可知，淀粉洗滌水可以反復利用，淀粉洗滌水的回填對豌豆蛋白質含量不但沒有負面影響，還可以提高豌豆蛋白質含量及豌豆淀粉得率，豌豆淀粉得率可達到98.8%。

表8 不同堿溶酸沉法提取豌豆淀粉和豌豆蛋白質的影響

3 結論

采用堿溶酸沉加工技術對豌豆淀粉和蛋白質進行綜合分離提取，并進行單因素試驗，可得技術的最佳工藝參數為豌豆粉細度80 目，質量分數18%，浸提時間1 h，微米化時間10 min，在此條件下，分離豌豆纖維、豌豆蛋白、豌豆淀粉。豌豆淀粉得率為98.8%，豌豆蛋白質含量為91.02%，豌豆蛋白質得率為90.9%。