大米蛋白改性技术的研究进展

xs 246 0

近年全球每年大米产量在6.1亿吨左右,中国年产大米1.85~2.0亿吨,居世界首位[1]。利用早籼稻或碎米为原料生产淀粉糖、氨基酸的副产品米渣中蛋白质含量高达50% (干基),但目前在我国却并未很好的开发利用,造成了蛋白质资源的极大浪费。大米蛋白质的氨基酸组成合理,WHO/FAO推荐的理想模式非常接近,其生物价为77,高居各种粮食作物的第一位[2];同时,相比其他含有过敏和抗营养因子的植物性蛋白,大米蛋白的低过敏性显得更为安全可靠,可用作开发婴幼儿食品的基料。

但因大米蛋白溶解性差,进而导致其乳化性、发泡性、胶凝性等功能特性不佳,限制了其在食品领域的广泛应用。蛋白质的溶解性是其最重要的功能性质之一,能使它更容易溶解或混入到各种食品体系特别是溶液体系中;同时,溶解性也是乳化性、发泡性等功能性质的基础。占大米蛋白80%左右的谷蛋白中胱氨酸含量较高,其链内或链间的二硫键使蛋白质多肽链聚集成致密分子,大量的疏水基团被包埋在分子内部[3]谷蛋白中含αβ两条多肽链,αβ链等电点分别为6.67.59.410.3,在pH410范围内大米蛋白的溶解性皆很差[4],从而导致其它功能性质也较差。因此,有必要通过改性来提高其功能特性,研制出不同功能特性的专用大米蛋白粉,以拓展其在食品及其它领域的应用。

国内外食品蛋白质的改性方法主要包括物理法、化学法、酶法和基因工程法,对于大米蛋白质的改性方法主要集中在化学法和酶法。 

物理改性

物理改性是指通过机械处理、冷冻、挤压、磁场、电场、声场、超滤、低剂量辐射及添加小分子双亲物质等方法来改善蛋白质的功能特性。采用物理方法改性大米蛋白的报道不多,Kato[5]将大米浸入蒸馏水中,100400MPa 处理时大米中的过敏性蛋白溶入水溶液中,且溶解量达到0.20.5mg(蛋白)/g(大米)300400MPa处理时过敏性蛋白溶解量最大,达到0.5mg(蛋白)/g(大米);压力超过500MPa时过敏性蛋白溶解量不再增大。涂宗财等[6]采用超高压处理大豆蛋白,其溶解性、乳化性及乳化稳定性可分别提高到50%0.250.35;朱建华等[7]采用超声处理大豆蛋白,其溶解性、起泡性、乳化性及乳化稳定性均有所提高,分别可提高到53%30%0.951.10;赵学伟[8]等研究发现经挤压处理后小米的水溶性、盐溶性、醇溶性及碱溶性蛋白的溶解性均有降低。



化学改性

化学改性是通过化学手段在蛋白质中引入各种功能基团如亲水亲油基团、二硫基团、带负电荷基团等,利用蛋白质侧链基团的化学活性,改善蛋白质的结构、静电荷和疏水性,以此来达到改变蛋白质功能性质的目的[9]。化学改性有酸、碱、盐作用下的改性,脱酰胺、酰基化、糖基化、磷酸化、烷基化及亲脂化改性等,关于大米蛋白化学改性的报道主要集中在脱酰胺、酰基化、磷酸化、糖基化改性方面。

2.1 大米蛋白的脱酰胺改性

脱酰胺改性[10]是通过羰基中的OH+发生质子化作用,导致氨释放(又称脱氨)。酸法脱酰胺是由酸提供H+-NH2键打断,脱去-NH2,这就增加了蛋白质表面的负电荷、导致蛋白质结构的展开和疏水性残基的暴露。采用温和酸水解的脱酰胺作用能有效提高大米蛋白的功能性质,易翠萍[11]等研究了酸法脱酰胺后大米浓缩蛋白功能特性的改变,结果表明在脱酰胺度0~63.5%范围内,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;郑建冰等[12]研究表明在脱酰胺度19.6%~64.5%范围内,大米蛋白的溶解性随脱酰胺度增加而提高;19.6%~35.7%脱酰胺度的大米蛋白的乳化性能较好,而脱酰胺后大米蛋白的持水、持油性变化不大。

2.2 大米蛋白的酰基化改性

酰化后的蛋白分子表面负电荷增多,多链肽伸展和空间结构的改变导致分子柔韧性提高,进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。国内外关于植物蛋白酰基化改性的报道涉及小麦蛋白、棉籽蛋白、菜籽蛋白、花生蛋白、葵花子蛋白、亚麻籽蛋白、大米蛋白等。wanasundara[13] 等进行了乙酰化和琥珀酰化改性亚麻籽蛋白功能特性的研究,研究结果显示酰基化改性能明显改善其乳化能力,特别是乙酰化改性使亚麻籽蛋白的溶解性得到了显著提高,但起泡能力提高不大;张凯[14]以乙酸酐为酰基化试剂,研究确定了酰基化改性大米蛋白的最佳工艺参数:乙酸酐添加量0.3g/g蛋白、pH8.O50℃、反应时间3h,所得酰基化改性大米蛋白的溶解度可达88.15% 

2.3  大米蛋白的磷酸化改性

磷酸化改性是指为蛋白分子引进亲水性的磷酸根基团,增加蛋白的电负性,提高蛋白分子间的电荷斥力,使蛋白分子更容易分散,从而达到提高溶解度、改善乳化性和起泡性的目的。改性效果与磷酸化试剂的选择有关,利用三氯氧磷改性能提高乳清蛋白、大豆蛋白质形成凝胶的能力;chan等采用美国FDA准许使用的三聚磷酸钠对大豆蛋白进行改性,结果显示改性后的大豆蛋白等电点向酸性区域发生了迁移,蛋白的溶解能力、乳化能力、及持水能力也有明显地提高[15]。张凯[14]以三聚磷酸钠为磷酸化试剂,研究确定磷酸化改性大米蛋白的最佳工艺参数为:STPP6%pH8.545℃、反应时间90min,所得磷酸化改性大米蛋白的溶解度可达90.5%

2.4  大米蛋白的糖基化改性

蛋白糖基化改性正成为食品科学领域的一个研究热点,蛋白-糖的接枝反应主要基于蛋白质分子中氨基酸侧链的自由氨基和糖分子还原末端的羰基之间的羰氨反应美拉德反应(Maillard Reaction)[16],属于化学改性范畴。

由于糖链的引入,多羟基的亲水特性使蛋白质-糖接枝物整个分子的溶解性显著提高;接枝物具有较好的乳化特性[17,18]是基于其蛋白质部分可有效地吸附在油-水界面上降低界面张力,而同时共价结合的糖链(尤其是多糖分子)在吸附膜的周围形成立体网状结构增加了膜的厚度和机械强度。Matsudomi[18]等研究指出血浆蛋白-半乳甘露聚糖接枝物的乳化特性甚至优于某些小分子乳化剂;Shu[19]等研究发现随着多糖分子量的增加,蛋白-多糖接枝物在胶体体系中形成的保护层厚度增加,其乳化性、乳化稳定性也逐步改善;糖链长度还影响接枝物热稳定性,当蛋白分子上共价结合的多糖链长超过一定范围,蛋白质受热展开时,长链多糖的位阻效应就会阻止展开的蛋白分子聚集,从而使接枝物在高温下保持较好的乳化性能;若多糖链太短,位阻效应不明显,也就不能有效提高接枝物的热稳定性。

通过糖基化改性的动物性蛋白有卵清蛋白[16]、血浆蛋白[19,21]、酪蛋白[1822]、乳球蛋白[23]、乳清蛋白[17]等,植物蛋白中对大豆蛋白[24]、小麦面筋蛋白[25]研究较多。近几年来国内大米蛋白糖基化改性研究报道较多,Li[26]等研究了大米蛋白有限水解下与不同相对分子量多糖发生美拉德反应后功能特性的变化,得到溶解性、乳化性,乳化稳定性均有较大提高的大米蛋白-葡聚糖接枝物;华静娴[27]研究表明大米蛋白-葡聚糖接枝物在接枝度为46.6%时溶解度可达91.3%、乳化性0.645、起泡力增至260%?;陆钫[28]将大米蛋白与葡萄糖进行湿法接枝改性,其乳化性及乳化稳定性较改性前分别提高了1.37倍、1.62倍;纪崴[29]在蛋白︰糖=11、蛋白水解度5%pH11100℃的条件下湿法接枝反应20 min制备的大米蛋白-葡聚糖接枝物的溶解性、乳化性、乳化稳定性分别为对照蛋白的3.83倍、5.28倍、6.57倍;郭建伟[30]研究制备的大米蛋白-麦芽糊精接枝物其溶解度可达69.58%,乳化性、起泡性较改性前分别提高了1.08倍、1.29倍。

酶法改性

广义的酶法改性包括酶催化水解、类蛋白反应、蛋白质交联3类改性方法,其中酶解改性植物蛋白的研究一直很活跃。

3.1 酶催化水解改性

蛋白在某种酶的作用下发生特定的水解,可产生区别于母体蛋白的、相对较小的分子,同时伴有重要结构的重排,导致一些原来包埋在蛋白分子内部的疏水区暴露在溶剂中,从而产生新的营养功能及生物特性。若采用部位专一性酶或可控酶解将蛋白部分水解,往往能改进蛋白的乳化和起泡性质;若采用非专一性蛋白酶充分水解,水解物中小分子肽比例较高,虽能增溶原先溶解度低的蛋白,但也损害了蛋白质的胶凝、乳化、起泡等功能性质,充分水解改性的蛋白质通常被应用在液态食品体系中。因此,可通过控制水解度,使蛋白大分子降解成不同链长的小分子来达到改善不同功能性质的目的。

玄国东[31]等采用碱性蛋白酶研究制备的4%米糟蛋白酶解液的氮溶解指数可达95%,乳化性、起泡性分别为55%70%;奚海燕[32]等研究了超高压辅助碱性蛋白酶提取大米水解蛋白的工艺,提取率高达78.72%;王章存[33]等对比研究了3种蛋白酶催化反应动力学的特性,确定碱性蛋白酶Alcalase水解效果最佳,大米蛋白水解物溶解度、发泡力、乳化力最大可分别达到50.2%50mL73.6mL/g黄正虹[34]等研究比较了AlcalaseProtease NProtease 1398、中性蛋白酶、Protease FP 5种蛋白酶的催化反应动力学特性及改性后的功能性质,确定采用碱性蛋白酶制备高溶解性、高乳化性、高持水性的大米蛋白酶解物宜将水解度控制在4%左右;纪崴[29]采用碱性蛋白酶Protease N水解大米蛋白,研究发现水解度为5%的水解产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、持水性也分别提高了2.884.76倍。

3.2 类蛋白反应

类蛋白反应是指浓缩蛋白水解物在合适条件下经蛋白酶作用合成新的蛋白(沉淀或凝胶状物质)的反应[35],通过类蛋白反应可改善蛋白的营养及功能特性、脱除蛋白酶解物苦味。

类蛋白反应可在合成中将限制性氨基酸导入到肽链中而提高某些蛋白产品的生物有效利用率,Yamashita[36]等通过类蛋白反应将L-蛋氨酸乙酯导入大豆蛋白中以提高含硫氨基酸水平;张雅丽[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进行类蛋白反应,类蛋白中Lys与含硫氨基酸实现互补,其必需氨基酸分数明显高于原料蛋白;杨倩[38]等采用胃蛋白酶催化大米蛋白的碱性蛋白酶水解物进行类蛋白反应,大米类蛋白中ThrIlePheLys等必需氨基酸含量高于大米蛋白及其碱性蛋白酶水解物。Eriksen[39]等认为类蛋白反应中凝胶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,在水中很难溶解的疏水肽经凝聚形成颗粒而沉淀下来,同时被包裹起来的疏水侧链不能和味觉细胞作用,从而有效脱苦。Yamashita[40]等采用木瓜蛋白酶催化胃蛋白酶水解的大豆产物、L-谷氨酸二乙基酯合成类蛋白,其产物含谷氨酸41.93%,溶解性好,100℃加热1h也不混浊;安广杰[41]等采用木瓜蛋白酶催化蛋氨酸酯与水解明胶进行类蛋白反应,由长链醇所形成的酯改性后的水解明胶其乳化能力较短链的强,此因长的烃链具有较强疏水性,与亲水性的水解明胶反应能形成较好的两亲性产物,使其乳化能力加强。

3.3 酶法转酰胺和脱酰胺

转谷酰胺酶[42](TGase)可催化蛋白质及肽键中谷氨酰胺残基的C2 羧酰胺基和赖氨酸残基的E2 氨基相连,形成谷氨酰基-赖氨酸共价键,赋予食品蛋白质特有的流变特性和口感[43]Gujral[44]等利用TGase对大米粉进行改性,经TG处理后,大米蛋白发生聚集,形成较好的网络结构,在发酵过程中可更好地保持气体,米粉的流变学特性发生很大改善,粘性模量G”和弹性模G’量都有所增加。

蛋白质谷氨酰胺酶[45,46] (Protein Glutaminase PG)仅作用于蛋白质或肽的谷氨酰胺基团,对天冬酰胺残基或游离谷氨酰胺无影响,同时也不会导致蛋白质肽链的交联和水解。李向红[47]等研究了PG对大米谷蛋白功能性质的影响,结果表明经PG脱酰胺的大米谷蛋白其功能性质均有提高,在中性溶液中溶解度高达96.99%,强酸性条件下的乳化稳定性得到显著改善,起泡性随酶解时间增加而提高,改性蛋白的持水性、持油性比未改性蛋白分别提高1.752.03倍、1.581.94 倍;周小玲[48]等研究认为酶法脱酰胺使蛋白质分子所带负电荷增加、分子间静电排斥作用增大是大米谷蛋白在中性pH 条件下溶解度显著提高的原因。

4 展望

纵观前述3大类改性方法,物理改性具有成本低、无毒副作用、作用时间短及对营养价值影响小等优点,但目前采用物理法改性大米蛋白的报道很少,效果也不显著,有待于进一步广泛开展研究。

化学法改性蛋白质,方法简便,通过选择合适的改性方式和反应条件,即可使蛋白质的功能性质得到有效改善。但在改性取得预期效果的同时,因被改性的蛋白质残基往往是必需氨基酸,有时会破坏蛋白质原有的营养功效;有时会产生一些副反应,甚至是有害的毒理效应;还必须考虑所使用化学试剂的毒性及残留。因此,要尽可能选择营养功效破坏少、无副反应并对环境友好的化学改性方法;因无化学试剂残留的隐患,近年糖基化改性大米蛋白的研究很活跃,但大多停留在接枝条件的探索上,接枝反应的机理还有待深入研究。

酶法改性食品蛋白因专一性高、条件温和、毒副产物产生的可能性小而一直受到青睐。酶催化水解改性的产业化前景很好,但要注意区分部位专一性和非专一性蛋白酶的酶解特点,可通过水解度的控制使大米蛋白降解成不同链长的小分子来达到改善不同功能性质的目的;虽然类蛋白反应、酶法转酰胺和脱酰胺在改善食品蛋白的营养及功能特性方面有了一些研究积累,但工业化道路还较长,还需加强反应机理的研究,并有效降低酶反应的成本。

 

参考文献

[1] 姚惠源.世界稻米深加工的发展趋势和中国的潜在优势[A].中国粮油学会第二届学术年会论文选集[C].无锡:中国粮油学会,2002:12-1.

[2] Issara Sereewatthanawut, Surawit Prapintip,et al. Extraction of protein and amino acids from deoiled rice bran by subcritical water hydrolysis[J]. Bioresource Technology, 2008,99: 555– 561.

[3] K Tanaka, et al. Molecular species in protein body of developing rice endosperm[J]. Agric Biol Chem,1986,50(12):3031-3035.

[4] Bigelow C C. On the average hydrophobicity of protein and relation between it and protein stricture[J]. Journal of Theoret Biology, 1976, 16: 187-195.

[5] KATO T, KATAYAMA E, MATSUBARA S, et al. Release of allergic proteins from rice grains induced by high hydrostatic pressure[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2000, 48: 3124-3126.

[6] 涂宗财,汪菁琴,阮榕生,.超高压均质对大豆分离蛋白功能特性的影响[J].食品工业科技,2006,1:66-67.

[7] 朱建华,杨晓泉,邹文中,.超声处理对大豆分离蛋白功能特性的影响[J].食品科学,2004, 7:56-59.

[8] 赵学伟,魏益民,张波.挤压对小米蛋白溶解性和分子量的影响[J].中国粮油学报,2006,2: 38-43.

[9] Aoki T, HiidomeY. Improvement of heat stability and emulsifying activity of albuminby          Eonjugation with glueuronie acid though the maillard reaetion[J].Food Research International, 1999,32:129-133.

[10] Vidal V S. Influence of chemical agents on casein interactions in dairy Products chemieal   modification of milk Proteins. Colloids and Surfaces B: Bio-interfaces,1998,12:7-14.

[11] 易翠平,姚惠源.大米浓缩蛋白脱酰胺研究(I)—酸法脱酰胺与酶法脱酰胺工艺比较与参数优化[J].食品科学, 2005(1):145-149.

[12] 郑建冰,王立,易翠平.大米蛋白酸法脱酰胺改性及对蛋白性质的影响[J].食品工业科技,2007(2):102-105.

[13] Wanasundara P K, Shahidi E Functional Properties of late fiax Protein isolates. Agric. Food Chem.,1997,45:243-244.

[14] 张凯.大米蛋白提取工艺优化、改性及理化性质的研究[D].湖南农业大学,2010.

[15] Chan W M, Ma C Y A id modification of Proteins from soymilk residue[J].Food research International,1999,32:119-127.

[16] Kato A, Sasaki Y. Furuta RFunctional Protein-Polysaccharide Conjugate Prepared by Controlled Dry-heating of Ovalbumin-Dextran Mixture[J]. Agricultural Biology Chemistry, 1990, 54(1):107-112.

[17] M Akhtar, E Dickinson. Emulsifying properties of whey protein-dextran conjugates at low pH and different salt concentrations[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces2003,31:125-132.

[18] J A Hakkak, S Kavale. Improvement of emulsification properties of sodium caseinate by conjugating to pectin through the Maillard reaction[J]. International Congress Series, 2002,1245 : 491-499.

[19] Matsudomi N, Inoue Y. Emulsion Stabilization by Maillard-type Covalent-complex of Plsama Protein with Galactomannan[J].J.Food Sci,1991,13(1):265-268.

[20] Shu Yu-Wei, Sahara SNakamura S. Effect of the Length of Polysaccharide Chains on the Functional Properties of the Maillard-Polysaccharide Conjugate[J]. J. Agric. Food Chem., 1996, 44:2544-2548.

[21] W Lertittikul, S BenjakulM Tanaka. Characteristics and antioxidative activity of Maillard reaction products from a porcine plasma protein–glucose model system as influenced by pH [J]. Food Chemistry2007100:669-677.

[22] H. Jing, D.D. Kitts. Chemical and biochemical properties of casein–sugar Maillard reaction products[J]. Food and Chemical Toxicology200240:1007-1015.

[23] F Chevaliera, J M Chobert, et al. Improvement of functional properties of β-lactoglobulin glycated through the Maillard reaction is related to the nature of the sugar[J]. International Dairy Journal2001,11:145-152.

[24] 齐军茹,杨晓泉,廖劲松.液相体系制备大豆酸沉蛋白-葡聚糖共价复合物及其反应机制()功能性质的改善[J].食品科学, 2008, (3):71-73.

[25] Kato A, Shimokawa K, Kobayashi K. Improvement of the functional properties of insoluble gluten by pronase digestion followed by dextran conjugate[J]. J.Aric. Food Chem. 19919: 1053 -1056.

[26] Yue Li, Fang Lu, Changrong Luo, et al. Functional properties of the Maillard reaction products of rice protein with sugar. Food Chemistry, 2009, 117: 69-74.

[27] 华静娴,陈正行,钟芳.大米蛋白-葡聚糖接枝耦联反应的研究[J].食品科学,2008(12).45-50.

[28] 陆钫.美拉德反应改进大米蛋白功能性质[D].江南大学,2008.

[29] 纪崴.酶法及美拉德反应改进大米蛋白功能性质的研究[D].江南大学,2009.

[30] 郭建伟.大米蛋白-麦芽糊精接枝物制备及功能性质研究[D].长沙理工大学,2010.

[31] 玄国东,何国庆,熊皓平等.大米蛋白酶法改性及酶解物功能特性研究[J].中国粮油学报, 2005,(6):1-4.

[32] 奚海燕,欧小庆,张晖等.超高压辅助酶法提取大米蛋白的研究[J].粮食与饲料工业,2007, (10)26-29.

[33] 王章存,姚惠源.大米蛋白质酶法水解及性质研究[J].中国粮油学报,2003(05):5-8.

[34] 黄正虹,钟芳,李玥等.酶法改性大米蛋白的研究.食品与机械[J].2009,25(1):28-31.

[35] Yamashita M., Arai S., Matsuyama J., et alEnzymatic modification of protein in foodstuffs, partⅢ[J]. Agriculture and Biology Chemistry, 1970, 35: 1484-1491.

[36] Yamashita M, Arai S, Tsai S. Plastein reaction as a method for enhancing the sulfur- containing amino acid level of soybean protein[J]. J Agr Food Chem,1971, 19(6): 1151-1154.

[37] 张雅丽,王凤翼,宋世廉,.蛋白质酶法修饰的初步探讨2:大豆蛋白和芝麻蛋白的合成类蛋白质营养评定[J].食品与发酵工业,1994(5):67-68.

[38] 杨倩,熊善柏,钟慧臻,何山.大米类蛋白反应条件优化及其产物的氨基酸组成分析[J].中国粮油学报, 2008, 4:5-8.

[39] Eriksens Fagersonis. The plastein reacrion and its application :a review[J]. Food Science, 1976, 41: 490-493.

[40] V L Brownsell, R J H Williams, A T Andrews. Application of the plastein reaction to mycoprotein:I Plastein properties [J].Food Chemistry, 2001, 72: 337-346

[41] 安广杰,王璋.类蛋白反应法水解明胶的条件[J].食品发酵工业, 200,3: 83-86.

[42] K. K Agyare, K. AddoY. L. XiongEmulsifying and foaming properties of transglutaminase -treated wheat gluten hydrolysate as influenced by pH, temperature and salt[J]. Food Hydrocolloids, 2009,23(1):72-81.

[43] S. Renzetti, E.K. Arendt. Effect of protease treatment on the baking quality of brown rice bread: from textural and rheological properties to biochemistry and microstructure[J]. Journal of Cereal Science,2009,50(1):22-28.

[44] H S Gujral, C M. Rosell. Functionality of rice flour modified with a microbial transglutaminase[J]. Journal of Cereal Science, 2004,39: 225-230.

[45] MARCO C, ROSELL C M. Effect of different protein isolates and transglutaminase on rice flour properties[J]. Journal of Food Engineering,2008, 84(1): 132-139.

[46] MOORE M M, SCHOBBER T J, DOCKERY P, et al. Textural comparisons of gluten-free and wheat-based doughs, batters and breads[J].Cereal Chemistry, 2004, 81(5): 567- 575.

[47] 李向红,周小玲,刘永乐,俞健,张冬生.蛋白质谷氨酰胺酶对米谷蛋白功能性质的影响[J].食品科学,2010,17:192-196.

[48] 周小玲,刘永乐,李向红,俞健.蛋白质谷氨酰胺酶对米谷蛋白的分子结构及功能性质的影响[J].中国食品学报,2010,5: 98-105.

 



标签: 水稻毕业论文

发表评论 (已有0条评论)

还木有评论哦,快来抢沙发吧~

展开
客服微信:jie5527c点击复制并跳转微信