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复合法提取高温菜籽粕中蛋白质的研究

发布日期:2018-02-27 中国油脂网

 袁 建,刘 胜,鞠兴荣,王素雅
(南京财经大学 食品科学与工程学院,江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室,南京 210003)


摘要:以高温菜籽粕为原料,研究了淀粉酶法与碱提法结合提取蛋白质的工艺,其优化条件为:酶解pH 7.0,酶解温度50 ℃,料液比1∶ 20,加酶量2.5%,酶解时间3 h;碱提pH 10.0,碱提温度55 ℃,碱提时间2 h,料液比1∶ 12。在此条件下,菜籽蛋白质提取率达到71.63%。经等电点沉淀、70%乙醇脱色及冷冻干燥后,产品呈浅灰色,菜籽蛋白质得率为9.3%,单宁脱除率为56.65%,植酸脱除率为62.77%,硫甙脱除率达93.66%。
关键词:高温菜籽粕;菜籽蛋白质;酶法;碱提法
中图分类号:TS229;TS202   文献标志码:A   文章编号:1003-7969(2010)01-0019-05

Preparation of protein from high temperature rapeseed meal
YUAN Jian,LIU Sheng,JU Xingrong,WANG Suya
(College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance & Economics, 
Key Laboratory of Grain & Oils Quality Control and Deep-Utilizing 
Technology of Jiangsu Province, Nanjing 210003,China)


Abstract:Protein was extracted from high temperature rapeseed meal by the combined method of enzyme method and alkali extraction. The optimum conditions were determined as follows: enzymolysis pH 7.0, temperature 50 ℃, ratio of material to liquid 1∶ 20, enzyme dosage 2.5%, reaction time 3 h; aqueous alkali pH 10.0, temperature 55 ℃, time 2 h, ratio of material to liquid 1∶ 12. Under the optimal conditions, the extraction rate of rapeseed protein was 71.63%. The extract was precipitated at isoelectric points of rapeseed protein(pH 4.0), and then decolorized by 70% ethanol to obtain the rapeseed protein with light-gray. The yield of rapeseed protein was 9.3%. The removal rate of tannin,phytic acid and glucosinolate was 56.65%, 62.77% and 93.66%,respectively.
Key words:high temperature rapeseed meal;rapeseed protein;enzyme method;alkali extraction

菜籽粕是油菜籽加工的副产品,其粗蛋白质含量约35%~45%,蛋白质氨基酸组成接近WHO/FAO推荐模式,是一种营养价值较高的植物蛋白质资源。虽然我国每年生产600万~700万t菜籽饼粕[1],但由于油菜籽中含有硫代葡萄糖甙、植酸、单宁等抗营养因子以及压榨制油工艺的高温,影响了菜籽粕资源的利用。因此,从高温菜籽粕中提取蛋白质,不仅可降低油菜籽加工中的巨大浪费,提高相关企业的经济效益,而且能增加优质蛋白质的供应,满足市场的需求。


目前,菜籽蛋白质多以低温菜籽粕为原料制备,而对高温菜籽粕研究甚少,其主要原因是制油工艺中不脱皮、蛋白质高温变性等,使得蛋白质提取率较低。本文以高温菜籽粕为原料,探讨淀粉酶法与碱提法结合提取菜籽蛋白质的工艺条件,以期获得较高的蛋白质提取率。


1材料与方法


1.1材料、试剂


高温菜籽粕,购于南京隆盛油脂有限公司;α-淀粉酶,无锡第一酶制剂厂生产。


氢氧化钠、硼酸、硫酸钾、硫酸、盐酸、邻苯二甲酸氢钾、无水乙醇等均为分析纯试剂。


1.2主要仪器、设备


pHS-25型pH计,RE-52AA旋转蒸发器,722N型可见分光光度计,501型超级恒温器,TDL-5-A台式离心机,ALPHAI-4LDpluo真空冷冻干燥机(德国MarinChrist生产)。


1.3试验方法


1.3.1分析方法

粗蛋白质测定,GB5009.5—2003;粗脂肪测定,GB5009.6—2003;水分测定,GB5009.3—2003;灰分测定,GB5009.4—2003;粗纤维测定GB5009.10—2003;淀粉测定,3,5-二硝基水杨酸法[2];单宁测定,钼酸铵-钨酸钠(F-D)比色法[3];植酸测定,钼蓝比色法[4];硫代葡萄糖甙测定,硫脲紫外法[5]。


1.3.2菜籽粕中蛋白质的提取工艺

称取粉碎过80目筛的菜籽粕粉10g,加入一定比例的去离子水,调节pH至一定值,在一定温度下保温搅拌维持10min后,加入一定量的淀粉酶反应一定时间,反应期间滴加1mol/LNaOH维持反应体系pH不变,反应完成后,立即于100℃灭酶10min,冷却后3000r/min离心20min,下层沉淀加一定量的水,调节至碱性pH,保温搅拌一定时间,3000r/min离心20min,合并两次上清液,调节pH至等电点,4000r/min离心20min,下层沉淀再加5倍体积70%乙醇,室温浸泡30min,离心,再分别用2倍体积去离子水洗涤两次,离心,下层沉淀冷冻干燥即得菜籽蛋白质。


1.3.3蛋白质提取率和得率的计算


蛋白质提取率=上清液中菜籽蛋白质的量/菜籽粕粉中蛋白质的量×100%


蛋白质得率=菜籽蛋白质制品的质量/菜籽粕粉的质量×100%


2结果与分析


2.1菜籽粕基本成分


本研究选用的高温菜籽粕基本成分见表1。由表1可知,高温菜籽粕含蛋白质39.33%,是菜籽粕主要成分;含有单宁2.63%、植酸2.82%和硫甙2.68mg/g。


 


2.2淀粉酶酶解对高温菜籽粕蛋白质提取率的影响


2.2.1pH对酶法提取菜籽蛋白质的影响

在50℃,料液比1∶15,时间3h,加酶量2%的条件下,研究不同pH下淀粉酶法对高温菜籽粕蛋白质提取率的影响,结果见图1。由图1可知,pH小于7.0时,菜籽蛋白质的提取率随pH的增大而增大,当pH大于7.0时,蛋白质提取率降低。在pH7.0条件下,高温菜籽粕蛋白质的提取率达38.73%。


 


2.2.2酶解温度对酶法提取菜籽蛋白质的影响

在pH7.0,料液比1∶15,时间3h,加酶量2%的条件下,研究温度对淀粉酶法提取高温菜籽粕蛋白质的影响,结果见图2。由图2可知,50℃时菜籽蛋白质的提取率最高,达到38.27%,而高于或低于该温度时,菜籽蛋白质的提取率均降低。


 


2.2.3料液比对酶法提取菜籽蛋白质的影响

在50℃,pH7.0,时间3h,加酶量2%的条件下,研究料液比对淀粉酶法提取高温菜籽粕蛋白质的影响,结果见图3。



由图3可知,菜籽粕蛋白质的提取率随料液比增加而升高,料液比为1∶20时提取率最高,达到40.34%,继续增加料液比,蛋白质提取率不再增加。料液比较小时反应体系流动性差,不利于底物与酶结合以及产物的扩散,酶解速率较低;当料液比过大时,会增大后续的处理难度,因此酶解需要合适的料液比,在后续的研究中选择料液比1∶20。


2.2.4加酶量对酶法提取菜籽蛋白质的影响

在料液比1∶20,pH7.0,50℃,时间3h的条件下,研究淀粉酶添加量对高温菜籽粕蛋白质提取率的影响,结果见图4。由图4可知,随着加酶量的增加,菜籽蛋白质的提取率不断提高,加酶量达到2%之后,加酶量增加对蛋白质提取率的影响减小,从酶作用效率与生产成本考虑,在后续的研究中选择加酶量为2%左右。



2.2.5酶解时间对酶法提取菜籽蛋白质的影响

在加酶量为2%,pH7.0,50℃,料液比1∶20的条件下,研究淀粉酶酶解时间对高温菜籽粕蛋白质提取率的影响,结果如图5所示。由图5可知,在酶解的前4h内,菜籽粕蛋白质的提取率随时间延长快速增加,酶解时间超过5h后蛋白质提取率几乎不再增加。可能是在酶解初期淀粉酶活力较高且没有产物抑制作用,但随着时间的延长,酶受环境影响活力逐渐下降,而且pH7.0时蛋白质的溶解度有限,继续延长酶解时间不能有效增加蛋白质的提取率。


 


2.2.6淀粉酶法提取菜籽蛋白质条件的优化

以蛋白质提取率为指标,在单因素试验的基础上,采用正交试验进一步优化酶解pH(A)、酶解温度(B)、加酶量(C)和酶解时间(D)4因素对淀粉酶法提取菜籽蛋白质的影响,试验结果及极差分析见表2,方差分析见表3。


 




由表2可知,酶解温度对淀粉酶法提取高温菜籽粕蛋白质的影响最为显著,其次是pH,加酶量与酶解时间的影响较小,即影响淀粉酶法提取菜籽蛋白质的主次因素顺序为:B>A>C>D。由表3可知,4个因素中只有酶解温度的影响达到显著水平。比较各因素不同水平均值可知酶法提取菜籽蛋白质的最佳条件为:A2B2C3D3。但数据分析发现D1与D3的均值差异并不明显,从节约能源与时间的角度考虑,最终选择A2B2C3D1组合作为淀粉酶法提取菜籽蛋白质的工艺条件,即pH7.0、酶解温度50℃、加酶量2.5%、酶解时间3h。验证试验表明该条件下菜籽蛋白质的提取率为41.79%。


2.3碱提法对高温菜籽粕蛋白质提取率的影响


淀粉酶法仅能提取出高温菜籽粕中约42%的蛋白质,为了提高菜籽蛋白质的提取率,用碱提法对酶法提取后的菜籽粕进行再次提取,从而达到提高菜籽蛋白质提取率的目的。


2.3.1pH对碱提菜籽蛋白质的影响

将酶法提取后的菜籽粕按1∶10的比例分散于水中,调至不同的pH后,在50℃提取2h,结果见图6。由图6可看出,菜籽蛋白质的提取率随pH的增大而升高。由于强碱环境中精氨酸会脱氨,降低蛋白质的营养价值;并且氨基酸之间发生脱水缩合,生成赖氨酰丙氨酸等对人体有害的物质[6]。此外,碱性环境促进美拉德反应[7],造成提取的蛋白质中色素沉积。因此,本试验选用pH10.0碱液提取菜籽蛋白质。



2.3.2料液比对碱提菜籽蛋白质的影响

将酶法提取后的菜籽粕按不同比例分散于水中,调pH至10.0,在50℃提取2h,结果见图7。由图7可看出,菜籽蛋白质提取率随料液比的增大而增高,但增幅逐渐减缓。当料液比达到1∶12时,蛋白质提取率达26%左右,之后随料液比的增加菜籽蛋白质提取率几乎不再增加。因此,以料液比1∶12作为后续研究的基础。



2.3.3提取时间对碱提菜籽蛋白质的影响

将酶法提取后的菜籽粕按1∶12分散于水中,调pH至10.0,在50℃提取不同时间,结果见图8。由图8可知,菜籽蛋白质提取率随时间的延长而增加,提取2h时提取率为25.78%,其后随时间延长增加缓慢。因此,以碱提2h作为后续研究的基础。


 

 


2.3.4温度对碱提菜籽蛋白质的影响

将酶法提取后的菜籽粕按1∶12分散于水中,调pH至10.0,在不同温度条件下提取2h,结果见图9。由图9可

知,菜籽蛋白质的提取率随温度的升高先增加后降低,当温度达到60℃时菜籽蛋白质提取率最高,为27.85%,考虑到超过此温度蛋白质提取率会下降,而55℃时的提取率与60℃时相差不大,因此后续试验以55℃作为研究基础。


 


2.4淀粉酶法与碱提复合法提取高温菜籽粕蛋白质的效果


以优化的淀粉酶作用条件为基础,再采用碱提法(提取条件为料液比1∶12,pH10.0,55℃碱提2h),高温菜籽粕的蛋白质提取率可达71.63%;而单纯碱提时(料液比1∶20,pH12.0,50℃提取3h,浸提2次)蛋白质提取率为46.60%,单纯淀粉酶法蛋白质提取率为41.79%。由此可见,淀粉酶法与碱提复合法能有效提高高温菜籽粕蛋白质提取率,且提取工艺中pH不高,有利于减少色素形成。复合法提取率高的原因是:油菜籽中含有的淀粉经高温蒸炒、压榨、浸提、脱溶等工序后发生了糊化、老化等一系列反应,老化的淀粉将菜籽蛋白质包裹束缚,阻碍其溶出[8]。菜籽粕中的淀粉经淀粉酶作用后分解,有利于蛋白质的溶出,提取率得到显著提高。


2.5菜籽蛋白质的沉淀分离


选用pH3.0~6.0对提取的蛋白质溶液进行沉淀,其沉淀率变化如图10所示。由图10可知,高温菜籽粕蛋白质的沉淀率在pH4.0时最高。


利用等电点沉淀(pH为4.0)法获得的蛋白质经70%乙醇脱色处理后,产品颜色明显变浅,呈浅灰色,菜籽蛋白质得率为9.3%。菜籽蛋白质成分见表4。由表4可知,抗营养因子大幅降低,单宁脱除率为56.65%,植酸脱除率为62.77%,硫甙脱除率达93.66%,其硫甙含量低于饲用4mg/g、食用0.4mg/g的允许要求[9]。


 

 




3结论


(1)本试验采用淀粉酶与碱提法对高温菜籽粕蛋白质进行浸提,蛋白质提取率比单一碱提法高25%,并有效地降低了碱液的使用量,避免了浸提时溶液pH过高等问题。


(2)通过优化试验确定该工艺的最佳条件为:酶解pH7.0,酶解温度50℃,料液比1∶20,加酶量2.5%,酶解时间3h;碱提pH10.0,碱提温度55℃,碱提时间2h,料液比1∶12。在此条件下菜籽蛋白质提取率达71.63%,显著提高了高温菜籽粕中蛋白质的提取率。


(3)利用等电点沉淀法获得的蛋白质经70%乙醇脱色处理后,产品颜色明显变浅,呈浅灰色,菜籽蛋白质得率为9.3%,抗营养因子大幅降低,单宁脱除率为56.65%,植酸脱除率为62.77%,硫甙脱除率达93.66%。


 

(4)试验也存在一些不足之处,如提取时间过长,利用等电点沉淀蛋白质使得蛋白质得率偏低,抗营养因子脱除率不是特别理想等问题,因此提取工艺还有待做进一步的改进研究。

参考文献:

[1] 刘文冰. 浅析我国油菜生产的现状与发展[J]. 中国种业, 2005(1):17.

[2] 赵凯,徐鹏举,谷广烨. 3,5-二硝基水杨酸比色法测定还原糖含量的研究[J]. 食品科学, 2008, 29(8):534-536.

[3] 吴谋成,张燕. 油菜籽中单宁的提取、组成及性质的研究[J]. 中国粮油学报, 1998, 13(2):17-21.

[4] 刘坤,高华,张东峰,等.不同植酸测定方法的对比分析[J]. 青岛医学院学报, 1997, 33(3):191-192.

[5] 余英,安廷士,罗朝忠. 菜籽粕中硫代葡萄糖甙测定方法的改进[J]. 中国油料, 1994, 16(2):52-54.

[6] HAMADA J S. Characterization of protein fractions of rice bran to devise effective methods of protein solubilization[J]. Cereal Chem, 1991, 74(5): 662-668.

[7] WANG W, HETLIARSCHCHV N S. Preparation and functional properties of rice bran protein isolate[J]. J Agric Food Chem,1999,47:411-416.

[8] 颜晓霞. 米糠可溶性蛋白的提取工艺和特性研究[D]. 江苏 无锡:无锡轻工大学, 1999.

 

[9] 何国菊. 菜籽饼粕综合利用研究[D]. 重庆:西南农业大学,2004.

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