花生浓缩蛋白超声改性的工艺条件*

赵雪淞，蔺雅菲，刘民

1(辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新，123000)2(辽宁工程技术大学理学院，辽宁阜新，123000)

花生浓缩蛋白是从脱脂花生粕中除去可溶性糖、灰分等，制得蛋白含量65%(N×6.25，干基)以上的花生蛋白产品，可作为食品添加剂及粮食强化剂广泛应用于食品及饲料工业［1］。制取花生浓缩蛋白的方法主要有乙醇浸提法和碱溶酸沉法［2，3］。碱溶酸沉法能制得氮溶解指数(NSI)较高的产品，但其风味和色泽不如醇洗法制备的产品好，且有大量废水排放。乙醇浸提法是较好的浓缩蛋白制备方法，但该方法的缺点是溶解性偏低，持水性、乳化稳定性及凝胶性较差，限制了其在食品工业中的应用［2－4］。为了充分利用花生浓缩蛋白，提高其附加值，必须改善其功能性质。花生蛋白改性方法主要有物理改性、化学改性和酶法改性［5］。其中物理改性方法由于具有无毒、可接受性高的特点，更利于在食品工业中应用。本文以自制的醇洗花生浓缩蛋白为原料，考察了超声波处理功率和处理时间对花生浓缩蛋白各项功能性质(溶解性、乳化活性及乳化稳定性、起泡性及泡沫稳定性、吸水性、持油性和凝胶性质)的影响，并优化了改性条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

脱脂花生蛋白粉，阜新黑土地油脂有限公司提供。

Scientz－12型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司;BM251C型粉碎机，广东美的精品电器制造有限公司;HH-8型数显恒温水浴锅，国华电器有限公司;KDC-160HR型高速离心机，科大创新股份有限公司中佳分公司;2DP-150型震荡培养箱，上海精宏实验设备有限公司;S10型高速分散器，宁波新芝生物科技股份有限公司;752型分光光度计，上海欣茂仪器有限公司;78－1型磁力搅拌器，宁波新芝生物科技股份有限公司;SCIENTZ-ⅡD型超声波细胞粉碎仪，宁波新芝生物科技股份有限公司;2300型自动定氮仪、Soxtec Avanti 2050型自动索氏总脂肪分析系统，瑞典Foss公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料和产品主要成分的测定

蛋白质含量测定:凯氏定氮法，参照 GB/T 5009.5－2010;脂肪含量的测定:索氏提取法，参照GB/T 5009.6－2003;水分含量的测定:直接干燥法，参照GB/T 5009.3－2010;灰分含量的测定，参照GB 5009.4－2010;总糖含量的测定:苯酚硫酸法。

1.2.2 花生浓缩蛋白的制备方法

将脱脂花生蛋白粉过20目标准筛，然后准确称取2 g装入三颈瓶中。将配置成体积分数75%浓度的乙醇溶液置于水浴锅中加热，当达到50℃时按料液比(g∶mL)1∶6加入三颈瓶中，保持温度 30 min，然后离心分离，所得沉淀再次浸洗，浸洗物离心分离(3 000 r/min，20 min)，浸洗3次，最后将蛋白沉淀冷冻干燥，即得到浓缩蛋白产品［6］。

1.2.3 超声波处理方法

按1.2.2比例放大制备花生浓缩蛋白。称取花生浓缩蛋白50 g，加入45℃的热水溶解于烧杯中，配置成8%的蛋白溶液，旋涡振荡均匀后，调节该蛋白溶液的pH值为7.2，再放置于超声波发生器内，将超声波细胞粉碎机的探头深入液面下2 cm，在一定功率下超声振荡一定时间，最后冷冻干燥得改性产品，测定功能特性。

1.2.4 蛋白溶解性测定

半微量凯氏定氮法，参照GB5511－1985。

1.2.5 蛋白吸水性测定

10%的蛋白液10 mL移入15 mL离心管中，旋涡震荡2 min确保蛋白全部均匀分散，室温下静置30 min，离心3 000 r/min，20 min。弃上清液，称重。试验做3次重复。吸水性为每克蛋白结合水的克数。

1.2.6 蛋白持油性测定

称取1g蛋白(m0)，加入10mL(V1)大豆油，并用旋涡震荡仪使溶液混合均匀，室温下静置30 min，离心3 000 r/min，20 min，迅速将上层物小心移入干燥的10 mL量筒中，记录体积(V2)。试验做3次重复。持油性/

1.2.7 蛋白乳化性及乳化稳定性测定

采用浊度法测定，具体操作如下:取0.5 g/L浓度的蛋白溶液40mL，加入40 mL大豆油;用高速分散器(12 000 r/min)搅拌2 min;用注射器从底部取50 μL乳状液，与10 mL 0.1%的SDS缓冲溶液混合均匀，在500 nm波长下比色，记录吸光度(E0);10 min后再从底部取50 μL乳状液，同样稀释比色，记录吸光度(Et)。蛋白质的乳化性以E0表示，乳化稳定性=Et/E0，试验做3 次重复［7］。

1.2.8 起泡性及泡沫稳定性测定

1%的蛋白质溶液(pH 7.4)取100 mL，用高速分散器(12 000 r/min)搅拌3 min;转入量筒，尽快记录泡沫体积(V0)，静置15 min、30 min后各再次记录泡沫体积(Vt)。

1.2.9 蛋白最低凝胶点的测定

取蛋白样品溶于10 mL 0.1 mol/L的NaCI溶液中，制成 20、60、100、140、180 g/L 的溶液，调 pH 值到7.0，在90℃水浴中加热60 min，冷至室温，置于4℃条件下12 h以上，观察凝胶情况:凝胶不流动的样品为“+”，可形成凝胶;反之为“－’，不能形成［7］。

1.2.10 游离及总巯基含量测定

样品60 mg于10 mL含有8 mol/L尿素的的缓冲液(Tris-Gly，pH 8.0)中搅拌溶解1 h，离心(12 000 r/min)10 min。游离巯基(SHF)测定:2 mL上清液，加入 80 μL Ellman’s试剂，4 mg/mL DTNB(5，5’-二硫代-双-(2-硝基苯甲酸)，立刻混匀，5 min后测412 nm吸光度。总巯基(SHT)测定:取2 mL上清液，加入0.2%巯基乙醇处理样品2 h后，加入12%三氯乙酸(TCA)4 mL，静置1 h，离心(12 000 r/min)10 min，12%TCA洗涤沉淀4次，沉淀溶于3 mL Tris-Gly缓冲液中，取2mL液体测巯基含量。以Ellman’s试剂-SH的摩尔吸光系数1.36×104计算蛋白质的—SH含量。

式中:A412:412 nm吸光度，c:样品浓度(mg/mL)，73.53:106/(1.36 ×104)。二硫键(—S—S—)=(SHT－ SHF)/2［7］。

2 结果与分析

2.1 花生粕和花生浓缩蛋白的组分含量

本研究以冷榨花生粕为原料，采用乙醇浸提法自制花生浓缩蛋白。由表1可知，花生粕中蛋白质含量为37.23%，而制备成浓缩蛋白之后蛋白质含量有明显的增加，达到71.05%，同时水分、灰分、脂肪等含量明显下降，各项组分指标符合花生浓缩蛋白的质量要求。

表1 花生粕和花生浓缩蛋白各组分的含量%Table 1 The content of various components of the peanut meal and peanut protein concentrate%

2.2 超声处理强度对蛋白质功能性质的影响

2.2.1 吸水性

蛋白质组分吸附和持留水分的能力对食品组成结构和品质有重要作用。由图1可知，不同超声强度处理后的花生浓缩蛋白吸水性呈先上升后下降的趋势，超声功率为700 W时吸水性达到最大值2.550 g/g，继续加大超声功率吸水性开始下降。因此，700 W确定为吸水性的最优超声功率。

图1 超声处理强度对蛋白吸水性的影响Fig.1 Effect of ultrasonic irradiation power on water holding capacities of protein

2.2.2 持油性

蛋白质与脂质的相互作用受诸多因素的影响。非共价键是蛋白与油脂间的主要作用力，其次是氢键和疏水相互作用力。蛋白质的持油性在肉制品、焙烤食品、油炸食品等加工中起着非常重要的作用。由图2可知，超声功率在100～500 W时，持油性变化不明显，500 W后，持油性升高，700 W时持油性达到最大值，继续加大功率，持油性快速下降。因此，700 W为持油性的最优超声功率。

图2 超声处理强度对蛋白持油性的影响Fig.2 Effect of ultrasonic irradiation power on oil binding capacities of protein

2.2.3 溶解性

蛋白产品的溶解性好是其作为食品蛋白质原料的首要条件，因为蛋白质的溶解性影响着许多其他功能特性，尤其是增稠、乳化、起泡和凝胶性质，也会对其在食品中的稳定性和风味等有直接影响［8］。其溶解性衡量指标是氮的可溶性指数(NSI)。由图3可知，随着超声强度的升高，花生浓缩蛋白的溶解性呈一直上升的趋势。而本实验中所用的最大功率即900 W已达到实验室仪器的最大功率值。因此，以实验室现实条件为准，900 W为溶解性的最优超声功率。

2.2.4 乳化性及其乳化稳定性

乳化能力是衡量蛋白质促进油-水型乳状液形成能力的指标。乳化稳定性是指维持乳状液稳定存在的能力。蛋白质是一种表面活性剂，它能降低水和油的表面张力，使之易于乳化。另一方面，蛋白质分散在非连续相和连续相之间的界面上，能够阻止非连续相的聚集，起到稳定乳状液的作用。由图4可知，不同超声强度处理后的花生浓缩蛋白乳化性呈先上升后下降再趋于平缓的趋势，功率从100 W上升到300 W时，乳化性迅速上升，功率为500 W时乳化性下降，继续加大功率到700 W以上时，乳化性上升并逐渐趋于平稳。不同超声强度处理后，花生浓缩蛋白的乳化稳定性同样在700 W后呈现趋于平缓的趋势。因此，700 W确定为乳化性及乳化稳定性的最优超声功率。

图3 超声处理强度对蛋白溶解性的影响Fig.3 Effect of ultrasonic irradiation power on protein solubility

图4 超声处理强度对蛋白乳化性及其乳化稳定性的影响Fig.4 Effect of ultrasonic irradiation power on emulsifying capacity and emulsifying stability of protein

2.2.5 起泡性及其泡沫稳定性

泡沫的形成类似于乳化液的形成。泡沫形成于水分子对空气的包裹，空气是非极性介质，而蛋白是两性分子，因此它可以作为空气-水表面的介质促成泡沫形成［9］。由图5可知，在功率达到700 W以后，起泡性及其泡沫稳定性达到最大，继续加大功率，变化不大。因此，700 W为起泡性及其泡沫稳定性的最优超声功率。

图5 超声处理强度对蛋白起泡性及其泡沫稳定性的影响Fig.5 Effect of ultrasonic irradiation power on foaming capacity and foaming stability of protein

2.2.6 蛋白最低凝胶点

凝胶性是蛋白的重要功能性质之一，它赋予食品良好的凝胶组织结构，使食品对水分、脂质、糖类和其他成分具有良好的束缚作用，同时增加食品咀嚼感，为肉制品保持水分、脂肪提供基础［10］。蛋白凝胶特性表现在拥有高的黏附力，塑性和弹性。这一性质在香肠制品中非常重要，同时也是豆腐形成的基础。由表2可以看出，超声功率为100 W时，蛋白浓度为18%时才能形成凝胶，而超升功率为700 W时，在蛋白浓度为10%时形成了良好的自持凝胶，因此，700 W为蛋白形成凝胶的最优功率，10%浓度为蛋白最低凝胶点。

表2 超声处理强度对蛋白凝胶性的影响Table 2 Effect of ultrasonic irradiation power on gelatin of protein

2.2.7 游离巯基及二硫键含量的测定

超声波可促使蛋白质分子间和分子内部的非共价键、—S—S—等断裂，增加蛋白中的—SH含量，提高蛋白的表面亲水性，以此增加蛋白的溶解性，同时保存蛋白中的—SH含量并使其在速凝阶段发挥作用［7］。由图6可知，超声处理对蛋白质的速凝性质影响明显。随超声功率的增加，蛋白的游离巯基含量缓慢增加，900 W时上升到10.91 μmol/g。虽然游离巯基含量在一直上升，但二硫键含量在700 W后已经不再下降。因此，700 W为提高蛋白凝胶性的最优功率。

综上所述，超声功率对花生浓缩蛋白各项功能性质有显著影响。综合分析上述结果，确定700 W为最佳超声改性功率。为了进一步优化超声改性条件，在固定功率70 0W条件下，继续研究超声时间对花生浓缩蛋白功能性质的影响。

2.3 超声处理时间对蛋白质功能性质的影响

2.3.1 吸水性

由图7可知，随着超声时间延长，花生浓缩蛋白的吸水性呈上升的趋势，6 min后变化趋于平缓，6 min确定为蛋白吸水性的最优超声时间。

图6 超声处理强度对蛋白—SH/—S—S—含量的影响Fig.6 Effect of ultrasonic irradiation power on protein —SH/—S—S—

图7 超声处理时间对蛋白吸水性的影响Fig.7 Effect of ultrasonic irradiation time on water holding capacities of protein

2.3.2 持油性

由图8可知，不同超声时间处理后，花生浓缩蛋白的持油性呈先上升后缓慢下降的趋势，6min时达到最大值。因此，6min为蛋白持油性的最优超声处理时间。

图8 超声处理时间对蛋白持油性的影响Fig.8 Effect of ultrasonic irradiation time on oil binding capacities of protein

2.3.3 溶解性

由图9可知，不同超声时间处理后，花生浓缩蛋白的溶解性呈持续上升的趋势。原因可能是超声时间越长，蛋白分解越多，导致蛋白质溶解性上升。

图9 超声处时间度对蛋白溶解性的影响Fig.9 Effect of ultrasonic irradiation time on protein solubility

2.3.4 乳化性及其乳化稳定性

由图10可知，随着超声时间延长，花生浓缩蛋白的乳化性呈逐渐上升的趋势，而乳化稳定性呈先上升后下降的趋势，6 min时乳化稳定性达到最大值。虽然乳化性呈一直上升的趋势，但乳化稳定性超过6 min则呈现下降的趋势。因此，6 min确定为蛋白乳化及乳化稳定性的最优超声处理时间。

图10 超声处理时间对蛋白乳化性及其乳化稳定性的影响Fig.10 Effect of ultrasonic irradiation time on emulsifying capacity and emulsifying stability of protein

2.3.5 起泡性及其泡沫稳定性

图11 超声处理时间对蛋白起泡性及其泡沫稳定性的影响Fig.11 Effect of ultrasonic irradiation time on foaming capacity and foaming stability of protein

由图11可知，不同超声时间处理后的花生浓缩蛋白起泡性及其泡沫稳定性均在6 min时达到最高，之后趋于平稳。因此，6 min为起泡性及其泡沫稳定性的最优超声时间。

2.3.6 蛋白最低凝胶点

表3 超声处理时间对蛋白凝胶性的影响Table 3 Effect of ultrasonic irradiation time on gelation of protein

由表3可知，超声处理1～2 min时，花生浓缩蛋白的最低凝胶点是14%蛋白浓度，超声处理4 min时，花生浓缩蛋白的最低凝胶点为10%蛋白浓度，继续增加处理时间，最低凝胶点一直处于10%蛋白浓度。因此，4 min为最优超声时间。

2.3.7 游离巯基及二硫键含量

花生浓缩蛋白的速凝特性主要是表现为蛋白质分子链的展开、断裂过程，即蛋白经改性后，球状的蛋白质分子开始伸展开来，原来包埋在卷曲的分子链内部的功能基团如二硫基，疏水基团暴露出来，使得蛋白分子间和分子内部的二硫键、氢键、疏水作用、静电引力以及范德华力有不同程度的改变，从而使蛋白具有形成强凝胶的潜在性质［11］。由图12可知，超声时间的长短能有效地影响蛋白的速凝性质。超声时间为6 min时，游离巯基含量达到最高值，二硫键含量达到最低值，作用时间延长至8 min，蛋白的游离巯基含量和二硫键含量与6 min时相比，没有显著的变化。因此，6 min为最优的超声时间。

图12 超声处理时间对蛋白—SH/—S—S—含量的影响Fig.12 Effect of ultrasonic irradiation time on protein —SH/—S—S—

2.4 结果验证

综合以上结果分析，超声处理改善花生浓缩蛋白功能性质的最佳条件为:超声波功率700 W，超声时间6 min。在上述最优改性工艺条件下进行验证实验，得到数据如表4所示。实验结果表明，在上述条件下超声处理花生浓缩蛋白，其各项功能指标显著提高，验证实验取得的数据与之前的实验结果基本相似，证明本研究结果具有可行性和可重复性。

表4 最优工艺下花生浓缩蛋白改性结果Table 4 Data of modification of peanut protein concentrate at optimal condition

3 结论

本研究以自制的花生浓缩蛋白为原料，采用超声波处理方法改善花生浓缩蛋白的功能性质。结果表明，超声改性的最优工艺条件为:超声功率700 W，超声处理时间6 min。在此条件下得到的花生浓缩蛋白产品各项功能指标显著提高:吸水性提高了8.86%，持油性提高了118.11%，乳化性提高了28.67%，乳化稳定性提高了107.39%，溶解性提高了69.54%，起泡性提高了133.33%，泡沫稳定性 V15提高了222.22%，泡沫稳定性V30提高了400.00%，游离巯基含量增加了24.89%，二硫键含量减少了28.61%，蛋白最低凝胶点由18%蛋白浓度下降到10%蛋白浓度。超声波处理能够显著改善花生浓缩蛋白的功能性质，是一种简便、有效的蛋白改性方法，适宜工业应用。

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