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大米蛋白研究進展
2019-03-04
 
大米蛋白研究進展

作者:王章存 申瑞玲 姚惠源

來源:見正文

發布時間:2004-07-29

    大米是世界上的主要糧食之一,全世界一半以上、我國三分之二以上的人口以大米為主食。因此,大米蛋白是人們膳食中重要的蛋白來源。我國稻谷種植面積很大,每年的稻谷產量有1800億公斤左右。這些稻谷加工成的大米除了食用外,還作為味精發酵和淀粉糖生產的原料。在這些加工環節中產生了大量的副產品米糠和米渣。米糠含有豐富的營養物質,其中蛋白質的含量約12%,脫脂米糠中蛋白質的含量可高達18%。米渣中蛋白質的含量在40%以上,俗稱大米蛋白粉和大米濃縮蛋白(RPC)。它們都是寶貴的蛋白質資源,國外非常重視大米和米糠的開發利用,并生產出了附加值很高的營養保健食品和化妝品。過去我國將它們作為動物飼料使用,資源未得到合理利用。近年來,國內對此給予高度重視,一些科研機構和企業加大了研究開發力度。本文從開發利用的角度對近年來國內外大米和米糠蛋白的研究最新進展作一介紹。

1 大米蛋白的結構、組成和性質

     大米蛋白種類很多,一般以其溶解特性進行分類。首先用水提取大米或米糠中的蛋白質所得到的蛋白組分稱為清蛋白;殘渣用稀鹽溶液提取得到的蛋白組分為球蛋白;再用75%乙醇提取的組分為醇溶蛋白,最后殘渣中蛋白質只能用酸或堿溶解,分別稱為酸溶性蛋白和堿溶性蛋白,二者統稱為谷蛋白。

    谷蛋白和醇溶蛋白也叫貯藏蛋白,是大米中的主要蛋白成分,谷蛋白占總蛋白的80%以上,醇溶蛋白占10%左右;而清、球蛋白含量極少,是大米中的生理活性蛋白,在稻谷發芽早期,它們起著重要的生理作用。

    不同蛋白氨基酸組成各有特點。清蛋白中不帶電荷的疏水性氨基酸含量較高,酸性氨基酸較低;球蛋白中堿性氨基酸含量較高,達15%以上,而醇溶性蛋白的堿性氨基酸含量只有球蛋白中的一半左右,但其疏水性氨基酸卻遠高于其它類蛋白。

    蛋白的溶解性不僅與其氨基酸組成有關,與其存在狀態也有關系。研究表明,在胚乳中蛋白主要以兩種聚集體形式存在,即PB-I和PB-Ⅱ型。電子顯微鏡觀察表明,PB-I聚集體呈片層結構,致密顆粒直徑為0.5~2μm,醇溶蛋白即存在于PB-I中;而PB-Ⅱ呈橢球形,不分層,質地均勻,顆粒直徑約4μm,其外周膜不明顯,谷蛋白和球蛋白存在于 PB-Ⅱ中。兩種聚集體常相伴存在。

    在大米發芽過程中,兩種蛋白聚集體發生解體,但二者的可消化性明顯不同,PB-Ⅱ因沒有致密的硬核更容易被消化水解,而PB-I在發芽后9天時仍保持著片層結構。用SDS-PAGE技術研究證明, PB-Ⅱ不斷有新的電泳譜帶亦即新的蛋白質組分出現,而PB-I的組分穩定。說明二者蛋白質分子在代謝方面是有差異的。

    大米蛋白中的胱氨酸含量較高,含有較多的-S-S-鍵。這些鏈內或鏈間-S-S-鍵使蛋白質多肽鏈聚集成致密分子,也可能是形成蛋白聚合體的重要原因。聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)分析結果顯示,在PB-Ⅱ聚集體中的蛋白質含有分子量為64、140、240、320、380和500Kda甚至超過2000KDa的組分。分子生物學的研究表明,大米貯藏蛋白的基因表達時首先合成的是分子量為57KDa的蛋白分子,它再裂解成22KDa和37KDa兩個亞基。谷蛋白中大小不等的蛋白分子由這兩個亞基通過-S-S-裝配而成。SDS可以破壞-S-S-的連接,改變SDS的用量,可以發現分子量為22~23KDa和37~39KDa的組分存在,因此這兩個組分實際上是大分子聚集體的基本組成單位。

    清蛋白中也有分子量高達100KDa的蛋白組分存在,但由于清蛋白中胱氨酸含量很低,不易形成-S-S-鍵,因而清蛋白更容易溶于水,這說明二硫鍵的存在對穩定蛋白聚合體是非常重要的。

    將蛋白提取后對其氨基酸組成分析發現,大米中的某些蛋白并非完全由氨基酸組成的簡單蛋白質,而是含有糖(鼠李糖)或脂類成分的結合蛋白。這些非氨基酸成分不僅影響蛋白質的性質,同時也賦予蛋白質特殊的生理功能。

     另外,大量的研究表明,大米中的蛋白種類并不是固定不變的。在大米陳化過程中,雖然總蛋白含量不變,但其結構、類型會發生變化,進而也影響了米飯的流變特性,突出的變化是二硫鍵數量增多,蛋白質分子量增大,蛋白聚體更加致密,蒸煮后蛋白質與淀粉的網絡結構致密,限制了淀粉粒的吸水膨脹和柔潤,因而米飯的粘性下降而硬度增加。此時若加入適量的還原劑破壞二硫鍵,則米飯的粘性提高。任順成等用SDS-PAGE方法也證明了大米陳化前后蛋白質分子量的這種變化;Teo等的試驗也證明大米中的蛋白質的變化是導致大米流變學性質變化的重要因素。這些試驗都說明-S-S-鍵對蛋白質性質的重要性。

    大米蛋白不僅在陳化中有更大分子的形成,在加熱時也有明顯的蛋白分子的聚合。Mujoo指出,爆炒大米花時,分子量為24、34、68 KDa的分子可以聚集成4×104 KDa的特大聚合體,但分子量為13~16KDa的醇溶蛋白不參與這種蛋白體的形成。

     由此可見,開發利用大米蛋白質尤其要注意大米陳化、加熱和二硫鍵的氧化、還原對蛋白質性質的影響。

    米糠中四類蛋白的含量與大米中的明顯不同。其依次用水、鹽、醇、酸、堿溶液提取所得到的清、球、醇溶、酸溶和堿溶蛋白的含量分別為34%、15%、6%、11%和32%,其中酸溶蛋白和堿溶蛋白均為谷蛋白,也就是說,米糠中水溶性蛋白含量很高。色譜分析表明,前四種蛋白的分子量范圍分別為10~100KDa、lO~150KDa、33~150KDa和25~100KDa。堿溶性蛋白在提取過程中有二硫鍵的斷裂,其主要組分的分子量仍然分布在45~150KDa,所有這類谷蛋白分子量更大,更難溶于水。但如果打破二硫鍵,也可以使98%以上的米糠蛋白溶解出來。需要指出,米糠經穩定化處理(一般是加熱滅酶)前后,其各種蛋白成分含量變化很大,主要表現在清蛋白含量降低(變性所致)、谷蛋白含量明顯增加。

2 大米蛋白的營養價值

    大米蛋白被公認為優質食用蛋白,主要是大米蛋白的氨基酸組成平衡合理,符合WHO/FAO推薦的理想模式,其中蛋氨酸含量較高,是其它植物蛋白所無法比擬的。米蛋白和米糠蛋白的生物價很高,它們的營養價值可與雞蛋、牛乳相媲美。

    另外,大米蛋白是低抗原性蛋白,不會產生過敏反應,對生產嬰幼兒食品是十分有利的。世界上很多國家都有嬰幼兒大米蛋白營養粉出售。很多植物性蛋白中含有抗營養因子,如大豆蛋白、花生蛋白中的胰蛋白酶抑制素和凝血素、小麥中的一種清蛋白、菠蘿中的菠蘿蛋白酶等,它們往往引起免疫反應使食用者產生過敏或中毒反應。動物性食品中也有一些致敏因子,如牛奶中的乳球蛋白、雞蛋清中的卵類粘蛋白等,嬰幼兒對這些因子最敏感。相比之下,大米蛋白最安全,大米是唯一可以免于過敏試驗的谷物。隨著對大米蛋白研究技術日趨完善,嬰幼兒和老年用大米蛋白強化食品在市場上正呈普及之勢。

    大米蛋白除了基本的營養功能外,還有其它一些保健功能。Morita用大米分離蛋白(RPI)和酪蛋白在小鼠中的試驗表明,RPI能顯著降低血清中的膽固醇、甘油和磷脂的濃度,鼠肝的重量也低于飼喂酪蛋白的試驗組。

    二甲基苯并蒽(DMBA)是乳腺癌的誘變劑。以30mg DMBA/Kg體重的劑量飼喂小鼠,基礎飼料中的蛋白質分別為RPI、大豆分離蛋白(SPI)和酪蛋白。試驗結果表明,飼喂RPI鼠的瘤重低于飼喂酪蛋白者,飼喂7天時各組試驗鼠血清中的苯酚物羥化酶的活性差別不大。說明RPI具有抵抗DMBA誘導癌變的作用。從米糠中提取的RPI也表現出同樣的效果;進一步用色質聯機分析RPI的成分發現,在 RPI中有三萜烯醇、阿魏酸等成分的存在,說明 RPI是結合蛋白。蛋白質的特殊作用可能必須這些非氨基酸成分的參與。

    Neriega的試驗也是很有意思的。他比較了食用大米和面包的人群對亞極限性體力訓練的忍耐力,發現食用大米者耐力更強,受試者血液中的乳酸含量較低。

    米糠還具有抗糖尿病的作用。鏈脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)是誘發糖尿病的引誘劑。在米糠的功能試驗中發現,米糠飼喂實驗鼠兩個月,可顯著減輕STZ誘導的糖尿病癥狀,試驗鼠血清中甘油和膽固醇的含量均低于對照組,多尿癥癥狀也得到改善。可以推斷米糠中的蛋白質起著重要作用。

    上述研究表明,大米蛋白不僅具有獨特的營養功能,還有很多潛在的醫療保健作用。這是國外十分重視大米蛋白研究和開發利用的重要原因之一。而國內對大米蛋白功能性的研究較少。

3 大米蛋白的開發利用

    大米中的主要成分是淀粉,蛋白質的含量只有9%左右,直接從大米中提取蛋白質顯然是不經濟的。大米淀粉糖和味精生產中的下腳料(即米渣)中的蛋白含量40%~65%,也可稱作大米濃縮蛋白,是開發利用大米蛋白的主要原料,這是一塊數量很大的寶貴資源。過去它主要作為動物的蛋白飼料,但從資源利用角度看這是不經濟的。隨著對大米蛋白價值的認識,越來越多的大米蛋白正被開發成附加值很高的食品生產原料和添加劑。市場上有高蛋白營養米粉出售,但它仍是以淀粉為主要成分,蛋白質含量很低,作為蛋白質資源的開發利用的潛力未能充分發揮。

3.1 大米分離蛋白(RPI)

     大米濃縮蛋白(RPC)中的蛋白質含量已得到40%以上,但其許多功能性尚不理想。經化學或生物化學方法去除其中的碳水化合物可以獲得蛋白含量大于90%的大米分離蛋白(RPI)。RPI可經過水解或生化方法修飾后生產各種食用蛋白補充劑。由于RPC中絕大部分是水不溶性蛋白質,提取時傳統復方法是使用堿溶酸沉法,該法雖可以得到純度較高的RPI,但它有明顯的不足之處,如產品顏色深,蛋白質中的賴氨酸受到很大破壞,發生的副反應會形成味苦、對身體有害的物質,以及蛋白質回收率較低等。

     基于RPC中蛋白質為水不溶性,且非蛋白成分主要是碳水化合物的特點,提取的蛋白質應該進一步純化(Purification)。還可以用纖維素酶、果膠酶及異淀粉酶等處理,促進更多碳水化合物的溶解。在大米淀粉糖生產中采用這種方法,既可以使淀粉糖的得率提高,同時也獲得純度很高的RPI,蛋白質的回收率也能達到滿意的程度。

     米糠中蛋白質含量為10%~12%,如前所述,其中35%左右是水溶性的,但因米糠中有大量纖維,而且米糠大多經過穩定化處理,加熱使蛋白質的溶解性發生了較大改變,有效提取有一定難度,目前對這一問題的研究主要是米糠均質化處理和酶技術的應用。米糠的粉碎粒度對蛋白質的溶出影響很大,尤其是未經過加熱處理的米糠。有研究指出,磨漿和均質可溶出38%的蛋白質,比原來溶出量提高75%,而且溶出組分的分子量差別很大。

     生物酶用于米糠蛋白的提取效果更加明顯,可以使用的酶包括纖維素酶、木質素酶、蛋白酶和植酸酶等。纖維素酶、木質素酶可以解除米糠纖維素對蛋白質的束縛,使提取物中蛋白含量可達50%以上。若用植酸酶和纖維素酶、木質素酶等結合處理脫脂米糠,會獲得蛋白含量達92%米糠分離蛋白(RBPI)其得率可達74.6%。

     蛋白酶的應用同樣可以達到理想的效果。 Hamada等用蛋白酶處理米糠使其蛋白水解度(DH)達到10%時,蛋白提取率為92%。若應用Na2S03、SDS等破壞蛋白質二硫鍵的情況下,即使水解度只有2%,蛋白回收率也可達到84%。提取過程中應用兩種或多種蛋白酶,它們具有不同的水解位點,所得蛋白水解物的物化性能優于一種酶的效果。

    上述試驗均是通過增大蛋白的溶解度來提高蛋白質的提取效果,而且所得到的蛋白質發泡、乳化等性能也得到一定的改善。這一點與米蛋白酶法提取的技術方向及產品的性質明顯不同。

3.2 大米蛋白發泡粉

    十幾年前,大米蛋白發泡粉的出現曾為食品生產中大量應用大米蛋白提供一種選擇。但這種發泡粉是以大米濃縮蛋白為原料,用NaOH有限水解蛋白質的產物,產品顏色深、pH值高、味苦。用蛋白酶水解大米蛋白就可克服上述缺點。大米蛋白分子量大,含有較多的疏水性氨基酸,因而溶解度差,無法表現物化功能性。用蛋白酶對其適當水解后,可釋放較多的-COOH和-NH2,增大蛋白質分子的極性,在促使蛋白質溶解度增大的同時,其溶液的膠體性質也在增強,表現出一定的乳化、發泡能力,可以廣泛用作食品加工原料,賦予食品一定的加工性能。目前國內研究較多的是大豆蛋白和小麥面筋蛋白的水解。王章存等用蛋白酶水解大豆分離蛋白就取得了較好的效果。以大米蛋白為原料酶法水解制取食用發泡粉的研究近年國內也有報道。相信隨著技術的完善,酶法大米蛋白發泡粉將在食品生產中得到廣泛應用。

3.3 蛋白水解物

    它以大米蛋白為原料,通過不同程度水解可以得到用途不同的蛋白水解物,大部分可作為即沖即飲的蛋白營養強化劑,有些則含有特殊風味或保健功能。

     制備氨基酸營養液是利用植物蛋白的傳統方法,國內研究和利用較多的是酸水解法,所謂化學醬油就是基于這樣方法,但因其環保、安全性問題,現應淘汰。若用蛋白酶水解因受酶專一性的限制,尚無一種酶可將蛋白質完全水解,多種酶的應用則不經濟。

     其實,以補充氨基酸為目的的營養產品沒有必要將蛋白質完全水解,只水解成小肽即可。現在營養學研究表明,小肽分子比氨基酸更易被小腸吸收和利用。肽的吸收是通過腸粘膜紋狀緣存在的肽載體利用質子梯度主動轉運機制來實現的。小肽的滲透壓較低,食用后也不會引起痢疾和過敏反應,而且小肽比氨基酸有更好的感觀效應,它可作為蛋白營養強化劑供人們食用。目前在美國知名度較高的 NutriBiotics大米蛋白粉就是這類產品。

     更令人感興趣的是,許多小肽分子具有重要的生理功能,如免疫調節、抗氧化、抗膽固醇、抗血栓、抗糖尿病等,又稱為活性肽。目前對動物性蛋白水解產生生物肽的研究已成為世界性的潮流,已發現了許多有潛在應用價值的活性肽。但對大米來源的活性肽的研究相對較少,其中報道較多的大米活性肽是Gly-Tyr-Pro-Met-Tyr-Pro-Leu-Arg肽分子,命名為Oryzatensin。在豚鼠上的試驗表明,它具有引起回腸收縮、抗嗎啡和免疫調節作用。它主要是通過激活磷脂酶水解溶血磷脂酸釋放花生四烯酸來引起收縮的。

     另外,大米蛋白水解還可以產生某些風味肽。現代儀器分析表明這類風味肽中谷氨酸的含量很高,它與鹽結合形成谷氨酸單鈉鹽,呈現鮮味。當大米蛋白經酶水解產生的這種產物與糊精混合經噴霧干燥即得到市售的食品風味改良劑。

3.4 大米蛋白的化學改性

    天然植物蛋白的物化功能性普遍較差。科研工作者希望通過化學手段改善蛋白質的性質,增大其在食品中的使用量。這既能滿足食品加工性能的需要,又能提高食品的營養價值。目前對大豆蛋白的改性研究較多。主要的方法是引入磷酸基、乙酰基,或是蛋白質中的谷氨酰庵、天冬酰胺等脫去酰胺基,這些措施是安全和有效的。但對大米分離蛋白的化學改性的研究尚未見報道。

    綜上所述,大米蛋白是有待大力開發的寶貴的蛋白資源。它是由較多二硫鍵連接而成的蛋白聚合分子,大米蛋白及其水解物不僅具有重要的營養功能,還具有潛在的醫療保健作用。大米蛋白的酶法水解和化學改性可改善其物化功能性質。這些產品都具有廣闊的應用前景。國外對大米蛋白進行了較多的研究并取得了一定的成果。相信我國對大米蛋白的研究和開發也會有較大的進展。

    

注:
    (1)來源:中國糧油學報,2004年第2期;
    (2)作者單位:江南大學食品學院。

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