芝麻蛋白提取液超滤浓缩工艺及其功能特性研究

朱秀灵,戴清源,贾 冬,李鹏程,夏 楠,胡 闯,胡龙平

(安徽工程大学生物与化学工程学院,安徽芜湖 241000)

芝麻蛋白提取液超滤浓缩工艺及其功能特性研究

朱秀灵,戴清源,贾 冬,李鹏程,夏 楠,胡 闯,胡龙平

(安徽工程大学生物与化学工程学院,安徽芜湖 241000)

研究超滤法浓缩芝麻蛋白提取液的工艺条件及芝麻蛋白的主要功能特性。以膜通量为评价指标,通过单因素实验,探讨了超滤压力、温度、pH和时间对芝麻蛋白提取液膜通量的影响,在此基础上通过正交实验确定超滤浓缩的最佳工艺参数。结果表明,超滤浓缩芝麻蛋白提取液的最佳工艺条件为:超滤压力为0.25MPa,提取液pH为10.0,超滤时间为15min。在此条件下获得的芝麻蛋白具有良好的功能特性,其中乳化性和乳化稳定性及发泡性能显著高于等电点沉淀法制备的芝麻蛋白(p<0.05)。本研究为芝麻蛋白的深入研究和开发利用提供一定的参考。

芝麻蛋白,超滤,膜通量,功能特性

芝麻(Sesamunindicum)是我国也是世界上最古老的油料作物之一,含有48%～55% 油脂和20%～25% 蛋白质,其制油副产物——芝麻饼粕中蛋白质含量高达50%[1]。由此可知,芝麻不仅是一种重要的油料作物,也是蛋白质的良好来源之一。芝麻蛋白中赖氨酸和异亮氨酸含量不高,但由于其富含含硫氨基酸,尤其是较高含量的蛋氨酸,是其他植物蛋白所不可比拟的[1]。因此,芝麻蛋白可被开发为功能性食品辅料和营养补充剂。已有文献报道芝麻蛋白作为营养补充剂应用于饮料和面包的生产[2]。

芝麻蛋白主要是碱溶性蛋白,在碱性条件下溶解度较大,所以芝麻蛋白的制备方法主要是碱溶酸沉法。但该法存在耗时且蛋白提取率低等缺点[3]。超滤是近年来发展起来的一项分子级膜分离技术,它以特殊的超滤膜为分离介质,以膜两侧的压力差为推动力,在常温下对物质进行分离的技术,具有操作简单、条件温和、能耗低、无相变、效率高等优点,现已广泛应用于水处理、化工、食品、制药、环保和生物工程等领域[4-5],也成为富集蛋白质最有效的方法之一[6]。有关芝麻蛋白提取液的超滤浓缩工艺及超滤法和等电点沉淀法所得芝麻蛋白(分别以UF-SP和IEP-SP表示)在功能特性方面的比较尚未见报道。

本研究以压榨芝麻饼为原料,采用碱液提取方法,对芝麻蛋白提取液进行超滤浓缩,以膜通量为评价指标,考察不同截留相对分子质量的超滤膜、超滤温度、压力、提取液pH和超滤时间对膜通量的影响,在此基础上通过正交实验确定超滤浓缩的最佳工艺参数;并以实验室自制的等电点沉淀芝麻蛋白(以IEP-SP表示)为对照,对最佳超滤浓缩工艺条件下所得芝麻蛋白的功能特性进行了研究,以期为芝麻蛋白的深入研究和开发利用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

压榨芝麻饼,购于当地油脂加工厂。置于密封袋中,-20℃保存备用。等电点沉淀法芝麻蛋白(以IEP-SP表示),实验室自制。

L-550型台式低速大容量离心机 湖南湘仪离心机仪器有限公司;RE-52A型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;JJ-1B电动搅拌器 江苏金坛市科杰仪器厂;FW80型高速万能粉碎机 佛山市仪电实验仪器有限公司;Alpha 1-4 LSC冷冻干燥机 德国Christ公司;Mini Pellicon超滤设备 密理博(中国)有限公司;PHS-3C型精密酸度计 上海仪电科学仪器股份有限公司;723N型可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 芝麻蛋白制备工艺流程如下:

1.2.2 芝麻蛋白的提取 称取一定质量的压榨芝麻饼,采用正己烷脱脂(料液比为1∶10g/mL,室温 2h,重复2次),再经干燥、粉碎、过筛(80目),即得到脱脂芝麻饼(defatted sesame cake,DSC)。将脱脂芝麻饼按料液比1∶10(w/v)加入蒸馏水,搅拌均匀,然后边搅拌边滴加2mol/L NaOH 溶液调节pH至9.5,室温搅拌2h,离心取上清,沉淀部分采用同样方法再提取一次,合并两次上清液,即为芝麻蛋白提取液。

1.2.3 超滤浓缩芝麻蛋白提取液 采用Mini Pellicon超滤设备,板式膜组件,有效膜面积为0.57m2,膜截留相对分子质量(MWCO)分别选用50、30、10和5ku。首先将芝麻蛋白提取液装入料液罐,启动进料泵,料液泵入超滤器到达超滤膜,在压力差的推动下,截留液回到液料罐,透过液流入透液罐中。通过调节流速和回流阀来控制超滤压力。液料罐中液体在超滤过程中经过多次循环,绝大部分水分和小分子物质被滤出,从而到达分离浓缩芝麻蛋白的目的。

1.2.4 超滤膜的选择 以芝麻蛋白提取液pH9.5为初始pH,在压力0.20MPa、温度40℃条件下,分别用截留相对分子质量(MWCO)为50、30、20、10和5ku的超滤膜对1500mL提取液进行超滤,分别测定各超滤膜超滤所得150mL截留液中蛋白质的质量浓度,按公式(2)计算截留的芝麻蛋白得率。

1.2.4 单因素实验

1.2.4.1 温度对膜通量的影响 设定温度分别为10、20、30、40和50℃,在超滤压力为0.20MPa,超滤液pH9.5条件下超滤10min,考察温度对膜通量的影响。

1.2.4.2 超滤压力对膜通量的影响 设定超滤压力分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30MPa,在温度40℃,超滤液pH9.5条件下超滤10min,考察超滤压力对膜通量的影响。

1.2.4.3 超滤液pH对膜通量的影响 超滤液pH分别设定为6.0、7.0、8.0、9.0、10.0和11.0,在温度40℃、压力0.20MPa条件下,超滤10min,考察超滤液pH对膜通量的影响。

1.2.4.4 超滤时间对膜通量的影响 设定超滤时间分别为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55和60min,在超滤液温度40℃、压力0.20MPa、pH9.5条件下进行超滤,考察不同超滤时间对膜通量的影响。

1.2.5 正交实验 在上述单因素实验基础上,将温度设定为40℃(因为较高的温度可能导致蛋白质变性,影响超滤效果),选择超滤压力、超滤液pH和超滤时间3个因素,各取3个水平,利用L9(34)表进行正交实验,优化超滤浓缩工艺。因素水平见表1,正交实验结果见表2。每组实验重复3次,结果取平均值。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels in L9(34)orthogonal array design

1.2.6 测定方法

1.2.6.1 营养成分分析 蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定[7];脂肪含量参照AACC方法采用索氏提取法测定[8];碳水化合物含量采用苯酚硫酸法测定;水分含量采用105℃恒温法测定。

1.2.6.2 膜通量 参照文献[9]所述方法按照式(1)计算膜通量(Membrane flux,MF)。

式(1)

其中,V1为透过液体积,L;S为超滤膜有效面积,m2;t为超滤时间,h。

1.2.6.3 芝麻蛋白得率 芝麻蛋白得率(Yield of sesame protein,YSP)按式(2)计算。

式(2)

其中,m1为原料的质量,g;V1为截留液体积,L;c1为截留液中芝麻蛋白的质量浓度,g/L。

1.2.6.4 功能特性 以等电点沉淀法芝麻蛋白(IEP-SP)为对照,比较IEP-SP和UF-SP在功能特性上的差异。芝麻蛋白的溶解性采用Achouri等[10]所述方法测定;吸油性(Oil absorption capacity,OAC)采用Boye[11]等方法测定;持水性(Water holding capacity,WHC)采用李凤霞等[12]方法测定;乳化活性指数(Emulsifying activity index,EAI)和乳化稳定性指数(Emulsifying stability index,ESI)参照文献[10,13]所述方法测定;发泡性(Foaming capacity,FC)和泡沫稳定性(Foaming stability,FS)参照文献[14-15]方法测定。

1.2.7 数据统计分析 实验均重复三次,以平均值±标准偏差(mean ± SD)表示,采用SPSS 11.5软件对所得数据进行多重比较分析,在0.05水平上表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 超滤膜的选择

以超滤膜不同截留相对分子质量(MWCO)为横坐标,以截留的芝麻蛋白得率为纵坐标,绘制柱形图,结果如图1所示。由图1可以看出,芝麻蛋白提取液中大部分蛋白质集中在截留相对分子质量20ku以上。用20ku的超滤膜超滤浓缩芝麻蛋白提取液,可以保留芝麻蛋白提取液中92.16%以上的蛋白质。因此,在以后的研究中均采用20ku的超滤膜浓缩芝麻蛋白提取液。

图1 不同截留相对分子质量对芝麻蛋白得率的影响Fig.1 Effect of membrane with different molecular weight on the yield of sesame protein注:a～d不同的小写字母代表芝麻蛋白得率在不同截留 相对分子质量超滤膜下的显著性差异(p<0.05)。

2.2 温度对膜通量的影响

如图2所示,在10～40℃时,随着超滤液温度的逐渐上升,膜通量逐渐增加(p>0.05),当温度为40℃时达到最大值,再继续升高温度,膜通量反而急剧下降(p<0.05)。这与汪学荣等[4]报道一致,即在超滤过程中,超滤液温度的不断上升可使蛋白质分子运动加剧,蛋白质溶液粘度降低,各成分之间相互作用(如吸附、包合、氢键等)减弱,传质速率增加,而且膜表面吸附物质向主体溶液的扩散系数有所增加,减少了次级膜的形成,减弱了浓差极化现象,从而增加膜的通透性,提高了膜通量。但是,当芝麻蛋白提取液温度上升到一定程度时,蛋白质热变性现象加剧,蛋白质的溶解度降低,使得膜表面蛋白质迅速累积,形成凝胶层,导致膜通量下降[16]。因此,应在尽量不改变蛋白质性能的前提下,控制温度不超过40℃为宜。

图2 温度对膜通量的影响Fig.2 Effect of temperature on the membrane flux注:a～c不同的小写字母代表膜通量 在不同温度下的显著性差异(p<0.05)。

2.3 超滤压力对膜通量的影响

由图3可知,在0.10～0.20MPa范围内,随着压力增大,膜通量迅速增加(p<0.05),当超滤压力大于0.20MPa,再增大超滤压力,膜通量增加缓慢(p>0.05)。这是因为超滤是以压力差为推动力进行物质分离过程。在较低的超滤压力下,随着压力增加,芝麻蛋白受到的推动力越大,也就越容易透过超滤膜,膜通量也随之增大;与此同时,溶液中的大分子物质不断向超滤膜表面堆积,膜表面与主体溶液之间产生浓度差,进而产生浓差极化阻力,但由于压力较低,这种阻力并不能显著影响膜通量[16]。如果继续增大超滤压力,随着超滤时间的延长,超滤膜表面溶质增多增厚,浓差极化现象加剧,当超滤压力达到某一临界值时,就在膜表面形成了凝胶层,产生了凝胶层阻力[6,17]。此后,再增大压力,只会增加凝胶层的厚度,而对提高膜通量效果不明显。因此,为了保证超滤分离效率,缩短工作时间,降低生产成本,减少膜污染,超滤压力以0.20～0.25MPa为宜。

图3 压力对膜通量的影响Fig.3 Effect of pressure on the membrane flux注:a～c不同的字母代表膜通量 在不同超滤压力下的显著性差异(p<0.05)。

2.4 超滤液pH对膜通量的影响

由图4可知,在pH6.0～8.0 区域,膜通量随着pH增加而急剧增大(p<0.05);当pH为9.0～10.0时,随着pH增大,膜通量缓慢增加(p>0.05);当pH大于10.0时,膜通量反而呈缓慢下降趋势(p>0.05)。这是由于在碱性条件下,芝麻蛋白与水分子结合能力增强,聚积在超滤膜表面的物质向主体溶液扩散系数提高,超滤膜边界层厚度变薄,浓差极化现象减弱,因此膜通量增大。但pH增大到一定程度,可能导致蛋白质变性及其溶解性降低,膜通量反而下降。因此,pH以9.0～10.0为宜。

图4 pH对膜通量的影响Fig.4 Effect of pH on the membrane flux注:a～c不同的小写字母代表膜通量 在不同pH下的显著性差异(p<0.05)。

2.5 超滤时间对膜通量的影响

由图5可以看出,随着超滤时间的延长,芝麻蛋白提取液的膜通量呈下降趋势;在开始阶段,膜通量下降较快(p<0.05),随后膜通量趋于稳定(p>0.05)。这可能是随着超滤时间的延长,由于膜表面截留或吸附的物质越来越多,膜表面的浓差极化现象越来越大。因此,膜通量随着超滤时间的延长首先快速下降而后缓慢下降最后趋于稳定。综合考虑,应以10～20min为宜。

表3 正交实验方差分析表Table 3 Analysis of variance of orthogonal array design tests

图5 超滤时间对膜通量的影响Fig.5 Effect of ultrafiltration time on membrane flux注:a～d不同的小写字母代表膜通量 在不同超滤时间下的显著性差异(p<0.05)。

注:* 差异显著,p<0.10;**差异极显著,p<0.05。

2.6 芝麻蛋白提取液超滤浓缩最佳工艺参数的确定

在上述单因素实验基础上,以膜通量为指标,在超滤膜截留相对分子质量为20ku,温度为40℃条件下,通过L9(34)正交实验优化芝麻蛋白提取液超滤浓缩工艺。正交实验结果见表2,方差分析结果见表3。

由表2极差R分析可知,A压力是影响芝麻蛋白提取液膜通量的关键因素,其次是提取液的pH,而C超滤时间对膜通量的影响相对较小。由表3正交实验方差分析可知,超滤压力和提取液pH对膜通量的影响分别达到极显著和显著水平,而超滤时间对膜通量的影响不显著。通过F值和F临界值的比较,可知各因素对膜通量影响程度依次为A>B>C,这与表2的极差分析相一致。通过对表2中K值的比较,可得到芝麻蛋白提取液超滤浓缩工艺的最佳组合为A2B3C2,即超滤压力为0.25MPa,提取液pH为10.0,超滤时间为15min。在此条件下进行3次平行验证实验,膜通量平均值为28.61L/(m2·h),此时,芝麻蛋白的得率为58.71%。这与Achouri等[10]报道的等电点沉淀芝麻蛋白(Ses-PI-H2O)得率12.5%及等电点-NaCl共沉淀芝麻蛋白(Ses-PI-1 M NaCl)得率54.6%相比,本研究中超滤法芝麻蛋白的得率较高。

表2 L9(34)正交实验设计及结果Table 2 Results of L9(34)orthogonal array design tests

2.7 芝麻蛋白的主要营养成分及其功能特性

在最佳工艺条件下超滤浓缩芝麻蛋白提取液,浓缩液进行真空冷冻干燥,可获得淡黄色的芝麻蛋白。芝麻蛋白主要营养成分及其功能特性分别见表4和表5。超滤浓缩芝麻蛋白(UF-SP)和等电点沉淀法制备芝麻蛋白(IEP-SP)的溶解度随pH变化的曲线如图6所示。

表4 芝麻饼、脱脂芝麻饼和芝麻蛋白的主要营养成分αTable 4 Proximate composition of sesame cake、defatted sesame cake and sesame proteinsα

注：α数据表示三次平行实验的平均值±标准偏差,即mean±SD,同列不同字母表示差异显著(p<0.05)。“-”:未检测;SC:芝麻饼;DSC:脱脂芝麻饼;UF-SP:超滤浓缩芝麻蛋白。

表5 芝麻蛋白的功能特性*Table 5 Functional properties of sesame protein*

注：*测定时溶液pH为7.0。实验重复3次,结果以平均值±标准偏差,即mean±SD表示。同列不同字母表示差异显著(p<0.05)。UF-SP:超滤浓缩芝麻蛋白;IEP-SP:等电点沉淀法芝麻蛋白。

由表4可知,芝麻饼经过脱脂处理,脂肪含量由14.13%±0.27%降低到5.32%±0.17%,水分含量由15.37%±0.17%降低到9.11%±0.23%,而碳水化合物含量由22.31%±0.14%提高到28.47%±0.14%,蛋白质含量由42.76%±0.24%提高到53.82%±0.18%。与芝麻饼和脱脂芝麻饼相比,超滤浓缩芝麻蛋白中脂肪、水分和糖水化合物含量显著降低,而蛋白质含量大大提高,高达84.06%±0.21%。由此看出,超滤法是制备高蛋白质含量产品的一种有效方法。

图6 芝麻蛋白溶解性随pH变化曲线Fig.6 Solubility of sesame proteins at different pH values注:a～e同一曲线上不同的小写字母代表 芝麻蛋白溶解性在不同pH下的显著性差异(p<0.05); A、B不同的大写字母表示UF-SP和 IEP-SP在相同pH下溶解性的显著性差异(p<0.05)。

由图6看出,在pH2.0～10.0 范围内,UF-SP和IEP-SP具有相似的溶解性变化曲线,当pH5.0时两者的溶解性均较低,在pH2.0～3.0和pH8.0～10.0时溶解性较高,在pH10.0时UF-SP和IEP-SP的溶解性达到最大值(分别为46.09%和40.25%),该变化趋势与Achouri等[10]的报道一致。这是由于在等电点时,蛋白质分子间静电斥力减小,蛋白质相互聚集,形成高密度和大直径的聚集体,从而导致蛋白质沉淀[18]。在pH高于或低于等电点的溶液中,蛋白质分子带有静电荷,由于静电排斥和离子水化作用,蛋白质分子之间不易聚集,因此溶解性较高。由图6还可以看出,在相同pH条件下UF-SP的溶解性均高于IEP-SP的溶解性,在pH4.0～9.0时,UF-SP和IEP-SP的溶解性在相同pH条件下的差异不显著(p>0.05),可能是由于制备过程中酸碱条件的改变影响了蛋白质结构及分子间作用,导致其物理特性发生变化。较低的溶解性会降低蛋白质在食品中的应用,超滤法制备的芝麻蛋白具有较高的溶解性有利于其产品的开发利用。

由表5可知,超滤浓缩芝麻蛋白UF-SP与等电点沉淀法制备的芝麻蛋白IEP-SP相比,除了泡沫稳定指数稍低于IEP-SP之外,UF-SP具有较好的吸油性和持水力,但两者之间的差异不显著(p>0.05)。Achouri等[10]研究发现,芝麻分离蛋白的吸油性和持水性均低于大豆分离蛋白。这是由于不同来源或者同一来源不同处理方法所得的蛋白质,在吸油性和持水性方面存在差异,可能与蛋白质侧链,以及蛋白质的疏水性、变性程度、分子量大小及灵活性等有关[19,20]。由表5还可以看出,UF-SP的乳化活性指数、乳化稳定性指数和发泡性显著高于IEP-SP(p<0.05)。López等[21]发现芝麻蛋白在pH7.0时乳化活性指数最大,最大值为84m2/g,明显高于本研究中超滤法和等电点沉淀法制备的芝麻蛋白的EAI值(分别为(21.92±1.83)m2/g和(15.86±1.36)m2/g)。Deng等[15]研究发现,蛋白质的溶解性与发泡性显著相关(p<0.01),高蛋白溶解性是获得良好发泡能力和泡沫稳定性的先决条件。由图6可知,UF-SP和IEP-SP在pH7.0时溶解度并不太高。此外,蛋白质的乳化活性指数与蛋白质的疏水作用有关,而蛋白质的来源、种类、加工和处理方法对蛋白质的疏水作用产生重要影响[1],这可能是本研究中芝麻蛋白的功能特性与文献报道不一致的原因。

3 结论

3.1 以脱脂芝麻饼为原料,采用碱液提取芝麻蛋白,研究了芝麻蛋白提取液的超滤浓缩工艺。首先通过单因素实验探讨了不同截留相对分子质量的超滤膜、温度、压力、超滤液pH和时间对芝麻蛋白提取液膜通量的影响;在此基础上,采用正交实验优化超滤浓缩工艺参数。结果表明,芝麻蛋白提取液的最佳超滤浓缩工艺条件为:超滤压力为0.25MPa,提取液pH为10.0,超滤时间为15min。在此条件下,膜通量为28.61L/(m2·h),芝麻蛋白的得率为58.71%。

3.2 研究了芝麻蛋白的功能特性。结果表明,超滤法浓缩芝麻蛋白具有良好的功能特性,其中乳化性和乳化稳定性及发泡性显著高于等电点沉淀法制备的芝麻蛋白(p<0.05)。

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绿色塑料成食品包装材料主流

在人们越来越关注食品安全和身体健康的今天，谈“塑”色变已成为包装行业逐渐出现的一种现象。其实，作为包装行业的中坚分子，塑料材料从诞生时起就深受各类企业的喜爱和“重用”，而且这个市场未来的发展前景也十分广阔。但是，基于绿色环保理念日益成熟的必然趋势，绿色包装应当成为塑料包装未来的主要发展方向。

众所周知，塑料包装一诞生就以突出的优势获得了很多的市场份额。目前，除了广泛应用于食品包装，塑料包装已进一步向工业包装、医药包装、建材包装、化妆品包装等领域发展，其使用范围和前景越来越广阔。相关预测显示，全球软包装市场在接下去的时间内，将会在一定幅度内保持连续增长。不过，随着人们环保意识的不断提高，塑料也越来越成为很多产品包装尤其是食品包装所忌惮的包装材料，这尤其需要食品从业者引起足够的重视。

塑料食品包装在确保食品安全方面发挥着越来越重要的作用，作为食品包装的主流品种，人们自然也对包装产品提出了更高的要求。

业内人士指出，随着环境问题日益严峻，绿色、低碳、环保的塑料包装越来越受到关注和推崇。包装材料今后发展的主流趋势将会是多功能化、轻量化、环保化以及智能化。

来源：慧聪食品工业网

Study on the ultrafiltration concentration of sesame protein extracting solution and its functional properties

ZHU Xiu-ling,DAI Qing-yuan,JIA Dong,LI Peng-cheng,XIA Nan,HU Chuang,HU Long-ping

(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

In this study,ultrafiltration concentration conditions of sesame protein extracting solution and the functional properties of sesame protein were investigated. Membrane flux as evaluation index,ultrafiltration pressure,temperature,pH and ultrafiltration time were studied by single-factor experiments. And then ultrafiltration conditions were optimized by orthogonal array design based on single-factor experiments. The optimized ultrafiltration conditions were found to be 0.25MPa,pH 10.0 and 15min for pressure,pH and ultrafiltration time,respectively. Under these conditions,sesame protein obtained exhibited good functional properties. Emulsifying and foaming capacity and emulsion stability of sesame protein obtained by ultrafiltration were significantly higher than which obtained by isoelectric precipitation. The results of this study provide some useful information for further research and utilization of sesame protein from sesame cake or meal.

sesame protein;ultrafiltration;membrane flux;functional properties

2014-04-16

朱秀灵(1978-)，女，博士，副教授，研究方向：生物资源化学与功能性食品。

安徽高校省级自然科学研究项目(KJ2012Z019)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201210363111，201210363153)；安徽省大学生创新创业训练计划项目(AH201310363323，AH201310363334)。

TS229

B

1002-0306(2015)01-0244-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.042