小米谷糠蛋白提取的研究进展*

吴兴雨，曹 阔，孙丰梅,2*

（1.河北北方学院食品科学系，河北 张家口 075000；2.河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室，河北 张家口 075000）

谷子为禾本科狗尾草属植物，是我国重要的粮食作物之一，起源于黄河流域。谷子的营养价值十分丰富，其中蛋白质含量为9.28%～15.8%，碳水化合物含量大约70%，脂肪含量在3.8%～5.2%之间。谷子的维生素含量很高，是很好的保健食品[1]。

小米是由谷子去掉谷皮、种子和胚生产而成的，是我国一种重要的杂粮，古称粟、梁、黄粟、粟米等。小米营养物质齐全、丰富，且消化吸收率高。小米的纤维素含量是大米的2.5倍，约为2.63%[2]，小米中蛋白质含量为9%左右，高于大米，是一种低致敏性蛋白，适宜于婴幼儿和孕产妇食用，其蛋白质中部分氨基酸还具有药效作用[3]。

小米谷糠是谷子加工小米时所产生的麸皮、糊粉层、小米碎渣和小米胚芽等副产物。我国是谷子种植的起源地，有着悠久的种植历史，其种植面积广、产量大，每年生产的小米谷糠的量也很大，每年约产40 万 t[4]。

由于谷子加工的技术手段不同和谷子的产地不同，会使小米谷糠中的成分有一些略微的差别。在一般情况下，谷糠中所含的蛋白质（15%）、脂肪（3%～8%）、糖类（16%～22%）、水分（10%）、热量（125.1 kJ/g），并且还有纤维素、多糖、膳食纤维、维生素、矿物元素、硫胺素、核黄素、尼克酸及多种不饱和脂肪酸等营养成分。小米中的蛋白含量大约为9%，蛋白质的消化率83.4%，而小米谷糠含蛋白质约15%，消化率为94%，小米谷糠中蛋白质含量和蛋白质消化率都明显优于小米。研究表明小米谷糠蛋白是已知谷物中过敏性最低的蛋白质，并且必需氨基酸的组成接近FAO/WHO的推荐标准模式，具有很好的食品开发潜力。因此，对小米谷糠的开发具有现实意义，例如小米谷糠蛋白可作为婴幼儿的蛋白强化剂，小米谷糠的膳食纤维可以用来预防便秘和调节血糖，小米谷糠油中含有大量的亚油酸，具有预防血栓和血管硬化等疾病的效果，小米谷糠经处理后可以作为饲养动物的饲料，不仅能够减少资源的浪费，还可以为养殖户减少养殖成本[5-6]。

1 小米谷糠蛋白简介

小米谷糠中的蛋白质主要分为四种：清蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白，比例大致为37:36:22:5。小米谷糠清蛋白比大米谷糠清蛋白含量高很多，占小米谷糠总蛋白量的37%。小米谷糠蛋白中的18种氨基酸含量齐全，其中谷氨酸含量最高，必需氨基酸含量较高占蛋白质总量的41.2%，除缬氨酸和赖氨酸的AAS值小于100外，其他必需氨基酸AAS都大于100，达到标准要求能满足人体的日常所需，婴幼儿所需的组氨酸含量较高，且达到标准要求；谷糠球蛋白能增强人体免疫力，且具有低致敏性，适合于婴幼儿和部分过敏者[7]。谷蛋白是单纯蛋白质之一，含于谷类中，是不溶于水、中性盐溶液、酒精，而溶于稀酸或稀碱的蛋白质之总称。谷蛋白与水混合，是制造面筋的基础。除谷蛋白敏感体质或有其他疾病的人不适合摄入谷蛋白外，其他人在日常饮食中最好保留谷蛋白，醇溶蛋白具有很好的稳定性，在醇溶液中的溶解度比较大。醇溶蛋白经处理后可生产具有生物活性的小分子肽，生产的肽可以应用于保健品和医药的研发。目前醇溶蛋白在医药和食品行业有着很广泛的应用，小米谷糠醇溶蛋白的开发意义重大[8]。

小米谷糠蛋白还有保健及抗癌的作用。许洁[10]对小米谷糠清蛋白做了关于保护肝功能的研究，并且有一定的效果，其中小米谷糠清蛋白的组氨酸含量比大豆蛋白高出1倍，更适用于婴幼儿。

2 提取方法

2.1 碱法提取

目前在食品行业中最常用的小米谷糠蛋白提取方法是采用碱溶酸沉法。谷糠中蛋白质与其他成分有较强的聚合和交联作用，故谷糠蛋白很难溶出。碱溶酸沉法提取谷糠蛋白是利用pH值较高时小米谷糠中的氢键、酰胺键、二硫键会水解，降低蛋白和其它物质的结合力，并且提高了蛋白的溶解性，让蛋白更易溶出。碱溶酸沉法虽然操作简单，提取效率高，但蛋白质在强碱性环境中容易变性，会影响产品的质量，并且会改变蛋白质营养特性。强碱性环境中，蛋白质不仅会产生丙氨酸等有毒物质，还会加快美拉德反应，使产品呈暗色[11]。

2.2 物理法提取谷糠蛋白

物理法是通过外力破碎谷糠组织结构，进而使谷糠蛋白更易溶出。但这种方法有提取率低、操作繁琐、成本高等缺点，一般与其它方法结合使用。据研究报道，全脂米糠经研磨后，溶液中的蛋白质的溶出率可提高12%左右[12]。

2.3 酶法提取

近年来酶法提取是研究报道的热门方法，主要原因是酶法提取具有反应条件温和，操作简单和提取率高的特点。能最大限度地保证蛋白的质量、活性和营养价值。目前，常用到的酶类有蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、植酸酶等[13]。

2.3.1 蛋白酶

按照蛋白酶在蛋白质分子上作用点的不同，分为内切和外切蛋白酶；按最适反应的pH不同，分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶3种。外切蛋白酶是破坏蛋白质分子任意一端的肽键，内切蛋白酶是作用于蛋白质分子内部，一般情况下，内切蛋白酶的效率要高于外切蛋白酶，目前被广泛使用[14]。蛋白酶催化原理是破坏蛋白质分子中的肽键，使其分解成可溶性的小分子肽，从而促进蛋白的溶出，提高蛋白的提取率。

碱性蛋白酶是谷糠蛋白提取最常用的蛋白酶。由于谷糠蛋白质中二硫键的含量较多，谷糠中淀粉纤维素与蛋白结合紧密，其在碱性弱的溶液中溶解度较低。所以在碱性条件下提高谷糠蛋白溶解度，并且在碱性蛋白酶的作用下破坏蛋白质分子肽键，可以提高谷糠蛋白的提取率[15]。王晓雅[16]等以脱脂米糠为原料，以谷糠蛋白提取率为指标进行试验，用碱性蛋白酶提取谷糠蛋白，提取率可以达到75.42%。使用风味蛋白酶提取谷糠蛋白提取率为53.775%，而且因为风味蛋白酶的特殊性，还可解决蛋白质的风味问题。风味蛋白酶活性较高，可使蛋白分解为更小的肽，所以风味蛋白酶水解度是最高的，因此还可以得到一些其他的产品。用风味蛋白酶提取小米谷糠蛋白对小米谷糠蛋白充分利用有很好开发价值。

其它谷物蛋白的提取，对小米谷糠蛋白提取具有参考借鉴意义，如张业辉等用碱性蛋白酶对燕麦蛋白进行提取，得到的最优提取条件组合为：提取温度67°C,加酶量1.8%，pH值9.2，提取时间 150 min，料液比1:22，燕麦蛋白提取率高达83.30%[17]。

赵素斌利用4种蛋白酶对米渣中蛋白质提取进行了研究，并得到了几种酶的提取率和蛋白质纯度。碱性蛋白酶：提取率38.14%，纯度30.26%；中性蛋白酶：提取率61.07%，纯度56.55%；菠萝蛋白酶：提取率为48.85%，纯度20.67%；木瓜蛋白酶：提取率为75.52%；纯度47.58%。由实验结果可得中性蛋白酶提取后蛋白纯度最高，木瓜蛋白酶提取率最高[18]。

陈飞以脱脂谷糠为研究对象，将碱溶酸沉法和酶法提取进行比较。在最优提取工艺条件下，碱法最高提取率为57.8%。酶法最高提取率为38.4%。由试验结果可得碱法的提取率要高于酶法[19]。

2.3.2 淀粉酶

淀粉酶的作用原理是分解淀粉糖苷键，目前主要从微生物中获取。根据水解淀粉作用点不用，淀粉酶可分为4类：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶。α-淀粉酶是最常用的一种淀粉酶，其分解原理是从分子内部随机地切断糖苷键，使淀粉分解为还原糖和糊精。用淀粉酶提取蛋白的报道很多，例如：刘颖进行了淀粉酶提取米糠蛋白的试验，试验表明在最佳的提取条件下，米糠蛋白的提取率为37.3%。有研究报道了酶法提取脱脂薏仁粉的蛋白研究，先将原料进行预处理，研究了高温α-淀粉酶、真菌淀粉酶的提取率和最适提取条件。薏仁粉在提取温度为80°C，酶底比200 U/g的条件下，提取时间为4 h时，薏仁蛋白提取率最高。真菌α-淀粉酶提取蛋白提取率不理想，提取物中还有大量的淀粉没有被分解[20]。

2.3.3 其它酶类

其它提取蛋白的酶类主要包括细胞破壁酶和植酸酶等，作用原理是破坏细胞结构，减小蛋白质与其它结构间的结合力使蛋白质溶出。

纤维素酶的作用是分解纤维素，生成可溶性的聚合物。细胞壁的主要成分为纤维素及多糖，纤维素酶可以有效地将其分解。纤维素与蛋白质结合得非常紧密，阻碍了蛋白质的溶出和蛋白酶的作用，使这些蛋白质提取率偏低。利用纤维素酶分解小米谷糠中的纤维素有利于蛋白质提取。张业辉等的研究表明，先用纤维素酶对小米谷糠进行预处理，再利用碱溶酸沉法提取，试验结果表明用此方法提取后，小米糠蛋白的提取率可以达到81.86%。纤维素酶、淀粉酶和果胶酶三种酶对小米糠蛋白的提取率进行比较，表明纤维素酶的提取率最高，可达43.93%。王腾宇等使用相同的方法，用果胶酶、木聚糖酶进行试验也发现与上述类似的结果，经试验测得小米糠蛋白提取率最高可达58.3%[21]。

植酸酶的提取原理是将植酸分解成小分子的物质，减小蛋白与植酸之间的络合力，进而使蛋白质更易溶出。植酸不仅容易与食物中的蛋白质结合，还易与酶类结合，会影响到酶活性，导致蛋白质等分解率降低。因此植酸酶对人的消化大有帮助，可以分解食物中的植酸，便于消化道分泌的各种蛋白酶作用，从而使摄入的蛋白质消化利用率得到提高。赵勇[12]等研究了植酸对蛋白质活性和功能性质的影响以及植酸酶的分解效率。分别以玉米、细米糠、葵花籽等为原料进行试验，结果表明若将植酸再加入到蛋白质溶液后，会产生大量沉淀。加入植酸酶后沉淀的量明显减少，使用植酸酶提取后米糠蛋白质溶解率提高到57%，比没有加入植酸酶之前的溶解率高出很多。此实验还进行了将植酸酶和木聚糖酶的复合使用来提取米糠蛋白，试验后的提取率可提高至74.6%。使用复合酶进行试验后提取率有了明显的升高，说明不仅可以利用减小蛋白与其它物质结合力的原理，还可用酶来破坏细胞结构使蛋白质溶出。

顾镍[22]筛选得到果胶酶是提取小米谷糠水溶性蛋白的最佳酶类，酶解时间3.94 h，酶解温度20°C，pH 值 4.7，液料比 77:1(mL/g)，酶添加量 1 000 U/g，此条件下的小米糠蛋白提取率为32.83%。同时研究了醇溶性蛋白最佳提取条件，以及蛋白溶解性、吸油性、起泡性等功能性质。细胞破壁酶可以使米糠中可溶性蛋白质的提取率升高，即使E/S相同，不同种类的酶对蛋白的提取率也不同，原因是不同细胞破壁酶作用底物不同，其作用效果也会有所不同。

2.3.4 复合酶法

近年来有很多复合酶法提取蛋白质的研究报道，与其它试验方法相比蛋白提取率和纯度均有提高。麻成金选用多种酶复合提取板栗籽中的蛋白质，试验结果表明纤维素酶与木瓜蛋白酶是最佳的酶组合。以蛋白提取率为指标，在单因素实验的基础上，采用二次通用旋转组合设计对蛋白提取工艺进行优化后，最终得到复合酶法提取板栗籽蛋白的提取率可达74.91%[23]。韩萍等利用植酸酶、淀粉酶和纤维素酶组合提取米糠蛋白，试验后的蛋白提取率高达80.06%[24]。郑耀华等采用淀粉酶、纤维素酶和植酸酶复合提取蛋白，试验结果表明淀粉酶的提取率为56.16%；在淀粉酶将米糠中的淀粉水解后，再添加纤维素酶和植酸酶反应，最终得到三种酶复合提取米糠蛋白的提取率达77.41%。蛋白质纯度达68.83%[25]。张兆琴等[26]研究复合酶法提取米糠蛋白的最佳工艺条件，筛选复合酶的添加比例，复合酶添加的最佳质量比为纤维素酶：木瓜蛋白酶为7:3，添加量4%时，米糠蛋白得率为76.75%。廖宇杰[27]研究在纤维素酶和复合蛋白酶添加量各为2%时，响应面分析法优化酶解时间、酶解温度、pH值和液料比对米糠蛋白提取率的影响，确定了提取米糠蛋白的最佳工艺条件为酶解时间2.5 h，酶解温度50°C，pH值5.0，液料比10:1(mL/g)，此条件下的米糠蛋白提取率为39.54%。

张薇等[28]用超声预处理的基础上，采用α-淀粉酶和蛋白酶复合法提取的谷糠蛋白，并与碱溶酸沉法提取的米糠蛋白在功能特性方面进行比较。酶法提取对蛋白质的功能性质影响很小，其原因是酶法提取的反应条件比较温和，并且分解后的蛋白质以多肽的形式存在，还具有一定的生物活性。复合酶法提取蛋白不仅能够提高蛋白的溶出率，其提取的蛋白质在发泡、乳化等理化性质方面要优于碱溶酸沉法提取的蛋白，所以酶法提取米糠蛋白是最具潜力的提取方法。

许洁[10]的硕士论文报道了利用复合蛋白酶提取小米谷糠蛋白的工艺流程和最终的提取率，通过弱碱法和复合酶法相结合提取小米谷糠蛋白。弱碱水提的最佳提取条件为pH 9.0，55℃，提取两次，分别提取2 h和3 h，提取率为47.34%；用复合蛋白酶提取的最佳条件为加酶量1 500 U/g，pH 8.5，提取温度44℃，提取时间7 h，提取率为38.42%。总提取率可达85.76%。

2.4 其它方法

蛋白提取的其他方法有很多，例如沉淀法、直接提取法、盐析法、醇溶法、复合法等。张帆[29]研究了5种方法提取苦杏仁蛋白，分别为蛋白质分离法、碱法、反胶束法、盐析法以及盐析与碱溶酸沉复合法，分别对苦杏仁中的蛋白进行提取，并比较各种方法的提取率；实验结果表明盐析与碱溶酸沉复合法的提取率最高。李然红[30]以甘蓝叶片为原料，采用3种不同的方法提取甘蓝叶片蛋白，即直接提取法、丙酮沉淀法和丙酮结合三氯乙酸沉淀法，结果表明丙酮沉淀法的提取率最高，是最适的提取方法。

3 酶法提取蛋白质的影响因素

3.1 温度对米糠蛋白提取率的影响

温度影响蛋白提取率的主要原因是酶的活性与温度有关，酶有最适温度，在最适温度下酶的活力会达到最大值。蔡腾龙等[31]以米糠为原料、提取率为指标，用碱性蛋白酶进行提取。采用单因素分析和正交试验优化的方法得出了碱性蛋白酶的最适温度为40°C，在此温度下米糠蛋白的提取率可达81.23%。白莉等[32]研究了温度对纤维素酶活性的影响，当温度为30～50°C之间时，随温度的升高,蛋白质的提取率也随之升高，在50°C时，蛋白质提取率达到最高点为43.93%，此时达到了纤维素酶的最适温度。随后随着温度的升高，蛋白质提取率呈下降趋势，此时由于温度的升高，酶的活性收到了抑制。王腾宇[21]研究了纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶的最适温度，试验结果表明纤维素酶的最适温度为50°C，蛋白的提取率为59.1%；果胶酶的最适温度为50°C，蛋白的提取率为49.29%；木聚糖酶最适温度为55.9°C，蛋白的提取率为50.2%。

3.2 pH对米糠蛋白提取率的影响

酶只能在其适宜的pH值范围内才表现活性，主要原因是酶活性基团的解离与pH有关，适宜的pH能使酶的的活性基团保持最佳的解离状态，并且能促进活性基团与底物的结合。pH值过高或过低会破坏蛋白内的次级键，使蛋白质的空间结构发生变化，失去活力。酶的最适pH值是指在酶的催化速率达到最大值时的pH值。在最适pH值两侧的曲线基本是呈下降趋势。王晓雅等[16]以米糠为原料，研究了pH值对米糠蛋白提取的影响，当pH值过高时，会导致淀粉糊化，不利于后续分离工序的进行。在蛋白提取过程中，pH值不仅会影响酶的活性和影响提取率，还会因为其它因素影响蛋白质的提取和纯化。

3.3 加酶量对谷糠蛋白提取率的影响

当酶的添加量大于某值时，酶的催化速率不再随着加酶量的升高而升高，这个值就是酶的最适添加量。当酶的添加量小于最适值时，反应速率是随着添加量的升高而升高的。白莉[32]等以米糠为原料，对纤维素酶提取米糠蛋白进行了研究，试验选用不同酶用量对米糠进行水解，其它作用条件相同，当酶的添加量在1%～2%时，蛋白质的提取率呈上升趋势，并且增幅很大；当酶的添加量为2%时，米糠蛋白质提取率达到最大值；当添加量为3%～5%时，蛋白质提取率上升趋势不明显，结果表明纤维素酶的最适添加量为2%。王晓雅等[16]研究了加酶量对碱性蛋白酶提取小米谷糠蛋白提取率的影响，试验取5 g脱脂米糠，在相同的条件下设置不同梯度的加酶量来进行试验。当加酶量为1.0%～2.5%时，蛋白提取率升高趋势明显；当加酶量为2.5%～3.5%时，蛋白提取率变化趋势平缓。随着继续提高酶加量，酶催化反应的效率却受到了抑制，可能的原因是加酶量过高，酶与底物复合，使酶的活力受到了抑制，底物的分解也变得困难。以上试验结果表明，加酶量的升高会增加酶与底物结合的几率，从而使提取率提高；但加酶量过高时，还有一部分酶是过量的，不参加催化反应，对提取率没有明显的影响。从经济角度看，在相同提取率的条件下，酶的添加量越少越好，对减少成本至关重要。

3.4 提取时间对谷糠蛋白提取率的影响

酶与底物反应完全需要一定的时间，若酶解时间太长，底物与酶反应已经完全，提取率不会发生太大的变化，适宜的酶解时间可以提高生产效率。酶解时间太短，酶与底物反应不完全，会使提取率偏低，造成资源的浪费。张兆琴采用植酸酶和木聚糖酶复合酶法提取米糠蛋白，并测定了最佳提取时间。操作方法是设置不同的时间梯度，将米糠与其质量为7倍的蒸馏水混合，pH值调至5.0，在此条件下进行蛋白的提取。试验结果表明最适提取时间为2 h，此时糠蛋白的提取率最高，提取率为74.6%，2 h后随着时间的延长提取率变化不大[26]。

3.5 料液比对谷糠蛋白提取率的影响

料液比是原料与水的比例。料液比太小不利于酶的水解和蛋白质的溶出，导致蛋白含量下降；料液比太大会使酶的浓度变小，而且提取液的浓度偏低不利于后续的分离纯化工序。王晓雅等[16]对酶法提取米糠蛋白的影响因素料液比之间的关系进行了研究，方法是以提取率为指标，设置不同的料液比梯度，在其他提取条件相同的情况下进行试验，结果为：料液比>pH值>温度>时间>加酶量，随着料液比的减小，蛋白提取率呈上升趋势，当料液比达到1:20以后，蛋白提取率呈下降趋势。

4 结论

小米谷糠中含有丰富的蛋白质，本文对小米谷糠蛋白的提取工艺进行了综述，并详细介绍了温度、pH、料液比、时间及加酶量对酶提蛋白的影响。