植物蛋白及其分离纯化.ppt

植物蛋白及其分离纯化,1.植物蛋白概况,蛋白质是人类生命活动的重要物质基础。随着世界人口的不断增长，蛋白质供给出现了严重不足。为了解决这一问题，世界各国尤其是不发达国家和地区，积极采取措施，试图从可以得到的食物中获得有营养和廉价的蛋白质。在世界范围的蛋白质资源供给中，大部分为植物蛋白，占蛋白质总量的70，而动物蛋白仅占30。另外，具有经济性、营养性、功能性等优点的植物蛋白在建立健康的饮食结构方面所起的作用也越来越受人们重视。,植物蛋白是蛋白质的一种，来源是从植物里提取的，营养与动物蛋白相仿，但是更易于消化。植物性蛋白质主要来源于米面类、豆类，但是米面类和豆类的蛋白质营养价值不同。米面类来源的蛋白质中缺少赖氨酸（一种必需氨基酸），所以被人体吸收和利用的程度也会差些。 从营养学上说，植物蛋白大致分为两类：一是完全蛋白质，如大豆蛋白质；二是不完全蛋白质，绝大多数的植物蛋白质属于此类。植物蛋白可用以制成形、味、口感等与相应动物食品相似的仿肉制品。,西方学术界把植物蛋白分为两类，一类叫plant protein，指花、草、树木、灌木等植物中所含的蛋白质；另一类是vegetable protein即指大豆、花生等可食性果实或油料中所含的蛋白质。中国的文献将两者统称为植物蛋白质。,1.1植物蛋白质的基本特征,A.营养性 蛋白质的营养价值，主要是取决于其所含必需氨基酸是否平衡。一般来说，动物蛋白质中的必需氨基酸比较平衡，而植物蛋白往往是赖氨酸、苏氨酸、色氨酸和蛋氨酸的含量相对不足。谷物蛋白一般缺乏赖氨酸，而油料蛋白主要是蛋氨酸不足。例如小麦蛋白主要是赖氨酸和苏氨酸不足；玉米蛋白主要是色氨酸和赖氨酸不足；棉子蛋白主要是蛋氨酸不足；花生蛋白主要是缺乏蛋氨酸；大豆蛋白除蛋氨酸和半胱氨酸含量稍低于FA0(联合国粮农组织)推荐值外，氨基酸组成基本平衡，接近于全价蛋白，是仅次于动物蛋白的理想蛋白质资源。,B.加工特性 加工特性主要是指食品在加工过程中和加工后所表现出的物理性质，如物料或制品的保水性、乳化性、弹性和黏结性等。这些物性指标是进行食品品质评价的重要内容。植物性蛋白质，特别是油料蛋白质具有较好的加工特性，既可以单独制成食品，也可以与蔬菜或肉类等相组合加工成各种各样的食品。它们在加工过程中，赋予制品保水性和保型性，防止加热调理收缩变形，使制品有较好的物性品质。,C功能特性 动物性蛋白质主要来源于肉、鱼、奶、蛋等食物，这些食物一方面由于价格较贵，另一方面由于肉制品含有较多的易导致心血管疾病的饱和脂肪酸和胆固醇，因而不利于健康。而来源于植物的蛋白质虽然有的缺少某种氨基酸，但可同其他食物配合食用，使营养效果互相补充。而且植物性蛋白质食物如大豆，不但不含胆固醇，而且还会降低人体中的胆固醇，减少心血管疾病的发病率，因此大豆蛋白比动物蛋白质更具有保健的特性。 营养学家认为，从食物中按比例平衡摄取这两类蛋白质是比较理想的。植物蛋白质与动物蛋白质以2：1配合，对居住在温带的人最好。年龄不同，其比例有所不同，小孩以1：1为宜，青壮年以65：35为宜，老人以80：20最好。,1.2 植物蛋白的种类及性质,1.2.1 油料种子蛋白质 油料种子主要包括大豆、花生、芝麻、油菜子、向日葵、棉子、红花、椰子等。其中大豆、油菜子产量最大。,A. 花生蛋白质 花生在世界各地均有生产，产量以印度、中国、美国为首。它不仅可作为零食食用，而且还是重要的榨油原料。花生渣饼和大豆豆粕一样，除可用于家畜的饲料外，还可以制造脱脂花生粉、浓缩花生蛋白、分离花生蛋白等。花生含2629蛋白质，其中球蛋白占90，其余为清蛋白。花生蛋白可分为花生球蛋白、伴花生球蛋白I和伴花生球蛋白，等电点均在pH值45附近。由花生加工得到蛋白粉制品多为白色，且风味极佳，尤其是溶解性高，黏度低，具有一定的热稳定性和发泡性，可用于制造饮料及面包。,B. 油菜子蛋白质 加拿大与印度是油菜子的主要产地。油菜子颗粒小，含有40%45油脂和2025蛋白质。蛋白质中的大部分为12s球蛋白，相对分子质量约30万。与大豆球蛋白相似，含有酸性和碱性亚基。在植物蛋白质中，油菜子蛋白的营养价值最高，没有限制性氨基酸，特别是含有许多在大豆中含量不足的含硫氨基酸。 以油菜子的脱脂物为原料可加工浓缩蛋白。蛋白质在提取、分离等加工过程中，易受到加热变性的影响，使蛋白质溶解度降低，不能形成胶体，但该种蛋白质制品具有很好的保水性与持油性，因而可应用于红肠等畜肉制品的加工。此外，经分离得到的变性少的蛋白质，其乳化性、发泡性、凝胶形成性均很好。,C. 向日葵蛋白质 向日葵是俄罗斯和欧洲一些国家重要的油脂原料，也是世界食用油生产量较大的一种。向日葵脱脂物的加工利用，关键是去除向日葵中的石炭酸以及高效率地去除种子的外皮。在向日葵脱脂物中含有33.5石炭酸，因此在加工过程中，会因pH值的不同，而产生黄绿色色变。 向日葵中7080蛋白质由具有盐溶性的球蛋白构成。从营养角度来看，向日葵蛋白的赖氨酸含量少，是营养上的限制因子。 向日葵蛋白质不易形成凝胶，但具有优良的起泡性和发泡稳定性。并且向日葵的脱脂物具有很好的组织形成性，利用挤压成型机，能制成组织状向日葵蛋白制品，但不足之处是产品的外观颜色较灰暗。,D. 棉子蛋白质 棉子中约含20蛋白质，是较丰富的蛋白质资源。可是其中含有棉子酚这一毒性物质，使得它在食品和饲料的利用方面受到限制。棉子酚可通过育种或采取适当的加工技术去除。 棉子的氨基酸组成中，赖氨酸、蛋氨酸含量较少。由棉子脱脂粉加工的蛋白质具有在酸性条件下易溶的特性，因此该蛋白质制品适用于制作酸性饮料；又因其在中性环境中难溶，机能特性很少，也常被利用于制面包和点心。,F. 红花蛋白质 在很早以前红花色素作为食品着色剂被应用于食品加工。红花种子的12为外皮。除去外皮部分的40为脂肪，1519 为蛋白质，2025为纤维。用7080酒精处理，提取出具有苦味的成分和导致腹泻的物质。 红花种子蛋白质的必需氨基酸中赖氨酸含量不足。该蛋白质有与棉子蛋白质相似的性质，即在酸性环境中也能溶解，因此用于酸性饮料的制作。在机能特性方面，它具有起泡性，它还能部分地代替面粉，用于面包。,1.2.2 豆类蛋白质,豆类中含有的储藏蛋白几乎都存在于蛋白质体中。蛋白质体中的80左右是蛋白质，除此之外，还有大量的植酸钙镁盐。一般来说，豆类蛋白质中谷氨酸、天门冬氨酸等酸性氨基酸含量较多，而碱性氨基酸含量较少，因此豆类中等电点偏向弱酸性的蛋白质含量多。 豆类中的主要蛋白质是球蛋白，从其类似性来划分，可分为豆球蛋白和伴豆球蛋白两种，两者共占蛋白质总含量的80%左右。除此之外，还含有2S球蛋白质，植物凝集素，清蛋白质。,1.2.3 谷类蛋白质,谷类中的蛋白质不溶于水或盐溶液，其主要成分分为能溶解于酒精的醇溶蛋白和能溶解于碱溶液的谷蛋白。 醇溶蛋白含量最多的是黍类植物。玉米、黍子种子蛋白质中含有5060醇溶蛋白，3045谷蛋白。醇溶蛋白储存在蛋白质体中，而谷蛋白在蛋白质体的内外均有分布。 小麦、大麦、黑麦等禾谷类作物种子的蛋白质中，醇溶蛋白与谷蛋白的含量基本相同，为3050。 大麦和稻米的蛋白质以能溶解于碱性溶液的谷蛋白为主要成分。,1.2.4 螺旋藻蛋白,螺旋藻是最近被食品界较为关注的蛋白质源。它是一种外观为蓝绿色、螺旋状单细胞水生植物。生物学家和营养学家长期研究认为，螺旋藻是最具有潜力生产单细胞蛋白质的藻类。螺旋藻营养价值高，其蛋白质含量高达70，所含氨基酸种类又比较理想，人和动物所必需的赖氨酸、苏氨酸，含量也相当丰富。螺旋藻细胞壁极薄，易消化，消化率可达80。螺旋藻除可作食品、食品添加剂、饲料外，还可作为医药原料。现在市场上有许多螺旋藻保健品和添加了螺旋藻的食品。,2. 大豆蛋白质及其制取和应用,2.1 大豆蛋白质的特点 大豆起源于我国，是我国十大粮食作物之一，也是四大油料作物之一。自古以来，东方大豆被加工成豆腐、腐乳、酱油、纳豆等各种食品。自20世纪70年代始，大豆作为优质廉价的蛋白质资源得到了广泛重视，大豆的应用范围正在不断扩大。 大豆的主要成分是蛋白质和脂肪，两者占整个大豆成分的60以上。大豆的蛋白质含量丰富，一般在40左右，被誉为“绿色牛乳”、“植物肉”。,另外，现代营养学研究证实，大豆蛋白质具有降低胆固醇、减少心血管病发生的功效，由大豆蛋白质调制的多肽具有促进营养吸收和降血脂作用。大豆含有的皂甙、异黄酮等生理活性成分具有抗氧化、防衰老、提高免疫力、促进钙吸收等功能。因此，无论在人口不断增长的发展中国家，还是在西方发达国家，大豆在解决蛋白质供给不足和改善饮食模式及膳食结构中的营养平衡等问题上都占有重要的位置。,大豆蛋白质的氨基酸组成,2.2 大豆蛋白质的制取和应用,2.2.1 浓缩蛋白质制取方法 浓缩蛋白质(SPC，soy protein concentrate)主要是指以低温脱溶豆粕为原料，通过不同的加工方法，除去低温粕中的可溶性糖分、灰分以及其他可溶性的微量成分，使蛋白质的含量从4550提高到70左右而获得的制品。 浓缩蛋白质的制取方法主要有酒精浸提法、稀酸浸提法和热处理3种。其中最为常用的是酒精水溶液法和稀酸法。这3种方法加工的浓缩蛋白的质量有很大的不同，下表比较了3种不同工艺加工制品的蛋白质溶解性以及去除可溶性糖、灰分、提高蛋白质含量方面的能力。,从表中看出，以酸浸洗制取的浓缩蛋白质的氮溶解指数(NSI，nitrogen solublity index)最高，可达69；而湿热和酒精处理的蛋白质NSI未超过5。这说明湿热和酒精处理引起了蛋白质的变性。但以质量分数为5070的酒精洗除低温粕中所含的可溶性糖类(如蔗糖、棉子糖、水苏糖)、可溶性灰分及可溶性微量成分后获得的浓缩蛋白在气味上优于用其他两种方法制取的产品。,A. 酒精浓缩蛋白质生产工艺,首先将低温脱溶豆粕经风机吸人集料器，再经螺旋运输机送人酒精洗涤罐中进行洗涤。洗涤罐有2只，内装有摆动式搅拌器，可轮流使用。每次装低温粕的同时按料液比1：7的比例由酒精泵从暂存罐内吸入6065的酒精。操作温度50，搅拌30 min。每个生产周期为1h。 洗涤过程中，可溶性糖分、灰分及一些微量组分便溶解于酒精中。为尽量减少蛋白质损失，选6065酒精，因这时的蛋白质NSI仅为9，低于任何浓度的酒精。 洗涤后，从罐中将蛋白质淤浆物由泵送入管式超速离心机中进行分离，分离出固形物和酒精溶液。分离出来的酒精要回收进行再利用，分离出来的酒精糖溶液首先被送入一效蒸发器中进行初步浓缩，再由泵送人二效蒸发器中进一步蒸除酒精，其操作真空度667733 kPa，温度80。最后浓缩糖浆由二效蒸发器底部排出，另作它用。从一效、二效蒸发分离器出来的酒精流入浓酒精暂存罐中，通过泵送人工作温度为825酒精蒸馏塔中蒸馏，一方面制取浓酒精，另一方面脱除酒精中的不良气味。 从离心机中分出的浆状物进入二次洗涤罐，以8090的酒精洗涤。用95热酒精洗涤，可使蛋白质具有较好气味、氮溶指数(NSI)和色泽。在温度70的条件下进行二次洗涤30min。经过两次洗涤后的淤浆物，经由泵送入真空干燥器上的暂存罐中，经闸门阀流入卧式真空干燥器进行脱水干燥，脱水时间6090min，真空度77.3kPa，工作温度80。,B. 稀酸浓缩蛋白质生产工艺,生产时，先将通过100目的低温脱溶豆粕粉加入酸洗罐中，加入10倍质量的水搅拌均匀后，加入37的盐酸，调节pH值至45，搅拌1 h，这时大部分蛋白质沉析，粗纤维形成浆状物。 一部分可溶性糖、灰分及低分子蛋白质形成乳清，而浆状物送人碟式离心机中进行液固分离。固态浆状物流人一次水洗罐内，在此连续加水洗涤，然后经泵注入第二部碟式离心机中分离脱水。浆状物流人二次水洗罐中进行二次水洗，然后由泵注入第三部碟式离心机中分离废水，浆状物流人中和罐内，加入适量碱调节pH值为中性，再经泵压入干燥塔中，脱水干燥成成品。,2.2.2 分离蛋白质生产技术,分离蛋白质(SPI，soy protein isolate)是指除去大豆中的油脂、可溶性及不可溶性碳水化合物、灰分等的可溶性大豆蛋白质。提取过程比较复杂，主要包括浸提、除渣、酸沉、分离、解碎、中和、杀菌及喷雾干燥等工艺。在分离蛋白质的提取工艺中，首先用弱碱溶液浸泡低温脱溶豆粕，使可溶性蛋白质、碳水化合物等溶解出来，利用离心机除去溶液中不能溶解的纤维及残渣。在已经溶解的蛋白质溶液中，加入适量的酸液，调节溶液的pH值达到45，使大部分的蛋白质从溶液中沉析出来，这时只有大约lO的少量蛋白质仍留在溶液中，这部分溶液称为乳清。乳清中除含有少量蛋白外，含有可溶性糖分、灰分以及其他微量成分。然后将用酸沉析出的蛋白质凝聚体进行破碎、水洗，送人中和罐内，加碱中和溶解成溶液状态。将蛋白质溶液调节到合适浓度，由高压泵送入加热器中经闪蒸器快速灭菌后，再送人喷雾干燥塔中脱除水分，制成分离蛋白质。 分离大豆蛋白质是高度精制的蛋白质，其蛋白质含量一般在90以上，蛋白质的分散度在8090之间，具有较好的功能性质。因此，分离大豆蛋白质作为食品加工助剂有较好的实用价值。,2.2.3 大豆蛋白的应用,大豆蛋白由于具有丰富的营养和许多优良的功能特性，因此被广泛地应用于多种食品体系，如肉类食品、焙烤食品、乳制品、饮料等。近年来，国内外植物蛋白饮料得到很大发展，除利用全大豆生产各种豆奶类饮料外，也可以以大豆蛋白为原料生产含大豆成分的乳制品。目前市场上产品有豆牛奶、代牛奶、咖啡伴侣、代奶酪、冰激凌、代奶油等多种食品。,3. 螺旋藻及其有效成分的提取,螺旋藻是一种生长于 30 亿年前的多细胞丝状蓝藻，是地球上最早进行光合作用的植物之一，螺旋藻被誉为现代“微型绿色功能性营养宝库”，也是人类成功开发并实现产业化的微藻，它含人体必需的 8种氨基酸和多种生物活性物质，如-胡萝卜素、叶绿素、-亚麻酸、维生素、微量元素、藻蓝蛋白，其中特别是含具有特殊生理作用的螺旋藻多糖。螺旋藻多糖能够促进蛋白质合成，增强免疫功能，抑制和杀伤肿瘤细胞，而且有显著的抗辐射作用。放、化疗病人食用螺旋藻后，能使白细胞、红细胞、血小板及血色素恢复正常并维持稳定，有缓解射线对骨质细胞增殖的抑制作用 。因此螺旋藻多糖日益受到人们的关注。,3.1 螺旋藻多糖的提取方法,目前国内外提取螺旋藻多糖,主要采用稀酸、稀碱、水抽提的方法，因为螺旋藻多糖中含有较多的极性基团，易溶于稀酸、稀碱和水。利用上述方法提取的螺旋藻多糖为粗多糖，含有蛋白质、无机盐等较多的杂质，需要进一步提纯。一般采用Sevage 法、三氯乙酸法和酶法脱除蛋白质。无机盐等小分子一般可用透析除去。螺旋藻多糖纯化可用纤维素离子交换柱层析和葡聚糖凝胶柱层析法进行。,3.2 螺旋藻多糖的纯化,DEAE纤维素柱层析分析纯化 装柱 将100gDEAE-52干胶用蒸馏水浸泡，使其充分溶胀，用倾泻法将上浮的细小颗粒倾去，分别用稀酸稀碱反复浸泡，用蒸馏水冲洗至中性，将处理好的凝胶浸泡在洗脱液中，关闭层析柱出水口，并向柱管内注入约1/3柱容积的洗脱夜，然后在搅拌下，将浓浆状的凝胶连续地倾入柱内，使之自然沉降，待凝胶沉降约23cm后，打开柱的出口，调节合适的流速，使凝胶继续沉集，待沉集的凝胶上升到离柱的顶端约2cm处时停止装柱，检查柱内凝胶是否均匀，有无“纹路”或气泡。若层析柱不均一，必须重新装柱。,装好柱后用洗脱液平衡72h。取10g粗多糖溶于0.1mol/L NaCl溶液中，离心除去不溶物。取上清液沿柱壁小心加到事先用0.1mol/L NaCl溶液平衡好的DEAE-52柱上（2.640cm），进样后选用0.1mol/L NaCl溶液洗脱，流速3mL/min，按5mL/管分部收集，用硫酸-蒽酮法跟踪检测峰值，一直洗至无糖检出为止。然后改3.9mol/LNaCl0.1mol/LNaCl进行梯度洗脱，继续分部收集，同法跟踪检测多糖峰位。所得溶液减压浓缩至适当体积，扎袋透析去除NaCl，乙醇沉淀，再依次用乙醚、丙酮洗涤三次，真空冷冻干燥，得初步纯化螺旋藻多糖。,DEAE-52 纤维素层析纯化结果 将螺旋藻粗多糖经 DEAE-52 柱层析纯化，收集到二组糖峰（PSP和 PSP，以下均用此表示螺旋藻多糖），分离结果见图 12，各得 PSP3.65g 、 PSP 1.1g,得率分别为 3.65%、1.1%。PSP