（农产品加工及贮藏工程专业论文）玉米中黄色素与醇溶蛋白的提取工艺研究.pdf

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+ 等离子较稳定；其中，木糖醇对该色素有一定的保护作用，维生素c 和香兰素对该色素也有较强的保护作用，但香兰素的保护作用要明显优于 维生素c 的保护作用。 3 研究了从玉米蛋白粉中提取醇溶蛋白的工艺，并建立了玉米醇溶 蛋白提取量的快速检测方法，在单因素试验的基础上采用中心组合设计 法，确定了玉米醇溶蛋白的最佳提取工艺条件：乙醇浓度8 0 ，提取温度 5 7 9 。c ，液料比( m l g ) 9 2 5 ，浸提时间1 2 2 r a i n 。产品提取率为8 9 9 6 ， 玉米黄色素与醇溶蛋白的提取工艺研究 产品为淡黄色粉末，其中蛋白质含量在9 0 以上。 关键词：玉米；黄色素；醇溶蛋白；挤压膨化 2 山东农业大学硕士学位论文 e x t r a c t i o no fy e l l o wp i g m e n ta n dz e i n f r o mc o r ng l u t e nm e a l a b s t r a c t c h i n ai st h es e c o n d l a r g e s tc o r n - p r o d u c ec o u n t r yw i t h 110 0b i l l i o n k i l o g r a me a c hy e a r c o r n ，a so n eo ft h et h r e em a j o rc e r e a lc r o p si nt h ew o r l d ， i st h em o s ti m p o r t a n tf o o da n di n d u s t r i a lc o r p s t oi m p r o v ei t sa d d i t i o n a l v a l u e ，t h em a i nw a yc o m e sf r o mt h er e f i n e dp r o c e s s i n go fc o r n t h em a j o r i n d u s t r i a lp r o d u c t i o nw a sc o r ns t a r c h w i t hc o m p l e xu t i l i z a t i o no fc o r n ，i t s a d d i t i o n a lv a l u ec a nb ei n c r e a s e db y8t i m e s c o mg l u t e nm e a l ，t h em a j o r p r o t e i nc o p r o d u c t sf r o mc o mp r o c e s s i n g ，r e s e a r c hm e na r ep a y i n gm o r e a t t e n t i o nt oy e l l o wp i g m e n ta n dz e i nf o ri n c r e a s i n gi t sa d d i t i o n a lv a l u e m a i z e y e l l o wp i g m e n ti san a t u r a ln u t r i e n tp i g m e n tw i t hh i g hv a l u eo fu t i l i z a t i o n s t u d i e so ni ta r ef e wi no u t c o u n t r y i tc a nb ee i t h e rt h ec o l o r a n to ff o o do r n u t r i t i o nf o r t i f i e ro fc a r o t e n o i d c o r ng l u t e nm e a lc o n t a i n e da b o u t6 0 p r o t e i n w i t ha b o u t6 0 o fz e i n a sz e i n si n s o l u b i l i t yi nw a t e ra n de a s yf o r m i n gaf i l m ， t h em a i nf o c u ss i n c et h em i d 2 0 山c e n t u r yh a sb e e no ni t sp o s s i b l eu t i l i z a t i o na s a ne d i b l ec o a t i n gm a t e r i a l s h o w e v e r , s i n c ez e i np r o c e s s i n gc o n s u m e sal a r g es u mo fo r g a n i cs o l v e n t a n dt or e c o v e rt h e mw i l lc o n s u m ea m o u n to fh o te n e r g y , z e i nh a sah i 曲 p r o d u c t i o nc o s tw i t hp r i c e sv a r y i n gf r o m10d o l l a rt o4 0d o l l a rp e rk i l o g r a m w h i c hl i m i t si t sw i d e s p r e a du t i l i z a t i o n f o ri n c r e a s i n gt h ea d d i t i o n a lv a l u eo f c o r na n dp r o v i d i n gt h e o r i e sb a s ef o rd e v e l o p m e n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f m a i z ey e l l o wp i g m e n ta n dz e i n ，t h i sp a p e rh a v eb e e ns t u d i e da sf o l l o w 1 t h ep r o c e s so fe x t r a c t i n g y e l l o wp i g m e n tf r o m c o r n g l u t e nw a s s t u d i e d s e v e r a ls o l v e n t sw e r ec o m p a r e da n ds e l e c t e d a n h y d r o u se t h y l a l c o h o lw a sd e t e r m i n e da st h eo p t i m u ms o l v e n tf o rm a i z ey e l l o ww i t hh i g h e r r a t eo fe x t r a c t i o n ，l o w e rt o x i c i t y ，e a s i e rr e c y c l e da n dl o w e rc o n s u m p t i o n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a t eo fe x t r a c t i o nw a si m p r o v e dc o n s i d e r a b l ya f t e rt h e t r e a t m e n to fe x t r u s i o np r e t r e a t m e n to fc o r ng l u t e n t h e n ，t h ef a c t o r se f f e c t i v e f o re x t r a c t i n gm a i z ey e l l o wp i g m e n tw e r ei n v e s t i g a t e da n do p t i m i z e db yu s i n g c e n t r a lc o m p o s i t ed e s i g na n ds a s9 0s o f t w a r e t h eo p t i m u mp a r a m e t e r s w e r et e m p e r a t u r e6 7 40 c ，t i m e9 5 m i n ，r a t i oo fa n h y d r o u se t h y lt oc o r ng l u t e n 3 玉米黄色素与醇溶蛋白的提取工艺研究 2 0 5 2 1 1 1 es t a b i l i t yo fm a i z ey e l l o wp i g m e n tf r o me x t r u d e dc o r n g l u t e ni s i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , a l s oi n c l u d i n gt h ee f f e c to fm a n yf o o da d d i t i v e s 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a i z ey e l l o wp i g m e n tw a sv e r ys e n s i t i v et ol i g h t b u tp u tu pw i t hh e a ti ns o m es o r t w eh a db e s td i s s o l v ei ti nt h ee d i b l e v e g e t a b l eo i l i tw a sl e s ss t a b l et oa 1 ”，f e ”，c u 2 + a n do x i d a n to fh i g h c o n c e n t r a t i o n h o w e v e r ，i tw a ss t a b l et oa c i d ，a l k a l i ，r e d u c i n ga g e n t ，o x a c i d r o o tn e g a t i v ei o n s ，f e 肿，n a + ，k + a n ds oo n x y l i t o l ，v i t a m i nca n dv a n i l l i n c a ne f f e c t i v e l yp r o t e c tt h em a i z ey e l l o wp i g m e n td e g r a d a t i o n 1 1 1 ep r o t e c t i o n d e p e n d so nt h e i ra n t i o x i d a t i o na b i l i t y a s 胁a st h ea n t i o x i d a t i o na b i l i t y , t h e a n t i o x i d a n ta c t i v i t yo fv a n i l l i nw a sb e a e rt h a nv i t a m i nc t h e s er e s e a r c h e s p r o v i d e da c a d e m i cb a s i sf o rt h eu s ea n de x p l o i t a t i o no ft h em a i z ey e l l o w p i g m e n t 3 1 1 1 ep r o c e s so fe x t r a c t i n gz e i nf r o mc g mw a ss t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h er a t eo ff i r s te x t r a c t i o nw a s8 9 9 6 t h ef a c t o r se f f e c t i v ef o r e x t r a c t i n gz e i nw e r ei n v e s t i g a t e da n do p t i m i z e db yu s i n gc e n t r a lc o m p o s i t e d e s i g na n ds a s9 0s o f t w a r e t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sw e r ea d d i t i o no f8 0 e t h a n o ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e5 7 9 ，t i m e12 2 m i n ，r a t i oo f a n h y d r o u se t h y lt o c g ma s9 2 5 c r u d ep r o d u c ti sal i g h ty e l l o wp o w d e rc o n t a i n i n g p r o t e i nm o r e t h a n9 0 k e y w o r d s ：m a i z e ；y e l l o wp i g m e n t ；z e i n ；e x t r u s i o n 4 山东农业人学硕士学位论文 _ - o _ 1 月i j 吾 玉米是世界三大粮食作物之一，又是重要的饲料，由于其单产高，增 产潜力大，在农业中占有重要的地位。作为工业原料，玉米比甘薯含有较 高的脂肪和蛋白质，因而自5 0 年代以来，世界上的淀粉、淀粉糖、酒精 工业，愈来愈多地用玉米代替甘薯作原料，这也大大促进了玉米生产的发 展。 美国是世界玉米第一生产大国，世界每年的总产量为5 6 0 0 0 万吨，仅 美国的产量就占一半。我国的玉米产量为1 1 亿吨左右，居世界第2 位( 尤 新，1 9 9 3 ) 。随着国民经济的发展，玉米作为口粮比例早已大大下降。随 着有关技术及其应用研究的深入，玉米的用途日趋广泛。玉米经过深加工， 生产各类产品，玉米除供粮食和饲料以外，主要用作淀粉生产。玉米中淀 粉含量非常高，是淀粉厂的主要生产原料。据统计，玉米在提取淀粉过程 中，若将原料综合利用，可提高玉米的利用价值8 倍多( 张存劳，2 0 0 1 ) 。 玉米的加工方法主要有四种：干磨法、湿磨法、碱法和干粉乙醇工艺， 其中，碱法和干磨玉米直接用于人类消费( w a t s o n 和r a m s t a d ，1 9 8 7 ) 。 湿磨法主要是加工淀粉和提取玉米油，而干粉乙醇工艺主要是发酵生产乙 醇。湿磨法的蛋白质副产品是玉米蛋白粉( c g m ，c o r ng l u t e nm e a l ) 和玉 米蛋白饲料( c g f ，c o r ng l u t e nf e e d ) 。干粉乙醇工艺的蛋白副产品是全干 燥蛋白饲料( d d g s ，d i s t i l l e r sd r i e dd i s t i l l e r sd r i e dg r a i n sw i t hs o l u b l e s ) 。 过去对玉米酒精蒸馏废液的处理，只作简单过滤，将滤渣干燥作饲料，而 滤清液排放了。这种滤渣干燥获得的饲料，简称d d g ( d i s t i l l e r sd r i e d g r a i n s ) ，这种饲料将废液中可溶解的营养物全部浪费了。为了能将玉米酒 精废液中的可溶物回收，将过滤后的滤清液浓缩干燥，获得的称作d d s ( d i s t i l l e r sd r i e ds o l u b l e s ) ，意即可溶性的干燥酒糟饲料。现在国际上比较 定型的是将玉米酒精蒸馏废液先经过滤，然后滤渣干燥，滤清液同时浓缩， 最后将干燥的滤渣和浓缩的滤清液混合干燥，挤压成颗粒，这应称为全价 干酒糟，即包括了可溶性的营养物在内的干酒糟饲料。目前的这些蛋白副 产品的营养成分见表1 ，c g m 中的蛋白质含量是最高的，它们通常协同 加入动物饲料中。 玉米黄色素与醇溶蛋白的提取工艺研究 1 1 玉米蛋白粉 玉米蛋白粉( c g m ) 是从淀粉乳分离蛋白质时得到的黄浆水，经过 滤得到的不溶于水的蛋白质，俗称“黄粉子”，是玉米淀粉湿法加工过程 中的副产物，其主要成分见表l 。 表1 玉米加工副产品的主要成分( 干物质) t a b l ei m a j o rc o m p o n e n t so fb y - p r o d u c ti nc o r np r o c e s s i n g ( d r yb a s i s ) c g fc g md d g s 包括甘油、有机酸和酒精发酵的其它副产物 玉米蛋白粉( c g m ) 含蛋白质6 0 以上，有的达到了7 0 ，其余2 0 的淀粉和约1 3 的纤维。其中所含的蛋白质占玉米中蛋白质干基含量为 6 1 2 ，主要是醇溶蛋白，占玉米蛋白的6 0 以上。加工的蛋白副产品 中，胚乳中的蛋白主要保留在玉米蛋白粉( c g m ) 中。 玉米蛋白粉呈鲜艳的黄色，含有大量的玉米黄色素，所以可以掺入糕 点等起着色作用，但不能使用在油类液态食品的着色，因为玉米蛋白粉主 要含有的是蛋白质和淀粉，不溶于脂肪。 玉米蛋白粉是从玉米中分离出来，本来可以作为食品的配料，提高食 品的蛋白质含量，并且其所具有鲜艳黄色，可用于改善食品的色泽，但是 由于玉米蛋白粉有一种不愉快的风味，所以很少被食品工业所采用。 1 2 玉米黄色素 1 2 1 概述 1 9 世纪中叶以前，人们一直使用天然色素。我国古代就有使用天然 色素作纺织品染料、米饭、酿酒、化妆品等色料的记载。自1 8 5 6 年英国 p e r k i n sw h 发明了第一个合成有机色素苯胺紫后，相继合成了许多有 机色素。由于这类色素色泽鲜艳、色调多、性质稳定、着色力强、坚牢度 大、调色易、使用方便，很快取代了天然色素。然而近二十年来，人们发 现许多合成色素对人体有害，除了其本身的化学性能危害人体健康，而且 在合成过程中，还有可能被砷、铝等有害物质所污染。合成色素的致癌、 6 山东农业大学硕士学位论文 致畸等严重的毒副作用使得世界各国先后禁止使用许多合成色素( 凌关 庭，1 9 9 7 ) 。目前常用的食用色素，其中约有三分之一为天然色素，其余 近三分之二为人工或半人工合成色素( 吕欣，2 0 0 3 ) 。因此，人们开始着 眼于开发安全可靠的天然色素以保证人民的身体健康，同时在研究中发现 天然色素大多具有一定的生理功能，有的含有人体所需的营养物质如类胡 萝卜素等，有的具有一定的药理功效，对某些疾病具有预防治疗作用。这 些功能性天然色素不仅给予食品鲜艳、逼真的色泽，而且对人体有营养保 健功能，符合现代功能性食品发展的新趋势。 目前国内外所使用的提取食用色素的方法原料难于收集，产率也低， 并且食品工业对食品添加剂的使用有很多的限制，所以低成本提取天然色 素对食品添加剂行业具有重大的意义。在目前食用的黄色素中，柠檬黄、 日落黄皆为合成色素，而姜黄、桅子黄及万寿菊黄色素等天然色素受原料 制约，成本较高，价格昂贵( 王为勤，1 9 9 7 ) 。开发安全价廉的天然黄色 素具有重大的意义，并且作为一类常见的天然色素有着广泛的应用前景。 1 2 2 玉米黄色素的结构和功能 玉米黄色素是一种利用价值较高的天然食用色素，可以从玉米蛋白粉 中提取得到。它主要由玉米黄素( z e a x a n t h i n ，3 ，3 二羟基1 3 胡萝卜 素，分子式为c 4 0 h 5 6 0 2 ) 和隐黄素( c r y p t o x a n t h i n ，3 羟基1 3 胡萝卜素， 分子式为c 4 0 h 5 6 0 ) 组成( 凌关庭，1 9 9 7 ) 。 h o h o 玉米黄素 o h 隐黄素 该色素属于异戊二烯类色素即类胡萝卜素，它安全、无毒、无副作用 和不良反应，并且具有重要的生理功能。作为光合作用的辅助色素，类胡 萝卜素参与执行光能传递和物质转化、抗光敏化作用、猝灭自由基等生理 7 玉米黄色素与醇溶蛋白的提取工艺研究 生态过程( 王璋，1 9 9 9 ) ，还能保护生物体免受不利环境的侵害，例如由 于臭氧层空洞扩大，紫外线辐射量的增大造成对动植物有害的影响和人类 皮肤癌的增加，类胡萝b 素也起保护作用( 王为勤，1 9 9 7 ) 。另外，类胡 萝卜素具有较高的营养价值，是重要的营养素来源。它在体内能转化成维 生素a ，具有保护视觉、上皮组织、促进人体健康发育、提高机体免疫力 的作用，对心脏疾病、癌症和其他一些疾病有预防作用，尤其有益于儿童 健康发育( b u s h w a y ，1 9 8 5 ) 。据美国农业部报导，植物化学物质玉米黄 素对于保护眼睛健康很重要。在眼睛的晶状体中，没有b 胡萝b 素，但 存在玉米黄素，它能猝灭单线态氧，能间接减少晶状体蛋白的氧胁迫。又 有研究表明：饮食中的类胡萝b 素可以降低白内障疾患的危险性。同时， 研究表明：人体血浆中的主要类胡萝卜素包括玉米黄素、叶黄素、番茄红 素、隐黄素、q 、b 胡萝卜素等，它们的含量高时，发生湿型黄斑变性 病的危险降低( 王为勤，1 9 9 7 ) 。由于类胡萝卜素对人体有重要的营养保 健功能，使得人们对天然类胡萝卜素制品的需求量日益增加，开发和利用 天然类胡萝卜素资源己成为一种引人注目的发展趋势。 1 2 3 玉米黄色素的开发利用现状 在欧美日等发达国家，天然色素从7 0 年代开始逐步替代广泛使用的 合成色素，己经成为主要食品着色剂，食品覆盖面达6 0 以上。挪威等国 家己经宣布完全禁止使用合成色素。美国1 9 7 6 年天然色素的使用量达 4 5 4 4 吨，产量是合成色素的5 倍多。日本1 9 9 3 年食用天然色素品种达9 8 种之多( 吕欣，2 0 0 3 ) 。我国列入食品添加剂卫生标准的天然色素，截止 1 9 9 0 年底有3 9 种，玉米黄色素在1 9 8 6 年编入中华人民共和国国家标 准g b 2 7 6 0 8 6 ，即“食品添加剂使用卫生标准 ，被批准作为天然食用 色素可添加于人造奶油和糖果等食品中，最大使用量为5 0 9 k g ( 凌关庭， 1 9 9 7 ) 。 在国外，玉米黄色素还应用于饲料工业中。由于鸡皮的颜色能影响人 们的食欲，在鸡饲料中添加玉米黄色素，可使鸡皮呈现出刺激人食欲的色 泽( k i n s k y ，1 9 8 9 ；惠伯棣，2 0 0 5 ) ，通常黄皮鸡价格相对较高，国内还 未见过相关的报道，因此玉米黄色素在饲料工业中也有相当的应用前景。 作为一种类胡萝卜素，玉米黄色素一般是利用有机溶剂进行萃取或抽 山东农业大学硕士学位论文 提，并经过蒸发和浓缩而获得色素产品( 尤新，1 9 9 3 ；惠伯棣，2 0 0 5 ) 。 目前，我国对玉米黄色素的研究开发水平较低，仅停留在试验室阶段。 1 2 4 玉米黄色素的提取方法 由于提取玉米黄色素具有很大的价值，玉米黄色素的提取技术得到了 大量研究，并不断改善玉米黄色素的提取方法。目前，已经研究出来的各 种提取方法还不尽完善，各有其优缺点。 玉米蛋白粉 溶剂_ 一残渣一匝垂圃一饲料 i 茔墼壁i 军 一 图1 是典型的溶剂法提取玉米黄色素的工艺，其萃取剩余物仍可作为 由于玉米淀粉加工过程中，玉米黄色素主要保存于蛋白粉中，所以玉 米蛋白粉是提取玉米黄色素的最好原料。国外曾经有人用物理方法富集玉 米蛋白粉中的玉米黄色素，这个方法虽然比较简捷，但是提取率比较低， 已经逐渐被淘汰。现在玉米黄色素的提取一般都是选用有机溶剂法，因为 玉米黄色素是油溶性色素，从玉米蛋白粉中分离黄色素，选用油脂性溶剂， 即可将玉米蛋白粉中的黄色素和油脂萃取出来，获得浆状色素产品。 外国的最新几项专利中介绍的一种提取方法是：选择含水量低于1 2 的玉米蛋白粉一酒精提取一获得粗玉米黄色素一二次萃取粗玉米黄色素， 将玉米黄色素酯转化为玉米黄色素一获得较纯的玉米黄色素一用色谱法 或者离子交换法进一步提纯一收集产品( m u r a l i d b a r a ，1 9 9 7 ) 。这种方法 经过两次萃取和一次提纯，并且要保证玉米蛋白粉中的水分质量含量不能 超过1 2 ，否则提取率降低。优点是得到的产品纯度高，但同时成本也很 9 玉米黄色素与醇溶蛋白的提取工艺研究 高，必须要大量生产才能降低成本。 另一种方法：玉米( 或者其它原料) 一干燥、粉碎一在5 7 5 范 围内，用7 0 的乙醇浸提1 5 1 2 0 m i n 一离心、过滤一超滤分离蛋白质一纳 滤分离玉米黄色素一回收乙醇。这个提取方法优点在于色素和蛋白同时萃 取，大大地减少了溶剂的消耗。但由于在7 0 的乙醇溶液中，玉米黄色素 的提取率很低，还要经过多次的分离，导致成本的提高。 现在流行的溶剂萃取法已经发展出了很多不同的方法，主要有一级萃 取法、多级萃取法、索氏提取器法和c 0 2 超临界萃取法。一级萃取法操作 简单，但提取效率很低，溶剂回收率不高，浪费原料；多级萃取法萃取效 率较高，但消耗有机溶剂较多，大大增加回收溶剂的成本；索氏提取器法 是用无水乙醇回流脱色，该方法的优点是提取率高、节省溶剂。但缺点是 脱色时间太长，一般为4 5 个小时；由于索氏提取器容积有限，每次不能 进行大量提取，只能进行分批萃取，产量太低；乙醇的沸点较高，水浴的 温度需达到9 0 9 5 ，耗能大；玉米黄色素在高温下易氧化分解，降低其 价值，因此索氏提取器法不适合工业大生产( 惠伯棣，2 0 0 5 ) ；超临界流 体的密度接近于液体，具有较强的溶解能力，可以比在一般液体溶剂中更 快地进行传质，近年来，随着超i 临界流体萃取技术的发展，许多研究者将 这一技术应用于脂溶性类胡萝卜素的提取，色素的得率、纯度均较高，结 果令人满意，但超临界萃取的设备价格昂贵，并且产量较低，不能进行工 业化大生产，因此还未投入到工业化生产中应用。 1 3 玉米醇溶蛋白 根据玉米蛋白质的溶解性不同，可分为四种主要组分：白蛋白、球蛋 白、谷蛋白和醇溶蛋白，其中玉米醇溶蛋白( z e i n ) 的含量最高，占玉米 蛋白中的6 0 以上。尽管它缺乏必需氨基酸，营养价值低和难溶于水，不 能直接为人体利用，但由于z e i n 及其聚合物能形成有韧性、光滑、耐水、 耐油、防腐的膜，在食品、医药和生物降解材料领域有着良好的应用前景， 因而具有重大的商业价值( 段纯明，2 0 0 7 ) 。 z e i n 自1 8 2 1 年被首次分离以来一直引起了科学家的兴趣。由于它缺 乏必需氨基酸如赖氨酸和色氨酸等，因此其营养价值不高，再加上其不溶 于水的特性更限制了它在食品中的应用。这样，自2 0 世纪中叶以来，人 1 0 山东农业大学硕士学位论文 们主要着重研究它作为工业高分子物质利用的可能性。目前已开发出了适 合商业用途的、成本适宜的z e i n 生产工艺路线。从玉米蛋白粉中提取商 业用z e i n 始于1 9 3 9 年，但目前全世界的z e i n 年产量也不超过5 0 0 吨，而 且主要只有两家公司( 美国的f r e e m a n 工业和日本的s h o w a 三洋公司) 进行生产。这是一种高价值的产品，根据其纯度的不同，其国际市场价格 为1 0 - 4 0 美元千克，如此高的价格，限制了z e i n 更广泛的应用( k a m p e n ， 1 9 9 5 ) 。因此，目前必须要想办法明显降低其生产成本才能扩大对z e i n 的应用范围。 1 3 1 玉米醇溶蛋白的组成 玉米醇溶蛋白位于玉米胚乳细胞中的玉米醇溶蛋白体内，玉米醇溶蛋 白体直径大约为l l a m 左右存在于细胞的整个细胞质中，处于粒径为 5 - 3 5 皿n 的淀粉粒之间。在整个玉米中，z e i n 是具有不同分子大小、溶解 能力和电荷的各种肽由二硫键聚结起来的非均相混合物，其平均分子量为 4 4 0 0 0 d a ( m o s s e ，1 9 6 1 ；p o m e s ，1 9 7 1 ) 。据m c k i n n e y 分类，z e i n 两个最 主要的组分为a z e i n 和f l - z e i n 。c 【z e i n 可溶于9 5 乙醇，1 3 - z e i n 溶于6 0 乙醇而不溶于9 5 乙醇。q z e i n 的组氨酸( h i s ) 、精氨酸( a r g ) 、脯氨酸 ( p r o ) 和蛋氨酸( m e t ) 含量少于1 3 - z e i n ，但1 3 - z e i n 相对不稳定，易沉淀 和凝固。成品z e i n 中富含谷氨酰胺( 2 1 2 6 ) 、亮氨酸( 约2 0 ) 、脯 氨酸( 约1 0 ) 和丙氨酸( 约1 0 ) ，但是缺少酸性氨基酸和碱性氨基酸。 水解玉米醇溶蛋白所得氨基酸组成如表2 所示( a r g o s ，1 9 8 2 ) 。 表2 水解玉米醇溶蛋白所得氨基酸的组成 t a b l e2t h ek i n d sa n dc o n t e n t so fa m i n oa c i do fh y d r o l y z e dz e i n 玉米黄色素与醇溶蛋白的提取工艺研究 1 3 2 玉米醇溶蛋白的形状和结构 玉米醇溶蛋白能形成有韧性、光滑、耐水、耐油、防腐的膜，具有良 好的柔韧性和压缩性，这一性质不仅与其分子的氨基酸组成有关，还与其 分子本身的形状和结构密切相关。t a t h a m 等( 1 9 9 3 ) 研究发现，z e i n 具有 棒状或扁长椭球体结构，分子轴径比为2 8 ：1 或7 ：1 。y a m a d a 等( 1 9 9 5 ) 用扫描电镜研究发现，在酒精溶液里面玉米醇溶蛋白聚集形成一个个小 球。郭云昌等( 2 0 0 4 ) 用7 0 的乙醇溶液处理醇溶蛋白，用原子力显微镜 ( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，a f m ) 在4o o j h n 4 0 0 脚范围内扫描观察玉 米醇溶蛋白小球。其观察结果如图2 所示。 白 聚 蛋 匀 图3 分散均匀的玉米醇溶蛋白颗粒( 郭云昌，2 0 0 4 ) f i g3 a f m i m a g e o f g l o b u l e so f 跫i np r o t e i n sa f t e rd i l u t i o n ( y u n c h a n g g u o ，2 0 0 4 ) 黧黼曩 山东农业大学硕士学位论文 m c m a s t e r 等( 1 9 9 9 ) 在用a f m 研究小麦醇溶蛋白的时候也发现了均 匀一致的小球。这说明在7 0 乙醇溶液里，玉米醇溶蛋白可能是以均匀小 球存在的。 另外，玉米醇溶蛋白在溶液中显示出较强的旋光性，说明它含有较多 的0 【螺旋体。0 【螺旋体是由肽主链上的酰氨基间的氢键形成的，且0 【螺旋 体最稳定，因为0 【螺旋体的构象完全符合立体化学的原则。因而，玉米醇 溶蛋白的分子形状及侧链的组成可能是它形成保鲜薄膜这一独特性质的 主要原因( 郭云昌等，2 0 0 4 ) 。 1 3 3 玉米醇溶蛋白的性质 商品z e i n 的物理性质见表3 。 表3 玉米醇溶蛋白的物理性质 t a b l e3p h y s i c a lp r o p e r t i e so fz e i n 性质特征 重量体积，1 k g 颜色 电介质常数( 5 0 0 v ，6 0 循环，2 5 9 0 ) 扩散系数 爱因斯坦粘度系数 玻璃化温度 等电点( p i 值) 摩尔质量 偏摩尔比容 物理形态 沉积系数 比重( 2 5 ) 热降解温度 资料来源：w a t s o n 等( 1 9 3 6 ) ：o n c l e y 等( 1 9 4 9 ) ：r u s s e l l 和t s a o ( 1 9 8 2 ) ；m a g o s h i 等( 1 9 9 2 ) 1 3 3 1 玉米醇溶蛋白的溶解性 玉米醇溶蛋白具有特殊的氨基酸组成，其分子中不仅存在着大量的疏 水性氨基酸，而且还缺乏能带电的酸性、碱性和极性基团的氨基酸，同时 还含有较多的含硫氨基酸，因此玉米醇溶蛋白具有独特的溶解性，它不溶 于水，也不溶于无水醇类，但可溶于6 0 9 5 的醇类水溶液中，它还可 蝴一一一筋一记一一慨协 玉米黄色素与醇溶蛋白的提取二r = 艺研究 溶于强碱( p v l 值 1 1 ) 、十二烷基磺酸钠( s d s ) 高浓度尿素及丙二醇和 醋酸等有机溶剂( 尤新，1 9 9 3 ) 。 1 3 3 2 玉米酵洛蛋白的成膜性 玉米醇溶蛋白膜的现代形态学研究发现，从乙醇溶液里快速提取出来 的醇溶蛋白颗粒会结合在一起，从而形成纤维状结构( h u e y r a i n ，1 9 9 7 ) 。 这种纤维状结构也许就是醇溶蛋白膜结构的结构基础。早在1 9 7 3 年人们 就己经认识到玉米醇溶蛋白的成膜特性( r e f i n e r s ，1 9 7 3 ) ，现在己经应用 到工业生产中了。但是玉米醇溶蛋白的成膜特性的机制现在正在探讨之 中。在玉米醇溶蛋白中有很多的含硫氨基酸，这些氨基酸可以形成很强的 分子内二硫键，它们和分子之间的疏水键。起构成了玉米醇溶蛋白成膜特 性的分子基础。在玉米醇溶蛋白的成膜特性的研究中，郭云昌等应用了一 项a f m 研究中新的制样技术_ “分子梳”方法( h u ，1 9 9 6 ：z h a n g ，2 0 0 0 ) ， 观察到大小在8 m 左右的棒状结构，这些结构与纤维状结构非常相似。 这些棒状结构呈现出不同的外观形态：棒状、哑铃状分叉等结构形态，如 图4 所示。 隰 图4 玉米酵溶蛋白的网状结构( 郭云昌，2 0 0 4 ) f 瞎4 n e ts l i a l e t l l l 鹳o f z e i n ( y u n c h a n g g u o ，2 0 0 4 ) 图4 中一些棒状结构己经环绕形成圆环结构( 见图中圆圈标识) ，还 有一些游离球状蛋白颗粒分散其中( 见图中箭头所指) 。这些游离的球状 蛋白颗粒大小和棒状结构的径向大小差不多。这些蜿蜒的棒状结构相互缠 绕形成一张非常精致的大网结构。这些网状结构也许就是玉米醇溶蛋白良 好成膜特性的结构基础。 在z e i n 的成膜研究中，当成膜液涂布以后，随着溶剂的挥发，薄膜 脱水、干燥使得膜形成液中蛋白质浓度增大。当浓度超过一定值时，蛋白 1 4 山东农业大学硕士学位论文 质凝聚，分子间形成维持薄膜网状结构的氢键、二硫键及疏水键，玉米醇 溶蛋白膜形成。姚晓敏等( 2 0 0 2 ) 对z e i n 的成膜条件进行了研究。结果 表明，z e i n 在乙醇、乙二醇中溶解性都很好，若应用于食品及药品领域以 乙醇溶剂为最佳：最佳成膜条件为：所用乙醇浓度为8 0 ，8 0 乙醇与玉 米醇溶蛋白的比例为1 ：1 0 ，4 0 恒温干燥成膜，成膜介质为不锈钢，添 加油酸可以提高膜的抗张强度，添加甘油可以提高膜的透明度。 1 3 3 3 玉米醇溶蛋白的其他性质 ( 1 ) z e i n 不溶于水，但可被微生物及蛋白酶分解，具有生物可降解性。 郑喜群等( 2 0 0 1 ) 利用碱性蛋白酶催化玉米醇溶蛋白水解成可溶性肽，为 玉米醇溶蛋白的深层开发打下了基础。其研究中确定的酶解反应最佳条件 是：初始底物浓度7 5 m m l ，酶浓度0 5 u m l ，温度4 5 ，p h 9 0 。在此 条件下，蛋白质转化量为2 2 1 4 m m l ，蛋白质转化率是2 5 6 0 。 ( 2 ) 具有依存水分的玻璃态( 软化熔融温度) 。李永馨等( 1 9 9 7 ) 研究了 z e r o 的玻璃态转变及表面结构，结果表明：玉米醇溶蛋白膜有较好的耐热 性，使用温度优于普通塑料薄膜，其分解温度在2 6 2 左右；玻璃化温度 为1 7 1 ，用高于玻璃化的温度处理薄膜，可部分修饰薄膜中的缺陷。 ( 3 ) 成膜后在酸性条件下稳定，在中性及碱性条件下不稳定，具有肠溶 性( 溶于肠而不溶于胃) 。 1 3 4 玉米醇溶蛋白的萃取原理 玉米醇溶蛋白制备的第一步是使用适当的溶剂从玉米或玉米蛋白粉 中进行萃取。由于z e i n 中主要是非极性氨基酸( 见表2 ) ，因此可预测提 取z e i n 的溶剂具有复合的性质，既包含离子和非离子的极性基团，也包 含非极性的基团。d i l l ( 1 9 2 7 ) 使用“临界胶溶温度这一术语来描述 z e i n 可溶解的限制条件：如果蛋白浓度大于o 5 时可溶解于溶剂中，z e i n 则被认为是可溶的，在室温( 2 0 2 5 ) 下是透明的溶液。根据这种定义， 有多种方法可从玉米中溶解z e i n 。 1 3 4 1 非水溶剂 提取z e i n 的非水溶剂通常有两种：( a ) 一种含水的有机化合物；( b ) 两种无水有机化合物组成的混合物。e v a n s 和m a n l e y 于1 9 4 1 9 4 4 年间穷 举了提取z e i n 的7 0 种可能性的试剂名单，含水乙醇已被广泛地应用于z e i n 玉米黄色素与醇溶蛋白的提取工艺研究 商业产品的提取。z e i n 可溶于5 0 - - 9 0 乙醇，但不溶于无水醇溶液( 甲 醇除外) 。然而，当溶剂温度高于其沸点时，z e i n 可分散并溶解于高浓度 的醇溶液中。同样的，在高温下z e i n 可溶于4 0 的乙醇溶液中。在低浓 度的醇溶液中到达所需溶解的高温之前，z e i n 趋向于变性。z e i n 可溶于酮 类( 如甲酮、乙酮、丙酮) 、酰胺溶液( 如乙酰胺) 、高浓度的盐溶液( n a c i ， k b r ) 、酯和二醇类。 有关z e i n 的溶解能力见图5 的三元相图。在恒温下，z e i n 的溶解度取 决于乙醇的浓度，一般在2 6 0 ( w w ) 之间变动。在乙醇浓度低于4 0 或高于9 0 时，两个液相出现；同时含有z e i n 、水和醇。这与z e i n 的完 全溶解和沉淀之间的过渡状态一致。 从图5 可以看出，要制作高于6 5 的z e i n 溶液而不需提高温度是不 可能的。温度越高，溶解度曲线上升，溶解度最大值逐渐提高并最终消失。 这一现象一直用于玉米醇溶蛋白的成膜。均匀地加热玉米醇溶蛋白溶液， 蒸发乙醇，就能得到明显浓缩的溶液。这种溶液可进一步从透明的浓浆状 转变为一种玻璃态的涂层，使玉米醇溶蛋白形成象釉面一样的薄膜，而具 有显著的特征。在低乙醇浓度下发生沉淀可通过降低温度、脱色、去掉酯 溶化合物和二硫键的还原剂( a b e 等，1 9 8 6 ) 等方法进行解除。 z w 乙醇溶液1 ) e 图5z e i n 在醇水中的溶解度三相图 f i g 5t h r e e - p h a s e d i a g r a mo f z e i n sd i s s o l v a b i l i t yi ne t h a n o l 在z e i n 溶解溶液中是不可能存在o h 、- n h 2 、c o n h 2 或c 0 0 h 基团 1 6 山东农业人学硕士学位论文 的。r e e s 和s i n g e r ( 1 9 5 6 ) 报道了1 5 种可添加到z e i n 中的有机溶剂并发 现胰岛素和玉米醇溶蛋白有着显著相似的溶解行为。这些有机溶剂中的大 部分不管是纯试剂还是混合物都有3 个或4 个碳原子。这是由于溶剂分子 在氨基酸残基