（食品科学专业论文）大米蛋白麦芽糊精接枝物制备及功能性质研究.pdf

摘要 大米蛋白是优质蛋白，它的氨基酸组成合理并且具有低过敏性。但大米蛋白 的碱溶性谷蛋白占到8 0 以上，所以导致其溶解性较差，从而影响了大米蛋白在 食品工业中的应用。本研究拟通过对大米蛋白与糖的接枝共聚来改善大米蛋白的 功能性质，并为植物蛋白的改性提供理论参考。 以回收率、溶解度为考察指标进行了大米蛋白一糖湿法改性的单因素实验， 研究了不同蛋白一糖质量比、不同反应时间、不同反应温度、不同p h 等工艺条 件对接枝物回收率和溶解度的影响。以回收率为指标，单因素实验确定的大米蛋 白一糖湿法改性的较佳工艺条件为：麦芽糊精一蛋白质比为4 ：1 ，反应时间1 5 m i n ，反应温度1 1 0 ，反应p i l l 2 ；以溶解度为指标，单因素实验确定的大米蛋 白一糖湿法改性的较佳工艺条件为：麦芽糊精一蛋白质比为4 ：1 ，反应时间2 5 m i n ，反应温度8 0 ，反应p i l l 2 ，在上述工艺条件下获得的大米蛋白一麦芽糊精 复合物的溶解度为6 0 7 6 ；在单因素试验结果的基础上，采用响应面法优化了 大米蛋白一麦芽糊精湿法改性的工艺条件，其最佳工艺条件为：麦芽糊精一蛋白 质比为4 ：1 ，反应时间2 1 5m i n ，反应温度1 0 0 0 ，反应p h1 2 0 0 ，优化后的接 枝物可溶性氮回收率为9 8 4 5 。 以大米蛋白一麦芽糊精接枝物的可溶性氮回收率为考察指标，通过单因素实 验确定了大米蛋白一麦芽糊精微波接枝的较佳工艺条件为：微波功率 4 0 0 - - - 6 0 0 w ，反应温度8 0 ，反应时间2 0m i n ，反应p h1 2 ；在单因素试验的基 础上，用响应面法对大米蛋白一麦芽糊精微波接枝的工艺条件进行了优化，其最 佳工艺条件为：微波功率4 0 0 6 0 0 w ，反应温度8 2 0 c ，反应时间1 6 8m i n ， p i l l 2 0 0 ，按此工艺条件制备的大米蛋白麦芽糊精接枝物的可溶性氮回收率为 9 6 2 5 ；微波接枝反应的工艺条件明显优于湿法接枝反应，表现在：微波接枝反 应的加热温度远低于湿法接枝反应的，前者为8 2 。c ，后者为1 0 0 0 ；并且微波 接枝反应的时间也短于湿法接反应。 在p h 7 、2 5 。c 、浓度2 的条件下，自提大米蛋白和大米蛋白麦芽糊精接枝 物的溶解度分别为5 7 1 、5 6 2 8 ；乳化性e a 分别为0 1 5 3 、0 3 1 8 ，乳化稳定 性e s 分别为1 7 7 9 m i m 、1 5 4 4 m i m ；起泡性f a 分别为5 2 5 m l 、3 2 0 m l ，起泡 稳定性f s 分别为8 0 9 5 、8 1 2 5 。相比未改性前的大米蛋白，接枝物溶解度有 显著提高，3 5 时溶解度达到最大值6 9 5 8 ；接枝物乳化性有显著提高，但乳 化稳定性略有降低，e a 和e s 可随接枝物浓度提高而显著提高；接枝物浓度为 3 时f a 可达到最大值1 2 0 m l ，起泡稳定性略有提高。 关键词：大米蛋白；麦芽糊精；接枝；微波；回收率；溶解性；功能性质 i i a b s t r a c t r i c ep r o t e i nw a sw i d e l yf a v o r e df o ri t sh i g hn u t r i t i o na n dl o wh y p o a l l e r g e n i c c h a r a c t e r i th a sb e e nc o n f i r m e dt oh a v eb e r e rc o m p o s i n go fe s s e n t i a la m i n o a c i d s ，h i g hv a l u e o fb v , a n dl o w e r i r r i t a b i l i t y a s c o m p a r e d w i t ho t h e r p l a n t p r o t e i n s u n f o r t u n a t e l y , o v e r 8 0 o ft h e p r o t e i n c o n t a i n e di nr i c ek e m e l si s g l u t e l i n ，a n dt h es o l u b i l i t yo fr i c ep r o t e i ni sv e r yl o w s ot h ef u n c t i o n a lp r o p e r t i e so f r i c ep r o t e i nw e r ep o o r t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e rw a st od i s c u s st h em a i l l a r dr e a c t i o n b e t w e e nr pa n ds u g a r , a n dt oi m p r o v et h ef u n c t i o n a lp r o p e r t i e so ft h ep r o t e i nb yt h e r e a c t i o n t h er e a c t i o n s h i pb e t w e e nt h ei m p r o v e df u n c t i o n a lp r o p e r t i e sa n dt h ef a c t o r s m a ti n f l u e n c et h em a i l l a r dr e a c t i o nw a sa l s os t u d i e d s i n g l ef a c t o rt e s tw a sd i db yu s i n gr e c o v e r ya n ds o l u b i l i t ya si n d e x e s t h e i n f l u e n c eo f t h er a t i ot op r o t e i na n ds u g a r 、r e a c t i o nt i m e 、r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dp h t ot h er e c o v e r ya n ds o l u b i l i t yo fc o m p o u n dw a sa l s oi n v e s t i g a t e d b e t t e rr e a c t i o n c o n d i t i o n sd e t e r m i n e db y s i n g l e f a c t o rt e s t u s i n gr e c o v e r ya s i n d e xw e r ea s f o l l o w s ：r pr e a c t e dw i t hm a l t o d e x t r i n i n w e i g h tr a t i o so f1 ：4 ，a tp h12 ，110 。cf o r 15 m i n b e t t e rr e a c t i o nc o n d i t i o n sd e t e r m i n e db ys i n g l ef a c t o rt e s tu s i n gs o l u b i l i t ya s i n d e xw e r ea sf o l l o w s ：r pr e a c t e d 、析t hm a l t o d e x t r i ni nw e i g h tr a t i o so f1 ：4 a tp h 12 8 0 f o r2 5 m i n t h ed e g r e eo fs o l u b i l i t yo p t i m i z e db yt h em e t h o da b o v ew a s 6 0 7 6 t h ep r o c e s sc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db yr e c o v e r yo nt h eb a s eo ft h er e s u l t s o fs i n g l ef a c t o rt e s ta b o v e t h ei n f l u e n c eo ft h er a t i ot op r o t e i na n ds u g a r 、r e a c t i o n t i m e 、r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dp ht ot h er e c o v e r yo fc o m p o u n dw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h eo p t i m a lm i c r o w a v er e a c t i o nc o n d i t i o n sd e t e r m i n e db yr s mw e r ea sf o l l o w s ：r p r e a c t e dw i t hm a l t o d e x t r i ni nw e i g h tr a t i o so f1 ：4 ，a tp h12 0 0 ，10 0 。cf o r21 5 m i n t h e r e c o v e r yo p t i m i z e db yt h em e t h o da b o v ew a s 9 8 4 5 b e t t e rr e a c t i o nc o n d i t i o n sd e t e r m i n e db ys i n g l ef a c t o rt e s tu s i n gr e c o v e r ya s i n d e xw e r ea sf o l l o w s ：t h em i c r o w a v ep o w e rw a s4 0 0t o6 0 0w j a tp h12 ，8 0 f o r 2 0 m i n t h ep r o c e s sc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db yr e c o v e r yo nt h eb a s eo ft h er e s u l t s o fs i n g l ef a c t o rt e s ta b o v e o p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n sd e t e r m i n e db yr s mt e s t u s i n gr e c o v e r ya si n d e xw e r ea sf o l l o w s ：t h em i c r o w a v ep o w e rw a s4 0 0t o6 0 0 彤a t p h12 ，8 2 。cf o r16 8 m i n t h er e c o v e r yo p t i m i z e db yt h em e t h o da b o v ew a s9 6 2 5 t h ep r o c e s sc o n d i t i o n so fm i c r o w a v er e a c t i o nw e r eb e t t e rt h a nt h a to fw e t i i i h e a t i n gr e a c t i o n t h ef o r m e rw a s8 cl o w e rt h a nt h el a t t e r a n dt i m eo ft h ef o r m e rw a s s h o r t e rt h a nt h el a t t e r t h o u g ht h er e c o v e r i e so b t a i n e db yt w om e t h o d sw e r ec l o s e ，t h e r e a c t i o nt i m ea n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a sb e t t e rt h a nt h a to fw e t h e a t i n gm e t h o d t h e 伊姬s o l u b i l i t ya tp h5w a sm i n i m u m ，b u ta t35 o r10 o fp r o t e i nc o n c e n t r a t i o n w a sm a x i m u m t h e 伊硪e m u l s i b i l i t ya n de m u l s i b i l i t ys t a b i l i t ya tp h5w e r e m i n i m u m b u tg r o w i n gl a r g e ra st h e p r o t e i nc o n c e n t r a t i o ng r o w i n gl a r g e r n eg r a f t f o a m i n ga b i l i t yw a sg r o w i n gg r e a t e ra st h ep r o t e i nc o n c e n t r a t i o ng r o w i n gl a r g e r , a n d w a sm a x i m i z i n gw h e na t3 o fp r o t e i nc o n c e n t r a t i o n t h e ni tr e d u c e df o l l o w i n gt h e p r o t e i nc o n c e n t r a t i o ng r o w i n gl a r g e r 1 1 1 eg r a f tf o a m i n gs t a b i l i t yw a sm a x i m u ma t 5 o f p r o t e i nc o n c e n t r a t i o n t h ed e g r e eo fs o l u b i l i t yo fe x t r a c t e dr i c ep r o t e i na n dr p m a l t o d e x t r i nc o n j u g a n t a tp h 7 2 5 。ca n d10 o f p r o t e i nc o n c e n t r a t i o nw a s5 71 a n d5 6 2 8 ；e aw a so 15 3 a n d0 318 ：e sw a s17 7 9 m i ma n d15 4 4 m i m ；f aw a s5 2 2 m la n d3 2 0 m l ；f sw a s 8 0 9 5 a n d81 2 5 r e s p e c t i v e l y t h e s o l u b i l i t y o fc o n j u g a n tw a s i m p r o v e d r e m a r k a b l yt h a nt h er i c ep r o t e i nu n m o d i f i e d t h em a x i m u ms o l u b i l i t yw a s6 9 5 8 a t 35 。c t h ee ao fc o n j u g a n tw a si m p r o v e dr e m a r k a b l y , b u tt h ee sw a sr e d u c e d s l i g h t l y t h ee aa n de sw a si m p r o v e dr e m a r k a b l ya st h ec o n j u g a n tc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s i n g t h em a x i m u mo ff aw a s12 0 m lw h e nt h ec o n j u g a n tc o n c e n t r a t i o nw a s 3 t h ef sw a si m p r o v e ds l i g h t l y k e y w o r d s ：r i c er o t e i n ；g r a f t ；m a l t o d e x t r i n ；m i c r o w a v e ；r e c o v e r y ；s o l u b i l i t y ； f u n c t i o n a lp r o p e r t y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者虢气p 姊 日期6 c 7 年f 乙月z 1 - e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 督脚 奄t 欲 4 1 日期：o ( 7 年7 诩巧日 日期：o7 年1z 月- j , 5 日 第一章绪论弟一早三百下匕 稻谷作为人类重要的粮食作物之一，同时也是人类粮食消费中重要的蛋白质 来源，现在全世界有一半的人口食用稻谷，尽管它的蛋白质含量相对较低，但由 于全球的产量极大，所以这部分蛋白值得引起关注。我国盛产大米，它不仅是南 方人民的主食，同时也是食品工业中广泛的原料【l 】。由于我国粮食生产消费很大， 所以大力发展植物蛋白成为了解决我国蛋白质不足的方法之一，同时适当地发展 动物蛋白，也是适合我国基本国情的一种发展战略。 1 1 大米蛋白 1 1 1 大米蛋白的组成及结构 大米的主要成分有两种，即淀粉和大米蛋白，其含量分别约为8 0 和8 t 2 1 。 大米蛋白根据其溶解性的大小可以分为四大类，包括：( 1 ) 能被水溶解的蛋白， 清蛋白( a l b u m i n s ) ；( 2 ) 除去能被水溶解的蛋白之外能被稀盐溶液溶解的蛋白，球 蛋i 刍( g l o b u l i n s ) ；( 3 ) 除去上面两种蛋白质之外能被7 5 乙醇溶解的蛋白，醇溶性 蛋e t ( p r o l a m i n s ) ；( 4 ) 最后剩下的只能被酸或碱溶解的蛋白，谷蛋白( g l u t e l i n ) 1 3 1 。 谷蛋白和醇溶蛋白也叫贮藏蛋白，是大米蛋白中的主要成分，谷蛋白占总蛋白的 8 0 以上；醇溶蛋白占到1 0 左右；而清、球蛋白的含量极少，是大米中的生理 活性蛋白。这四类蛋白中，清蛋白的分子量约为1 0 1 0 0 k d a ，球蛋白的分子量 约为1 0 1 5 0 k d a 、醇溶蛋白的分子量为3 3 5 0 k d a ，谷蛋白的分子量约为 12 2 0 2 k d t 4 。 1 1 2 大米蛋白的营养价值 大米蛋白的氨基酸的组成平衡合理，与w h o f a o 推荐理想模式非常接近， 如表1 1 所示【5 1 。同时，大米蛋白是一种低抗原性蛋白，是区别于其他植物蛋白 的一个重要特点，不会对机体产生过敏反应【6 j ，据美国临床研究发现，在7 0 0 个 遗传性过敏症病例中，在高度过敏病人中对大米蛋白过敏的低于1 ，而儿科过 敏病人中很少有对大米蛋白过敏的【7 】。 1 2 蛋白质的功能性质 蛋白质的功能性质主要分为三类：( 1 ) 水化性质，包括水吸收及保留、湿润 性、溶胀性、粘着性、分散性、溶解度和粘度。作用机理是由蛋白质肽链骨架上 的极性基团与水分子发生水化作用。( 2 ) 与蛋白质蛋白质相互作用有关的性质， 包括沉淀作用、凝胶作用和形成其它各种结构( 如蛋白质面团和纤维等) 。蛋白质 分子受热展开，内部的疏水基团从而暴露出来，通过疏水作用( 高温能提高此类 作用) 、静电作用( 通过c a 2 + 和其它二价离子桥接的) 、氢键( 冷却能提高此类作用) 或二硫交联作用形成空间网状结构。( 3 ) 表面活性，包括表面张力、乳化作用和 泡沫特征。蛋白质结构中既有亲水基团又有亲油基团，能够吸附在油水或空气 水界面上，一旦被界面吸附：蛋白质就会形成一层膜，阻止小液滴或气泡聚集， 有利于稳定乳化液和气泡。以上这些功能特性在食品中常被应用i 8 j 。 表1 1 大米蛋白的必需氨基酸组成 1 3 蛋白质的改性 1 3 1 物理改性 物理改性是利用热、电、机械能等能量的改性方法，具有费用低、无毒副作 2 用并对产品的营养性能影响较小等优点。但是，用物理改性是把蛋白质进一步变 性，在一般情况下，反而会导致溶解度降低【9 】。 涂宗财【lo 】对大豆分离蛋白进行了超高压均质处理并对其溶解性、乳化性及 乳化稳定性的变化及机理进行了研究，结果表明随着超高压均质处理的压力的提 高，其溶解性、乳化性及乳化稳定性都得到了提高。并且大豆分离蛋白的浓度越 高，超高压均质提高溶解性和乳化性的效果就越显著；朱建华，杨晓泉等【l i 】采用 超声仪对大豆分离蛋白( s i p ) 溶液进行超声处理，研究了在不同超声处理时间、 不同功率超声处理对s i p 功能特性影响变化，发现超声处理后大豆分离蛋白的溶 解性、起泡性、乳化性和凝胶性都有了显著提高；华欲飞f 9 】等研究了醇法浓缩大 豆蛋白( a l s p c ) 的物理增溶机理；在降低蛋白溶解性方面，刘骥【1 2 】采用淀粉高温 液化工艺明显地降低了大米蛋白的溶解性，使产品蛋白溶解性降低；赵学伟【1 3 】 发现挤压之后小米水溶性蛋白质、盐溶性蛋白质、醇溶性蛋白质、碱溶性蛋白质 的溶解性也降低了。 1 3 2 化学改性 降【1 4 】。n a o t o s h i 删研究发现，用0 0 5 m o l l 的盐酸在9 0 c 时对2 的大豆蛋白 酰基化一般有乙酰化和琥珀酰化两种方式。 蛋白质的酰基化改性是指酰化试剂( 乙酸酐等) 与氨基酸中的亲核基团( 如氨 基等) 发生反应，遵循羰基加成规律【6 7 1 ，反应式如下： p r - n h 2 + o _ 卜明3 卅r _ n h _ 馨一c a 川h 3 k 旷 p 卜n h 2 + 。、一c h 3 卅r n 芒一c h 矿c h 3 芒心旷 酰化反应主要发生在赖氨酸的e - n h 2 上，酪氨酸上的酚基反应活性次之，组 氨酸咪唑基和半胱氨酸巯基只有相当少一部分可参与反应，丝氨酸和苏氨酸羟基 是弱亲核基，在水介质中基本不被酰化6 蚋。 汤虎【6 9 】用超声波处理并对小麦面筋蛋白琥珀酰化，制得可食蛋白膜，使得 膜的综合性能得到大大提高。 1 3 2 3 脱酰胺改性 脱酰胺改性是对植物蛋白改性常用的一种方法，脱酰胺的蛋白质与未改性前 比较，溶解度、乳化性与乳化稳定性、发泡性与发泡稳定性等都有改善【7 0 1 。 郑建冰等【1 5 1 对大米蛋白酸法脱酰胺改性进行了研究，结果表明随着脱酰胺 度的增大，溶解性、乳化性、起泡性都有所增大，但持水性、持油性变化不大。 那治国等【1 6 1 研究了大豆蛋白去酰胺度与溶解性的关系，结果表明，去酰胺 度在2 3 1 , - - - 6 9 6 之间，大豆蛋白的溶解性随着去酰胺度的增加而增加，并呈 现线性相关性。通过比较改性前后大豆蛋白的溶解性，发现在整个p h 范围内溶 解性都有提高。 1 3 2 4 糖基化改性 蛋白质一般对热、水解作用很不稳定，然而与碳水化合物或生物多聚物的交 联能使其变得稳定，也能呈现出一些新的特性。蛋白质的非酶糖基化正是通过糖 与蛋白质的0 【或氨基共价接合而形成糖基化的过程【8 1 。发生糖基化反应所用的 糖基化合物主要是葡萄糖、低聚糖、葡聚糖、粘多糖及带离子的糖化物等。合成 糖蛋白的方法主要有酶法、水溶性碳化二亚胺法及美拉德反应法等1 7 1 。 糖基化改性可以使蛋白质的溶解性得到提高，溶解能力的大小取决于糖配基 的类型和分子质量【1 8 】；还可以提高油水乳化系统中水相的黏度，也会稍微降低 油水界面张力，因而可以提高乳状液的乳化稳定性【1 9 】；糖基化蛋白质对凝胶性 能也有影响：如采用美拉德反应可以提高凝胶的形成能力，降低蛋白凝胶形成的 浓度【捌。所以说，采用生物大分子多糖来改善蛋白质功能特性的技术是较为有 效的蛋白质安全改性方案之一。 1 3 2 5 磷酸化改性 磷酸化改性是一种较为有效的改性方法，蛋白质的磷酸化是有选择地利用蛋 白质侧链的活性基团，如丝氨酸、苏氨酸的o h 及赖氨酸的e - n h 2 ，分成接进一 4 个磷酸基团使之变成( t h r ，t y r ) s e r - p o 二，和l y s - p 0 2 , 从而引进大量的磷酸根基 团。引进磷酸根基团可以增加蛋白质的电负性，提高蛋白质分子之间的静电斥力， 从而使其在食品体系中更易分散，相互排斥，从而提高了溶解度，降低了等电点， 有利于蛋白的开发利用【2 l j 。 李阳阳【7 l 】采用三氯氧磷( p o c l 3 ) 对大豆分离蛋白( s p i ) 进行磷酸化改性，并研 究了磷酸化前后s p i 功能特性的变化。结果表明，磷酸化s p i 的溶解性、乳化性 以及粘度等功能特性都有不同程度的改变。 1 3 2 6 烷基化改性 蛋白质中的氨基酸在温和的碱性环境下可与醛、酮发生烷基化反应，得到稳 定的非交联的赖氨酸衍生物。因为带正电荷的氮之间有静电排斥作用，疏水基间 不会有最大程度的重叠，所以会形成较弱的疏水键结构。烷基化蛋白质的功能特 性如粘度、吸水性和乳化性均有所提高【8 】，如表1 2 所示【7 2 1 。 表1 2 烷基化酪蛋白的功能特性 1 3 2 7 亲脂化改性 用化学法把长度不同的脂肪酸( 月桂树脂酸豆蔻酸，软脂酸和油酸) 接合到亲 水性大豆球蛋白分子上，把软脂酸共价接合到大豆球蛋白上可以提高其乳化能力 【8 】om i c h i k ow a t a n a b e 7 3 1 研究发现大豆蛋白、酪蛋白、卵清蛋白的l 亮氨酸和不 同烷基链长度的n 烷基酯共价接合后的搅打特性和乳化性都得到了提高。 1 3 3 酶法改性 1 3 3 1 酶法水解 蛋白质在蛋白酶的催化作用下水解，该反应可以提高蛋白质的溶解度，这主 要是因为较少的、弱亲水的和较易溶剂化的多肽单位的形成。玄国东等f 冽利用 碱性蛋白酶对米糟中的大米蛋白进行了改性，结果表明改性后的大米蛋白的氮溶 解指数( n i t r o g e ns o l u b i l i t yi n d e x , n s i ) 、起泡性、乳化性得到了显著性提高，且氨 基酸组成平衡；葛娜等【2 3 】研究了用酸性蛋白酶提取大米水解蛋白的工艺及所获 水解蛋白的功能性质；王章存等【2 4 】通过三种蛋白酶催化反应的比较，确定了用 碱性蛋白酶作为水解大米分离蛋白的酶制剂，并分别获得了高溶解性、高发泡性、 高乳化性大米蛋白水解物的酶反应条件。 1 3 3 2 类蛋白反应 酶法改性的条件温和，专一性强并且无需化学试剂添加，因而受到较多关注， 然而轻度酶解的产物有明显苦味。类蛋白反应是一种新的合成蛋白质的方法，可 以改善大米蛋白的吸油性、乳化性、胶凝性及起泡性等功能特性，还能对蛋白水 解产物进行脱苦并提高营养价值【2 5 】。 杨倩等【2 6 1 以米渣为原料观察了胰蛋白酶、碱性蛋白酶和胃蛋白酶水解米渣 蛋白的条件及其水解度对合成类蛋白反应的影响。结果表明，碱性蛋白酶和胃蛋 白酶水解产物的类蛋白产率显著高于胰蛋白酶水解产物的产率。 1 4 接枝改性一美拉德反应 1 4 1 美拉德反应的原理 美拉德反应也称羰氨反应，即醛、酮、还原糖及脂肪氧化生成的羰基化合物 与胺类、氨基酸、肽、蛋白质甚至氨水中的氨基之间的反应。该反应包含缩合、 降解、裂解、聚合等系列反应，反应能生成有香味的羧酸类、酮类、吡喃、吡嗪、 吡咯、吡啶等化合物。现阶段的研究只对该反应历程中产生低、中等分子量物质 的反应机理较清楚，而对产生高分子聚合物的机理仍不清赳2 7 1 。 美拉德反应过程通常分为三个阶段：早期阶段、进展阶段、最终阶段。在早 期阶段，还原糖与氨基酸或蛋白质的氨基缩合，形成希夫碱，经过葡糖胺重排形 成葡糖胺产物。 在早期阶段，蛋白质与多糖的共价接合完成；在进展阶段，葡糖胺产物降解 形成大量裂解产物；在最终阶段，裂解产物继续反应，生成类黑素，蛋白质之间 6 发生交联反应。生成的色素无特定的构成单位。初级美拉德反应不引发褐变，其 中的关键是葡糖胺重排。对蛋白一多糖反应路线及生成机理探究，发现蛋白多 糖温和条件下得到的主要葡糖胺产物是第一类( 即糖蛋白质酮胺结合物) 。在采 用美拉德反应实现蛋白质与多糖的共价接合来改善蛋白质功能特性时，控制反应 进程使得停留在第一阶段成为该技术工业化应用的第一个关键尉2 8 1 。 f o r m i ca c i d + c d e o 芏y 曲o ， d e o x y l o e n t u l o s e ) r e t r o - a l d o l ，1 一一一l l 一一一 一 l ；一d h g 蜘 1 0业r n i 抛 l 1 e n d 一1 ，： em m i t t o l n h ： l c ，4 c + a c e t i c c k e t r o -1 h d ， 1 1 p r o d u c t _ 】 掰。1 t _ r ， m a l l l a r d 反应路线示意图，a m p ：m a i l l a r d 反应次级产物 ( 红框内为第一阶段m a l l l a r d 反应) 1 4 2 美拉德反应的影响因素 许多因素都会对美拉德反应的路线、反应速率、产物的结构及产物性能等有 影响，如反应物、环境p h 、反应温度、水分含量、反应时间、金属离子、还原 剂、氧化剂、反应压力等【2 7 1 。刘洪富 7 4 1 发现反应时间、温度、初始p h 值和l 半胱氨酸、v b l ( 硫胺素) 及葡萄糖的浓度对大米蛋白酶解物美拉德反应制肉味 香精有较大影响。 1 4 3 蛋白质一糖的接枝改性 蛋白质一糖接枝改性的研究从1 9 世纪5 0 年代开始，现在国际上蛋白质糖接 枝改性正成为食品科学研究领域的一个热点。蛋白糖的接枝物中由于引入了糖 7 田固 链，多羟基的亲水性可使整个分子的溶解性能明显提高。1 9 9 1 年，k a t o 等人3 9 】 研究发现，面筋蛋白糊精接枝物的部分水解产物的溶解度逐渐增加，并且反应 2 1 d 后的接枝物在p h2 1 2 内具有良好的溶解度，而面筋蛋白与糊精的简单混合 物并不具备这种性质。 1 9 9 7 年，t a k a y o s h ia o k i 等人【4 0 】在5 0 c 、6 5 相对湿度下用干法接枝 6 g p ( 6 磷酸葡萄糖) 和d 一乳球蛋白，发现其接枝物的乳化性得到了提高；r s h e p h e r d 【4 l 】研究发现酪蛋白麦芽糊精的接枝物在p h 7 的溶液中有较好的乳 化性，可用于酸性运动饮料或营养补充上作为食品乳化剂或添加剂；y o u t a os o n g 和e l f a d i le 等人【4 2 】研究发现溶菌酶壳聚糖接枝物在酸性p h 条件下的乳化稳定 性和对大肠杆菌k 1 2 的抗菌性均有很大提高；s o o t t a w a tb e 坷a k u l 等人【4 3 1 在1 0 0 c 将猪血浆蛋白分别和葡萄糖、果糖、半乳糖接枝，发现半乳糖接枝物比葡萄糖的 和果糖的接枝物有更高的还原性和清除d p p h ( 1 ，1 二苯基2 三硝基苯肼) 能力。 现阶段，国内外对蛋白质糖接枝反应的方法主要有干热法接枝和湿热法接 枝两种方法。 干热法由日本的加藤教授( 山口大学) 首先提出【2 9 1 ，通过控制自发的美拉德反 应来实现。在干热法的反应条件下，蛋白质糖接枝反应进行的速率很慢，在所 有被研究的蛋白质中酪蛋白的反应速度是最快的，大约需要1 d 就可以达到理想 的反应程度，而其它蛋白质达到理想的反应程度一般要1 4 2 1 d ，这在工业生产 中是非常不利的，并且蛋白质、糖的空间结构对接枝反应的影响很大，呈折叠状 态的或刚性蛋白与多糖发生反应则需要更长的时间【3 0 】。 蛋白质糖干法接枝反应的通常做法是：将蛋白质和糖按一定配比溶解于特 定p h 值的缓冲溶液中，混合均匀后冻干，再将冻干好的样品在特定的温度( 5 0 6 0 c ) 和相对湿度( 用饱和溴化钾保持在7 9 或饱和碘化钾保持在6 5 的相对 湿度) 下发生反应【3 1 。3 2 1 ，用低温可以终止该接枝反应的进行【3 3 3 4 1 。 一般来说，蛋白质糖湿法接枝反应方法是：在一个密封的装置内，加入按 一定配比混合好的蛋白质与糖的混合液，密封好该装置，再用水浴或油浴加热， 最后用冰浴结束反应。湿法条件下的接枝速率与反应温度有关，在低温下( s 9 0 ) 反应速度慢，在高温下( 1 0 0 ) 反应较快【3 5 。6 1 。 进行湿法接枝反应时，蛋白质与糖通常在溶液的条件下进行加热，这种方法 主要用于蛋白质与单糖或双糖之剐3 7 。38 】的反应，而蛋白质与多糖在湿法的条件下 发生接枝反应的研究较少。根据有关文献，多糖比单糖、双糖等可明显改善蛋白 质的功能性质，从而扩展蛋白质的使用范围。 1 4 4 微波加热在蛋白质一糖的接枝改性中的应用 微波是指频率为3 0 m h z 3 0 0 g h z 的电磁波，其加热原理主要是利用微波的 热效应，即生物体内极性分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦 生热。热源的强弱与食品的介电常数有关。 微波技术在食品工业的应用起步较晚，但发展迅速。由于微波加热快、均匀， 而且不需热传导过程，对物料有很强的穿透力；热惯性小，通电后加热快，停止 微波辐射后，加热过程立刻停止；从而可以最大限度地保护活性物质、维生素、 色泽和营养成分等；工业上易于连续化生产，而且易于控制，节能高效【6 5 】。 1 5 蛋白质一糖接枝物功能性质的改善 蛋白质一糖的接枝物的功能性质的改善是基于蛋白质的，糖的引入是对蛋白 质功能性质的改进或者强化。蛋白质与糖的接枝可以有效地改善蛋白质溶解性、 乳化性等性质，降低蛋白质的过敏反应特性等，是蛋白质改性的种行之有效的 方法，所以在食品、医药等领域有较好的发展前景。 1 5 1 提高蛋白质的溶解性 蛋白质作为食品添加剂要有很好的溶解性，科学家多采用了化学改性和酶法 水解等手段来提高其溶解性，但化学改性的不安全性和酶法水解对产物乳化性能 的影响都使其应用受限。并且有些蛋白的酶法水解是很难做到，水解产物的溶解 度，尤其是在酸性溶液中的溶解度并不理想。蛋白质与糖通过美拉德反应形成的 共价接枝物中由于糖链的加入，多羟基的亲水特性可使得整个分子的溶解性能明 显得到提高【4 4 1 。 出现这种现象的原因可能是因为在较高的p h 条件下，蛋白和糖通过次级力 形成较弱的接枝物，有利于蛋白的溶解，但在较低的p h 下有可能因为蛋白处于 等电点从而使接枝物解聚，糖不再对蛋白的溶解度产生影响，因而在广泛的p h 范围内都可能因为亲水碳水化合物的引入使蛋白的溶解度增加【4 5 1 。 9 1 5 2 提高蛋白质的乳化能力和乳化稳定性 蛋白质是具有亲水和亲油两种结构的生物大分子，作为一种符合要求的天然 食品添j h 匍j 有着广泛的应用领域。因为大分子有吸附的特点，蛋白质的表面活性 远比小分子乳化剂的要低，即乳化性远低于小分子乳化剂，并且蛋白质的乳化性 能包括乳化性和乳化稳定性，对体系环境的变化非常敏感。所以提高蛋白质的乳 化性、乳化稳定性以及扩大其应用范围始终是食品领域的一个热点。 徐苇等人删对大豆蛋白瓜尔豆胶接枝物的乳化性能进行了研究，发现接枝 物的乳化活性都比大豆蛋白的提高，在碱性、高温条件下乳化活性最好。胡坤4 7 】 以s d s 一聚丙烯酰胺凝胶电泳和毛细管电泳研究了大豆分离蛋白麦芽糊精的美 拉德反应形成的接枝物，在p h 7 0 和p h 4 5 时的乳化性能都优于酪朊酸钠，特别 是在p h 4 5 时具有优良的乳化稳定性。 1 5 3 提高蛋白质的抗氧化性 蛋白质的功能性质之一是在抗氧化性。项惠丹等人【4 8 1 研究发现酪蛋白与还 原糖接枝反应得到的美拉德反应产物的还原力、对脂质体过氧化物的抑制能力、 自由基清除能力均比大豆分离蛋白制备的美拉德反应产物的要高。 1 5 4 降低蛋白质的过敏性 t o m o m i 等删通过将p 乳球蛋白与壳聚糖( c h i t o s a n ) 按d 一乳球蛋白比壳聚糖 1 ：l 和1 ：2 配比接合，经研究可在一定程度上降低p 乳球蛋白的致敏性，并基本 上保留了p 乳球蛋白的生物活性，其中1 ：2 的要比1 ：1 的效果要好。 1 5 5 提高蛋白质的热稳定性 溶菌酶与多糖接枝后明显地改善了溶菌酶的热稳定性，在9 0 8 2 5 c 中的高 温处理过程中溶菌酶发生明显聚沉，而与多糖接合后的溶菌酶在经历高温( 9 0 。c ) 后冷却，蛋白的溶解性又复原了。所以与多糖接合可使蛋白质形成稳定的结构 5 0 1 。庄海宁和冯涛【5 1 1 研究发现利用美拉德反应制得的蛋白多糖接枝物与商业用 乳化剂相比具有优良乳化性、热稳定性和抑菌性。 1 5 6 增强抗菌酶类的抗菌性能 1 0 我们知道，溶菌酶对格兰氏阳性菌有很强的抗菌性，通常在食品或医药工业 上作为天然的抗菌或防腐剂。溶菌酶通过与糖的接枝可使其抗菌能力推广到格兰 氏阴性菌。实验证樊5 2 j ，溶菌酶葡聚糖接枝物在5 0 。c 的条件下对5 种革兰氏阴 性菌进行作用的结果发现：有4 种可在2 0 m i n 以后可全被杀死，只有克氏杆菌还 能保持约1 的存活率。鉴于溶菌酶葡聚糖接枝物对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性 菌的双重抗菌效果以及在形成接枝物过程中未使用任何添加剂，可认为它是一种 非常具有应用前景的防腐剂。 1 6 本课题研究的的主要意义、目的和内容 1 6 1 本课题研究的主要意义和目的 对于改善疏水性植物蛋白功能性质方面的研究，在国内大多集中在大豆蛋 白。对大米蛋白来说，它的溶解性的提高和功能特性改善的多基于酶法改性和酸 法改性的研究，而与糖的接枝改性研究较少。因此本课题研究的目的就在于利用 大米蛋白糖的接枝反应，从而实现大米蛋白功能特性的有效改善和充分利用， 从而解决利用疏水性植物蛋白原料开发功能性食品配料如食品添加剂的技术难 题，使大米蛋白低敏性和高营养特性得到充分体现和利用。 ( 1 ) 大米蛋白因其低过敏性和高营养特性而被公认为优质的植物蛋白，但 采用传统碱提酸沉法制备的大米蛋白在p h 值4 1 0 范围内溶解性差，并导致其 它功能性质也较差。对大米蛋白进行改性，从而提高其溶解性和其他功能性质， 对探讨疏水性植物蛋白普遍存在的低溶解性技术难题具有重要的理论意义。 ( 2 ) 改性后的功能性大米蛋白可为食品、保健品及化妆品行业提供新型的 植物蛋白源，显著拓宽了其应用领域，可有效提高低值大米的综合利用率和附加 值，对提高大米综合利用水平、实现多次转化增值具有较高的经济价值。 1 6 2 本课题的研究内容 研究了大米蛋白与糖的接枝共聚反应，通过大米蛋白一糖接枝共聚来改善蛋 白的功能性质，分析其功能性质的改善与反应影响因素之间的关系。 ( 1 ) 采用湿法接枝反应对大米蛋白进行糖基化改性，以大米蛋白的回收率 和溶解度为考察指标，对接枝反应的影响因素( 蛋白糖的配比，反应温度，反 应p h ，反应时间) 进行单因素实验，探讨大米蛋白一糖接枝共聚对大米蛋白功 能性质的影响；并采用响应面法进行工艺条件的优化，进而确定大米蛋白一糖湿 法接枝改性的最佳工艺条件； ( 2 ) 在微波加热条件下，以回收率作为考察指标研究不同蛋白一糖质量比、 不同反应时间、不同反应温度、不同p h 等工艺条件对接枝物回收率的影响，采 用响应面法进行工艺条件的优化，进而确定大米蛋白一糖微波加热接枝的最佳工 艺条件。 ( 3 ) 研究大米蛋白一糖接枝物在不同p h 、不同温度、不同浓度下的溶解性、 乳化性及发泡性等功能性质。 第二章大米蛋白麦芽糊精接枝物的湿法制备 2 1 引言 蛋白质糖的接枝反应一般是在无任何催化剂的条件下通过美拉德反应进行 的。美拉德反应又称羰氨反应，是指氨基化合物和羰基化合物之间经过缩合、聚 合等反应生成类黑素的反应，也称为非酶褐变。虽然经过了近1 0 0 年的研究，人 们对美拉德反应有了较深入的认识，但还是没弄明白美拉德反应的每个步骤。美 拉德反应过程非常复杂，而且很多中间体或者产物的量非常少或者活性很大，从 而很难制备5 3 1 。另外美拉德反应的反应程度也受到很多因素的影响，如反应物 的种类、反应温度、水分活度、环境p h 、金属离子、亚硫酸盐、半胱氨酸等。 有研