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酶在大米深加工中的应用

 
    
酶是具有生物催化功能的生物大分子; 酶的催化作用具有催化效率高、专一性强和作用条件温和等显著特点[1], 在食品工业中得到了广泛应用。同样, 在大米深加工领域, 包括大米蛋白的提取、大米蛋白发泡粉的制备、大米肽的制备、大米淀粉的提纯、大米多孔淀粉的制备以及淀粉糖和酒精制备等, 各种酶也得到了广泛地应用。
  1 大米蛋白提取
  在大米蛋白提取中研究最多的是蛋白酶。蛋白酶按照作用方式的不同, 有内切蛋白酶和外切蛋白酶之分。外切蛋白酶从肽链的任意一端切下一个单位氨基酸残基; 工业用蛋白酶主要是内切蛋白酶, 内切蛋白酶在多肽链的内部破坏肽键, 依赖不同水解程度产生一系列分子量不同的多肽。内切蛋白酶和外切蛋白酶对底物的作用方式的差异会影响蛋白质的提取[2- 3]。按照蛋白酶作用条件的不同, 又可以分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶等[2]。关于应用蛋白酶提取大米蛋白的报道较多。1985 年日本特许公报提到用酸性蛋白酶提取大米蛋白, 提取率达到90 %以上, 提取蛋白质后的大米生产的淀粉、淀粉糖、清酒质量明显提高。黄绐华采用胃蛋白酶从米渣中提取大米蛋白, 提取率为72.4 %[4]。王胜林用微生物酸性蛋白酶提取大米蛋白, 提取率为75 %~80 %[5]。Hamada 报道了利用碱性蛋白酶提取米糠蛋白, 在水解度为10 %时, 米糠蛋白提取率可达92 %[6]。葛娜等则报道了使用碱性蛋白酶从籼米提取大米水解蛋白的研究, 蛋白提取率可达79.86 %[7]。至于提取大米蛋白具体用何种蛋白酶更加合适,不同的研究, 由于采用的酶来自不同生产厂商, 酶活力、组成等存在不同, 采用的原料、提取工艺不尽相同等诸多因素, 结论有所差异。如王文高等研究了丹麦Novozyme 公司的复合风味蛋白酶Flavourzy 500 MG( 活力单位500 LAPU/g) 、中性蛋白酶Neutrase 0.5L( 活力单位0.5 AU/g) 和碱性蛋白酶Alcalase2.4 L( 活力单位2.4 AU/g) 水解籼米制备大米蛋白的情况, 结果表明, 碱性蛋白酶的提取率最高[8]。而葛娜等比较了无锡酶制剂厂产酸性蛋白酶( 活力单位50 000 U/g) ,Novozyme 公司产中性蛋白酶( 活力单位0.5 AU/g) 、碱性蛋白酶( 活力单位2.4 AU/g) 、复合蛋白酶( 活力单位1.5 AU/g) 由籼米提取大米蛋白的情况, 发现: 酸性蛋白酶提取大米蛋白的提取率最高, 提取率可达91.25 %,碱性蛋白酶次之, 风味蛋白酶和中性蛋白酶的提取效果最差[9]。周素梅等把脱脂米糠先用水提取, 残渣再用蛋白酶作用提取蛋白质。他们比较了Novozyme 公司的几种酶Alcalase、Flavourzyme、Neutrase、Protamex 以及Trypsin6.0s 作用的效果和特点, 发现: 由Alcalase 作用的酶解液有苦味, 这使得产品的开发受到限制。
  Flavourzyme 是一种很好的改善蛋白质水解液的酶, 但对米糠蛋白回收率的影响不显著, 不适合作为提高米糠蛋白回收率的酶制剂。Neutrase 对米糠蛋白提取率的影响也不是十分显著, 但要比Flavourzyme 的作用略好。Protamex 可显著提高米糠蛋白的提取率, 而且该酶作用产物没有明显的苦味, 是提高米糠蛋白得率、改善产品风味的理想酶制剂。Trypsin 能够显著提高米糠蛋白的提取率, 但是酶解液也有苦味, 在使用这种酶时,也要考虑和其它酶复合使用[10]。玄国东则研究了米糟为原料, 丹麦诺维信公司的碱性内切蛋白酶( 酶活性3.0 AU/g) 、复合风味蛋白酶( 酶活性500 LAPU/g) 、中性蛋白酶( 酶活性1.5 AU/g) 为酶制剂提取大米蛋白的情况。实验结果是: 碱性蛋白酶的蛋白提取率最高, 为60.8%, 其次是中性蛋白酶, 提取率为50.9 %, 最后是复合风味蛋白酶, 蛋白提取率为30.8 %; 碱性蛋白酶最适用于提取米糟蛋白质[11]。熊善柏等以米渣为材料, 研究Alcalase 碱性蛋白酶( 酶活力单位115 万U/mL) 、1398中性蛋白酶( 无锡星达生物工程有限公司, 酶活力单位182 400 U/g) 和木瓜蛋白酶( 广州远天酶制剂厂, 酶活力单位10 850 U/g) 在不同起始pH 值、加酶量和温度下水解大米蛋白的进程。他们发现: 木瓜蛋白酶适于在较低的起始pH 值下水解, 加酶量、起始pH 值对其水解进程的影响较大, 温度变化对其水解进程的影响较小。1398 中性蛋白酶适于在中性条件下水解, 加酶量和水解温度对其水解进程的影响程度处于木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶之间, 起始pH 值变化对其水解进程的影响不大。碱性蛋白酶适于在较高pH 值下水解, 加酶量对其水解进程影响不大, 温度的变化对水解进程影响较大[12]。孔青等通过试验发现: 中性蛋白酶水解米糟的水解程度较低, 碱性蛋白酶水解米糟的水解程度虽然和酸性蛋白酶的差不多, 但在碱性条件下, 蛋白质会生成一些胺类物质, 产生人们不愿闻到的臭味, 影响了产品质量。认为用酸性蛋白酶水解米糟提取蛋白质是最好的[13]。
  此外, 在大米蛋白提取中非蛋白酶如淀粉液化酶、纤维素酶、果胶酶、木质素酶、脂肪酶等也有应用, 这些酶把原料中的非蛋白物质去掉[14- 15], 从而提高原料的蛋白质含量, 这是一种采用排杂思路来制备大米蛋白的方法。谭志光等研究了采用高温α- 淀粉酶制取早籼米浓缩蛋白的方法[16]。wang 等采用木聚糖酶和植酸酶降解木聚糖和植酸以解除与蛋白质的相互作用, 增加和改善蛋白质可溶性, 可使成品中蛋白质含量达92 %左右。通过采用酶法处理, 使米糠分离蛋白的回收率从34 %提高到76 %[17]。Tang 等通过对淀粉酶、纤维素酶和戊聚糖复合酶在蛋白质提取中作用的研究发现, 热处理导致蛋白质变性和蛋白质- 淀粉间的相互作用, 淀粉酶可以水解淀粉释放被束缚的蛋白质, 而且淀粉酶比纤维素酶更有效, 淀粉酶能释放大多数的水溶性蛋白质。另外, 糖酶和蛋白酶联合酶处理能使蛋白质的提取率增加[18- 19]。
  2 大米蛋白发泡粉
  蛋白酶在大米蛋白改性制备蛋白发泡粉等也得到了广泛应用。武汉工业学院的胡中泽研究了以早籼米和早籼碎米为原料, 采用Sigma 公司生产的胃蛋白酶为酶制剂水解制取蛋白发泡粉。通过单因素和正交实验优化了工艺条件, 得到了这样的结论: 在温度40 ℃、溶液pH 值为2.5、酶用量0.35、固液比1:3.5、水解时问8h 的条件下, 可以得到发泡性能及持泡性能较好, 且失水率较低的产品[14]。李雁群等采用无锡酶制剂厂生产的AS1.398 中性蛋白酶水解大米糖糟时发现控制水解率为9.0 %左右发泡性能最佳, 据此可用以开发研制大米蛋白发泡粉[15]。
  在研制大米蛋白发泡粉的过程中, 科研人员对蛋白酶进行了比较和筛选, 普遍的结论是碱性蛋白酶是最合适的蛋白酶。如王章存等通过对诺维信公司的三种蛋白酶(复合酶Protamex、碱性酶Alcalase、中性酶Neutrase)催化反应动力学特性的比较, 确定用碱性蛋白酶Alcalase 作为水解大米分离蛋白的酶制剂, 并通过正交试验分别获得高溶解性、高发泡性、高乳化性大米蛋白水解物的酶反应条件。实验所得到的大米蛋白水解物最大溶解度为50.2 %, 最大发泡力为50 mL, 最大乳化力为73.6 mL/g[16]。又如潘敏尧研究比较了诺维信公司的碱性内切蛋白酶Alcalase( 酶活性3.0 AU/g) 、中性蛋白酶Neutrase( 酶活性1.5 AU/g) 和无锡酶制剂厂的酸性蛋白酶( 酶活性50 000 U/g~200 000 U/g) 水解由米渣提取的大米蛋白制备蛋白发泡粉的情况。在相同条件下, 考察5 h 内发泡性的变化值, 结果发现碱性内切蛋白酶酶解速度快、起泡性能最强, 应该是最适合的酶[17]。
  3 大米肽
  大米蛋白在蛋白酶的作用下可深加工成大米肽( 包括风味肽、抗氧化生物活性肽、类阿片拮抗肽等) 中具有酸解和碱解等没有的优势, 得到了广泛地应用, 这方面的研究报道很多。例如J.S.Hamada 用蛋白酶( Alcalase) 处理米糠, 使其7.6 %的肽键水解, 然后用高效液相色谱分离发现, 在所有几种肽碎片中, 前4 种肽中谷氨酸和天冬氨酸为总氨基酸的57 %, 这些肽进一步脱氨基后, 是一种极好的风味增强剂[18]。王亚林等利用胃蛋白酶对米糠蛋白酶解作用120 min, 再经凝胶树脂Sephadex 层析获得较多的多肽组分[19]。
  同样地, 制备大米肽, 蛋白酶的选择是个关键, 科研人员在这方面进行了大量的工作, 但是得到的实验结论不尽相同。顿新鹏等对比研究了2709 碱性蛋白酶( 10 万U/g) 、枯草杆菌碱性蛋白酶( 10 万U/g) 、枯草杆菌AS1.398 中性蛋白酶( 5 万U/g) 、胰酶( 3 100 U/g) 、胃酶( 3 000 U/g) 酶解米渣蛋白制备大米小分子肽, 结果发现胰酶的作用效果最好[20]。陈季旺等人利用蛋白酶水解大米蛋白制备大米肽, 比较了碱性蛋白酶( Alcalase,2.4 AU/g) 、中性蛋白酶( Neutrase, 1.0 AU/g) 、复合蛋白酶( Protamex, 1.5 AU/g) 和风味酶( Flavourzyme,500 LAPU/g) 水解大米蛋白的进程曲线, 结果显示碱性蛋白酶的水解效果最好[21]。另外, 陈季旺等研究发现,胰蛋白酶水解低温脱脂米糠蛋白得到的产物具有明显的类阿片拮抗活性; 并研究了制备类阿片拮抗肽后的残留蛋白酶解物的ACE( 血管紧张素转换酶) 抑制活性, 结果发现在胰酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶、碱性蛋白酶、Flavourzyme 和Protamex 6 种酶解物中, 水解度为15.4 %的碱性蛋白酶水解物的ACE 抑制活性最高[22]。
  玄国东研究了分别用水解蛋白酶、复合风味蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶6 种蛋白酶由米糟制备血管紧张素转换酶( ACE) 活性抑制肽,发现各种蛋白酶酶解产物的ACE 抑制活性强度有很大差异, 其ACE 抑制活性分别为19.4 %、42.3 %、7.40%、81.2 %、59.9 %、77.6 %。各种蛋白酶的ACE 抑制活性由强到弱的顺序为胰蛋白酶>中性蛋白酶>酸性蛋白酶>复合风味蛋白酶>胃蛋白酶>水解蛋白酶, 这说明, 用不同蛋白酶酶解米糟产生的酶解产物其ACE 抑制活性存在比较大的差异, 正确选择蛋白酶对酶解产物ACE 抑制活性具有非常重要的意义[11]。他进一步研究了组合蛋白酶制备ACE 活性抑制肽的情况, 结果发现, 组合蛋白酶的酶解产物ACE 抑制活性并不高, 水解蛋白酶+胰蛋白酶、中性蛋白酶+胰蛋白酶、胃蛋白酶+胰蛋白酶、酸性蛋白酶+胰蛋白酶四种蛋白酶组合的酶解产物的ACE 抑制活性分别为10.4 %、60.1 %、46.9 %、38.8 %。蛋白酶组合的酶解产物ACE 抑制活性普遍低于单一蛋白酶酶解产物ACE 抑制活性[11]。此外, 玄国东利用碱性蛋白酶由米糟制取抗氧化生物活性肽, 此肽具有还原能力和清除DPPH 自由基的能力,清除DPPH 自由基能力接近BHA[11]。
  4 大米淀粉和多孔淀粉
  大米淀粉是以复粒形式紧紧包含在蛋白质网络中, 两者之间的结合力非常紧密[23], 因此要想获得高纯度的大米淀粉必须设法把包围在它外表的蛋白质去除, 其中采用蛋白酶酶解就是一种比较常用的方法。王萍等研究了以大米为原料, 中性蛋白酶处理酶法除蛋白质提取大米淀粉[24]。易翠平等人对比了碱洗法和酶法纯化大米蛋白和大米淀粉分离过程中产生的纯度不高的淀粉, 结果发现酶法去大米淀粉中的蛋白优于碱法,采用碱性蛋白酶( Alcalase) 纯化大米淀粉的最优工艺参数为: 时间2 h, 温度60 ℃, 料液比1∶6, 加酶量0.4%[25]。
  制备多孔淀粉最有实用价值的方法是酶水解法。酶法制备多孔淀粉首先要找到生淀粉酶和原淀粉, 并且两者匹配, 才能形成多孔淀粉[26]。大米淀粉颗粒小,比表面积大, 经酶法处理后比其它种类淀粉具备更强的吸附能力[27]。用于制备多孔淀粉的酶有α淀粉酶和葡萄糖淀粉酶, 而β淀粉酶、异淀粉酶、普鲁兰酶等一般不能降解淀粉颗粒。不同来源的淀粉酶活力差别很大, 例如, 对葡萄糖淀粉酶的来源而言, 一般的情况是黑曲霉>黄曲霉>麦芽; 对α淀粉酶而言, 一般是胰液和唾液的大于真菌的。单独使用普鲁兰酶或异淀粉酶不能降解淀粉颗粒, 但它们与葡萄糖淀粉酶协同作用,可显著加快降解速率。葡萄糖淀粉酶与α淀粉酶也可协同作用更快地降解淀粉颗粒。另外, 不同来源的酶产生的孔的情况也不同[28]。
  5 淀粉糖和酒精
  淀粉酶的应用使得直接使用淀粉质粗原料制备高质量淀粉糖成为可能。利用液化酶可以由大米直接生产麦芽糊精, 液化酶和糖化酶结合使用则可以由大米直接生产液体淀粉糖浆和结晶葡萄糖, 如果再应用葡萄糖异构酶则可以生产果葡糖浆和果糖等, 淀粉酶和特定的低聚糖酶结合使用可以生产多种具有营养和保健双重功能的低聚糖[29]。
  由于酒精生产过程包含淀粉糖制备的工艺, 所以往往也会应用到液化酶和糖化酶, 有时为了提高原料的利用率、改善工艺和产品质量等甚至会使用异淀粉酶、普鲁兰酶等切支酶以及其它的酶[29]; 而蛋白酶用于谷物原料的酒精发酵, 可分解谷物蛋白质, 增加酵母营养而促进酵母生长和发酵, 从而有助于缩短发酵时间,提高原料出酒率。向酒精发酵醪添加酸性蛋白酶, 发酵__周期可缩短1/3, 原料出酒率提高1 %~2 %。酸性蛋白酶用于白酒生产, 除出酒率得以提高, 发酵时间缩短外, 还有助于白酒香味物质的形成, 并可降低白酒中杂醇油含量[30]。袁敬伟等在研究大米发酵生产酒精的工艺中, 认为: 可适量添加酸性蛋白酶, 对提高酒分有促进作用[31]。董甘霖研究了酸性蛋白酶在机制黄酒中的应用后认为: 酸性蛋白酶分解蛋白质的两大作用, 其一是在发酵初期为酵母的生长繁殖提供充足的氨基酸等可用氮源, 促进酵母菌的快速繁殖, 大大提高了黄酒发酵中酒精发酵的稳定性和能力; 其二是分解原料中的蛋白质大分子物质, 对利用原料淀粉有一定的促进作用, 从而提高了原料的出酒率。此外, 酸性蛋白酶在发酵醅中的澄清作用, 为黄酒成品解决非生物混浊提供另一条思路[32]。
  6 结语
  酶具有高效性、专一性、安全性等优点和特点, 是大米进行深加工的有力武器。从营养、风味及生物功能等多方面考虑, 酶法水解提取的大米蛋白优于碱法提取的; 利用酶的专一性、高效性可以控制蛋白的水解程度以生产出合乎要求的大米蛋白发泡粉和具有特殊功能性质的蛋白肽以及作为提纯大米淀粉、制备多孔淀粉、淀粉糖和各种功能性低聚糖的有效手段。可以预见, 借助酶, 人们一定会在大米新产品的开发研制中取得更大的突破。