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大米蛋白性质研究


大米蛋白研究进展
作者:王章存 申瑞玲 姚惠源 来源:见正文 发布时间:2004-7-29 12:55:07

大米是世界上的主要粮食之一, 全世界一半以上、 我国三分之二以上的人口以大米为主 食。因此,大米蛋白是人们膳食中重要的蛋白来源。我国稻谷种植面积很大,每年的稻谷产 量有1800亿公斤左右。这些稻谷加工成的大米除了食用外,还作为味精发酵和淀粉

糖生产 的原料。在这些加工环节中产生了大量的副产品米糠和米渣。米糠含有丰富的营养物质,其 中蛋白质的含量约12%,脱脂米糠中蛋白质的含量可高达18%。米渣中蛋白质的含量在 40%以上,俗称大米蛋白粉和大米浓缩蛋白(RPC)。它们都是宝贵的蛋白质资源,国外非 常重视大米和米糠的开发利用, 并生产出了附加值很高的营养保健食品和化妆品。 过去我国 将它们作为动物饲料使用,资源未得到合理利用。近年来,国内对此给予高度重视,一些科 研机构和企业加大了研究开发力度。 本文从开发利用的角度对近年来国内外大米和米糠蛋白 的研究最新进展作一介绍。 1 大米蛋白的结构、组成和性质 大米蛋白种类很多,一般以其溶解特性进行分类。首先用水提取大米或米糠中的蛋白 质所得到的蛋白组分称为清蛋白; 残渣用稀盐溶液提取得到的蛋白组分为球蛋白; 再用75% 乙醇提取的组分为醇溶蛋白, 最后残渣中蛋白质只能用酸或碱溶解, 分别称为酸溶性蛋白和 碱溶性蛋白,二者统称为谷蛋白。 谷蛋白和醇溶蛋白也叫贮藏蛋白,是大米中的主要蛋白成分,谷蛋白占总蛋白的80% 以上,醇溶蛋白占10%左右;而清、球蛋白含量极少,是大米中的生理活性蛋白,在稻谷 发芽早期,它们起着重要的生理作用。 不同蛋白氨基酸组成各有特点。 清蛋白中不带电荷的疏水性氨基酸含量较高, 酸性氨基 酸较低;球蛋白中碱性氨基酸含量较高,达15%以上,而醇溶性蛋白的碱性氨基酸含量只有 球蛋白中的一半左右,但其疏水性氨基酸却远高于其它类蛋白。 蛋白的溶解性不仅与其氨基酸组成有关,与其存在状态也有关系。研究表明,在胚乳中 蛋白主要以两种聚集体形式存在,即 PB-I 和 PB-Ⅱ 型。电子显微镜观察表明,PB-I 聚集 体呈片层结构,致密颗粒直径为0.5~2μm,醇溶蛋白即存在于 PB-I 中;而 PB-Ⅱ 呈椭球 形,不分层,质地均匀,颗粒直径约4μm,其外周膜不明显,谷蛋白和球蛋白存在于 PB-Ⅱ 中。两种聚集体常相伴存在。

在大米发芽过程中,两种蛋白聚集体发生解体,但二者的可消化性明显不同,PB-Ⅱ 因 没有致密的硬核更容易被消化水解,而 PB-I 在发芽后9天时仍保持着片层结构。用 SDS-PAGE 技术研究证明, PB-Ⅱ 不断有新的电泳谱带亦即新的蛋白质组分出现,而 PB-I 的组分稳定。说明二者蛋白质分子在代谢方面是有差异的。 大米蛋白中的胱氨酸含量较高, 含有较多的-S-S-键。 这些链内或链间-S-S-键使蛋白 质多肽链聚集成致密分子,也可能是形成蛋白聚合体的重要原因。聚丙烯酰胺凝胶电泳 (PAGE)分析结果显示,在 PB-Ⅱ 聚集体中的蛋白质含有分子量为64、140、240、320、 380和500Kda 甚至超过2000KDa 的组分。分子生物学的研究表明,大米贮藏蛋白的基因 表达时首先合成的是分子量为57KDa 的蛋白分子,它再裂解成22KDa 和37KDa 两个亚基。 谷蛋白中大小不等的蛋白分子由这两个亚基通过-S-S-装配而成。 SDS 可以破坏-S-S-的连 接,改变 SDS 的用量,可以发现分子量为22~23KDa 和37~39KDa 的组分存在,因此这 两个组分实际上是大分子聚集体的基本组成单位。 清蛋白中也有分子量高达100KDa 的蛋白组分存在,但由于清蛋白中胱氨酸含量很低, 不易形成-S-S-键, 因而清蛋白更容易溶于水, 这说明二硫键的存在对稳定蛋白聚合体是非 常重要的。 将蛋白提取后对其氨基酸组成分析发现, 大米中的某些蛋白并非完全由氨基酸组成的简 单蛋白质,而是含有糖(鼠李糖)或脂类成分的结合蛋白。这些非氨基酸成分不仅影响蛋白 质的性质,同时也赋予蛋白质特殊的生理功能。 另外,大量的研究表明,大米中的蛋白种类并不是固定不变的。在大米陈化过程中, 虽然总蛋白含量不变,但其结构、类型会发生变化,进而也影响了米饭的流变特性,突出的 变化是二硫键数量增多,蛋白质分子量增大,蛋白聚体更加致密,蒸煮后蛋白质与淀粉的网 络结构致密,限制了淀粉粒的吸水膨胀和柔润,因而米饭的粘性下降而硬度增加。此时若加 入适量的还原剂破坏二硫键,则米饭的粘性提高。任顺成等用 SDS-PAGE 方法也证明了大 米陈化前后蛋白质分子量的这种变化; Teo 等的试验也证明大米中的蛋白质的变化是导致大 米流变学性质变化的重要因素。这些试验都说明-S-S-键对蛋白质性质的重要性。 大米蛋白不仅在陈化中有更大分子的形成,在加热时也有明显的蛋白分子的聚合。 Mujoo 指出,爆炒大米花时,分子量为24、34、68 KDa 的分子可以聚集成4× 4 KDa 的 10 特大聚合体,但分子量为13~16KDa 的醇溶蛋白不参与这种蛋白体的形成。 由此可见,开发利用大米蛋白质尤其要注意大米陈化、加热和二硫键的氧化、还原对 蛋白质性质的影响。 米糠中四类蛋白的含量与大米中的明显不同。其依次用水、盐、醇、酸、碱溶液提取所

得到的清、球、醇溶、酸溶和碱溶蛋白的含量分别为34%、15%、6%、11%和32%,其 中酸溶蛋白和碱溶蛋白均为谷蛋白, 也就是说, 米糠中水溶性蛋白含量很高。 色谱分析表明, 前四种蛋白的分子量范围分别为10~100KDa、lO~150KDa、33~150KDa 和25~ 100KDa。碱溶性蛋白在提取过程中有二硫键的断裂,其主要组分的分子量仍然分布在45~ 150KDa,所有这类谷蛋白分子量更大,更难溶于水。但如果打破二硫键,也可以使98%以 上的米糠蛋白溶解出来。需要指出,米糠经稳定化处理(一般是加热灭酶)前后,其各种蛋 白成分含量变化很大,主要表现在清蛋白含量降低(变性所致)、谷蛋白含量明显增加。 2 大米蛋白的营养价值 大米蛋白被公认为优质食用蛋白,主要是大米蛋白的氨基酸组成平衡合理,符合 WHO /FAO 推荐的理想模式,其中蛋氨酸含量较高,是其它植物蛋白所无法比拟的。米蛋白和米 糠蛋白的生物价很高,它们的营养价值可与鸡蛋、牛乳相媲美。 另外, 大米蛋白是低抗原性蛋白, 不会产生过敏反应, 对生产婴幼儿食品是十分有利的。 世界上很多国家都有婴幼儿大米蛋白营养粉出售。 很多植物性蛋白中含有抗营养因子, 如大 豆蛋白、花生蛋白中的胰蛋白酶抑制素和凝血素、小麦中的一种清蛋白、菠萝中的菠萝蛋白 酶等, 它们往往引起免疫反应使食用者产生过敏或中毒反应。 动物性食品中也有一些致敏因 子, 如牛奶中的乳球蛋白、 鸡蛋清中的卵类粘蛋白等, 婴幼儿对这些因子最敏感。 相比之下, 大米蛋白最安全, 大米是唯一可以免于过敏试验的谷物。 随着对大米蛋白研究技术日趋完善, 婴幼儿和老年用大米蛋白强化食品在市场上正呈普及之势。 大米蛋白除了基本的营养功能外,还有其它一些保健功能。Morita 用大米分离蛋白 (RPI)和酪蛋白在小鼠中的试验表明, RPI 能显著降低血清中的胆固醇、 甘油和磷脂的浓度, 鼠肝的重量也低于饲喂酪蛋白的试验组。 二甲基苯并蒽(DMBA)是乳腺癌的诱变剂。以30mg DMBA/Kg 体重的剂量饲喂小鼠, 基础饲料中的蛋白质分别为 RPI、大豆分离蛋白(SPI)和酪蛋白。试验结果表明,饲喂 RPI 鼠的瘤重低于饲喂酪蛋白者,饲喂7天时各组试验鼠血清中的苯酚物羟化酶的活性差别不 大。 说明 RPI 具有抵抗 DMBA 诱导癌变的作用。 从米糠中提取的 RPI 也表现出同样的效果; 进一步用色质联机分析 RPI 的成分发现,在 RPI 中有三萜烯醇、阿魏酸等成分的存在,说 明 RPI 是结合蛋白。蛋白质的特殊作用可能必须这些非氨基酸成分的参与。 Neriega 的试验也是很有意思的。他比较了食用大米和面包的人群对亚极限性体力训 练的忍耐力,发现食用大米者耐力更强,受试者血液中的乳酸含量较低。 米糠还具有抗糖尿病的作用。链脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)是诱发糖尿病的 引诱剂。在米糠的功能试验中发现,米糠饲喂实验鼠两个月,可显著减轻 STZ 诱导的糖尿

病症状,试验鼠血清中甘油和胆固醇的含量均低于对照组,多尿症症状也得到改善。可以推 断米糠中的蛋白质起着重要作用。 上述研究表明,大米蛋白不仅具有独特的营养功能,还有很多潜在的医疗保健作用。这 是国外十分重视大米蛋白研究和开发利用的重要原因之一。 而国内对大米蛋白功能性的研究 较少。 3 大米蛋白的开发利用 大米中的主要成分是淀粉,蛋白质的含量只有9%左右,直接从大米中提取蛋白质显然 是不经济的。大米淀粉糖和味精生产中的下脚料(即米渣)中的蛋白含量40%~65%,也可 称作大米浓缩蛋白,是开发利用大米蛋白的主要原料,这是一块数量很大的宝贵资源。过去 它主要作为动物的蛋白饲料, 但从资源利用角度看这是不经济的。 随着对大米蛋白价值的认 识, 越来越多的大米蛋白正被开发成附加值很高的食品生产原料和添加剂。 市场上有高蛋白 营养米粉出售,但它仍是以淀粉为主要成分,蛋白质含量很低,作为蛋白质资源的开发利用 的潜力未能充分发挥。 3.1 大米分离蛋白(RPI) 大米浓缩蛋白(RPC)中的蛋白质含量已得到40%以上,但其许多功能性尚不理想。经 化学或生物化学方法去除其中的碳水化合物可以获得蛋白含量大于90%的大米分离蛋白 (RPI)。RPI 可经过水解或生化方法修饰后生产各种食用蛋白补充剂。由于 RPC 中绝大部 分是水不溶性蛋白质,提取时传统复方法是使用碱溶酸沉法,该法虽可以得到纯度较高的 RPI,但它有明显的不足之处,如产品颜色深,蛋白质中的赖氨酸受到很大破坏,发生的副 反应会形成味苦、对身体有害的物质,以及蛋白质回收率较低等。 基于 RPC 中蛋白质为水不溶性,且非蛋白成分主要是碳水化合物的特点,提取的蛋白 质应该进一步纯化(Purification)。还可以用纤维素酶、果胶酶及异淀粉酶等处理,促 进更多碳水化合物的溶解。 在大米淀粉糖生产中采用这种方法, 既可以使淀粉糖的得率提高, 同时也获得纯度很高的 RPI,蛋白质的回收率也能达到满意的程度。 米糠中蛋白质含量为10%~12%,如前所述,其中35%左右是水溶性的,但因米糠 中有大量纤维,而且米糠大多经过稳定化处理,加热使蛋白质的溶解性发生了较大改变,有 效提取有一定难度, 目前对这一问题的研究主要是米糠均质化处理和酶技术的应用。 米糠的 粉碎粒度对蛋白质的溶出影响很大,尤其是未经过加热处理的米糠。有研究指出,磨浆和均 质可溶出38%的蛋白质,比原来溶出量提高75%,而且溶出组分的分子量差别很大。 生物酶用于米糠蛋白的提取效果更加明显,可以使用的酶包括纤维素酶、木质素酶、 蛋白酶和植酸酶等。纤维素酶、木质素酶可以解除米糠纤维素对蛋白质的束缚,使提取物中

蛋白含量可达50%以上。若用植酸酶和纤维素酶、木质素酶等结合处理脱脂米糠,会获得 蛋白含量达92%米糠分离蛋白(RBPI)其得率可达74.6%。 蛋白酶的应用同样可以达到理想的效果。 Hamada 等用蛋白酶处理米糠使其蛋白水解 度(DH)达到10%时,蛋白提取率为92%。若应用 Na2S03、SDS 等破坏蛋白质二硫键的情 况下, 即使水解度只有2%, 蛋白回收率也可达到84%。 提取过程中应用两种或多种蛋白酶, 它们具有不同的水解位点,所得蛋白水解物的物化性能优于一种酶的效果。 上述试验均是通过增大蛋白的溶解度来提高蛋白质的提取效果, 而且所得到的蛋白质发 泡、 乳化等性能也得到一定的改善。 这一点与米蛋白酶法提取的技术方向及产品的性质明显 不同。 3.2 大米蛋白发泡粉 十几年前, 大米蛋白发泡粉的出现曾为食品生产中大量应用大米蛋白提供一种选择。 但 这种发泡粉是以大米浓缩蛋白为原料,用 NaOH 有限水解蛋白质的产物,产品颜色深、pH 值高、味苦。用蛋白酶水解大米蛋白就可克服上述缺点。大米蛋白分子量大,含有较多的疏 水性氨基酸,因而溶解度差,无法表现物化功能性。用蛋白酶对其适当水解后,可释放较多 的-COOH 和-NH2,增大蛋白质分子的极性,在促使蛋白质溶解度增大的同时,其溶液的胶 体性质也在增强,表现出一定的乳化、发泡能力,可以广泛用作食品加工原料,赋予食品一 定的加工性能。 目前国内研究较多的是大豆蛋白和小麦面筋蛋白的水解。 王章存等用蛋白酶 水解大豆分离蛋白就取得了较好的效果。 以大米蛋白为原料酶法水解制取食用发泡粉的研究 近年国内也有报道。 相信随着技术的完善, 酶法大米蛋白发泡粉将在食品生产中得到广泛应 用。 3.3 蛋白水解物 它以大米蛋白为原料, 通过不同程度水解可以得到用途不同的蛋白水解物, 大部分可作 为即冲即饮的蛋白营养强化剂,有些则含有特殊风味或保健功能。 制备氨基酸营养液是利用植物蛋白的传统方法,国内研究和利用较多的是酸水解法, 所谓化学酱油就是基于这样方法,但因其环保、安全性问题,现应淘汰。若用蛋白酶水解因 受酶专一性的限制,尚无一种酶可将蛋白质完全水解,多种酶的应用则不经济。 其实,以补充氨基酸为目的的营养产品没有必要将蛋白质完全水解,只水解成小肽即 可。现在营养学研究表明,小肽分子比氨基酸更易被小肠吸收和利用。肽的吸收是通过肠粘 膜纹状缘存在的肽载体利用质子梯度主动转运机制来实现的。 小肽的渗透压较低, 食用后也 不会引起痢疾和过敏反应, 而且小肽比氨基酸有更好的感观效应, 它可作为蛋白营养强化剂 供人们食用。目前在美国知名度较高的 NutriBiotics 大米蛋白粉就是这类产品。

更令人感兴趣的是,许多小肽分子具有重要的生理功能,如免疫调节、抗氧化、抗胆 固醇、抗血栓、抗糖尿病等,又称为活性肽。目前对动物性蛋白水解产生生物肽的研究已成 为世界性的潮流, 已发现了许多有潜在应用价值的活性肽。 但对大米来源的活性肽的研究相 对较少,其中报道较多的大米活性肽是 Gly-Tyr-Pro-Met-Tyr-Pro-Leu-Arg 肽分子, 命名为 Oryzatensin。在豚鼠上的试验表明,它具有引起回肠收缩、抗吗啡和免疫调节作 用。它主要是通过激活磷脂酶水解溶血磷脂酸释放花生四烯酸来引起收缩的。 另外,大米蛋白水解还可以产生某些风味肽。现代仪器分析表明这类风味肽中谷氨酸 的含量很高,它与盐结合形成谷氨酸单钠盐,呈现鲜味。当大米蛋白经酶水解产生的这种产 物与糊精混合经喷雾干燥即得到市售的食品风味改良剂。 3.4 大米蛋白的化学改性 天然植物蛋白的物化功能性普遍较差。科研工作者希望通过化学手段改善蛋白质的性 质, 增大其在食品中的使用量。 这既能满足食品加工性能的需要, 又能提高食品的营养价值。 目前对大豆蛋白的改性研究较多。主要的方法是引入磷酸基、乙酰基,或是蛋白质中的谷氨 酰庵、天冬酰胺等脱去酰胺基,这些措施是安全和有效的。但对大米分离蛋白的化学改性的 研究尚未见报道。 综上所述, 大米蛋白是有待大力开发的宝贵的蛋白资源。 它是由较多二硫键连接而成的 蛋白聚合分子, 大米蛋白及其水解物不仅具有重要的营养功能, 还具有潜在的医疗保健作用。 大米蛋白的酶法水解和化学改性可改善其物化功能性质。这些产品都具有广阔的应用前景。 国外对大米蛋白进行了较多的研究并取得了一定的成果。 相信我国对大米蛋白的研究和开发 也会有较大的进展。

注: (1)来源:中国粮油学报,2004年第2期; (2)作者单位:江南大学食品学院。


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