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《中國食品學報》2016年第二期

摘要

為探究不同熱處理方式的小米蛋白質的消化情況，采用胃蛋白酶-胰蛋白酶體外模擬消化法測定蒸制、煮制、擠壓處理并經淀粉酶解的小米蛋白消化率。對從小米生粉中提取的醇溶蛋白蒸制、煮制的蛋白消化率進行測定，結果表明，經120min的胃蛋白酶和胰蛋白酶處理，蒸制、煮制和擠壓處理的小米的體外蛋白消化率分別較未處理小米降低了31.00%，17.15%和11.02%。蒸煮的醇溶蛋白消化率也分別降低了35.57%和28.63%。蒸煮對小麥蛋白的消化率有不利影響，擠壓處理優于蒸煮處理。蒸煮處理降低小麥蛋白體外消化率可能與醇溶蛋白消化率的降低有關。

關鍵詞

小米；蒸制；煮制；擠壓；蛋白消化率

小米隸屬禾本科草本植物，是世界上主要糧食作物之一，主要種植在亞洲和非洲。我國種植的多為谷子，谷子脫殼后的種仁即小米。小米適口性好，營養豐富，深受我國北方人民的喜愛。小米的蛋白質含量較高，其干基平均含量為13.08%，高于其它禾谷類作物[1]。其中醇溶蛋白占46%，是小米中含量最多的一種蛋白，此外還有21.1%的堿溶蛋白以及5.5%的清蛋白和球蛋白[2]。通常用來評價食物蛋白好壞的最主要的2個指標是蛋白質的氨基酸組成和蛋白消化率[3]。在小米蛋白質的氨基酸組成模式中，谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸和天門冬氨酸是小米氨基酸的主要組成部分，賴氨酸和蘇氨酸是小米中的第一、第二限制性氨基酸[4-5]。蛋白消化率是動物從食物中所消化吸收的蛋白質占總攝入量的百分比，是評價食物營養價值的重要指標[6]。對于食物蛋白質消化率的研究通常采用建立蛋白質體外消化模型模擬食物在胃和小腸中的消化情況的方法，胃蛋白酶-胰蛋白酶體外模擬消化法是一種常見的方法。影響蛋白質消化性的因素可歸為兩類：外因主要是酚類化合物、植酸、碳水化合物、脂類及蛋白酶抑制劑等，內因主要是指蛋白質本身的結構特性[7]。蛋白質經加熱處理后其結構會發生改變，從而影響其消化率。絕大多數谷物如大米、玉米、蕎麥等在一定的加熱處理之后的蛋白消化率都會有所提高[8-10]，但也有個別谷物如高粱，蒸煮之后的蛋白消化率反而降低[11]。小米作為一種公認的營養保健養胃米，它與高粱在蛋白質組成上非常相似。劉思思[12]研究發現，蒸煮之后打漿的小米乳蛋白質具有較低的消化率，而小米醇溶蛋白本身形成的二硫鍵及強烈的疏水性是導致小米蛋白抗消化的主要原因。本研究主要采用胃蛋白酶-胰蛋白酶體外模擬消化的方法，分析小米和小米醇溶蛋白經蒸制、煮制和擠壓處理之后蛋白消化率的變化情況，探討不同加熱處理方式對小米蛋白消化率的影響，為小米蛋白的品質評價以及小米相關產品的開發提供依據。

1材料與方法

1.1材料谷子：長生07，產自山西。

1.2主要試劑胃蛋白酶（活性：800~2500U/mg），北京拜爾迪生物技術有限公司；胰蛋白酶（活性：250Umg），北京拜爾迪生物技術有限公司；α-淀粉酶（活性>6000U/mg），北京博奧拓達科技有限公司。

1.3主要設備與儀器三立式搗精機（SY88-TH），雙龍機械產業；高速萬能粉碎機（LD-T300A），上海頂帥電器有限公司；雙螺桿試驗機（DS30-Ⅲ），山東賽信機械有限公司；恒溫水浴振蕩器（SHA-BA），金壇市榮華儀器制造有限公司；冷凍干燥機（LGJ-2C），北京市四環科學儀器廠有限公司；高速冷凍離心機（GL-20G-Ⅱ），上海安亭科學儀器廠；控溫消煮爐（KXL-1010），北京市通潤源機電技術責任有限公司；電子精密天平，奧豪斯國際貿易（上海）有限公司；梅特勒-托利多pH計（FE20），梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；凱氏定氮儀（KDY-9820），北京市通潤源機電技術責任有限公司。

1.4方法

1.4.1樣品制備谷子樣品經搗精機脫殼，分別做以下處理：蒸制：小米與水以1∶5（m∶V）混合，上汽后蒸制25min，于烘箱內58℃烘干8h，磨粉，糊化度為92.67%。煮制：小米與水以1∶20（m∶V）混合，水開后煮制30min，于烘箱內58℃烘干12h后磨粉，糊化度為91.88%。擠壓：小米磨粉，水分調制16%，雙螺桿擠壓設備設定：一區溫度90℃，二區150℃，三區190℃，螺桿轉速120r/min，喂料速度25r/min，糊化度為92.05%。

1.4.2小米醇溶蛋白提取小米脫殼后磨粉，過40目篩，小米粉∶正己烷=1∶5（W/V）振蕩4h脫脂，靜止1h除去上清液，將沉淀在通風櫥內風干。風干的小米粉粉碎后過60目篩，用65%乙醇溶液以料液比1∶6，75℃水浴振蕩1h，浸提液8000r/min離心15min。取上清液在4℃冰箱內進行透析，2h換1次水。換水3~4次后取透析袋內溶液8000r/min離心15min，將沉淀在-20℃冰箱內速凍，于冷凍干燥機內冷凍干燥12h，獲得的蛋白純度在85%以上。

1.4.3淀粉酶處理取5g樣品于150mL錐形瓶中，以料液比1∶5（m∶V）加水，37℃水浴5min，以酶與底物比例為1∶100（m∶m）加入淀粉酶，在恒溫水浴振蕩器上37℃水浴30min，以確保樣品中的淀粉充分水解。

1.4.4蛋白質體外消化小米蛋白質的體外消化實驗采用胃蛋白酶-胰蛋白酶體外消化模型。具體操作如下：準確稱取一定質量的樣品分散于0.1mol/LHCl中形成50g/L的溶液，置于37℃水浴中預熱5min，以酶∶底物為1∶100（m∶m）加入胃蛋白酶，在37℃恒溫振蕩器上反應，分別在不同的消化時間（0，30，60，120min）取樣，用1mol/LNaOH調節pH7.0終止消化反應。對120min時所得消化液調節pH7.0，以酶∶底物為1∶100（m∶m）加入胰蛋白酶，在消化30，60，90，120min之后煮沸停止反應，分別取樣分析[13]。

1.4.5體外消化率測定體外消化率采用TCA-NSI（三氯乙酸氮溶指數）法[14]測定和計算。取5mL不同消化液于5mL10%TCA中，4000r/min離心20min，沉淀用10%TCA洗滌2次，離心得到TCA不溶組分。TCA不溶性氮含量采用凱氏定氮法測得，氮含量采用凱氏定氮法（GB5009.5-2010）測定，消化過程氮釋放量由下式計算。

2結果分析

2.1不同加熱處理的小米蛋白消化率經蒸制、煮制和擠壓處理的小米樣品蛋白消化率變化情況如圖1所示。胃蛋白酶和胰蛋白酶各消化120min，未經處理的小米蛋白消化率達到66.38%，而經蒸制、煮制和擠壓處理的小米蛋白消化率分別下降了41.65%，32.52%和1.94%。在胃蛋白酶消化過程中，蒸小米、煮小米和擠壓小米蛋白消化率的變化率在前30min較大，之后逐漸減小，甚至趨于0，而生小米的蛋白消化率的變化率則在前30min較小，之后迅速提高。這可能與包裹小米蛋白體的其它成分如淀粉等有關。這一推測也可在后面經淀粉酶解后不同加熱處理的小米蛋白的消化率的變化中得到印證。在胰蛋白酶消化過程中，除擠壓小米外，生小米和蒸煮小米的蛋白消化率的變化率幾乎不再變化，而擠壓小米的蛋白消化率先增高后趨于0。通常在谷物蛋白體周圍都存在淀粉顆粒而影響蛋白的消化。在人體消化食物的過程中，先有一個唾液淀粉酶解的過程。將經各種處理的小米先用淀粉酶解，后用胃蛋白酶和胰蛋白酶消化。由圖2可看出，經淀粉酶解的各種處理的小米蛋白消化率顯著提高。表1列出最終消化率的對比情況。經淀粉酶解后，生小米、蒸小米、煮小米和擠壓小米的蛋白消化率分別提高了29.89%，53.60%，59.48%和17.87%。生小米在經淀粉酶處理后蛋白消化率達到86.22%，比經相同條件蒸煮處理的大米蛋白消化率（75.84%和81.09%）高。幾種加熱處理后小米的蛋白消化率變化情況較未加淀粉酶時有一定的差異。從圖2可看出，淀粉酶解后蒸小米、煮小米和擠壓小米的蛋白消化率較生小米分別降低了31.00%，17.15%和11.02%。在胃蛋白酶解階段，小米蛋白消化率的變化率在前30min較大，之后減小，甚至趨近于0。在胃蛋白酶終止作用時，蒸小米、煮小米和擠壓小米的蛋白消化率非常接近。在胰蛋白酶作用階段，生小米和蒸小米的蛋白消化率幾乎不再變化，擠壓小米的蛋白消化率先升高后趨于平緩，煮小米的消化率則呈直線升高。

2.2不同加熱處理的小米醇溶蛋白的消化率小米蛋白中約有46%為醇溶蛋白[3]，是含量最多的一種蛋白。其經不同加工處理的消化率的變化對小米總蛋白的消化率有一定影響。因本試驗中采用雙螺桿擠壓膨化機對樣品進行擠壓膨化，所需物料量較大，故沒有研究擠壓處理的醇溶蛋白。如圖3所示，蒸制和煮制的小米醇溶蛋白的消化率分別為54.21%和48.94%，較生蛋白分別降低了35.57%和28.63%。在胃蛋白酶消化階段，前30min蒸蛋白的消化率最高，之后趨于平緩，直至胰蛋白酶消化結束。生蛋白和煮蛋白的消化率的變化趨勢相同，在胃蛋白酶消化階段，前60min消化率提高較快，之后減慢，甚至趨于平緩；在胰蛋白酶消化階段，消化率先提高后趨于平緩。醇溶蛋白的消化率變化規律和小米蛋白消化率變化趨勢相似，推測醇溶蛋白在加熱過程中的變化，很可能是影響小米蛋白消化率的一個主要因素。

3討論

濕熱處理對蛋白質的影響較大，對于大多數谷物來說，適宜的熱處理可提高蛋白質的消化率和必需氨基酸的生物有效性[15]。也有一些谷物在濕熱處理下蛋白質的消化率反而降低。本研究發現蒸煮加工對小米蛋白的消化具有不利的影響，這與之前很多研究[10、16-18]報道的高粱蛋白質消化率因蒸煮而降低的結果類似。這些研究發現醇溶蛋白的低溶解性和二硫鍵的形成，很可能是造成高粱蒸煮后蛋白消化率降低的主要原因。Hamaker等[10]通過不同的溶劑對未經蒸煮和蒸煮的高粱醇溶蛋白進行提取，發現蒸煮后用酒精提取的醇溶蛋白成分明顯減少，而用乙醇加2-巰基乙醇和亞硫酸鈉的溶劑提取的醇溶蛋白明顯增多，由此得出蒸煮之后醇溶蛋白的溶解度降低的結論。早在1991年，Shull[19]等根據分子質量將醇溶蛋白分成3類，即位于蛋白體中心的α-醇溶蛋白（24ku和26ku）以及位于外圍的β-醇溶蛋白（20，18ku和16ku）和γ-醇溶蛋白（28ku）。Rom[17]和Oria[18]等通過電鏡觀察到消化過程中，經蒸煮的高粱蛋白體的外圍很難被酶破壞，而在添加了能夠破壞二硫鍵的還原劑后，其外圍會出現明顯的凹陷，推測是由于β-和γ-醇溶蛋白通過二硫鍵形成抵抗酶的聚合物，從而保護內部的α-醇溶蛋白不被消化。Hamaker[10]等通過電泳的方法也發現了類似結果。

劉思思[12]對小米所含4種蛋白進行電泳，發現含量最多的醇溶蛋白主要分布在低分子質量范圍，其電泳圖譜與高粱基本相同，有α-（18～21ku）、β-（15ku）、γ-（23ku）醇溶蛋白以及分布在12ku的4條譜帶。通常小米蛋白在60℃左右會發生熱變性。在對小米乳經胃蛋白酶和胰蛋白酶消化的殘渣電泳后，劉思思[12]發現醇溶蛋白僅有18～21ku的少部分蛋白條帶消失，進一步經亞硫酸氫鈉處理消化殘渣后大部分電泳條帶消失，說明小米醇溶蛋白中的二硫鍵是影響小米蛋白消化率的一個主要的原因。小米醇溶蛋白，如高粱醇溶蛋白一樣，通過二硫鍵在外圍形成致密的保護結構，阻止蛋白酶與蛋白的結合，從而導致消化率低。劉思思[12]還發現，蒸煮后的小米醇溶蛋白和生的醇溶蛋白的消化殘渣用亞硫酸氫鈉處理后，其電泳條帶無顯著差異，說明亞基間未形成新的二硫鍵。本研究發現蒸煮后小米蛋白的消化率明顯降低。濕熱處理后小米蛋白質消化率的降低是否與醇溶蛋白加熱后形成二硫鍵有關，這尚需證實。CalvinOnyango[20]等人對玉米-小米預混粉烹煮、發酵、擠壓等處理后也發現，經發酵、擠壓以及發酵后再擠壓幾種處理后，預混粉的蛋白消化率較生粉明顯提高，然而經發酵再烹煮后，預混粉的蛋白消化率甚至較生粉還低，CalvinOnyango推測這可能是由于長時間加熱熟化導致蛋白多聚體的形成，從而抵抗酶的作用而致。擠壓作為一種高溫短時的加熱處理方式，在加工過程中，對谷物蛋白質有很大的影響。擠壓溫度和樣品水分是影響蛋白質結構的重要指標。通過擠壓導致的蛋白質變性可以暴露蛋白酶作用位點，從而提高蛋白消化率[20]，然而也會通過疏水作用、二硫鍵連同其它形式的共價鍵共同作用，使蛋白質發生聚集，導致溶解性降低[21]，從而降低蛋白質消化率。通過選擇合適的擠壓溫度和樣品水分來實現提高小米蛋白消化率的目的。

4結論

食物的消化是一個復雜的過程，蛋白的消化率受很多因素的影響。本研究發現經蒸制、煮制的小米蛋白的消化率顯著低于未經處理的小米蛋白消化率，推測這可能與小米醇溶蛋白在加熱過程中形成致密的共聚體以及疏水性的增強而導致蛋白酶與蛋白質的接觸受到阻礙有關。關于小米蛋白在體外消化過程中的變化情況還需進一步研究。擠壓處理的加工方式在影響小米蛋白消化率方面優于蒸制和煮制。擠壓處理的最優溫度和樣品水分含量還需研究。

作者：范冬雪 李靜潔 楊金芹 沈群 單位：中國農業大學食品科學與營養工程學院 山東煙臺工貿技師學院