CN113896778A - 一种改性麦糟蛋白及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性麦糟蛋白及其制备方法与应用，属于麦糟蛋白领域。本发明以麦糟蛋白为原料，经超声处理、湿法糖基化修饰和微波处理，制备得到具有高溶解度、起泡性和泡沫稳定性的麦糟蛋白。本发明制得的高泡沫活性麦糟蛋白能够显著改善啤酒的泡沫质量，将其应用于高浓度和高密度发酵中可有效提高成品啤酒的泡沫稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及麦糟蛋白领域，具体涉及一种改性麦糟蛋白及其制备方法与应用。
背景技术
麦糟蛋白是一种疏水性植物蛋白，其蛋白组成主要包括球蛋白、清蛋白、谷蛋白和大麦醇溶蛋白。同时，麦糟蛋白也是必需氨基酸和非必需氨基酸的可靠来源。目前，麦糟蛋白已被成功应用于食品、营养、材料和生物制药领域，然而，麦糟蛋白是一种高度变性蛋白，较低的溶解度限制了其进一步的开发利用价值。因此，运用安全、高效的改性手段，提升蛋白质的功能特性显得尤为重要。
其中，酶法改性已被广泛应用于功能性麦糟蛋白的制备过程，经酶法改性后的麦糟蛋白被报道具有更佳的泡沫和乳化特性，但其仅针对泡沫稳定性的改善效果，而对起泡性无显著影响甚至下降。虽然酶法改性在一定程度上能够改善麦糟蛋白的功能特性，但其使用成本较高，且过程难以控制，在实际生产中有待进一步开发利用。
在啤酒酿造工业，尤其是高浓酿造时，泡沫质量的改善与提升受到了从业者的极大重视。麦糟蛋白的分子量主要集中在10-55kDa之间，与啤酒中蛋白质的分子量基本一致，为将其用作啤酒泡沫稳定剂提供了应用可能，然而目前，通过外源补充麦糟蛋白以期改善啤酒泡沫质量的研究鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种改性麦糟蛋白的制备方法。该制备方法以麦糟蛋白为原料，经超声处理、湿法糖基化修饰和微波处理，得到具有高溶解度、起泡性和泡沫稳定性的麦糟蛋白。
本发明的目的还在于提供上述制备方法制得的改性麦糟蛋白及其应用。上述方法制备的高泡沫活性麦糟蛋白能有效改善啤酒的泡沫质量，将其应用于高浓度和高密度发酵中可显著提高成品啤酒的泡沫稳定性。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种改性麦糟蛋白的制备方法，包括如下步骤：
(1)将麦糟蛋白溶解于水中，然后进行超声处理；
(2)调节步骤(1)所得溶液的pH值，再加入供体糖，在水浴中搅拌反应；
(3)将步骤(2)所得溶液进行微波处理，再冷却，离心，干燥，得到改性麦糟蛋白。
优选的，步骤(1)所述超声处理的条件为：超声功率400～500W，占空比40-60％，超声时间40～60min，脉冲工作时间3～5s，脉冲间隔时间3～5s。
优选的，步骤(2)中，调节步骤(1)所得溶液的pH值为9.0～11.0，再加入供体糖，在水浴中搅拌反应30～60min。
优选的，步骤(3)所述微波处理的条件为：功率200～400W，时间5～10min。
优选的，所述超声处理的条件为：超声功率500W，占空比50％，超声时间60min；所述微波处理的条件为：功率400W，时间10min。
优选的，步骤(1)中，麦糟蛋白溶于水中的浓度为1.0g/100mL～2.0g/100mL；所述超声处理在冰浴中进行，温度保持在10℃以下。
优选的，步骤(2)所述供体糖为单糖、双糖或多糖中的一种以上；所述麦糟蛋白与供体糖的质量比为4:1～2:1；所述水浴的温度为60～80℃。
优选的，所述单糖为葡萄糖；双糖为麦芽糖或蔗糖；多糖为葡聚糖或麦芽三糖。
优选的，所述离心的转速为8000～10000rpm，离心的时间为10～20min。
优选的，所述干燥为冷冻干燥。
由以上任一项所述的制备方法制得的改性麦糟蛋白。
以上所述的改性麦糟蛋白在啤酒中的应用。
在本发明中，超声和微波辅助改性对环境造成的污染较小，能减少有害化学物质的使用，提高蛋白质的安全性，改善其营养和功能价值。糖基化改性以美拉德反应为原理，不需使用额外的化学试剂，被认为是一种绿色、无害的蛋白质改性方法。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明以麦糟蛋白为原料，经物理-化学手段联合改性，麦糟蛋白的溶解度、起泡性、泡沫稳定性等功能性质显著改善，为麦糟蛋白的进一步开发利用提供科学思路和理论依据。
(2)本发明制备方法具有操作简单、安全性高的特点，对提高啤酒工业废产物的资源利用率，生产功能卓越的高附加值产品具有重要意义。
(3)本发明制备的高泡沫活性麦糟蛋白能够显著改善啤酒的泡沫质量，可提高啤酒的泡沫稳定性。
附图说明
图1为改性前后麦糟蛋白的溶解度柱状图。
图2为添加和未添加实施例1～3制备的高泡沫活性麦糟蛋白的啤酒泡沫稳定性柱状图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步详细的描述，但本发明的保护范围和实施方式不限于此。
以下实施例制备得到的改性麦糟蛋白的起泡性和泡沫稳定性测定方法如下：
将麦糟蛋白溶解于10mM，pH 7.4的PBS缓冲液中，配制成0.5％(w/v)的麦糟蛋白悬液，搅拌1h使其充分分散后离心，取一定体积的蛋白溶液置于刻度试管中，用均质机在15000rpm下均质2min。蛋白起泡性和泡沫稳定性由如下公式计算得到：
起泡性(％)＝(VT-V0)/V0×100
其中，VT为均质后泡沫溶液的体积，V0为均质前泡沫溶液的体积。
泡沫稳定性(％)＝(Vt-V0)/V0×100
其中，Vt为均质30min后泡沫溶液的体积，V0为均质前泡沫溶液的体积。
实施例1
将麦糟蛋白溶解于去离子水中，使其质量浓度为1.0g/100mL，均质，在功率500W，占空比50％，脉冲工作时间3s，脉冲间隔时间3s下超声处理40min，调节溶液pH值为9.0，按照麦糟蛋白/供体糖质量比为4:1的比例加入麦芽糖，于60℃水浴中搅拌60min，在功率400W的微波场中处理5min，冷却，8000rpm离心20min并收集上清液，经冷冻干燥，得到能改善啤酒泡沫质量的高泡沫活性麦糟蛋白，测得蛋白起泡性为134.58％，泡沫稳定性为121.30％，与改性前相比分别提高了0.67倍和10.09倍。
实施例2
将麦糟蛋白溶解于去离子水中，使其质量浓度为1.5g/100mL，均质，在功率450W，占空比50％，脉冲工作时间4s，脉冲间隔时间4s下超声处理50min，调节溶液pH值为10.0，按照麦糟蛋白/供体糖质量比为3:1的比例加入麦芽糖，于70℃水浴中搅拌45min，在功率300W的微波场中处理7min，冷却，9000rpm离心15min并收集上清液，经冷冻干燥，得到能改善啤酒泡沫质量的高泡沫活性麦糟蛋白，测得蛋白起泡性为146.51％，泡沫稳定性为133.40％，与改性前相比分别提高了0.82倍和11.19倍。
实施例3
将麦糟蛋白溶解于去离子水中，使其质量浓度为2.0g/100mL，均质，在功率400W，占空比50％，脉冲工作时间5s，脉冲间隔时间5s下超声处理60min，调节溶液pH值为11.0，按照麦糟蛋白/供体糖质量比为2:1的比例加入麦芽糖，于80℃水浴中搅拌30min，在功率200W的微波场中处理10min，冷却，10000rpm离心10min并收集上清液，经冷冻干燥，得到能改善啤酒泡沫质量的高泡沫活性麦糟蛋白，测得蛋白起泡性为153.40％，泡沫稳定性为139.83％，与改性前相比分别提高了0.90倍和11.78倍。
溶解度测定实验
实施例1～3制备得到的高泡沫活性麦糟蛋白的溶解度测定如下：
将麦糟蛋白溶解于10mM，pH 7.4的PBS缓冲液中，配制成0.5％(w/v)的麦糟蛋白悬液，搅拌1h使其充分分散后离心，分别用BCA蛋白浓度测定试剂盒和凯氏定氮法测定溶解前后麦糟蛋白中的蛋白含量，蛋白溶解度参照以下公式计算：
溶解度(％)＝C2/C1×100
其中，C2为溶解后的蛋白含量，C1为溶解前的蛋白含量。
改性前后麦糟蛋白的溶解度柱状图如图1所示。由图1可知，未经过改性的对照组和实施例1～3得到的高泡沫活性麦糟蛋白的溶解度间有显著性差异：与对照相比，实施例1～3制备所得麦糟蛋白的溶解度分别提高了53.01％、53.34％、56.32％，达87.99％、88.18％、89.89％，说明改性后麦糟蛋白的溶解性显著改善，从而有助于麦糟蛋白泡沫性质的提升。
添加麦糟蛋白的啤酒品质测定实验
实施例1～3制备得到的高泡沫活性麦糟蛋白提高高浓度和高密度发酵中啤酒感官品质及泡沫特性的测定如下：
(1)啤酒感官品质的检测：
参照《GB 4927-2008啤酒》，对啤酒的感官品质进行检测，实施例1～3添加高泡沫活性麦糟蛋白的啤酒感官指标如表1所示。
表1啤酒感官指标检测结果
由表1可知，外源补充高泡沫活性麦糟蛋白对啤酒的感官品质产生了积极的影响，啤酒外观清亮透明，泡沫洁白细腻，泡持性高，能长时间挂杯，啤酒口感纯正，香气明显。
(2)啤酒泡沫稳定性的测定：
取一定体积的啤酒置于刻度试管中，用均质机在15000rpm下均质2min。蛋白起泡性和泡沫稳定性由如下公式计算得到：
泡沫稳定性(％)＝(Vt-V0)/V0×100
其中，Vt为均质30min后泡沫溶液的体积，V0为均质前泡沫溶液的体积。
添加和未添加制备的高泡沫活性麦糟蛋白的啤酒泡沫稳定性柱状图如图2所示，由图2可知，对照组和添加实施例1～3制备的高泡沫活性麦糟蛋白对啤酒泡沫稳定性的提高具有显著性差异：与对照相比，添加实施例1～3制备所得麦糟蛋白的啤酒泡沫稳定性提高了1～2倍，分别达62.04％、64.31％、71.57％，说明经物理-化学手段联合改性制备的高泡沫活性麦糟蛋白可以作为一种有效的啤酒泡沫稳定剂应用于啤酒泡沫质量的改善中。
实施例4
本实施例针对不同改性方法，包括超声改性、糖基化改性、微波改性、超声-糖基化联合改性以及超声-糖基化-微波联合改性制备的改性麦糟蛋白，探讨了各改性方法对麦糟蛋白的溶解度和泡沫性质的改善效果。超声改性条件为：超声功率400W，超声时间40min，占空比为50％，即脉冲工作时间4s，脉冲间隔时间4s；糖基化改性条件为：麦糟蛋白与麦芽糖以2:1(w/w)的质量比混合，分别在pH11.0、80℃的条件下分别反应60min；微波改性条件为：微波功率400W，微波时间5min。
表2不同改性方法对麦糟蛋白溶解度和泡沫性质的影响
由表2可知，经过改性的麦糟蛋白的溶解度以及泡沫性质均有所改善。其中，相比于未经改性的麦糟蛋白，超声改性、糖基化改性、微波改性、超声-糖基化改性、超声-糖基化-微波改性麦糟蛋白的溶解度分别提高了123.11％、127.39％、116.31％、136.95％、143.87％，同时起泡性分别是未改性麦糟蛋白的1.65倍、1.53倍、1.42倍、1.80倍、1.96倍，而泡沫稳定性分别是未改性麦糟蛋白的9.48倍、8.68倍、7.97倍、10.73倍、13.29倍。单一改性方法中，超声改性对麦糟蛋白的溶解度以及泡沫性质的改善效果最佳，其次是糖基化改性，而微波改性效果略小。进一步地，超声-糖基化以及超声-糖基化-微波联合改性的麦糟蛋白，相比于单一改性方法，其溶解度和泡沫性质又不同程度的有所提高，说明不同改性方法之间存在协同效应，超声效应有利于蛋白分子的破碎，进而暴露分子中的疏水基团，使界面上的蛋白分子能快速吸附并展开，相继地糖基化反应中的热效应在一定程度上破坏了分子间的内聚力和粘弹性，而内聚力和粘弹性是影响泡沫稳定性的重要因素，同时微波的辐射效应以及热效应进一步地加剧了蛋白结构的分子运动，实现麦糟蛋白功能性质的改善。因此，优选超声-糖基化-微波改性手段作为高泡沫活性麦糟蛋白的制备工艺。
实施例5超声改性优化
通过超声改性优化试验，探讨了超声功率和超声时间对改性麦糟蛋白泡沫性质的影响。
(1)超声功率
不同超声功率对改性麦糟蛋白的泡沫性质的影响如表3所示。超声功率优化条件为：固定超声时间40min，占空比50％，探究不同超声功率(300W、400W、500W、600W)对麦糟蛋白泡沫性质的影响。
表3超声条件对改性麦糟蛋白泡沫性质的影响
由表3可知，当超声功率由300W增加至500W时，麦糟蛋白的起泡性逐渐提升，500W时的起泡性达到最高为147.39％。当功率进一步增大至600W时，起泡性又显著下降。不同超声功率对麦糟蛋白泡沫稳定性的影响与起泡性的影响类似，在500W时泡沫稳定性最佳，达121.47％，过高的超声功率可能引起蛋白聚集变性，从而影响了蛋白的界面性质。因此，优选400W-500W超声功率应用于高泡沫活性麦糟蛋白的改性制备。
(2)超声时间
不同超声时间对改性麦糟蛋白的泡沫性质的影响如表3所示。超声时间优化条件：固定超声功率500W，占空比50％，探究不同超声时间(20min、40min、60min、80min)对麦糟蛋白泡沫性质的影响。
由表3可知，随着超声时间从20min延长至80min，麦糟蛋白的起泡性和泡沫稳定性均有所提升。此外，当超声时间超过60min时，麦糟蛋白的起泡性和泡沫稳定性显示出略微的下降，说明超声时间过长对麦糟蛋白的泡沫性质贡献较小。这可能是过度超声处理是蛋白粒径增大，而不利于其气-液界面的快速吸附所致。为使蛋白分子的展开与聚集之间取得平衡，获得具有良好起泡性和泡持性的麦糟蛋白。因此，优选40-60min的超声提取时间应用于功能性麦糟蛋白的制备。
实施例6糖基化改性优化
本实施例通过糖基化反应的接枝度和褐变度的测定进行优化，指标测定方法如下：
糖基化反应的接枝度由领苯二甲醛法(OPA)测定。将4ml OPA试剂与300μL样品溶液涡旋混匀，于暗处反应2min，并测定340nm处的吸光值。以赖氨酸为标准物质的标准曲线方程：Y＝7.3226X-0.0169，R2＝0.9980，接枝度参照以下公式计算：
接枝度(％)＝(C0-Ct)/C0×100
其中，C0为未反应时样品中自由氨基的含量；Ct为反应后样品中自由氨基的含量。
糖基化反应的褐变度由A420表示。取1ml反应后的蛋白溶液，加入5ml 0.1％(w/v)SDS溶液，磁力搅拌20min，在420nm下测定其吸光度。以0.1％(w/v)SDS溶液作为空白。
pH优化条件：将麦糟蛋白与麦芽糖以1:2(w/w)的质量比混合，分别在pH8.0、9.0、11.0、12.0，80℃的条件下反应60min。
反应时间优化条件：将麦糟蛋白与麦芽糖以2:1(w/w)的质量比混合，分别在pH10.0、80℃的条件下分别反应10min、30min、60min、90min。
(1)pH
不同pH对糖基化改性麦糟蛋白的接枝度和褐变度的影响如表4所示。
表4糖基化条件对麦糟蛋白接枝效果的影响
由表4可以看出，随着pH增加，接枝度呈现先上升后下降的趋势，且pH为11.0时接枝度达最高值24.87％，而褐变指数呈现不断增加的趋势。因此，pH过高，对整个反应体系的颜色有不利的影响。一方面由于麦糟蛋白为碱溶性蛋白，偏碱性环境下蛋白溶解度更高，有助于糖基化反应的进行，另一方面，考虑到麦糟蛋白中酚类物质易在较高pH下被氧化，从而对颜色体系产生不利的影响。综合分析优选9.0-11.0的作为麦糟蛋白糖基化反应的pH值，进行后续高泡沫活性麦糟蛋白的改性制备。
(2)反应时间
表4呈现了不同反应时间对麦糟蛋白糖基化反应后接枝度和褐变度的影响。随反应时间从10min延长至90min，糖基化反应的接枝度和褐变度先增加，于60min时均达到峰值，接枝度为24.91％，褐变度为1.36。随后，接枝度和褐变程度均显著降低。为保证更好的接枝效果，并防止过度褐变氧化，优选30-60min的糖基化麦糟蛋白的反应时间，进行后续高泡沫活性麦糟蛋白的改性制备。
实施例7微波改性优化
通过微波改性优化试验，探讨了微波功率和微波时间对改性麦糟蛋白泡沫性质的影响。
(1)微波功率
不同微波功率对麦糟蛋白起泡性和泡沫稳定性的影响如表5所示。微波功率优化条件为：固定微波时间5min，探究不同微波功率(100W、200W、400W、500W)对麦糟蛋白泡沫性质的影响。
表5微波条件对改性麦糟蛋白泡沫性质的影响
从表5可知，随着微波功率的增大，麦糟蛋白的起泡性和泡沫稳定性先增大后减小。在200-400W之间改性后的麦糟蛋白的起泡性和泡沫稳定性均有显著的提高。在400W时起泡性达到最高值为130.35％，泡沫稳定性达最大值为104.36％。功率的增大，有利于麦糟蛋白部分肽链的伸展，提高肽链间相互作用形成二维保护网络，促进泡沫的形成与稳定。当功率进一步增大至500W时，可溶性蛋白含量降低，故起泡能力和泡沫稳定性也降低。因此，优选200-400W作为微波改性麦糟蛋白的微波功率。
(2)微波时间
不同微波时间对麦糟蛋白起泡性和泡沫稳定性的影响如表5所示。微波时间优化条件：固定微波功率400W，探究不同微波时间(2min、5min、10min、13min)对麦糟蛋白泡沫性质的影响。
由表5可知，微波作用时间在2-10min时，改性麦糟蛋白的起泡性和泡沫稳定性逐渐提高，在10min时起泡性达到最大值为135.65％，泡沫稳定性达最大值为117.61％。当延长至13min时，起泡性和泡沫稳定性均减小，泡沫性质随微波时间的变化整体呈现先提高后降低的趋势。适当时间的微波作用能够使蛋白结构更加疏松，改善麦糟蛋白的界面性质，而微波作用时间过长，会使得蛋白变性，不溶性蛋白含量增多，不利于起泡性和泡沫稳定性的改善。因此，优选5-10min的微波作用时间作为微波改性麦糟蛋白的条件。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改性麦糟蛋白的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将麦糟蛋白溶解于水中，然后进行超声处理；
(2)调节步骤(1)所得溶液的pH值，再加入供体糖，在水浴中搅拌反应；
(3)将步骤(2)所得溶液进行微波处理，再冷却，离心，干燥，得到改性麦糟蛋白。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述超声处理的条件为：超声功率400～500W，占空比40-60％，超声时间40～60min，脉冲工作时间3～5s，脉冲间隔时间3～5s。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，调节步骤(1)所得溶液的pH值为9.0～11.0，再加入供体糖，在水浴中搅拌反应30～60min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述微波处理的条件为：功率200～400W，时间5～10min。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述超声处理的条件为：超声功率500W，占空比50％，超声时间60min；所述微波处理的条件为：功率400W，时间10min。
6.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，麦糟蛋白溶于水中的浓度为1.0g/100mL～2.0g/100mL；所述超声处理在冰浴中进行，温度保持在10℃以下。
7.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述供体糖为单糖、双糖或多糖中的一种以上；所述麦糟蛋白与供体糖的质量比为4:1～2:1；所述水浴的温度为60～80℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述单糖为葡萄糖；双糖为麦芽糖或蔗糖；多糖为葡聚糖或麦芽三糖。
9.由权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的改性麦糟蛋白。
10.权利要求9所述的改性麦糟蛋白在啤酒中的应用。
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|---|---|---|---|
| CN202111134413.5A CN113896778B (zh) | 2021-09-27 | 一种改性麦糟蛋白及其制备方法与应用 |
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