通过精细研磨和空气分级法提高燕麦粉中的蛋白质含量

《Journal of Cereal Science》：Protein enrichment of oat flour by fine milling and air classification

干分离工艺优化 oat 蛋白质浓缩及成分分析，发现磨粉转速8000 rpm和空气分类转速14000 rpm可使蛋白质含量达36.5–40.0 g/100 g干物质，但需解决脱脂步骤的可持续性问题。

干式分级技术是一种可持续且温和的替代湿法提取的方法，用于生产富含蛋白质的原料。这项研究评估了两种燕麦品种通过精细研磨和空气分级的干式分级潜力。初步试验表明，针对富含淀粉的豆类优化的条件并不直接适用于燕麦，这主要是由于燕麦中的淀粉颗粒尺寸较小。因此，本研究系统地调整了研磨过程中的分级轮速度（5000–8000转/分钟）和空气分级速度（12,000–18,000转/分钟），并针对每种品种应用特定的组合，以确定蛋白质富集的最佳参数。在研磨前进行预研磨和基于己烷的脱脂是必要的，以促进精细研磨的进行。增加研磨过程中的分级轮速度可以改善淀粉的分离效果，并提高空气分级后细粒部分的蛋白质浓度。在8000转/分钟的研磨速度和14,000转/分钟的空气分级速度下，燕麦蛋白浓缩物的蛋白质含量达到初始燕麦颗粒的三倍（36.5–40.0克/100克干物质），质量收率为1.4–3.0%，蛋白质回收率为7.9–10.4%。成分分析显示，细粒和粗粒部分的宏量营养素分布存在显著差异，相较于两种商业燕麦蛋白浓缩物，这表明它们可以针对不同的食品应用进行定向使用。尽管干式分级技术在燕麦蛋白富集方面表现出希望，但仍然需要脱脂步骤，这限制了其整体的可持续性。未来的工作应优先发展更可持续的脱脂策略，并评估所得燕麦原料的工艺功能特性和蛋白质消化率。

现代食品原料生产通常依赖于湿法提取，以获得高纯度的成分，如淀粉和蛋白质浓缩物。然而，湿法提取需要大量水，使用强烈的碱性和酸性条件，并且需要能量密集的干燥过程。对于植物蛋白，这些步骤通常会导致蛋白质变性，失去其天然的功能性。因此，温和且更节能的加工过程对于推动植物基蛋白质的使用至关重要。目前，商业蛋白质浓缩物主要来源于豆类，如豌豆和大豆，因为它们具有高蛋白含量和理想的工艺功能特性。然而，豆类蛋白质在含硫氨基酸方面存在不足，而谷物蛋白质则在赖氨酸方面受限。结合豆类和谷物来源可以改善整体氨基酸平衡和蛋白质质量。在谷物中，燕麦尤其值得关注，因为它们含有β-葡聚糖和高质量的蛋白质，其可消化必需氨基酸得分（DIAAS）约为77%，在谷物中是最高的。尽管燕麦具有这种潜力，但大多数燕麦加工仍然集中在淀粉或β-葡聚糖的回收上，而蛋白质的利用却相对有限。

传统的燕麦蛋白提取通常涉及碱性溶解、酸沉淀和干燥过程。虽然这些湿法提取方法能够获得高纯度的浓缩物，但它们会改变蛋白质的天然结构，并且需要大量的水和能源输入。相比之下，干式分级技术，结合精细研磨和空气分级，提供了一种无需水的加工方式，能够保持蛋白质的天然功能，同时省去了干燥步骤，但牺牲了蛋白质的纯度。干式分级技术已经广泛优化用于豆类，如黄豌豆、扁豆、豆类和扁豆，其中较大的淀粉颗粒有助于在研磨过程中与蛋白质基质分离。然而，在燕麦中，这种分离更为困难，因为燕麦中同时存在复合淀粉颗粒（约22微米）和简单淀粉颗粒（约5微米），后者与燕麦蛋白质体（0.2–6微米）的尺寸相当。

之前只有少数研究尝试将干式分级应用于燕麦。Wu和Stringfellow（1995）通过多次脱脂和研磨步骤后进行空气分级，实现了80%的蛋白质纯度。Sibakov等人（2011）则通过超临界CO?脱脂、针式研磨和连续空气分级循环，获得了73%的蛋白质浓缩物。这些开创性的工作证明了干式分级在燕麦中的可行性，但需要多个加工步骤才能实现蛋白质的富集。因此，本研究旨在开发一种更高效的干式分级过程，以最少的加工步骤获得燕麦蛋白浓缩物。为此，对两种燕麦品种的研磨和空气分级参数进行了系统调整和比较，基于关键性能指标，包括蛋白质含量、质量收率、蛋白质回收率和蛋白质富集度。此外，还对所得燕麦原料的组成进行了全面分析，以深入了解其营养和功能特性，以及潜在的应用。

研究使用了两种去壳燕麦颗粒品种。第一种被称为“燕麦品种1”，是一种有机荷兰燕麦品种，未经热处理，由De Vlijt（荷兰瓦格宁根）提供。第二种称为“燕麦品种2”，是一种蒸汽加热的西班牙燕麦品种（Harivenasa，西班牙纳瓦拉），由Danone Research & Innovation（荷兰乌得勒支）提供。这些品种的具体名称未被供应商披露。此外，还使用了两种商业燕麦蛋白浓缩物作为参考，用于成分分析。这些浓缩物由Fazer Mills（芬兰拉蒂）和Lantm?nnen Biorefineries（瑞典诺尔科平）捐赠。为了保持保密，这些样品在本研究中被随机命名为商业蛋白浓缩物1（CPC1）和商业蛋白浓缩物2（CPC2）。n-己烷由Actu-All Chemicals（荷兰奥斯）购买，并用于燕麦颗粒的脱脂过程。

在燕麦颗粒的预处理阶段，两种燕麦品种均被使用针式磨机（LV 15 M，Condux-Werk，德国汉诺威）研磨成燕麦颗粒。随后，使用定制设计的索氏提取器进行己烷脱脂处理，持续24小时。脱脂后的燕麦颗粒在恒温箱中干燥24小时。脱脂后的颗粒被收集并储存在密封的塑料容器中，温度保持在约5°C，以确保研磨实验的标准样品温度。

在研磨实验中，使用了冲击磨机（Hosokawa-Alpine，德国奥格斯堡）在ZPS配置下对脱脂燕麦颗粒进行精细研磨。分级轮速度和空气流速是决定研磨后粉体颗粒大小分布的关键因素。由于蛋白质富集取决于淀粉颗粒从原始谷物基质中有效分离的能力，因此研磨条件和后续的粉体颗粒大小分布对于蛋白质富集至关重要。在研磨实验中，冲击磨机速度设定为8000转/分钟，空气流速为52立方米/小时，物料进料速率为0.4千克/小时。变量是分级轮速度（CWS），对燕麦品种1，分级轮速度设定为5,000、6,500和8,000转/分钟；对燕麦品种2，设定为6,500和8,000转/分钟。燕麦品种2的研磨从与燕麦品种1相同的8,000转/分钟条件开始。然而，由于燕麦品种2的淀粉颗粒较大且颗粒大小分布较广，因此加入了6,500转/分钟的处理，以获得稍粗的粉体，假设较低的CWS可能已经有助于淀粉与蛋白质的有效分离。研磨处理使用300克的进料材料，每项测试进行两次重复。

在探索性试验中，使用了燕麦品种1的CWS为4000转/分钟，该参数曾被报道在相同设备上成功用于黄豌豆蛋白浓缩物的制备。

空气分级处理使用了空气分级机（ATP，Hosokawa-Alpine，德国奥格斯堡），固定空气流速为52立方米/小时，物料进料速率为0.4千克/小时。分级轮速度被设定为独立变量：所有粉体使用14,000转/分钟，对于在5000和6500转/分钟下研磨的粉体，使用12,000转/分钟；对于在8000转/分钟下研磨的粉体，使用18,000转/分钟。基于燕麦品种1的结果，仅将最有效的CWS（14,000转/分钟）应用于燕麦品种2的粉体，以最大化蛋白质富集。实验设计在附录A（图A.1）中有所示意图。每项空气分级实验产生了细粒和粗粒两部分。实验在重复条件下进行，每项测试使用200克的进料材料。

燕麦品种1和2的成分分析包括水分、蛋白质、脂肪、可消化淀粉、低分子量（LMW）和高分子量（HMW）膳食纤维、总膳食纤维和β-葡聚糖含量。除水分和蛋白质外，所有分析均由外部认证实验室进行。水分含量通过卤素水分分析仪（Sartorius MA37-1，德国哥廷根）在1克样品中进行重力测定。总氮含量通过Dumas方法，使用快速氮燃烧分析仪（Elementar Analysensysteme，德国朗根赛尔布尔）测定。蛋白质含量通过应用转换因子5.83进行计算。脂肪含量通过Randall方法（NEN-EN-ISO 11085）进行重力测定。在该过程中，样品在脂肪提取前经历酸水解，并使用索氏提取器（C. Gerhardt Analytical Systems，德国科因格斯温特）通过石油醚进行脂肪提取。可消化淀粉含量通过AOAC 2014.10方法测定。样品在热稳定α-淀粉酶（100°C，1小时）和淀粉葡萄糖苷酶（50°C，2小时）的酶处理后，通过比色法葡萄糖氧化酶-过氧化物酶（GOPOD）测定葡萄糖含量。总纤维含量，包括HMW和LMW膳食纤维，通过AOAC 2017.16方法测定。β-葡聚糖含量通过AOAC 965.16方法测定，其中样品在使用木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶处理后，通过GOPOD比色法测定葡萄糖含量。所有成分分析均进行两次重复。

为了评估研磨和空气分级处理后的蛋白质浓度，使用了蛋白质含量、质量收率、蛋白质回收率和蛋白质富集率作为指标。蛋白质含量如第2.5节所述进行计算。质量收率表示在感兴趣的部分（如细粒或粗粒部分）中回收的燕麦颗粒的质量百分比。蛋白质回收率（Pr）和蛋白质富集率（Pe）通过公式进行计算。蛋白质回收率和富集率的计算基于样品的质量和蛋白质含量。蛋白质回收率表示细粒部分中蛋白质含量与原始燕麦颗粒中蛋白质含量的比例，而蛋白质富集率表示细粒部分中蛋白质含量与原始燕麦颗粒中蛋白质含量的比值。这些指标的计算有助于评估不同处理条件下的蛋白质富集效果。

为了支持研磨优化，两种燕麦品种的淀粉颗粒被分离出来，以比较其颗粒大小分布（PSD）与所得粉体的PSD。分离方法采用湿法，如Pelgrom等人（2015b）所述。燕麦颗粒在4°C下浸泡过夜，与浸泡水混合后，通过筛分和清洗得到悬浮液。随后，淀粉悬浮液静置，沉淀物重新悬浮在水中，并通过重复离心（3000×g，20分钟）和清洗循环，直到获得白色淀粉浓缩物。最终的沉淀物要么在真空烘箱中干燥至40°C，用于扫描电子显微镜（SEM）分析，要么保持为水悬浮液，用于颗粒大小分析。

在SEM分析之前，样品被安装在9.5毫米的铝托盘上，并使用碳粘合标签进行固定。随后，使用溅射仪（Smart-Coater，日本电子，比利时扎芬特姆）用金进行涂层。使用扫描电子显微镜（JCM-7000，日本电子，比利时扎芬特姆）在5kV的加速电压下，以300倍、1000倍和1500倍的放大倍数拍摄燕麦粉体和各部分的SEM图像。选择最具代表性的图像用于本文。

燕麦粉体的颗粒大小分布（PSD）和选定的干式分级部分的PSD通过激光衍射颗粒大小分析仪（Mastersizer 3000，马尔文Panalytical，英国马尔文）进行测量，使用干式分散单元。粉末以3毫米的出口间隙以50%的进料速率分散，使用高能Venturi分散模式，在3巴的空气压力下进行。分析在1–10%的遮蔽范围内进行，吸收指数为0.01，折射指数为1.52。结果以两次测量的平均值报告，以体积加权分布估计，使用Mie散射模型对非球形颗粒进行计算。此外，报告了平均百分位数Dv10、Dv50和Dv90。

燕麦品种1和2的颗粒大小分布（PSD）在不同分级轮速度下进行测量，并与所得粉体的PSD进行比较。在燕麦品种1的案例中，研磨后的粉体PSD与分离的淀粉PSD显示出最大的重叠，表明在8000转/分钟的研磨速度下，粉体更接近淀粉颗粒的大小分布，从而有利于后续的空气分级过程。然而，在燕麦品种2的案例中，研磨后的粉体PSD与分离的淀粉PSD重叠较少，尽管在8000转/分钟的研磨速度下，空气分级后细粒部分的蛋白质含量达到最高。这表明，燕麦中同时存在复合淀粉颗粒和单个淀粉颗粒，它们的颗粒大小和分布与豆类（如豌豆）不同，这可能影响干式分级的效果。因此，选择或培育具有较大单个淀粉颗粒的燕麦品种可能有助于提高富集效率。

关于空气分级，最高分级轮速度（18,000转/分钟）仅用于燕麦品种1的粉体，以评估是否能够实现更高的蛋白质富集。然而，结果表明，在18,000转/分钟下的细粒部分的蛋白质含量和富集率与在14,000转/分钟下的结果相当。此外，蛋白质回收率在18,000转/分钟下低于14,000转/分钟，这与之前的研究结果一致，即空气分级过程中较高的分级轮速度会导致较低的质量收率和蛋白质回收率。因此，选择在14,000转/分钟下进行空气分级，对于燕麦品种1的粉体研磨后，获得了蛋白质含量较高的细粒部分。

在初步试验中，使用4000转/分钟的分级轮速度对燕麦品种1进行干式分级，但未取得显著的蛋白质富集效果。这表明，针对燕麦的干式分级条件可能与豆类不同。燕麦品种1的细粒部分在6000和8000转/分钟的空气分级下，其蛋白质含量并未显著提高，与原始未脱脂和脱脂燕麦粉体的蛋白质含量相似。此外，比较脱脂和未脱脂粉体的细粒部分蛋白质含量显示，脱脂并未影响空气分级后的蛋白质浓度。然而，脱脂对于减少研磨和空气分级过程中的设备堵塞至关重要，与Sibakov等人（2011）的研究结果一致。脱脂后燕麦颗粒的脂肪含量从5.4降至1.6克/100克干物质，这有助于后续的处理。这可能是由于脂肪含量的减少减少了影响原始粉末颗粒在空气中的分散力，从而减少设备堵塞和损失。

干式分级的成功依赖于多个因素，包括淀粉颗粒的大小和研磨过程中细胞成分的解离。燕麦含有单个淀粉颗粒（约5微米），其大小与蛋白质体（<6微米）相似，使得基于大小的分离变得困难。然而，燕麦还含有复合淀粉颗粒（约22微米），与豌豆中的淀粉颗粒相似，这表明针对豌豆优化的加工参数可能也适用于燕麦。复合淀粉颗粒由多个单独形成的颗粒生长并部分融合而成。经过湿法淀粉分离后，这些复合颗粒可能会解离成其组成部分。这解释了为什么本研究中分离的淀粉样品显示出主要的单峰颗粒大小分布，平均直径分别为燕麦品种1的8.6微米和燕麦品种2的13.6微米。看起来，冲击研磨也会破碎复合颗粒，因为在空气分级后没有观察到富集现象。因此，选择或培育具有较大单个淀粉颗粒的燕麦品种可能会提高富集效率。

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，初步试验中使用的4000转/分钟的分级轮速度在脱脂和未脱脂燕麦颗粒中未能有效释放单个或复合淀粉颗粒。这与颗粒大小分布（PSD）分析结果一致，显示在4000转/分钟下研磨的脱脂燕麦粉体和通过湿法获得的燕麦淀粉的PSD存在显著差异。大约一半的粉体颗粒直径超过33.1微米（Dv50），超过了淀粉大小分布曲线。这表明大多数淀粉仍被困在细胞碎片中，限制了空气分级过程中的蛋白质分离和富集。结合SEM观察结果，这些发现表明需要在研磨过程中选择更高的分级轮速度，以生产更细的燕麦粉体。

在本研究中，选择在8000转/分钟下研磨燕麦品种1和燕麦品种2，并在14,000转/分钟下进行空气分级，以进一步进行成分分析。结果表明，燕麦品种1的细粒部分的蛋白质含量达到36.5–40.0克/100克干物质，质量收率为1.4–3.0%，蛋白质回收率为7.9–10.4%。这些结果表明，尽管质量收率仍然是一个挑战，但在工业规模下，由于减少设备堵塞和损失，质量收率可能有所提高。此外，粗粒部分被证明是一个有价值的副产品，其组成与燕麦粉体相似，但蛋白质含量稍低。这表明，粗粒部分可能适用于某些食品应用，如增稠剂或稳定剂，而不受蛋白质含量的影响。

脱脂仍然是燕麦干式分级过程中一个关键但不可持续的步骤，因为燕麦的脂肪含量较高。在本研究中，使用了传统的己烷提取法，因为其在实验室条件下的高效性和与现有工业基础设施的兼容性。然而，这种方法受到欧洲法规（2009/32/EC）的限制，因为其对食品中脱脂蛋白质原料和面粉的己烷残留有严格的限制。由于本研究中生产的燕麦蛋白浓缩物并非用于消费，因此未测量己烷残留。然而，在实验室规模下，己烷残留是否符合欧洲法规限制仍不确定。尽管己烷提取法有效，但其挥发性、易燃性和作为挥发性有机化合物（VOC）的分类引发了安全和环境方面的担忧。一种绿色替代方案是超临界CO?（scCO?）提取，这是一种无毒、无残留的方法，已在燕麦中成功应用，提高了干式分级的效率，并保留了界面功能特性。然而，scCO?提取需要高操作压力和长提取时间，这限制了其吞吐量。此外，Senarathna和Malalgoda（2024）的研究表明，scCO?提取可能产生蛋白质纯度和溶解性略低于传统己烷脱脂的燕麦蛋白浓缩物。近年来，2-甲基四氢呋喃（2-MeOx）作为一种来源于木质纤维素糖的生物基溶剂，已被授权使用（EU）2023/175指令，并作为己烷的有前景的替代品。它在脂质溶解能力方面与己烷相当，但具有较低的毒性和环境持久性。在玉米胚中，2-MeOx在干式分级后实现了类似的蛋白质富集，但导致不稳定的泡沫，由于较高的残留油含量。这些发现表明，尽管2-MeOx是一种可行的生物基替代品，但其性能仍需在不同的谷物基质中进一步评估。

本研究中选择己烷提取法是基于实验室的可用性和其已证明的效率，而优化脱脂步骤超出了研究的初衷。讨论部分旨在说明该方法的局限性，并突出未来改进更可持续燕麦蛋白加工的潜在途径。燕麦品种2的颗粒含水量略低于燕麦品种1，这可能与燕麦品种2所采用的（超热）蒸汽处理有关。这种处理特别用于失活脂肪酶，从而延长燕麦的保质期。两种燕麦品种的细粒和粗粒部分在蛋白质、淀粉、脂肪和β-葡聚糖含量上有所不同，而总膳食纤维含量在两个部分中保持一致。细粒部分显示出较高的蛋白质和脂肪含量，以及淀粉含量的减少。相比之下，粗粒部分具有较高的淀粉含量，而脂肪含量保持不变，使其成为某些食品应用中的理想增稠剂或稳定剂。脱脂过程去除了燕麦颗粒中约74.37%的脂肪，使得脱脂颗粒的残留脂肪含量为1.64克/100克干物质（燕麦品种1）和2.16克/100克干物质（燕麦品种2）。大多数成分在脱脂后略有增加，而纤维成分保持不变。粗粒部分的纤维谱与脱脂粉体相似，但在细粒部分中，β-葡聚糖含量减少了约50%，而低分子量（LMW）膳食纤维含量略有增加。细粒部分中β-葡聚糖含量的减少可能被视为营养上的劣势，因为燕麦β-葡聚糖有助于促进饱腹感并降低血液胆固醇水平。然而，这种健康益处不仅取决于β-葡聚糖的总含量，还取决于其分子量、所应用的食品基质及其与其他成分的相互作用。此外，β-葡聚糖会影响其应用系统的粘度。因此，β-葡聚糖含量较低的燕麦蛋白浓缩物可能更适合用于增加植物基或混合饮料的蛋白质含量，而不会显著增加其粘度。

商业蛋白浓缩物生产商声称使用温和的湿法处理来获得CPC1和CPC2，这可能解释了这些成分的中等蛋白质含量。CPC2的蛋白质含量较高（60.19克/100克干物质），与CPC1的淀粉含量相似。这两种浓缩物的脂肪含量大约是本研究中细粒部分的四倍，这表明在加工过程中可能没有进行脱脂步骤。根据食品应用的不同，这种较高的脂肪含量可能有利或不利，因为它可以影响燕麦蛋白和淀粉的工艺功能特性，如起泡性、凝胶化和粘度。本研究中的细粒部分含有比CPC2更高的总膳食纤维，包括HMW和LMW纤维，以及β-葡聚糖。然而，在所有蛋白质浓缩物中，CPC1表现出最高的这些成分含量。成分的适用性取决于预期的工艺功能特性和所需的营养和感官特性。CPC1由于其高纤维含量，可能更适合固体应用，如肉制品替代品。对于需要相似蛋白质含量但较低β-葡聚糖和总纤维含量的半固体和液体配方，本研究中生产的细粒部分可能更合适。最终，如果更高的蛋白质富集和较低的纤维含量是优先考虑的因素，CPC2似乎提供了最有利的特性。

本研究的结果表明，通过优化研磨和空气分级参数，特别是8000转/分钟的研磨速度和14,000转/分钟的空气分级速度，可以提高燕麦粉体的蛋白质浓度。在这些条件下，细粒部分的蛋白质含量达到初始燕麦颗粒的三倍，尽管质量收率和蛋白质回收率有所下降。同时，本研究也强调了燕麦脱脂的必要性和挑战，突出了开发更可持续和可扩展的脱脂方法以实现工业可行性的需求。研究结果建立了干式分级策略，以生产具有不同组成特征的燕麦原料，表明细粒和粗粒部分在功能性和营养应用上具有不同的潜力。未来的研究应重点开发更可持续的脱脂技术，并全面表征所得燕麦蛋白浓缩物的工艺功能特性和消化率，以充分发挥这些燕麦蛋白浓缩物在食品工业中的应用潜力。