β-葡聚糖對大豆分離蛋白酸致混合凝膠流變性的影響

趙城彬 劉 暢 張 瑤 劉金陽 陳 旸 林海晶 吳 非

(東北農業大學食品學院1，哈爾濱 150030)(哈爾濱市農產品質量安全檢驗檢測中心2，哈爾濱 150070)

β-葡聚糖對大豆分離蛋白酸致混合凝膠流變性的影響

趙城彬1劉 暢2張 瑤1劉金陽1陳 旸1林海晶1吳 非1

(東北農業大學食品學院1，哈爾濱 150030)(哈爾濱市農產品質量安全檢驗檢測中心2，哈爾濱 150070)

采用乳酸菌對大豆分離蛋白(SPI)/β-葡聚糖混合體系進行發酵制備酸致凝膠，研究β-葡聚糖濃度(0.4～1.6 mg/100 mL)和分子質量(OGL80～OGL360)對SPI(4、6、8 mg/100 mL)酸致混合凝膠流變性的影響。結果表明：在SPI中添加β-葡聚糖不會改變大豆蛋白的變性溫度，但會使表面疏水性由81.97降低至71.83。一定濃度β-葡聚糖會使SPI酸致凝膠的起點由1 Pa降至0.01～0.1 Pa，甚至降低凝膠終點G′至10 Pa以下不能形成凝膠。而高分子質量β-葡聚糖通過增加體系黏度而減少分層現象并保持體系穩定，從而降低或消除β-葡聚糖對SPI酸致混合凝膠的弱化作用，甚至會改善混合體系凝膠強度。

β-葡聚糖 大豆分離蛋白 混合凝膠 流變性

大豆分離蛋白(SPI)作為食品配方中的功能性成分，由于其具有高營養價值和多種功能特性被廣泛應用于食品工業中[1]。凝膠性是大豆蛋白一個重要的功能特性，是蛋白質形成三維空間網狀結構的性質，對食品質構特性的改善有很大影響[2]。大豆蛋白的凝膠性可以通過添加其他凝膠劑的方法而得到改善，例如多糖。β-葡聚糖是一種非淀粉多糖，燕麥和大麥中含量較高，主要存在于谷物胚乳和糊粉層中，基本結構是由D-葡萄糖以β-(1→4)和β-(1→3)糖苷鍵連接而成的線性多糖[3]。β-葡聚糖可在水溶液中呈現不規則的形狀，導致其溶解性和吸水溶脹能力較強，形成高黏度溶液，并發揮多種生理功能的作用，如調節免疫、降血脂、降血糖等[4]，而這些生理功能與其溶液流變性有密切關系。此外，β-葡聚糖還具有一定的凝膠性，不但與其黏性有關，還受其濃度和分子質量的影響。蛋白質與β-葡聚糖可以相互作用形成混合凝膠，其分子結構、理化特性和加工條件等因素會影響混合凝膠體系的流變特性、微觀結構和質構特性等[5]。近年來，國內外已有學者對蛋白質與β-葡聚糖混合凝膠體系進行研究，Lazaridou等[6]對燕麥β-葡聚糖/酪蛋白酸鈉混合體系的凝膠性進行研究，探究β-葡聚糖濃度和分子質量對凝膠體系流變性和相分離行為的影響，進而評價多糖對發酵乳制品質地的影響。趙城彬等[7]將不同分子質量燕麥β-葡聚糖添加到大豆分離蛋白中，采用乳酸菌對其進行發酵制備酸致混合凝膠，探討燕麥β-葡聚糖濃度和分子質量對SPI凝膠的脫水收縮作用、質構特性和持水性的影響。但關于β-葡聚糖對SPI酸致混合凝膠流變性影響的研究卻鮮有報道。本試驗采用乳酸菌對SPI/β-葡聚糖混合體系進行發酵制備酸致凝膠，采用流變儀研究β-葡聚糖濃度和分子質量對SPI酸致混合凝膠流變性的影響，進而探討蛋白質與多糖間的相互作用關系，為提高SPI的功能性質和拓展其應用范圍提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

燕麥：市售；SPI：哈高科食品有限責任公司；保加利亞乳桿菌L12：東北農業大學乳品重點實驗室。

α-淀粉酶：上海生工AMRESCO產品；胰酶：美國Amresco公司；Sepharaose CL-4B柱子：美國GE公司；Dextran系列標準樣品：美國Sigma公司；乙酸鋅、亞鐵氰化鉀：北京新光化工試劑廠；葡萄糖、無水乙醇、磷酸、鹽酸均為分析純。

F2102型植物試樣粉碎機：天津泰斯特儀器有限公司；JY98-IIID型超聲波細胞破碎儀：寧波新芝生物科技有限公司；旋轉蒸發儀：上海博訊實業有限公司醫療設備廠；LGJ-1冷凍干燥機：上海醫用離心機廠；電熱恒溫水浴鍋：余姚市東方電工儀器廠；恒溫培養箱：北京市永光明醫療儀器廠；pHS-3C型酸度計：上海鵬順科學儀器有限公司；PE Pyris 6差示掃描量熱儀：美國PULUS TA.XT公司；F-4500熒光分光光度計：日本HITACHI公司；馬爾文流變儀：英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 β-葡聚糖的制備

燕麥粉碎過篩后與水混合，堿性條件下超聲提取[8]后離心取上清液。加入中溫α-淀粉酶酶解除淀粉，離心取上清液。將上清液冷卻后采用胰酶酶解結合蛋白沉淀劑的方法除蛋白，離心取上清液。將上清液減壓濃縮后加入無水乙醇靜置過夜，離心收集沉淀。沉淀加水復溶，冷凍干燥得β-葡聚糖提取物。用磷酸調節β-葡聚糖溶液pH為2，80 ℃下水解不同的時間[9]，冷卻至室溫，調pH為7，冷凍干燥得到不同分子質量β-葡聚糖。β-葡聚糖的分子質量采用凝膠過濾色譜法測定[10]，分別為360、300、250、190、80 ku，分別用OGL360、OGL300、OGL250、OGL190和OGL80來表示。

1.2.2 SPI/β-葡聚糖酸致凝膠的制備

將不同分子質量(360、300、250、190和80 ku)的β-葡聚糖分散到一定量的蒸餾水中，80 ℃下攪拌使其完全溶解，配成0.4、0.8、1.2、1.6 mg/100 mL的多糖溶液。將多糖溶液冷卻后，分別加入4、6、8 mg/100 mL的SPI，室溫下磁力攪拌2 h充分混勻，形成SPI/β-葡聚糖混合溶液，然后于95 ℃加熱15 min，冷卻后添加4%葡萄糖，然后接種3%的保加利亞乳桿菌，42 ℃發酵5 h，然后4 ℃冷藏12 h得到凝膠。對照組為不含β-葡聚糖的SPI凝膠。

1.2.3 熱性質(DSC)的測定

根據Arntfield等[11]的方法對樣品的熱性質進行分析。將樣品溶液凍干后，取3.0 mg放入鋁盒中，加入10 μL的0.01 mol/L的磷酸緩沖溶液(pH 7)密封，以5 ℃/min的升溫速率由20 ℃加熱到120 ℃，采用空鋁盒作為對照。記錄此過程的吸熱峰溫度(Tp)和熱焓值(ΔH)。

1.2.4 表面疏水性(H0)的測定

參照Kato等[12]的ANS熒光探針法對樣品的表面疏水性進行測定。將樣品溶液用0.05 mol/L、pH 7的磷酸鹽緩沖溶液稀釋至1 mg/mL，在10 000 g下離心20 min，采用Lowry法檢測上清液中蛋白質含量。將上清液用同樣的緩沖液稀釋至蛋白質量濃度為0.05～1 mg/mL，將20 mL濃度為8 mmol/L的ANS溶液分別與1 mL不同濃度的樣品溶液混合，搖勻后測定樣品的熒光強度。激發波長λex為390 nm，發射波長λem為470 nm，以熒光強度對蛋白質濃度作圖，初始斜率即為表面疏水性(H0)。

1.2.5 pH的測定

在不同的發酵時間下，采用pHS-3C型酸度計對樣品溶液的pH進行測定。

1.2.6 凝膠流變性的測定

參照Lazaridou的方法[13]對酸致凝膠流變性進行測定。將接種后的樣品溶液置于流變儀平板上，設定平板間距1 000 μm，使平板間完全充滿溶液，在溶液裸露部位滴1～2滴礦物油覆蓋防止水分蒸發，加上保溫套準備測定。調整頻率為1 Hz、應變為0.005，42 ℃下連續測定5 h，記錄此過程的彈性模量(G′)及黏性模量值(G″)隨時間的變化。初始的應變掃描試驗顯示應變在凝膠線性黏彈區域內。

1.2.7 統計分析

每個試驗重復3次，結果表示為平均數x±s。采用統計學軟件SPSS17.0對試驗數據進行統計分析，采用Origin8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 SPI/β-葡聚糖混合物熱性質(DSC)及表面疏水性(H0)分析

表1顯示SPI/β-葡聚糖混合物和對照組SPI的吸熱峰溫度(Tp)、熱焓值(ΔH)和表面疏水性(H0)。與對照組相比，無論是β-伴大豆球蛋白(7S組分)還是大豆球蛋白(11S組分)，SPI/β-葡聚糖混合物的吸熱峰溫度(Tp)和熱焓值(ΔH)沒有明顯改變，這表明在SPI中加入β-葡聚糖對蛋白質的變性溫度幾乎沒有影響，這與Zhu等[14]的研究結果一致。此外，所有樣品的Tp最大值約為93～94 ℃左右，在接菌前采用95 ℃熱處理可使蛋白質完全變性。

蛋白質變性過程中疏水殘基的暴露會使表面疏水性(H0)增加。與對照組相比，在SPI中添加β-葡聚糖不會影響SPI(無論7S組分還是11S組分)的熱變性，但會使蛋白質的H0由81.97降低至71.83(表1)。這很可能是由于β-葡聚糖與蛋白質間的相分離引起蛋白質通過疏水相互作用發生聚集，這會導致H0的降低[15]。此外，SPI/β-葡聚糖混合物H0的降低也可能是由于多糖屏蔽了蛋白質表面的疏水區造成的。

2.2 SPI/β-葡聚糖酸致混合凝膠的形成過程及凝膠時間

圖1為SPI/β-葡聚糖酸致混合凝膠曲線。由圖1可以看出，乳酸菌發酵產酸使pH下降，最終達到蛋白質的等電點4.5左右。SPI/β-葡聚糖和對照組SPI(數據未給出)酸化過程中pH下降趨勢是相似的，發酵過程中pH的變化不受β-葡聚糖的影響，只與乳酸菌種類和發酵條件有關[7]。酸化過程中，G′和G″增加，tanδ降低，最終到達一個恒定值。這表明隨著體系pH值逐漸下降至蛋白質等電點，蛋白分子間和分子內結構發生重排，結合逐漸加劇，最終形成一個穩定的凝膠結構[16]。

圖1 SPI/β-葡聚糖酸致混合凝膠曲線

表2 SPI/β-葡聚糖酸致混合凝膠的凝膠時間tgel/h

β-葡聚糖SPI/mg/100mL468對照組1.34(±0.32)1.21(±0.46)1.30(±0.29)0.4mg/100mLOGL2500.12(±0.05)0.06(±0.01)0.09(±0.02)0.8mg/100mLOGL2500.23(±0.04)0.18(±0.05)0.13(±0.06)1.2mg/100mLOGL2500.29(±0.06)0.44(±0.08)0.34(±0.09)1.6mg/100mLOGL2500.46(±0.09)0.48(±0.06)0.55(±0.15)1.2mg/100mLOGL80-0.05(±0.02)-1.2mg/100mLOGL190-0.12(±0.04)-1.2mg/100mLOGL300-0.53(±0.09)-1.2%(w/v)OGL360-0.64(±0.12)-

“-”表示未測定

表2為SPI/β-葡聚糖酸致混合凝膠的凝膠時間tgel。由表2可以看出，在SPI酸致凝膠中加入β-葡聚糖會明顯縮短凝膠時間，而凝膠時間會隨著β-葡聚糖濃度和分子質量的增加而延長，但都低于對照組。β-葡聚糖與大豆蛋白的不相容性可能會影響膠凝之前的聚合[17]，研究表明通過增加β-葡聚糖的量來增加膠凝時間(表2)，從而使蛋白聚合物在凝膠點后發生重排。

2.3 β-葡聚糖濃度對SPI酸致凝膠流變性的影響

圖2為6 mg/100 mL SPI與不同濃度β-葡聚糖(OGL190)酸致混合凝膠彈性模量G′隨時間的變化。由圖2可以看出，對照組SPI體系的起始G′為1 Pa左右，而混合體系的起始G′為0.01～0.1 Pa之間，均低于對照組，且G′

圖2 SPI與不同濃度β-葡聚糖酸致混合凝膠彈性模量G′隨時間的變化

圖3為SPI與不同濃度β-葡聚糖(OGL190)酸致混合凝膠發酵終點的彈性模量G′。由圖3可以看出，在SPI酸致凝膠中添加一定濃度的β-葡聚糖主要降低了混合體系的凝膠強度(G′)，甚至降到10 Pa以下不能形成凝膠。隨著β-葡聚糖濃度的增加(0.4～1.6 mg/100 mL)，混合凝膠的強度(G′)呈先降低后增加的趨勢(4 mg/100 mL SPI)或稍有起伏(6、8 mg/100 mL SPI)。β-葡聚糖雖然會削弱SPI的凝膠強度，但隨著β-葡聚糖濃度的增加，多糖分子填充到網絡結構中，增加了大豆蛋白的有效濃度，使凝膠的彈性和強度又稍有回升[19]。此外，低濃度SPI不如高濃度SPI酸致凝膠網絡結構緊密，更易受到β-葡聚糖的影響。

注：橫坐標1～3分別表示4、6、8 mg/100 mL SPI。下同。

圖3 SPI與不同濃度β-葡聚糖酸致混合凝膠發酵終點的彈性模量G′

2.4 β-葡聚糖分子質量對SPI酸致混合凝膠流變性的影響

圖4為6 mg/100 mL SPI與不同分子質量β-葡聚糖酸致混合凝膠彈性模量G′隨時間的變化。與圖2的結果相似，在SPI酸致凝膠中加入不同分子質量的β-葡聚糖會降低混合體系的凝膠起點(圖4)，同時也會縮短凝膠時間(表2)。結合圖2可知，無論多糖濃度高低、分子質量大小，β-葡聚糖都會降低SPI酸致凝膠的起點，并縮短凝膠時間。

圖4 SPI與不同分子質量β-葡聚糖酸致混合凝膠彈性模量G′隨時間的變化

圖5為SPI與不同分子質量β-葡聚糖酸致混合凝膠發酵終點的彈性模量G′。由圖5可以看出，在SPI(4、6、8 mg/100 mL)中加入β-葡聚糖會降低凝膠強度，隨著β-葡聚糖分子質量的增加(OGL80～OGL360)，混合體系的凝膠強度(G′)呈增加趨勢，但都低于各自的對照組，只有4 mg/100 mL SPI-OGL360混合凝膠的強度(G′)高于對照組。這表明高分子質量的β-葡聚糖能夠降低或者消除其對SPI酸致混合凝膠的弱化作用，甚至會改善SPI酸致混合凝膠網絡結構，提高凝膠強度。高分子質量β-葡聚糖能夠增加體系黏度，從而固定住蛋白膠粒，減少由于排斥絮凝引起的體系分層現象，保持體系穩定[20]。雖然提高β-葡聚糖分子質量能夠改善凝膠強度，但在一定程度上仍然會影響大豆蛋白凝膠的形成，即延長凝膠時間(表2)。這表明黏性多糖對蛋白膠粒的固定作用，阻礙了排斥絮凝現象的發生，卻延緩了大豆蛋白凝膠的形成。

圖5 SPI與不同分子質量β-葡聚糖酸致混合凝膠發酵終點的彈性模量G′

3 結論

將不同分子質量(OGL80～OGL360)的燕麥β-葡聚糖以0.4～1.6 mg/100 mL加入到SPI酸致凝膠中(蛋白濃度4、6、8 mg/100 mL)，探討β-葡聚糖濃度和分子質量對SPI酸致混合凝膠流變性的影響。結果表明：在SPI中添加β-葡聚糖不會改變大豆蛋白的變性溫度，但會降低蛋白質的表面疏水性。一定濃度β-葡聚糖會降低SPI酸致凝膠的起點，同時會產生排斥絮凝作用，并且吸附大豆蛋白微粒，使蛋白網絡結構的連續性被打破，從而削弱凝膠強度，但卻能使蛋白更快的形成凝膠。而高分子質量β-葡聚糖能增加體系黏度，固定住蛋白膠粒，減少由于排斥絮凝引起的體系分層現象并保持體系穩定，從而降低或消除β-葡聚糖對SPI酸致混合凝膠的弱化作用，甚至會改善混合體系凝膠強度，但在一定程度上會延長凝膠形成時間。

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Effect of β-Glucans on Rheology of Soybean Protein Isolate Acid-Set Mixed Gels

Zhao Chengbin1Liu Chang2Zhang Yao1Liu Jinyang1Chen Yang1Lin Haijing1Wu Fei1

(College of Food Science, Northeast Agricultural University1, Harbin 150030)(Harbin Examing and Inspection Center for Agricultural Products Safety and Quality2, Harbin 150070)

Soybean protein isolate (SPI)/β-glucans acid-set mixed gels were prepared by fermentation using lactobacillus. The effect of concentration (0.4～1.6 mg/100 mL) and molecular weight (OGL80～OGL360) of β-glucans on rheology and microstructure of SPI (4、6、8 mg/100 mL) acid-set mixed gels were researched. Results showed that additions of β-glucan into SPI have no affect on the denaturation temperatures of soybean protein, while it reduced surface hydrophobicity from 81.97 to 71.83. A certain concentration of β-glucans could reduce the starting point of SPI acid-set gel from 1 Pa to 0.01～0.1 Pa. And it even reduced the end point G′ of gel below 10 Pa, which could not form gels. However, high molecular weight β-glucans reduced stratification and keeped the system stable by increasing the viscosity of system, which reduced or eliminated the weakening effect of the β-glucans on SPI acid-set mixed gels, and even improved gel strength of mixed system.

β-glucans,soybean protein isolate, mixed gels, rheology

TS201.7

A

1003-0174(2016)12-0045-06

東北農業大學研究生科技創新項目(yjscx14059)

2015-05-14

趙城彬，男，1987年出生，博士，糧食油脂及植物蛋白工程

吳非，女，1968年出生，教授，大豆產品精深加工