不同類型蛋白質水溶液的介電特性

孔繁榮，郭文川，李偉強，王東陽

（西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100）

不同類型蛋白質水溶液的介電特性

孔繁榮，郭文川*，李偉強，王東陽

（西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100）

為了解不同類型蛋白質水溶液的介電特性，為液態食品的蛋白質摻假提供新的檢測方法，本實驗采用同軸探頭技術，研究了室溫25 ℃、20～4 500 MHz頻率范圍內不同質量分數（0%～4.63%）的蛋白質（大豆蛋白、乳清蛋白和卵蛋白）水溶液的相對介電常數ε’和介質損耗因數ε”的變化規律。結果表明，隨著頻率的增大ε’逐漸減小，而ε”先減小后增大；當蛋白質質量分數相同時，大豆和乳清蛋白水溶液的ε’和ε”值均比較接近，與卵蛋白水溶液之間存在明顯差異；在特定的頻率段內，蛋白質水溶液的ε’（160～600 MHz和1 400～4 500 MHz）和ε”（20～1 400 MHz）與蛋白質質量分數間存在較好的線性相關性，其相關系數分別達到0.90和0.99。研究表明，不同類型和質量分數的蛋白質水溶液介電特性的變化規律不同，這使得基于介電特性檢測蛋白飲料中蛋白質的類型及其質量分數成為可能。

大豆蛋白；乳清蛋白；卵蛋白；質量分數；介電特性

蛋白質是生命的物質基礎，其在人體各項生命活動中扮演著至關重要的角色，具有糖類和脂肪等營養物質無法代替的作用[1]。因此，蛋白飲料，即乳及乳制品、植物蛋白飲料和復合蛋白飲料[2]，深受消費者的喜愛。蛋白質含量是評價蛋白飲料質量的重要指標之一[3]。為了提高食品中的蛋白質含量從而獲得更高的利潤，不法商家利用廉價的蛋白質進行摻假或者以次充好的現象已不罕見。傳統的蛋白質含量測量方法是依據GB 5009.5—2010《食品中蛋白質的測定》規定的凱氏定氮法進行測量。該方法不僅耗時長，而且僅能測定樣品總氮含量，無法區分蛋白質種類。尋找能夠快速識別溶液中蛋白質種類的方法對蛋白飲料的質量監督具有重要意義。

介電特性反映的是處于電磁場中的物質與電磁波的相互作用[4]，以相對介電常數ε’和介質損耗因數ε”表示，分別代表物質貯存和消耗電場能量的能力[5-6]。影響介電特性的因素有電磁波頻率、溫度[7-8]和物質的成分如含鹽量[9]、含水率[10]、蛋白質含量[11]等。對蛋白飲料介電特性的研究主要集中在乳及乳制品方面。金亞美等[12]對全脂和脫脂乳粉的介電特性進行了研究，表明引起兩類乳粉介電特性差異的因素可能是脂肪和乳糖含量。魯勇軍等[13]測量了黃油、奶酪、酸乳和牛乳的介電特性，發現乳制品的介電常數會因其種類和成分不同而呈現明顯差異。本課題組前期對生鮮乳介電特性的研究表明，乳的濃度[14]、脂肪含量[7]、蛋白質含量[15-17]均會影響其介電特性。對于蛋白質溶液介電特性的研究發現肌原纖維蛋白的ε’和ε”隨著頻率的增大而減小[18]，大豆分離蛋白溶液的ε’和ε”隨著濃度的增加而增大[19]。目前，檢測不同種類蛋白質的方法已有多種，如電泳法[20]、色譜法[21]、光譜法[22]、比濁法[23]等，但介電檢測是一種新興的無損檢測技術[24]，具有耗時短、成本低、易于實現實時檢測等優點，且利用介電特性識別蛋白質種類的研究鮮見報道。

本研究以大豆蛋白、乳清蛋白和卵蛋白水溶液為對象，利用同軸探頭技術測量室溫（25℃）條件下20～4 500 MHz范圍內蛋白質水溶液的介電參數，研究不同類型蛋白質及不同質量分數對其水溶液介電特性的影響規律，旨在為蛋白飲料中不同類型蛋白質的識別提供新的檢測方法。

1 材料與方法

1.1 材料

WPI90分離型乳清蛋白粉 美國Hilmar公司；卵蛋白粉 國藥集團化學試劑有限公司；大豆蛋白粉美國Puritan’s Pride健康食品公司。

表 1 3 種蛋白粉的主要成分Table 1 Major components of three protein powders

表1給出了3 種蛋白粉的主要成分。大豆蛋白粉中蛋白質、脂肪、灰分和水分含量的測定依據GB/T 22493—2008《大豆蛋白粉》；乳清蛋白粉和卵蛋白粉中蛋白質、脂肪、灰分和水分含量的測定分別依據GB 5009.5—2010、GB 5413.3—2010《嬰幼兒食品和乳品中脂肪的測定》、GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》和GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》。材料在實驗期間置于4 ℃條件下保存。實驗以自來水為溶劑，所用自來水的電導率為（155＋10）μS/cm2。

1.2 儀器與設備

85070E-020末端開路同軸探頭、E5071C型網絡分析儀（配有Agilent Connection Expert 和85070軟件）馬來西亞Agilent Technology公司；DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司；FA2104N型電子天平（精度0.000 1 g） 上海精密科學儀器有限公司；數顯探針式溫度計 意大利Hanna公司；臺式電腦 聯想公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品配備

實驗前2 h準備好所需自來水并將所用樣品從冷藏室中取出，恢復至室溫。對于每一種蛋白粉，稱取約200 g的自來水20 份，分別按照給每100 g自來水中添加1、2、3、4、5 g蛋白質的比例配制不同質量分數的蛋白質水溶液。制備得到的水溶液中蛋白質質量分數分別為0.99%、1.94%、2.86%、3.78%和4.63%（誤差為±0.01%）。

1.3.2 介電參數的測量

將網絡分析儀預熱1 h后，設定掃描類型為對數掃描，然后對其端口依次進行開路、短路和50?Ω負載校準。啟動Agilent Connection Expert和85070軟件，設定掃描頻率范圍為20～4 500 MHz，掃描點數為201個，進而對85070E-020探頭依次進行開路、短路和25 ℃去離子水校準。

儀器校準完成后，將制備的樣品攪拌均勻并倒入3個50 mL試管中，利用水浴鍋將待測樣品溫度控制在（25±0.5） ℃范圍內，提升升降臺使同軸探頭充分浸入待測樣品中。對每個試管中的樣品進行3次介電參數的測量，3 個重復樣品9 次測量結果的平均值作為該樣品的最終測量結果。

2 結果與分析

2.1 頻率對蛋白質水溶液介電特性的影響

圖 1 頻率對乳清白蛋白（a）、卵蛋白（b）和大豆蛋白（c）水溶液ε’的影響Fig. 1 Effect of frequency on ε’ of aqueous solutions of whey protein (a), egg albumin (b) and soy protein (c)

圖1和圖2分別為20～4 500 MHz范圍內頻率對乳清蛋白、卵蛋白和大豆蛋白水溶液介電參數ε’和ε”的影響規律。圖1表明，自來水的ε’在20～2 000 MHz范圍內幾乎不變；在2 000～4 500 MHz頻率范圍內，隨著頻率ε’的增加而逐漸減小，符合常溫條件下自由水的ε’隨頻率變化的規律[11]。3 種蛋白質水溶液的ε’均隨著頻率的增大而減小。乳清蛋白和大豆蛋白水溶液的ε’隨頻率變化的趨勢相似，即在20 MHz附近，ε’隨著蛋白質質量分數的增大而增大，而當大于180 MHz時，ε’隨著蛋白質質量分數的增大而減小。當頻率小于400 MHz，卵蛋白水溶液的ε’隨著蛋白質質量分數的增大而增大，而當大于2 300 MHz時，又隨著蛋白質質量分數的增大而減小，而且隨著蛋白質質量分數的增加，ε’隨著對數頻率的增加而線性減小的趨勢越明顯。

圖 2 頻率對乳清蛋白（a）、卵蛋白（b）和大豆蛋白（c）水溶液ε”的影響Fig. 2 Effect of frequency on ε” of aqueous solutions of whey protein (a), egg albumin (b) and soy protein (c)

圖2表明，自來水的ε”隨頻率的增加先減小后增大，最小值出現在280 MHz左右。蛋白質水溶液ε”隨頻率變化的規律與自來水相同，但ε”出現最小值時的頻率隨著蛋白質質量分數的增加而增大。乳清蛋白水溶液的ε”在小于1 900 MHz時隨著蛋白質質量分數的增加而增大，卵蛋白和大豆蛋白水溶液的ε’在測試頻段內隨蛋白質質量分數的增加而增大。

電介質在電場中存在偶極子、電子和原子的極化現象[11]，ε’則代表介質極化能力的強弱。隨著頻率的不斷增大，偶極子振動速率逐漸滯后于電場的變化[10]，極化能力減弱，因此ε’也逐漸減小。在所研究的頻段內，引起介電損耗的主要原因是離子導電性和偶極子的取向極化[11]。Ryyn?nen[25]指出由于離子的導電性引起的介電損耗εσ”可以表示為：

式中：σ為電導率/（S/m）；ε0為自由空間中的介電常數，為8.854×10－12F/m；f為頻率/Hz。

對式（1）兩邊取對數，即：

由式（2）可以看出，εσ”的對數與頻率f的對數呈負線性相關性。

狹義上的射頻是指300 kHz～300 MHz的電磁波，而300 MHz～300 GHz的電磁波被稱為微波。由圖2可以看出，當頻率小于300 MHz時，在雙對數坐標下乳清蛋白溶液的ε”與頻率之間良好的負線性關系，說明εσ”是引起射頻下介電損耗的主要原因。而在大于300 MHz的微波頻段，離子導電性引起介電損耗的作用減小，偶極子的取向極化成為引起介電損耗的主要因素。

2.2 蛋白質種類對其水溶液介電特性的影響

圖 3 不同類型的蛋白質水溶液ε’和ε”的變化規律Fig. 3 Effect of protein type on ε’ and ε” of protein solutions

圖3是當蛋白質質量分數為（3.78±0.01）%時，不同類型的蛋白質水溶液的介電參數隨頻率的變化規律。圖3a表明，3 種蛋白質水溶液的ε’均隨頻率的增大而減小，但卵蛋白水溶液的減小速率較快。當頻率小于1 600 MHz時，卵蛋白水溶液的ε’大于其他兩種蛋白質水溶液，且頻率越小差值越大。對于蛋白質質量分數為0.99%、1.94%、2.86%和4.63%（誤差均為±0.01%）的水溶液，分別在小于700、1 450、1 700 MHz和2 200 MHz時出現類似的現象。圖3b表明，在整個頻率范圍內，3 種蛋白質水溶液的ε”均隨頻率的增大先減小后增大，且在小于1 000 MHz時，卵蛋白水溶液的ε”明顯高于其他兩種蛋白質水溶液。此現象同樣發現于蛋白質質量分數為0.99%、1.94%、2.86%和4.63%（誤差均為±0.01%）的水溶液。

由于卵蛋白粉的灰分明顯高于其他兩種蛋白粉，即其水溶液中含有的離子數較多，這可能是在低頻下卵蛋白水溶液ε’和ε”明顯較高的原因。隨著頻率的增大，卵蛋白水溶液中偶極子的極化能力減弱較迅速，因此當頻率大于1 600 MHz時，卵蛋白水溶液的ε’小于其他兩種蛋白質水溶液。此外，Wolf等[26]對蛋白溶液弛豫動力學的研究發現，直流電導率與水合動力學之間有著密切的聯系，但尚不清楚其間關聯的機理。另有研究表明不同類型蛋白質的持水性不同，乳清蛋白的水合值為0.32～0.60 g水/g蛋白質[27]；大豆分離蛋白的持水能力為4.40～6.25 g水/g蛋白質[28]；雞蛋（卵）蛋白的持水性為1.22 g水/g蛋白質[29]。持水性不同則溶液中自由水和結合水的組成不同，從而導致溶液中極性蛋白質分子、自由水分子和結合水分子的運動存在差異，從而影響溶液的介電弛豫。此外，雖然這3 種蛋白質都屬于生物大分子，但其相對分子質量存在差異。蛋白質的持水性、相對分子質量以及灰分等含量對蛋白質水溶液介電特性綜合影響的機理尚需進一步研究。

結果說明，在整個測試頻段內，大豆蛋白和乳清蛋白水溶液的ε’和ε”數值均相近，其與卵蛋白水溶液存在較大差異。利用介電特性的方法識別溶液中存在的卵蛋白具有可行性，但是區分大豆蛋白與乳清蛋白還需要進行更深入的研究。

2.3 蛋白質質量分數對其水溶液介電特性的影響

圖 4 27.12 MHz條件下蛋白質質量分數對其水溶液ε’和ε”的影響規律Fig. 4 Effect of protein concentration on ε’ and ε” of protein solutions at 27.12 MHz

圖 5 2 450 MHz條件下蛋白質質量分數對其水溶液ε’和ε”的影響規律Fig. 5 Effect of protein concentration on ε’ and ε” of protein solutions at 2 450 MHz

圖4和圖5分別為27.12 MHz和2 450 MHz條件下不同類型蛋白質水溶液的介電參數隨蛋白質質量分數的變化規律。其中，27.12 MHz和2 450 MHz是美國聯邦通訊委員會規定的用于工業、科學和醫學領域的頻率。圖4表明27.12 MHz時3 種類型蛋白質水溶液的ε’和ε”均隨蛋白質質量分數的增加而線性增大，其中卵蛋白水溶液的ε’和ε”增長最快。圖5表明，2 450 MHz時，隨著蛋白質質量分數的增加3 種類型蛋白質水溶液的ε’線性減小，而ε”仍線性增大。研究表明，在不同的頻率條件下蛋白質質量分數對其水溶液介電特性的影響規律不同。

圖 6 20～4 500 MHz間ε’和ε”分別與蛋白質質量分數間的線性相關系數Fig. 6 Linear correlations of ε’ and ε” with protein concentration at a frequency ranging from 20 to 4 500 MHz

圖6所示為201個頻率時的ε’和ε”分別與3 種蛋白質質量分數之間的線性相關系數Rε’和Rε”。圖6a說明，在20～45 MHz間大豆蛋白和乳清蛋白的ε’與蛋白質質量分數之間呈現正相關，而在160～4 500 MHz間呈現負相關，|Rε’|＞0.9 0。對于卵蛋白，在2 0～6 0 0 M H z和1 400～4 500 MHz間分別呈現正相關和負相關，|Rε’|＞0.90。圖6b表明，當頻率小于1 400 MHz時，3 種蛋白質水溶液的ε”均與蛋白質的質量分數間呈現正相關，且|Rε”|達到0.99。

表 2 特定頻率條件下蛋白質水溶液的介電參數與蛋白質質量分數間的線性關系式及相關系數RTable 2 Linear equations and correlation coef fi cients R between ε’ as well as ε” and protein concentration at several given frequencies

表2給出了27.12、40.68、915、2 450 MHz條件下蛋白質水溶液的介電參數與蛋白質質量分數之間的線性關系式及線性相關系數。在一定頻率條件下，介電參數與蛋白質質量分數之間良好的線性相關性說明依據介電參數可以計算水溶液中大豆蛋白、乳清蛋白以及卵蛋白的量。相關研究發現，依據介電參數計算牛乳中的大豆蛋白和乳清蛋白的添加量是可行的[30]。

為了驗證表2中線性關系式的可靠性，以大豆蛋白粉、乳清蛋白粉和卵蛋白粉為樣品，在0%～4.63%的范圍內制備得到7 個不同蛋白質質量分數的蛋白質水溶液。根據表2中的擬合關系式和測量得到的介電參數，計算出蛋白質的質量分數，并同實際的質量分數相比較。

圖 7 水溶液中大豆蛋白質量分數的實際值與計算值的關系圖Fig. 7 Relationship between the actual and calculated values of soy protein concentration based on the obtained dielectric properties

圖7是27.12 MHz時大豆蛋白質量分數的計算值與實際值的比較圖。結果表明，水溶液中大豆蛋白質量分數的計算值與實際值的點沿45o線緊密分布，二者的誤差均在0.16%之內。此外，對乳清蛋白和卵蛋白水溶液的驗證實驗也表明，依據介電參數可以較精確地計算出水溶液中蛋白質的質量分數。

從儀器開發的角度講，當信號的頻率大于100 MHz時，電子線路之間的干擾比較嚴重，電路開發的難度越高。低頻段下蛋白質水溶液與介電參數間良好的線性關系使得蛋白質類型及質量分數檢測儀的開發成為可能。

3 結 論

在20～4 500 MHz范圍內，隨著頻率的增加，蛋白質水溶液的ε’逐漸減??；ε”先減小后增大，ε”出現最小值時的頻率隨著蛋白質質量分數的增加而增大。

當蛋白質質量分數相同時，大豆蛋白和乳清蛋白水溶液的ε’和ε”數值均相近，且在低頻段下遠小于卵蛋白水溶液的介電參數值。

在低頻段下蛋白質水溶液的ε’與蛋白質質量分數之間存在正的線性相關性，而在高頻段存在負的線性相關性，且相關系數的絕對值大于0.90。當頻率小于1 400 MHz時，3 種蛋白質水溶液的ε”與蛋白質質量分數間均存在正的線性相關性，且相關系數大于0.99。

本研究為蛋白飲料中不同類型的蛋白質及其質量分數檢測儀的開發提供了基礎數據。對于如何區分溶液中的大豆蛋白和乳清蛋白還有待更深入地研究。

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Dielectric Properties of Different Types of Protein in Aqueous Solutions

KONG Fanrong, GUO Wenchuan*, LI Weiqiang, WANG Dongyang
(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

To understand the dielectric properties of different types of protein in aqueous solutions and further to develop a method for detecting protein adulteration of liquid foods, an open-ended coaxial-line probe was used to explore the changing patterns of the dielectric constant ε’ and dielectric loss factor ε” of aqueous protein solutions (soy protein, whey protein and egg albumin) at a concentration of 0%–4.63% in the frequency range of 20–4 500 MHz at 25 ℃. The results showed that ε’ decreased with increasing frequency, and ε”?decreased?at?f i rst?and?then?increased.?At?the?same?protein?concentration,?the?values of ε’ and ε”?in?soy?protein?and?whey?protein?solutions?had?no?signif i cant?difference,?but?they?were?smaller?than?those?in egg albumin at a certain frequency. There were good linear correlations between protein concentration and dielectric properties?with?a?correlation?coeff i ient?of?0.90?and?0.99,?respectively.?This?study?indicated?that?different?proteins?and?their?concentration?had?different?inf l uences?on?dielectric?properties?of?protein?solutions,?which?makes?it?possible?to?detect?protein?types and concentration in protein-based beverage based on dielectric properties.

soy protein; whey protein; egg albumin; mass fraction; dielectric properties

10.7506/spkx1002-6630-201705028

TS201.6

A

1002-6630（2017）05-0174-06

孔繁榮, 郭文川, 李偉強, 等. 不同類型蛋白質水溶液的介電特性[J]. 食品科學, 2017, 38(5): 174-179. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201705028. http://www.spkx.net.cn

KONG Fanrong, GUO Wenchuan, LI Weiqiang, et al. Dielectric properties of different types of protein in aqueous solutions[J]. Food Science, 2017, 38(5): 174-179. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705028. http://www.spkx.net.cn

2016-03-09

陜西省農業科技創新與攻關項目（2015NY001）；江蘇省農產品物理加工重點實驗室開放基金項目（JAPP2014-2）作者簡介：孔繁榮（1991—），女，碩士研究生，主要從事農產品和食品品質的介電特性無損檢測技術研究。

E-mail：18700943588@163.com

*通信作者：郭文川（1969—），女，教授，博士，主要從事基于介電特性的農產品和食品品質無損檢測技術研究。

E-mail：guowenchuan69@126.com