熱處理對Ca-乳清濃縮蛋白納米纖維起泡性的影響

王楠楠,徐紅華,董世榮,謝明明

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

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熱處理對Ca-乳清濃縮蛋白納米纖維起泡性的影響

王楠楠,徐紅華,董世榮,謝明明

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

通過向乳清濃縮蛋白納米纖維中添加一定量的氯化鈣后熱處理不同時間(0、1、2、3、4、5 h),研究不同熱處理時間對Ca-WPC納米纖維聚合物起泡性的影響。結果表明Ca-WPC納米纖維聚合物的起泡能力在熱處理3 h時達最大值96.00%±0.02%,是對照組Ca-WPC常規聚合物熱處理3 h時的2.13倍;Ca-WPC常規聚合物在不同熱處理時間后其泡沫穩定性均為零,而Ca-WPC納米纖維聚合物隨著熱處理時間延長其泡沫穩定性先增加后減小,熱處理3 h時達到最大值為62.38%±1.51%,即熱處理一定時間可以顯著提高Ca-WPC納米纖維聚合物的起泡性。

乳清濃縮蛋白,鈣,Ca-乳清濃縮蛋白納米纖維,熱處理,起泡性

泡沫是以氣泡的形式分散在液體或者固體連續介質中的一種氣體分散系,而蛋白質的起泡性是食品功能性質測定的重要指標。目前卵清蛋白、乳清分離蛋白均可作為表面活性劑廣泛應用于調和蛋白、牛軋糖、人造奶油等發泡性食品中[1],雖然其結構復雜但仍能通過疏水基團作用,降低表面張力均勻吸附在空氣-水界面,在起泡過程中蛋白結構發生局部展開或部分變性,一些極性基團和非極性基團分別暴露在液相和氣相中[2],并與相鄰的蛋白分子通過氫鍵、疏水相互作用甚至共價鍵在表面形成更加穩定的界面膜[3-5]。起泡能力和泡沫穩定性是評價起泡性的兩個主要技術參數[6],其中泡沫穩定性是決定起泡性好壞的關鍵[7]。乳清濃縮蛋白納米纖維是一種在變性條件下(低pH、低離子強度、高溫長時間加熱[8-9])通過自組裝方式形成的無分支桿狀聚合物,與傳統蛋白質聚合不同的是其主要是通過疏水相互作用、靜電作用等形成的[10-12],而且加入一定鈣離子可以改變纖維的形態和柔性[9,13],提高自組裝速率[14-15],有學者報道乳清濃縮蛋白納米纖維適宜的長寬比可能對起泡性有利,但其在食品體系中并沒有達到人們預期,一些研究表明適當溫度下對乳清濃縮蛋白(WPC)進行熱處理會提高其起泡性,然而熱處理不當便會降低起泡性[16]。本課題研究目的是通過向WPC納米纖維聚合物中加入一定量氯化鈣,比較不同熱處理時間對Ca-WPC纖維聚合物起泡性的影響,并通過測定表面疏水性和透射電鏡觀察,研究蛋白質結構與起泡性的關系,進一步拓展單一蛋白質或者多種蛋白混合物作為大分子表面活性劑的應用領域。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乳清濃縮蛋白WPC-80 美國HILMAR公司;尿素 西隴化工股份有限公司;8-苯氨基-1-萘磺酸(ANS) Sigma公司;DTNB MERCK公司;溴甲酚綠、甲基紅 天津迪博化工公司;硫酸銅、硫酸鉀、磷酸氫二鈉、甘氨酸、硼酸、氫氧化鈉、磷酸二氫鈉、乙二胺四乙酸(EDTA)、鹽酸、氯化鈣 天津市力天化學公司。

GL-21M型離心機 上海精密儀器研究所;pHS-3C型精密PH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;LNK-872型多功能快速消化器 江蘇省宜興市科教儀器研究所;KDN-102C半自動定氮儀 上海纖檢儀器有限公司;JEM-1200EX透射電子顯微鏡 日本日立公司;UV-240IPC紫外可見分光光度計 日本島津公司;F-4500熒光分光光度計 日本日立F-4500。

1.2 實驗方法

1.2.1 WPC納米纖維的制備 20.00 g乳清濃縮蛋白用去離子水定容至500 mL,調pH至2.0,4 ℃、12500 r/min離心20 min,吸取中層清液消化、定氮,稀釋樣品終濃度為2.0 wt%后調pH至2.0,90 ℃加熱10 h,樣品于4 ℃冰箱保存[8-9]。對照組Ca-WPC常規聚合物除在離心前和加熱前調pH至6.5以外,其余步驟與WPC納米纖維制備方法相同。

1.2.2 氯化鈣添加 根據前期研究結果[17],取3.125 mmol/L氯化鈣溶液10 mL加到1.2.1的實驗組和對照組溶液中攪拌均勻,分別調溶液pH至2.0和6.5,室溫放置30 min。

1.2.3 熱處理 將1.2.2中室溫放置30 min后的溶液于90 ℃[18]下分別加熱不同時間(0、1、2、3、4、5 h)進行指標測定。

1.2.4 起泡性測定 蛋白質溶液的起泡能力(FC)和泡沫穩定性(FS)測定參考Motoi[19]等人方法并加以改進。將1.2.3熱處理后的溶液用0.01 mol/L、pH7.0的磷酸緩沖液稀釋至0.1 wt%,室溫下用組織搗碎機10000 r/min均質1 min,測定攪打后的泡沫體積V0,再測定放置30 min后的泡沫體積Vt,通過相對溢出量與靜止后穩定的泡沫體積比來評價樣品的起泡能力(FC)和泡沫穩定性(FS),具體計算方法如下:

起泡能力(%)=V0/Vi×100

泡沫穩定性(%)=Vt/V0×100

式中:V0-起泡0 min時的泡沫體積;Vt-起泡t min后的泡沫體積;Vi-起泡前最初液體的體積

1.2.5 表面疏水性的測定 參照Ni Y Z Wen[20]ANS熒光探針法并加以改進。用0.01 mol/L的磷酸緩沖液(pH7.0)將1.2.3熱處理后的溶液稀釋蛋白濃度為1.0 wt%,加入20 μL的ANS(8 mmol/L,溶于0.01 mol/L的磷酸緩沖液,pH7.0)熒光探針,混勻后在室溫下避光15 min,用熒光分光光度計于激發波長390 nm,發射波長470 nm、狹縫寬度5 nm的條件下,進行425～600 nm波段掃描。

1.2.6 透射電鏡觀察(TEM) 參考Mark[21]等人的方法并加以改進。將1.2.3熱處理后的溶液稀釋成蛋白濃度為0.325 wt%的待測樣品,取兩滴稀釋液滴于透射電鏡專用銅網上吸附15 min后,室溫下放置20 min,采用80 kv電壓下觀察樣品的微觀結構。

1.3 統計方法

采用Origin 8.0和SPSS Statistics 8.1軟件對實驗數據進行統計分析,其中每組實驗均做3個平行,表中數據均以平均值±標準差表示(n=3)。

2 結果與分析

2.1 起泡性

2.1.1 起泡能力 由圖1實驗結果可知,隨著熱處理時間的延長,Ca-WPC常規聚合物的起泡能力逐漸降低最后基本保持不變,熱處理3 h時其起泡能力為45.00%±0.01%,熱處理4 h和5 h時分別降為40.00%±0.03%和40.00%±0.06%;而Ca-WPC納米纖維聚合物的起泡能力隨著熱處理時間延長呈現出先降低后升高再降低的趨勢,熱處理3 h時達到最大值為96.00%±0.02%,是Ca-WPC常規聚合物熱處理3 h的2.13倍。這一結果可能是由于經過不同熱處理時間后WPC常規聚合物與Ca之間的鈣橋作用被破壞,因此其起泡能力隨著熱處理時間延長不斷下降;而WPC納米纖維是一種具有特殊三維立體網狀結構的聚合物[9],鈣離子加入后與WPC納米纖維通過熱處理作用形成更加穩定的聚合結構,有效提高其起泡能力。

圖1 熱處理時間對起泡能力的影響Fig.1 Effect of the different heating time on foam-ability 注:不同字母表示樣品經不同熱處理時間后起泡能力差異顯著(p<0.05)。

2.1.2 泡沫穩定性 由圖2實驗結果可知,Ca-WPC常規聚合物在不同熱處理時間后其泡沫穩定性均為零,而Ca-WPC納米纖維聚合物隨著熱處理時間延長其泡沫穩定性呈現先增加后減小的趨勢,熱處理3 h時達到最大值為62.38%±1.51%,同其起泡能力規律大致相同。由圖3熱處理3 h時分別測定放置0、5、10、15、20、25、30 min后泡沫體積的實驗結果可知,Ca-WPC常規聚合物的泡沫在均質1 min后不斷凝聚消散,直至放置5 min時泡沫體積為零,而Ca-WPC納米纖維聚合物隨著放置時間的延長,泡沫體積也會有所下降,但下降速度緩慢。熱處理后通過測定Ca-WPC常規聚合物和Ca-WPC納米纖維聚合物起泡性可知,Ca-WPC納米纖維聚合物的起泡能力和泡沫穩定性均好于Ca-WPC常規聚合物,且熱處理3 h時Ca-WPC納米纖維聚合物的起泡能力和泡沫穩定性達到最高。

圖2 不同熱處理時間對泡沫穩定性的影響Fig.2 Effect of the different heating time on foam stability注:不同字母表示樣品經不同熱處理時間后泡沫穩定性差異顯著(p<0.05)。

圖3 熱處理3 h時泡沫體積的變化Fig.3 Change of foam volume of samples at heating for three hours

2.2 表面疏水性

熱處理3 h時,Ca-WPC納米纖維聚合物與Ca-WPC常規聚合物的起泡性都表現出極大差異,這可能是由于蛋白質分子一旦吸附于界面,分子隨即展開,內部疏水基暴露,表面張力下降所導致[22]。因此將重點研究熱處理3 h時兩種聚合物表面疏水性的變化(見圖4)。

圖4 熱處理0、3 h時表面疏水性的變化Fig.4 Surface hydrophobic changes with heating for 0 h and 3 h

由圖4實驗結果可知,Ca-WPC納米纖維聚合物和Ca-WPC常規聚合物熱處理3 h較熱處理0 h其表面疏水性均有所升高,Ca-WPC常規聚合物表面疏水性提高了1.08%,Ca-WPC納米纖維聚合物表面疏水性提高了13.28%,Ca-WPC納米纖維聚合物具有更高的表面疏水性,導致這種顯著性差異的原因是Ca-WPC納米纖維聚合物與Ca-WPC常規聚合物的聚合方式不同。Ca-WPC納米纖維聚合物在形成過程中表面疏水作用占主導地位,而Ca-WPC常規聚合物在聚合過程中表面疏水作用較弱,較高的表面疏水性可以有效改善蛋白質的起泡性[23-25],因此Ca-WPC納米纖維聚合物表現出更好的起泡性。

2.3 透射電鏡(TEM)

不同熱處理時間對Ca-WPC納米纖維聚合物起泡性的影響程度與蛋白質結構變化密切相關,因此通過透射電鏡觀察比較Ca-WPC納米纖維聚合物與Ca-WPC常規聚合物熱處理0、1、3、5 h后微觀結構的變化(見圖5)。

由圖5實驗結果可知,Ca-WPC納米纖維聚合物在熱處理3 h時纖維細絲結構明顯且可看到黑色的鈣離子與纖維絲緊密纏繞在一起,分枝較少,結構更加緊密有序,熱處理1、5 h時纖維細絲明顯變粗,分枝較多,柔性降低。Ca-WPC常規聚合物在熱處理0、1、3、5 h時聚合結構遭到破壞,且破壞程度逐漸增加。這一結果表明Ca-WPC納米纖維聚合物對熱處理有一定的耐受力,而Ca-WPC常規聚合物在熱處理后由有序網狀結構變成無序松散結構。起泡性的好壞取決于蛋白質-蛋白質之間的相互作用和蛋白質鏈的柔韌性[26]。熱處理使Ca-WPC納米纖維聚合物形成了更加穩定的聚合結構,提高了纖維細絲的柔韌性,因此具有更好的起泡性。在Ca-WPC常規聚合物形成過程中二硫鍵占主導作用,并通過鈣橋進行連接,經熱處理后這種聚合結構不穩定,導致其起泡性隨著熱處理時間的延長不斷下降。

圖5 不同蛋白聚合物的透射電鏡圖Fig.5 The TEM pictures of different protein aggregates

3 結論

與Ca-WPC常規聚合物相比,Ca-WPC納米纖維聚合物的起泡性在熱處理3 h時明顯提高。這一結果可能是因為熱處理3 h時Ca-WPC納米纖維聚合物的表面疏水性大幅度升高,疏水基團暴露,WPC納米纖維與Ca通過吸附或者鑲嵌的方式形成更加穩定的Ca-WPC納米纖維聚合物,這種新型聚合物對熱的耐受能力較強,且分子柔性較高,從而提高了起泡性。而Ca-WPC常規聚合物主要通過鈣橋這種較弱的非共價鍵作用,在經過熱處理后其結構被破壞,導致起泡性變差。

[1]Nicrescu I,Vial C,Talansier E,et al. Comparative effect of thermal treatment on the physicochemical properties of whey and egg white protein foams[J]. Food Hydrocolloid,2011,25:797-808.

[2]Zayas J F. Foaming properties of proteins in functionality of proteins in food[J]. Berlin:Springer-Verlag,1997,12:260-309.

[3]Croguennec T,Renault A,Beaufils S,et al. Interfacial properties of heat-treated ovalbumin[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2007,315:627-636.

[4]Damodaran S,Anand K,Razumovsky L. Competitive adsorption of egg white proteins at the air-water interface:direct evidence for electrostatic complex formation between lysozume and other egg proteins at the interface[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,1998,46:872-876.

[5]Wierenga P A,Kosters H,Egmond M R,et al. Importance of physical vs. chemical interations in surface shear rheology[J]. Advances in Colloid and Interface Science,2006,119:131-139.

[6]Raikos V,Campbell L,Euston S R. Effects of sucrose and sodium chloride on foaming properties of egg white proteins[J]. Food Research International,2007,40:347-355.

[7]Ercelebi E A,Ibanoglu E. Effects of ionic strength on the foaming properties of whey protein isolate and egg white in the presence of polysaccharides[J]. Journal of Food Processing and Preservation,2009,33:513-526.

[8]Bolder S G,Vasbinder A J,Sagis L M C. Heat-induced whey protein isolate fibrils conversion,hydrolysis,and disulphide bond formation. Int.Dairy[J].2007,17:846-853.

[9]Loveday S M,Wang X L,Rao M A,et al. Factors affecting rheological characteristics of fibril gels:The case ofβ-Lactoglobulin andα-Lactalbumin. Int.Dairy[J].2010,20:571-579.

[10]Loveday S M,Wang X L. Effect of calcium on morphology and functionality of whey protein nanofibrils[J]. American Chemical Society,2011,12:3780-3788.

[11]Durand D,Gimel J. Aggregation,gelationand phase separation of heat denatured globular proteins[J].Physica A,2002,304:253-265.

[12]Langton M,Hermansson A M. Fine-stranded and particulate gels ofβ-lactoglobulin and whey-protein at varying pH[J]. Food Hydrocolloids,1992,5:523-539.

[13]Bolder S G,Sagis L M C,Venema P. The critical aggregation concentration ofβ-Lactoglobulin-Based fibril formation[J]. Agric Food Chem,2007,55:5661-5669.

[14]Loveday S M,Wang X L,Rao M A,et al. Effect of pH,NaCl,CaCl2and Temperature on Self-Assembly ofβ-Lactoglobuliin into Nanofibrils:A Central Composite Design Study[J]. Agric Food Chem,2011,59:8467-8474.

[15]Loveday S M,Wang X L,Rao M A,et al.β-Lactoglobulin nanofibrils:Effect of temperature on fibril formation kinetics,fibril morphology and therheological properties of fibril dispersions. Food Hydrocolloids,2012，27(1)：242-249.

[16]Richert S H,Morr C V,Cooney C M. Effect of heat and other factors upon foaming properties of whey protein concentrates[J]. Food Sci,1974,39:42-48.

[17]高育哲.結構修飾對乳蛋白纖維聚合物形成的影響及其機理的研究[D]. 哈爾濱:東北農業大學,2014.

[18]李波楊,徐紅華,王楠楠，等.納米纖維對乳清濃縮蛋白凝膠形成的誘導作用[D]. 哈爾濱：東北農業大學,2016.

[19]Stiegr M,Richtering W,Pedersen J S,et al. Small-angle neutron scattering study of structural changes in temperature sensitive microgel colloids[J]. The Journal of chemical physics,2004,120:61-97.

[20]Ni Y Z,Wen L J,Wang L,et al. Effect of temperature calcium and protein concentrate on aggregation of whey protein isolate:Formation of gel-like micro-particles[J].International Dairy Journal,2015,51:8-15.

[21]Krebs M R H,Devlin G L,Donald A M. Amyloid fibril-like structure underlies the aggregate structure across the pH range forβ-lactoglobulin[J]. Biophysical Journal,2009,96(12):5013-5019.

[22]趙新淮,徐紅華,姜毓君,等. 食品蛋白質:結構,性質與功能[M]. 北京:科學出版社,2009.

[23]Forgeding E A,Luck P,Davis J. Factors determining the physical properties of protein foams[J]. Food Hydrocolloids,2006,20:284-292.

[24]Nakai S,Ho L,Helbig N,et al. Relationship between hydrophobicity and emulsifying properties of some plant proteins[J].Can Inst. Food Sci Technol,1980,13:23.

[25]Townsend A,Nakai S. Relationships between hydrophobicity and foaming characteristics of food proteins[J]. Journal of Food Science,1983,48:588.

[26]Kato A,Ibrahim H R.,Watanabe H,et al. New approach to improve the gelling and surface functional properties of dried egg white by heating in dry state[J]. Joural of Agricutural and Food Chemistry,1989,37:433-437.

Effect of heat treatment on the foaming properties of Ca-whey protein concentrate nanofibrils

WANG Nan-nan,XU Hong-hua,DONG Shi-rong,XIE Ming-ming

(College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

The effect of different heating time(0,1,2,3,4,5 h)on the foaming properties of Ca-namofibrils polymer was investigated in this paper. The results showed that the foaming ability of Ca-namofibrils polymer reached a maximum value of 96.00%±0.02% at heating 3 h,the foaming ability of Ca-namofibrils polymer was 2.13 times that of Ca-WPC polymer. The foam stability of Ca-WPC polymer after the heat treatment were zero.While the foam stability of Ca-namofibrils polymer was increased and then decreased with the increasing of heating time and reached a maximum value of 62.38%±1.51% at heating 3 h.So heating a certain time can significantly improve the foaming properties of Ca-namofibrils polymer.

whey protein concentrate;calcium;Ca-namofibrils polymer;heat treatment;foaming properties

2016-12-27

王楠楠(1991-)，女，碩士, 研究方向:食品科學方向,E-mail:15114501270@163.com。

*通訊作者:徐紅華(1969-)，女，博士，教授,研究方向:食品科學與營養方向,E-mail:xhh316@126.com。

國家自然基金項目(31471682)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)11-0092-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.009