劉競男,張智慧,王 琳,王玉瑩,張安琪,王喜波*,徐 寧*
(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院,黑龍江 哈爾濱 150030)
大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)具有良好的凝膠性,經(jīng)常被添加到冷凍面、肉類制品中賦予產(chǎn)品良好的特性。冷凍食品經(jīng)歷凍融循環(huán)(freeze-thaw cycle,F(xiàn)TC)過程,形成的低密度冰晶在相變過程中體積膨脹,導致食品結(jié)構發(fā)生不可逆變化,改變食物的質(zhì)地,產(chǎn)生收縮、析水、硬度增加等現(xiàn)象。凍融穩(wěn)定性是許多凝膠食品在食用前需要保持的重要特性。王培森等[1]研究可得然膠對肌球蛋白凍融穩(wěn)定性影響時發(fā)現(xiàn),可得然膠的添加能夠降低凍融時凝膠持水性和凝膠強度的變化程度。陳振家等[2]研究不同熱處理SPI熱誘導凝膠在凍藏時期凝膠特性變化,發(fā)現(xiàn)熱處理會加速其凝膠品質(zhì)凍藏劣變。
超聲波處理過程中產(chǎn)生大量的空化氣泡以及熱、機械和化學效應。Madadlou等[3]研究高強度超聲處理酪蛋白時發(fā)現(xiàn),超聲處理能夠改變酸誘導酪蛋白凝膠形成的pH值,彈性也顯著增加,且具有良好微觀結(jié)構。Zisu等[4]研究發(fā)現(xiàn)超聲增加了乳清蛋白熱誘導凝膠強度,超聲處理和熱凝結(jié)乳制品的凝膠強度和持水性得到顯著改善。Zhang Peipei等[5]研究經(jīng)超聲處理的肌纖維蛋白形成凝膠時,發(fā)現(xiàn)超聲處理會增加凝膠的保水性。Cui Qiang等[6]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理大豆-乳清混合蛋白,其凝膠性得到改善。
目前,國內(nèi)外研究主要通過蛋白改性來提高乳液凍融穩(wěn)定性,但對提高蛋白凝膠凍融穩(wěn)定性的相關報道較少。而采用超聲與谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(glutamine transaminase,TG)復合改性技術提高改性產(chǎn)物凍融穩(wěn)定性的研究更鮮見報道。本實驗以SPI為原料,采用超聲改性SPI,然后通過TG交聯(lián)形成凝膠,以粒徑、表面疏水性分析以及內(nèi)源性熒光光譜和傅里葉變換紅外光譜等方法探究超聲改性對SPI結(jié)構影響,以凍融循環(huán)過程中TG誘導的SPI凝膠的持水性、質(zhì)構、微觀結(jié)構及可溶性蛋白含量變化,研究超聲處理的TG誘導SPI凝膠凍融穩(wěn)定性,為冷凍食品專用SPI的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論和技術指導。
脫脂豆粕 山東禹王實業(yè)有限公司;TG 一鳴生物制品有限公司;其他試劑均為分析純。
超聲波細胞破碎儀 寧波新芝生物科技股份有限公司;BCD-206L3CT型冰箱 合肥美菱股份有限公司;粒度分布儀 美國布魯克海文儀器公司;F-4500熒光分光光度計 日本日立公司;FTIR-8400S型傅里葉變換紅外光譜儀 日本島津公司;TA-XT2i型質(zhì)構儀 英國SMS公司;掃描電子顯微鏡 日立高新技術公司;LD4-2A型低速臺式離心機 北京京立離心機有限公司。
1.3.1 SPI的制備
參照Zhang Zeyu等[7]方法。脫脂豆粕粉碎過篩,以質(zhì)量比1∶10溶于去離子水中,用2 mol/L NaOH溶液調(diào)pH值至8.5,室溫攪拌2 h。然后4 000 r/min離心20 min,取上清液,用2 mol/L HCl溶液調(diào)pH值至4.5。4 000 r/min離心5 min,沉淀物即為SPI。水洗兩次后復溶,用2 mol/L NaOH溶液中和至pH 7.0。冷凍干燥后,獲得SPI粉末。
1.3.2 超聲改性
將SPI溶于磷酸鹽緩沖液(0.01 mol/L、pH 7.0),SPI質(zhì)量濃度為40 mg/mL。加入疊氮鈉,4 ℃水合過夜。超聲處理參考Hu Hao等[8]的方法。將樣品液分裝至100 mL錐形瓶中,超聲波處理器的鈦探頭浸入樣品液中,距離瓶底約1 cm處,設置超聲功率為360 W,以超聲時間分別為0、10、20、30、40 min處理樣品,備用。
1.3.3 粒徑分布測定
用磷酸鹽緩沖液(0.01 mol/L、pH 7.0)稀釋樣品液至蛋白質(zhì)量濃度為1 mg/mL,顆粒折射率和分散劑折射率分別為1.460和1.330。
1.3.4 表面疏水性測定
用磷酸鹽緩沖溶液(0.01 mol/L、pH 7.0)稀釋成蛋白質(zhì)量濃度分別為0.02、0.01、0.005、0.002 5 mg/mL的樣品,8 mL樣品中加入20 μL的8-苯氨基-1-萘磺酸(8 mmol/L,溶于0.01 mol/L的磷酸緩沖液,pH 7.0)熒光探針,混勻后,25 ℃避光15 min后測定熒光強度。設置激發(fā)和發(fā)射波長分別為390 nm和470 nm,狹縫5 nm[9]。測定熒光強度,對蛋白溶液質(zhì)量濃度作圖(y=0.135 1x+0.039 5,R2=0.999 1),線性良好,回歸線斜率為蛋白質(zhì)表面疏水性。
1.3.5 內(nèi)源熒光光譜測定
將樣品液用磷酸鹽緩沖溶液(0.01 mol/L、pH 7.0)稀釋至蛋白質(zhì)量濃度為5 mg/mL,于激發(fā)波長347 nm、發(fā)射波長范圍375~550 nm掃描[10]。樣品液稀釋至質(zhì)量濃度為0.5 mg/mL,于激發(fā)波長290 nm、發(fā)射波長范圍300~400 nm掃描。狹縫5.0 nm,掃描速率240 nm/min。
1.3.6 傅里葉變換紅外光譜分析
將改性處理后的樣品冷凍干燥,與KBr粉末混合研磨,將混合粉末壓制成薄片,使用FTIR-8400型FTIR儀進行全波段掃描,設置分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)32 次,測量范圍為4 000~400 cm-1[11]。
1.3.7 凝膠制備
將改性處理的樣品配制成蛋白質(zhì)量濃度為100 mg/mL的溶液,加入TG(TG和SPI質(zhì)量比為3∶100)溶解,調(diào)pH值至7.0。將樣品液分裝至燒杯中,45 ℃水浴2 h后,90 ℃加熱滅酶10 min。將制得的凝膠4 ℃下冷藏過夜。
1.3.8 凍融循環(huán)
將凝膠樣品置于-20 ℃冷凍儲存22 h后,25 ℃解凍2 h,隨機選取出一批樣品進行后續(xù)測定。如此為一次凍融循環(huán)(1 FTC),凍融循環(huán)共5 次。
1.3.9 持水性測定
參考Zhang Sha等[12]的方法,略加改動。 取一定凝膠置于離心管,記錄凝膠質(zhì)量m,離心管和凝膠總質(zhì)量m1,4 000 r/min離心10 min后,小心除去離心管內(nèi)水分,測離心管及凝膠質(zhì)量m2。持水性按下式計算。

式中:m為凝膠質(zhì)量/g;m1為離心管和凝膠離心前總質(zhì)量/g;m2為離心管和凝膠離心后總質(zhì)量/g。
1.3.10 質(zhì)構特性測定
參考Jin等[13]的方法,略加改動。測定時使用P/0.5柱形探頭為測定探頭,探頭下行速率為1 mm/s,檢測速率和后撤速率均為 5 mm/s,觸發(fā)力為5 g。
1.3.11 掃描電子顯微鏡觀察
參考Aguirre-Mandujano等[14]的方法,將凝膠切成(2 mm×5 mm)小塊,用體積分數(shù)為2.5%戊二醛溶液(pH 6.8)固定,4 ℃保存。用體積分數(shù)為50%、70%和90%的乙醇溶液分別脫水一次,無水乙醇脫水3 次,然后用混合液(無水乙醇與叔丁醇體積比1∶1)和純叔丁醇各置換1 次,每次置換15 min。冷凍干燥后進行離子漸射鍍金,于掃描電子顯微鏡(5 kV)下觀察。
1.3.12 可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)測定
參考Peng Xingyun等[15]的方法。將凝膠靜置至室溫,切取定量凝膠于磷酸鹽緩沖液(0.01 mol/L、pH 7.0)研磨破碎,定容后磁力攪拌0.5 h,10 000 r/min離心30 min。取上清液,考馬斯亮藍法測定其可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)。
所有實驗重復3 次取平均值,采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和顯著性分析(單因素方差分析,P<0.05表示差異顯著),使用Origin 8.6軟件作圖,通過Peakfit 4.12軟件計算蛋白二級結(jié)構。所有結(jié)果均以平均值±標準差表示。

圖1 超聲時間對SPI蛋白溶液粒徑的影響Fig. 1 Particle size distribution of ultrasonic-treated SPI solutions
超聲處理后SPI粒度分布和粒徑大小如圖1所示,SPI樣品雙峰分布顯著,隨著超聲時間延長,SPI粒徑分布向更小且峰更窄的趨勢發(fā)展,平均粒徑隨超聲時間延長而降低。由圖1B可知,與SPI相比,超聲處理SPI溶液中蛋白質(zhì)平均粒徑顯著降低,從489.2 nm降低至130.9 nm。王喜波等[16]研究超聲處理SPI和乳清蛋白混合物時得到相似結(jié)論。其原因可能是超聲處理產(chǎn)生的空化效應等,減弱了蛋白分子間的相互作用,減少蛋白聚集。

圖2 超聲時間對SPI表面疏水性的影響Fig. 2 Effect of ultrasonication time on surface hydrophobicity of SPI
不同超聲時間處理后SPI的表面疏水性變化如圖2所示,未處理的SPI表面疏水性較低,經(jīng)超聲處理后,SPI的表面疏水性顯著提高。Jiang Lianzhou等[17]研究高強度超聲波處理對牛血清白蛋白功能和結(jié)構性質(zhì)的影響時也得到類似結(jié)論。在一定超聲時間范圍內(nèi),SPI表面疏水性隨著超聲時間延長而增加,由5 013.9升至6 642.9。Hu Hao[18]和Sun Yanjun[19]等研究乳濃縮蛋白和SPI時也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果。這些結(jié)果表明超聲處理改變蛋白三級結(jié)構,蛋白質(zhì)分子發(fā)生去折疊和展開[3],蛋白分子變性,蛋白內(nèi)部的疏水基團因超聲處理而暴露[10],蛋白質(zhì)表面疏水性增強。

圖3 不同蛋白樣品的內(nèi)源熒光光譜Fig. 3 Fluorescence spectra of SPI ultrasonicated for different durations
在280 nm波長處,蛋白質(zhì)的色氨酸和酪氨酸殘基都將被激活,因此可以從熒光的波動確定蛋白質(zhì)的三級結(jié)構的變化[20]。由圖3可知,隨著超聲時間延長,SPI內(nèi)源熒光強度降低,超聲40 min時熒光強度最低。其原因可能是超聲處理破壞蛋白質(zhì)結(jié)構,疏水性氨基酸殘基暴露,更多的生色團在溶劑中暴露,降低熒光強度。超聲波處理后,SPI內(nèi)源熒光的最大熒光強度λmax并未發(fā)生顯著變化,表明色氨酸殘基所在的微環(huán)境的極性沒有變化[21]。Zhang Qiuting等[22]也得到相似的研究結(jié)果。

圖4 不同蛋白樣品的傅里葉變換紅外光譜圖Fig. 4 FTIR spectra of SPI ultrasonicated for different durations
圖4 是SPI在4 000~400 cm-1范圍內(nèi)的傅里葉變換紅外光譜圖,利用PeakFit 4.12軟件進行處理,通過去卷積計算可以得到蛋白質(zhì)二級結(jié)構含量變化。酰胺I帶中波長范圍1 648~1 664 cm-1為α-螺旋結(jié)構,1 615~1 637 cm-1和1 682~1 700 cm-1為β-折疊結(jié)構,1 664~1 681 cm-1和1 637~1 648 cm-1分別為β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲結(jié)構[23]。從表1可以看出,超聲SPI的二級結(jié)構較未處理發(fā)生變化,其α-螺旋結(jié)構相對含量減少,β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲結(jié)構相對含量增加,表明蛋白結(jié)構由有序向無序趨勢發(fā)展。這可能是超聲的空化效應破壞了剛性蛋白質(zhì)結(jié)構,增加蛋白質(zhì)分子柔性[24]。β-折疊相對含量能夠反映蛋白質(zhì)疏水作用力,β-折疊相對含量降低表明蛋白表面疏水基團暴露,疏水性增強[25],蛋白質(zhì)在疏水作用力下聚集體被破壞。這與表面疏水性結(jié)果互相印證。

表1 不同蛋白樣品二級結(jié)構相對含量Table 1 Secondary structure composition of SPI ultrasonicated for different durations%

圖5 超聲時間對凝膠持水性的影響Fig. 5 Effect of ultrasonication time on water-holding capacity of the gel
凝膠的持水性是凝膠品質(zhì)評價重要指標之一,蛋白質(zhì)凝膠的持水性取決于凝膠網(wǎng)絡結(jié)合水的能力[26]。如圖5所示,超聲SPI凝膠的持水性顯著高于SPI樣品,且隨超聲時間的延長而增加,凍融循環(huán)0 次時,超聲處理40 min,其凝膠的持水性最高為90.05%,較未超聲處理凝膠增加了15.93%。超聲處理改變蛋白結(jié)構,疏水基團暴露出來,TG交聯(lián)形成二硫鍵,形成更加緊密且規(guī)則的三維網(wǎng)絡結(jié)構,提高其凝膠性,凝膠持水性與蛋白質(zhì)粒徑和溶解度有關,提高溶解度和降低粒徑都會提高凝膠持水性[27]。隨著超聲時間的延長,蛋白粒徑降低和溶解度增加,都促使TG交聯(lián)形成緊密、均一的凝膠結(jié)構,促進水在凝膠網(wǎng)絡結(jié)構中聚集,增加凝膠持水性。Han Minyi等[28]發(fā)現(xiàn)凝膠持水性增加,其凝膠硬度和彈性等凝膠性也會增加,這也與本實驗的凝膠硬度和彈性結(jié)果一致。
相同超聲時間下,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,凝膠的持水性隨之降低。肖旭華[29]研究肌球蛋白凝膠凍融特性時,也得到相似結(jié)論。低溫導致游離水和結(jié)合水凍結(jié),形成低密度冰晶,反復凍結(jié)和解凍降低了晶體的總數(shù),平均晶體尺寸增加,導致凝膠內(nèi)部孔徑隨之增加,增大了水分在凝膠中流動空間[30],從而造成持水性的降低。SPI凝膠持水下降程度最大,降低了49.23%。超聲40 min時,超聲SPI凝膠凍融循環(huán)5 次時持水性較凍融循環(huán)0 次時降低了38.59%,由此可見超聲處理SPI能提高凝膠的凍融穩(wěn)定性。這可能與超聲處理改變蛋白的分子結(jié)構有關,超聲產(chǎn)生的空穴現(xiàn)象降低SPI粒徑,有助于蛋白發(fā)生水合,提高蛋白-水分子間相互作用,增強對水分子的束縛作用,有助于形成更加緊密的網(wǎng)絡結(jié)構[30]。此外,研究表明,TG通過催化肽結(jié)合的谷氨酰胺殘基與賴氨酸殘基的ε-氨基發(fā)生酰基轉(zhuǎn)移,形成更強的ε-賴氨酸異肽鍵作用力,減小冰晶對凝膠網(wǎng)絡的破壞[31],從而提高凍融過程中的持水性。


圖6 不同樣品凝膠凍融前后的掃描電子顯微鏡圖Fig. 6 Scanning electron microscope images of native and ultrasonictreated gel samples with different freeze-thaw cycles
掃描電子顯微鏡可以更加直觀地觀察不同超聲處理條件下TG誘導SPI凝膠在凍融循環(huán)過程中微觀結(jié)構的三維網(wǎng)絡。圖6顯示了超聲處理前后SPI凝膠凍融循環(huán)0 次和5 次在100 倍和5 000 倍放大倍數(shù)下凝膠的微觀結(jié)構圖。從圖6中可見,凍融循環(huán)0 次時,未超聲的樣品形成了表面粗糙、松散、孔洞較大的網(wǎng)絡結(jié)構,超聲后SPI凝膠組織形成了表面光滑、緊湊、均勻的孔隙小的網(wǎng)狀結(jié)構。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于超聲的空化現(xiàn)象顯著降低蛋白粒徑,增加了暴露于蛋白表面的活性基團,促進TG交聯(lián)反應形成更加均勻致密的凝膠結(jié)構[32]。
凍融循環(huán)5 次后,凝膠的微觀結(jié)構存在顯著變化,呈明顯的蜂窩狀結(jié)構。Charoenrein等[33]觀察凍融過程中淀粉凝膠微觀結(jié)構變化,也發(fā)現(xiàn)凍融后淀粉凝膠網(wǎng)絡變成海綿狀結(jié)構。冷凍形成冰晶使凝膠整體平均孔徑變大,凝膠網(wǎng)絡結(jié)構形成具有冰晶嵌入的蜂窩狀結(jié)構[33]。溫度的升高引起冰晶融化,凝膠和水發(fā)生相分離,形成析水孔道,引起脫水縮和[34],導致凝膠呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構。這也解釋了凝膠持水性隨凍融次數(shù)增加而降低這一變化趨勢。SPI凝膠網(wǎng)狀結(jié)構較不規(guī)則,體現(xiàn)了較差的凍融穩(wěn)定性。超聲SPI凝膠表面光滑平整,基質(zhì)緊密。凍融循環(huán)引起的脫水縮合作用破壞了凝膠網(wǎng)絡結(jié)構,同時也會造成凝膠體系蛋白質(zhì)的濃縮,在高放大倍數(shù)(×5 000)觀察到凝膠纖維狀結(jié)構。超聲作用減小SPI粒徑,有助于形成更加緊密的網(wǎng)絡結(jié)構,超聲的機械效應引起蛋白分子結(jié)構展開,促使形成鍵能更強的ε-賴氨酸異肽鍵,減弱凍結(jié)形成的冰晶對凝膠網(wǎng)絡結(jié)構的破壞作用,從而降低凍融過程對凝膠的破壞作用。

圖7 超聲時間對凝膠質(zhì)構的影響Fig. 7 Effect of ultrasonication time on texture of the gel
凝膠硬度和彈性受凝膠網(wǎng)絡形成的影響。如圖7所示,在超聲處理條件下,SPI凝膠的硬度和彈性均隨處理時間的延長呈現(xiàn)增加趨勢。超聲40 min時,凝膠硬度和彈性達到最大,凍融循環(huán)0 次,其凝膠硬度和彈性分別為522.94 g和0.96 mm,分別是SPI的1.78 倍和1.14 倍,表明超聲處理能改善TG誘導SPI凝膠的硬度和彈性。超聲產(chǎn)生的空穴作用和微束流作用可以促進疏水基團的暴露,隨著處理時間的延長,蛋白質(zhì)變性,更多的疏水基團暴露,蛋白分子間的交聯(lián)度提高,所形成的凝膠網(wǎng)絡更加精細,促使凝膠硬度和彈性增加。Zhao等[35]也得到相似結(jié)論。
隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,所有樣品凝膠的硬度和彈性也隨之增加。Fuchigami等[36]研究高壓冷凍豆腐發(fā)現(xiàn)豆腐在冷凍后硬度和彈性都會增加。冷凍使水分形成冰晶,引起蛋白濃縮的同時也會破壞凝膠結(jié)構,形成蜂窩狀空洞型結(jié)構,而且蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用取代蛋白質(zhì)-水作用,從而增大凝膠硬度和彈性[34]。凍融循環(huán)5 次后,SPI凝膠硬度和彈性較凍融循環(huán)0 次時分別增加了1 186.23 g和0.36 mm,超聲40 min的凝膠樣品經(jīng)凍融循環(huán)5 次其凝膠硬度和彈性較凍融循環(huán)0 次時分別增加了510.23 g和0.07 mm,超聲的SPI凝膠的硬度和彈性在凍融過程中變化程度小于SPI凝膠。說明超聲處理能夠減緩凍融過程中SPI凝膠劣變程度。

圖8 超聲時間對凝膠可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)的影響Fig. 8 Effect of ultrasonication time on soluble protein content of the gel
從圖8可以看出,凍融循環(huán)0 次時,SPI凝膠的可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)最高,為14.14%,超聲處理后,凝膠的可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)顯著降低(P<0.05),且隨超聲時間的延長而降低,超聲處理40 min時,凝膠可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)達到最低,為13.56%。超聲處理導致蛋白質(zhì)的展開、肽鍵的破壞和親水氨基酸殘基在蛋白質(zhì)內(nèi)部的暴露,增加蛋白溶解度[37],有利于形成更加均勻致密的網(wǎng)絡,這種網(wǎng)絡結(jié)構的形成需要大量蛋白參與,因此可溶性蛋白含量降低。
凍融循環(huán)5 次后,SPI可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)較凍融循環(huán)0 次顯著降低(P<0.05),減少了7.23%。冷凍引起蛋白變性,發(fā)生聚集和肽鏈展開,導致凝膠結(jié)構進一步重排,可溶蛋白通過蛋白間相互作用結(jié)合到原有網(wǎng)絡結(jié)構,使凝膠的網(wǎng)絡結(jié)構變得粗糙,從而引起凝膠在凍藏過程中品質(zhì)的劣變[2]。超聲時間為40 min時,凝膠可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)達到最低,為9.91%,較凍融循環(huán)0 次減少了3.65%,表明超聲處理能改善TG誘導的SPI凝膠凍融穩(wěn)定性。
隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,凝膠的持水性和可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)都呈下降趨勢,硬度隨之而增加。掃描電子顯微鏡觀察凝膠微觀結(jié)構發(fā)現(xiàn),凍融循環(huán)5 次后的凝膠孔洞大,蛋白基質(zhì)松散,呈明顯的蜂窩狀結(jié)構。說明凍融導致凝膠劣變,凍融穩(wěn)定性降低。
通過粒徑、表面疏水性、內(nèi)源熒光光譜分析和傅里葉變換紅外光譜分析證明了超聲處理導致SPI分子結(jié)構發(fā)生變化。超聲處理能夠提高SPI凝膠的持水性、硬度和彈性,且凝膠微觀結(jié)構更加均勻致密。凍融循環(huán)過程中,超聲SPI凝膠持水性、硬度、彈性和可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)變化幅度明顯小于SPI凝膠,表明超聲處理能夠提高凝膠凍融穩(wěn)定性。
杜昱蒙等[38]研究濕熱法制備SPI-葡萄糖糖基化產(chǎn)物熱致凝膠的抗凍性,發(fā)現(xiàn)當葡萄糖與SPI質(zhì)量比為1∶2、蛋白含量為40 mg/g、反應時間1.5 h時進行糖基化反應,其凝膠抗凍性最好。與其相比,本實驗不需要添加糖,縮短了改性時間,提高效率、節(jié)省能源、降低成本。