熱處理對糖基化大豆蛋白乳液凍融穩(wěn)定性的影響

王喜波 周國衛(wèi) 王小丹 王 琳 張安琪 王玉瑩

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

大豆分離蛋白是一種優(yōu)良的植物蛋白，不僅含有許多人體必需的氨基酸，還具有保水性、凝膠性等功能性質(zhì)。此外，大豆分離蛋白中還含有具有表面活性的7 S和11 S組分，所以蛋白質(zhì)還具有親水親油性，在食品乳液中被廣泛用作乳化劑[1]。為了保持食品乳液的化學(xué)穩(wěn)定性、延長乳液的保質(zhì)期，冷凍儲存成為最重要的保存方法之一。然而，大部分水包油乳液在冷凍后非常不穩(wěn)定，導(dǎo)致乳液出現(xiàn)聚結(jié)、乳析、相分離等現(xiàn)象，所以提高乳液的凍融穩(wěn)定性很有必要。

目前，通過糖基化以及糖基化協(xié)同酶解改性來提高蛋白的凍融穩(wěn)定性多有報道。文獻[2]用β-乳球蛋白和葡聚糖生成共價接枝物，并制成乳液，觀察室溫下乳液粒徑隨儲存時間的變化。結(jié)果顯示，隨著時間的延長，用未改性β-乳球蛋白制成的乳液液滴增大，而改性蛋白的乳液液滴并未發(fā)生顯著變化，說明接枝物能夠提高乳液的穩(wěn)定性。文獻[3]在研究乳清分離蛋白-葡聚糖接枝產(chǎn)物功能性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，接枝物在水包油乳液中能夠快速、更為緊密地吸附在油-水界面上，在油滴表面形成較厚的界面膜，提高了乳清分離蛋白的乳化性能，并且能夠顯著提高乳液的凍融穩(wěn)定性。文獻[4]研究了糖基化協(xié)同酶解改性對大豆分離蛋白乳液凍融穩(wěn)定性的影響，指出SPH3-D乳液經(jīng)3次凍融循環(huán)后的乳液粒徑最小，表明SPH3-D乳液具有最好的凍融穩(wěn)定性。但是不同溫度處理下乳液對糖基化蛋白乳液凍融穩(wěn)定性的研究卻鮮有報道。

經(jīng)限制性酶解后蛋白結(jié)構(gòu)展開，酶解產(chǎn)物再與多糖發(fā)生糖基化反應(yīng)，能夠顯著增強蛋白質(zhì)的界面性質(zhì)、乳化性質(zhì)以及抗氧化活性[5-6]，而濕法糖基化又使蛋白質(zhì)和多糖之間的接觸最大化，并在反應(yīng)前省去了耗能、耗時的冷凍干燥步驟[7-8]。本文通過濕法糖基化和限制性酶解后糖基化來制備產(chǎn)物，探究溫度對乳液凍融穩(wěn)定性的影響，以研究外界環(huán)境對乳狀液的影響，初步探究其凍融機理，拓寬大豆蛋白在食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低溫脫脂豆粉，山東禹王實業(yè)有限公司；葡聚糖，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；考馬斯亮藍R250，Schiff試劑，北京索萊寶科技有限公司；十二烷基磺酸鈉(SDS),北京博奧拓達科技有限公司；胰蛋白酶，Sigma公司；5×蛋白上樣緩沖液，北京博奧拓達科技有限公司;大豆油，九三糧油工業(yè)集團有限公司；溴酚藍，北京索萊寶科技有限公司；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 主要儀器設(shè)備

T18 Basic型高速分散機/勻漿機，德國IKA公司；AVP-2000型高壓均質(zhì)機，英國Stansted Fluid Power公司；EPS 601型膠電泳儀，美國伯樂公司；Mastersizer 2000S型激光粒度分析儀，英國Malvern公司；U-1800型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；Olympus UIS2型光學(xué)顯微鏡，日本Olympus公司。

1.3 試驗方法

1.3.1大豆分離蛋白的制備

根據(jù)文獻[9]，改進方法制備SPI(大豆分離蛋白)。將低溫脫脂大豆粉(200 g)按液料比10 mL/g溶于去離子水中，并用2.0 mol/L NaOH將其pH值調(diào)節(jié)至8.5,攪拌2 h。然后將懸浮液在4℃下以4 000g離心20 min以除去不溶物質(zhì)。隨后，使用2.0 mol/L HCl將上清液的pH值調(diào)節(jié)至4.5,靜置2 h(4℃)后繼續(xù)在4℃下以4 000g離心15 min收集沉淀物，沉淀物用去離子水洗滌兩次并重新溶解在去離子中，并用2.0 mol/L NaOH將混合物的pH值調(diào)節(jié)至7.0,并透析(4℃)24 h。最后將SPI溶液凍干。

1.3.2SPH及SPI-D、SPH-D糖基化產(chǎn)物的制備

根據(jù)文獻[10]，通過pH-stat法測定水解度。將SPI(2 g/(100 mL))分散在10 mmol/L PBS(磷酸鹽緩沖液)(pH值8.0)中并攪拌2 h。隨后，加入胰蛋白酶(0.25 g/(100 mL))，將分散體在37℃下恒溫攪拌200 min后[4]，95℃加熱10 min滅酶，獲得水解度為3%的SPH(大豆分離蛋白水解物)，將其冷凍干燥得到SPH固體，冷凍儲存?zhèn)溆谩?/p>

將SPI(4 g/(100 mL))和葡聚糖(40 ku)按質(zhì)量比為1∶3、SPH(4 g/(100 mL))和葡聚糖(40 ku)按質(zhì)量比為2∶3的比例溶解于10 mmol/L磷酸緩沖溶液(pH值8.0)中并攪拌4 h[11]，然后冷藏12 h。隨后，將SPI和葡聚糖混合物在95℃恒溫水浴中加熱4 h、SPH和葡聚糖混合物在85℃水浴中加熱1 h,反應(yīng)結(jié)束后在冰浴中冷卻至室溫(20℃)，通過冷凍干燥獲得樣品并在-20℃下儲存。

1.3.3聚丙烯酰胺凝膠電泳分析

根據(jù)文獻[12]的方法并稍加修改進行十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)試驗。用10 mmol/L pH值8.0的磷酸緩沖溶液將樣品稀釋為5 mg/mL,并與5×SDS上樣緩沖液按體積比4∶1混合，沸水浴5 min后冷卻，并取7 μL注入到每個樣孔中。設(shè)定濃縮膠中的電壓為90 V，分離膠中的電壓為120 V。當溴酚藍距離凝膠底部邊緣約1 cm時，關(guān)閉電源，電泳結(jié)束，起膠。

蛋白染色：電泳結(jié)束后，將凝膠條放置在考馬斯亮藍染色液中染色12 h,之后用脫色液洗脫3～4次，直至凝膠中出現(xiàn)清晰的藍色條帶。

糖染色：電泳結(jié)束后，將凝膠條放入過碘酸溶液中氧化處理12 h,之后用冰醋酸-三氯乙酸溶液漂洗3～4次(每次2 h)。然后將漂洗后的凝膠條放置在Schiff試劑中避光染色16 h后再用5%的醋酸溶液浸泡，直至觀察到粉色的糖蛋白條帶。

1.3.4乳液制備

根據(jù)文獻[13]，將大豆油與1%蛋白質(zhì)分散體混合以制備水包油乳液(溶液與大豆油的體積比調(diào)節(jié)至9∶1)。通過在高速攪拌器中以10 000 r/min均質(zhì)1 min來制備粗乳液。然后用高壓均質(zhì)機在40 MPa下處理1次得到乳液。

1.3.5凍融循環(huán)

將新鮮制備乳液的pH值調(diào)為7.0并放入玻璃試劑瓶中，加蓋密封，在不同溫度下加熱(30、50、70、90℃)30 min，冷卻至室溫。將乳液轉(zhuǎn)移到25 mL具塞試管中，在-20℃冷凍儲存22 h后置于25℃的恒溫水浴中解凍2 h[14]，然后評估蛋白質(zhì)乳液的凍融穩(wěn)定性，樣品經(jīng)歷3次凍融循環(huán)。

1.3.6粒徑測定

使用Mastersizer 2000S型激光粒度分析儀測量新鮮和凍融乳液中液滴的平均粒徑。設(shè)定分散相折射率和吸附率分別為1.460和0.001，連續(xù)相折射率為1.330[15]。將樣品適當稀釋后，測定體積平均粒徑D4,3。

1.3.7聚結(jié)程度測定

根據(jù)文獻[16]的方法，使用體積平均粒徑計算聚結(jié)程度，公式為

(1)

式中D4,3f——凍融后乳液的體積平均粒徑

D4,3i——初始乳液的體積平均粒徑

還有一部分是從擬聲詞轉(zhuǎn)換而來的AA式重疊動詞，如：嘚嘚、叭叭、叨叨、吵吵、哼哼、嘎嘎、記記、咧咧、曲曲、嗡嗡、囔囔等。從感情色彩來看，動詞重疊AA式多數(shù)是表示貶義的。

1.3.8出油率測定

參照文獻[17]的方法略加改動。稱取0.015 g蘇丹Ⅲ試劑加入到1 000 g大豆油中，室溫攪拌12 h得到蘇丹Ⅲ油溶液。準確稱取4 g蘇丹Ⅲ油溶液和16 g待測乳液于50 mL離心管中，振蕩混勻，以16 000g、4℃離心20 min，收集上層油液于508 nm處測定吸光度，同時以大豆油做空白。出油率計算公式為

(2)

式中m0——染料溶液的質(zhì)量，g

a——離心前后染料吸光度的比值

me——乳液的質(zhì)量，g

φd——油體積分數(shù)，%

1.3.9乳析指數(shù)測定

經(jīng)凍融處理后，乳液會分離成頂部的不透明的“乳油”層和底部的透明(或混濁)“血清”層。參照文獻[18]的方法，乳析指數(shù)計算公式為

(3)

Ht——乳液總高度，cm

1.3.10光學(xué)顯微鏡分析

在分析之前振蕩乳液以確保混合均勻。取20 μL乳液置于顯微鏡載玻片，然后蓋上蓋玻片，并通過Olympus UIS2型光學(xué)顯微鏡觀察乳液的微觀結(jié)構(gòu)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS Statistics 19統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)的處理與分析(ANOVA),并采用Duncan檢驗(顯著性水平P<0.05),所有試驗重復(fù)3次，數(shù)據(jù)表示為平均值±標準偏差。所有的圖都使用Origin 8.6軟件制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 SDS-PAGE分析

SDS-PAGE證實了蛋白質(zhì)與葡聚糖在美拉德反應(yīng)過程中發(fā)生了共價結(jié)合。如圖1所示，泳道1為Marker，泳道2為SPI對照樣品，在分離膠頂部沒有新的條帶出現(xiàn)，而泳道3(SPI-D)和泳道4(SPH-D)在分離膠的頂端區(qū)域顏色變深，說明蛋白質(zhì)-葡聚糖共價結(jié)合發(fā)生，產(chǎn)生更高分子量的物質(zhì)，從而導(dǎo)致其在分離膠頂部積累[19]。另外，SPI-D相較于SPH-D在分離膠頂部附近的顏色較深，說明相同分子質(zhì)量下SPI-D比SPH-D數(shù)量多。

圖1 SPI、SPI-D和SPH-D的SDS-PAGEFig.1 SDS-PAGE of SPI, SPI-D and SPH-D

糖染色可以進一步證實糖基化反應(yīng)的發(fā)生，其中，泳道5是SPI的糖染色條帶，與泳道2一致，沒有新條帶出現(xiàn)，而泳道6、7分別是SPI-D和SPH-D的糖染色條帶，泳道6、7顯示在分離膠頂部有糖染色條帶出現(xiàn)，與泳道3、4條帶一致，表明蛋白質(zhì)和葡聚糖發(fā)生糖基化反應(yīng)生成共價結(jié)合物。這與文獻[20-21]結(jié)果相似，蛋白質(zhì)和多糖的糖基化反應(yīng)導(dǎo)致在分離膠頂部出現(xiàn)高分子條帶。SDS-PAGE證實了蛋白和葡聚糖發(fā)生糖基化反應(yīng)。

2.2 溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳液粒徑的影響

蛋白質(zhì)乳液的平均液滴尺寸與乳液的穩(wěn)定性相關(guān)，一般粒徑越小，乳液越穩(wěn)定。通常，體積平均粒徑D4,3可以用來表征乳液中大的液滴聚集[22]。圖2(圖中不同字母表示相同圖例、不同溫度條件下具有顯著性差異，下同)為溫度對樣品乳液凍融前后體積平均粒徑的影響。從圖中可以看出，乳液經(jīng)過加熱處理后，初始乳液的粒徑隨著溫度的增加總體呈增加的趨勢，這可能是乳液經(jīng)過熱處理，液滴之間劇烈運動，液滴相互碰撞機會增加，導(dǎo)致乳液聚集，粒徑變大，還有可能是熱處理引起蛋白變性，結(jié)構(gòu)展開，疏水基團暴露，從而促進蛋白質(zhì)分子通過疏水相互作用相互聚集，導(dǎo)致粒徑變大[23]。在凍融后，SPI-D和SPH-D乳液的粒徑比SPI的小，說明葡聚糖鏈的接入改善了蛋白的凍融穩(wěn)定性，這可能是由于多糖的加入具有增稠作用，使得蛋白質(zhì)分子處在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，糖基化反應(yīng)后，蛋白分子會迅速吸附在油滴表面形成界面膜，這可以防止部分液滴聚結(jié)[2]，SPH-D乳液經(jīng)過3次凍融循環(huán)后粒徑仍相對較小，這可能是因為SPI水解后又暴露了更多的疏水基團并產(chǎn)生一些具有表面活性的多肽[24]，與多糖結(jié)合后具有更好的界面性質(zhì)，乳液穩(wěn)定性提高，這與文獻[4]的研究結(jié)果一致。并且熱處理后的乳液經(jīng)過凍融循環(huán)后具有更小的粒徑，說明熱處理后乳液的凍融穩(wěn)定性得到改善。在50℃時，3次凍融循環(huán)后SPI、SPI-D和SPH-D粒徑分別降低了47.52、27.25、22.96 μm,這說明了對乳液進行熱處理可提高乳液的凍融穩(wěn)定性，原因可能是熱處理后蛋白分子之間相互聚集增強了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了乳液的凍融穩(wěn)定性，但溫度過高又會導(dǎo)致乳液粒徑增大。

圖2 溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳液體積平均粒徑的影響Fig.2 Effects of temperature on volume average particle size of SPI, SPI-D and SPH-D emulsions

2.3 溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳液聚結(jié)程度的影響

乳液在凍融循環(huán)過程中，尖銳的冰晶會刺破油-水界面膜，造成液滴之間發(fā)生聚結(jié)現(xiàn)象，使得乳液不穩(wěn)定。聚結(jié)程度C可作為判斷乳液凍融穩(wěn)定性的一個指標。溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳液聚結(jié)程度的影響如圖3所示。從圖中可以看出，凍融循環(huán)后的乳液的聚集程度不斷增大。但是相對于未改性的SPI，SPI-D和SPH-D乳液的聚集程度稍低一些。這可能是由兩方面原因造成，一方面多糖的加入能夠減少冷凍過程中冰晶形成的量，使得未凍結(jié)水的量和水相的粘度增加，減少油滴的運動，并在油滴周圍形成界面層，降低液滴的聚結(jié)[25-28]；另一方面大分子量球蛋白被水解成相對較小分子量的肽段，改變了其空間結(jié)構(gòu)，使其柔性增加，有助于形成良好的界面膜，有效抑制了液滴的聚結(jié)[29]。并且對乳液進行熱處理后，通過數(shù)據(jù)分析表明熱處理對乳液的聚結(jié)有一定的影響，隨著溫度的增加，乳液的聚結(jié)程度呈降低的趨勢，3次凍融循環(huán)后，SPI的聚結(jié)程度從未處理的3 403.90%降低到90℃處理的348.75%，SPI-D從1 181.49%降低到191.59%，SPH-D從806.17%降低到138.73%，這些數(shù)據(jù)表明熱處理對乳液的聚結(jié)有很好的抑制作用，這可能是由于熱處理導(dǎo)致吸附在同一或不同液滴上的蛋白分子相互交聯(lián)，使得液滴界面膜更加緊密，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強，乳液的抗聚結(jié)能力增強。在改性淀粉穩(wěn)定的乳液中也有類似的現(xiàn)象被報道[30-31]。這些結(jié)果表明SPI-D和SPH-D的聚結(jié)程度在熱處理后降低，這可能是因為親水性多糖鏈的接入形成更大的聚合物，吸附在油滴表面提供良好的空間穩(wěn)定性[32]，經(jīng)過熱處理后形成致密的界面膜，提高了乳液的抗聚結(jié)能力。

圖3 溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳液聚結(jié)程度的影響Fig.3 Effects of temperature on coalescence degree of SPI, SPI-D and SPH-D emulsions

2.4 溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳液出油率的影響

乳液經(jīng)過凍融，乳化態(tài)脂肪會變?yōu)橛坞x的脂肪分布在乳液的頂層，因此，可以通過測量游離脂肪來判斷乳液的凍融穩(wěn)定性。一般出油率越小，乳液越穩(wěn)定[33]。圖4為溫度對SPI、SPI-D和SPH-D出油率的影響。從圖中可以看出，在未熱處理的情況下，乳液的凍融穩(wěn)定性較差。凍融循環(huán)3次后SPI、SPI-D和SPH-D出油率分別達到了23.33%、14.33%和10.23%，由此可以看出，SPI-D和SPH-D的出油率顯著低于未改性SPI，文獻[34]也得出相似的結(jié)論，指出SPI乳液在經(jīng)歷凍融循環(huán)后出油率逐漸增大，而加入葡聚糖的蛋白具有較低出油率。這可能是由于蛋白質(zhì)被糖基化后，提高了蛋白質(zhì)的溶解度；同時葡聚糖的引入也產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，使得結(jié)合物能夠更為緊密地吸附在油-水界面上，形成致密的界面膜[3]，有利于阻止油滴的析出。文獻[4]也指出SPH-D共價復(fù)合物具有較好的乳化性，能夠在油滴表面形成較厚的界面膜，可以阻止油滴聚集。如圖4所示，當熱處理后，乳液的出油率明顯降低，隨著溫度的增加，乳液的出油率總體呈現(xiàn)降低的趨勢，當溫度達到90℃時，SPI、SPI-D和SPH-D乳液的出油率分別降低了62.53%、43.26%和42.62%，這可能是由于未吸附的蛋白質(zhì)在乳液加熱過程中與油滴界面的蛋白質(zhì)分子發(fā)生熱聚集作用，并繼續(xù)吸附在油滴界面上，使得油滴周圍界面膜厚度增加，改善了乳液的凍融穩(wěn)定性[35]，所以降低了凍融過程中的出油率。

圖4 溫度對SPI、SPI-D和SPH-D 3次凍融循環(huán)后出油率的影響Fig.4 Effect of temperature on oil yield of SPI, SPI-D and SPH-D emulsions after three freeze-thaw cycles

2.5 溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳液乳析指數(shù)的影響

未熱處理的SPI乳液在3次凍融循環(huán)之后，乳液幾乎完全破乳，乳析指數(shù)為73.92%，而SPI-D和SPH-D的乳析指數(shù)相對較低，分別為66.18%和60.66%,這與文獻[36]得出的結(jié)論相類似，文獻指出糖基化后的綠豆分離蛋白乳液經(jīng)過3次凍融循環(huán)后仍具有較小的乳析指數(shù)。溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳析指數(shù)的影響如圖5所示，在凍融循環(huán)過程中，乳析指數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢。熱處理后，乳液的穩(wěn)定性繼續(xù)升高，當溫度達到90℃時，SPI乳析指數(shù)降低了22.46%，表明熱處理提高了乳液在凍融循環(huán)過程中的抗乳析穩(wěn)定性，這是因為隨著溫度的升高，使得吸附在油滴上的SPI結(jié)構(gòu)展開，疏水基團暴露，在疏水作用下，蛋白聚集形成致密的界面膜[35]，使得乳液乳析指數(shù)變小。另外，SPI-D和SPH-D在熱處理后乳析指數(shù)也呈現(xiàn)總體下降的趨勢，但溫度對乳析指數(shù)的影響不顯著。

圖5 溫度對SPI、SPI-D和SPH-D乳液乳析指數(shù)的影響Fig.5 Effects of temperature on creaming index of SPI, SPI-D and SPH-D emulsions

2.6 蛋白乳液光學(xué)顯微鏡分析

分別在未熱處理和溫度為90℃處理時，觀察凍融前后SPI、SPI-D和SPH-D乳液的微觀結(jié)構(gòu)。從圖6可以看出在未加熱處理時，3種樣品初始乳液的液滴分布均勻，尺寸較小，微觀結(jié)構(gòu)沒有明顯差異。當溫度達到90℃時，乳液出現(xiàn)聚集，說明熱處理導(dǎo)致液滴之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。乳液經(jīng)過凍融處理后，純SPI 乳液中出現(xiàn)較大的油滴，這是因為未改性的SPI形成的界面膜較薄，抗凍融穩(wěn)定性較差，而SPI-D和SPH-D在凍融循環(huán)后表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，產(chǎn)生的油滴較小，這可歸因于多糖鏈的接入使得界面膜增強，這和本文2.4節(jié)研究結(jié)果一致。從凍融循環(huán)可以看出，未熱處理的乳液出現(xiàn)較大的油滴，而熱處理的3種乳液產(chǎn)生的油滴均較小，這可歸因于熱處理導(dǎo)致液滴交聯(lián)，使得凝膠網(wǎng)絡(luò)增強，界面膜變厚，更加致密，提高了乳液的凍融穩(wěn)定性[35]。

圖6 SPI、SPI-D和SPH-D乳液在未處理和90℃熱處理后凍融循環(huán)前后的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)Fig.6 Optical microstructures of SPI, SPI-D and SPH-D after freeze-thaw cycle at different temperatures

3 結(jié)束語

以粒徑、聚結(jié)程度、出油率和乳析指數(shù)為評價指標，研究不同溫度處理對糖基化大豆蛋白乳液凍融穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理后乳液的凍融穩(wěn)定性提高。3次凍融循環(huán)后，熱處理后的乳液粒徑相對較小，乳液的聚結(jié)程度和出油率也降低，SPI的聚結(jié)程度從未處理的3 403.90%降低到90℃處理的348.75%，SPI-D從1 181.49%降低到191.59%，SPH-D從806.17%降低到138.73%，出油率也分別降低了62.53%、43.26%和42.62%。隨著溫度(30～90℃)的升高，乳析指數(shù)呈降低的趨勢。通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)熱處理的乳液中經(jīng)凍融循環(huán)后出現(xiàn)較大的油滴，而經(jīng)90℃熱處理后的3種乳液產(chǎn)生的油滴均較小，說明熱處理可提高乳液的凍融穩(wěn)定性。