馬鈴薯分離蛋白溶液的流變學(xué)性能研究

張文會(huì)，王玉華，齊 斌

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130118；2.常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

馬鈴薯分離蛋白溶液的流變學(xué)性能研究

張文會(huì)1，王玉華1，齊 斌2,﹡

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130118；2.常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

以新鮮馬鈴薯為原料，用等電點(diǎn)法提取馬鈴薯分離蛋白，研究了馬鈴薯分離蛋白的流體力學(xué)性能和影響因素。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，馬鈴薯分離蛋白溶液表現(xiàn)為剪切稀化的流體性能，屬于非牛頓流體。馬鈴薯分離蛋白溶液濃度越高，剪切稀化現(xiàn)象越明顯。體系的溫度、剪切時(shí)間和溶液的配制時(shí)間對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液的流體性能都有影響。

馬鈴薯，分離蛋白，流變性

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

自制馬鈴薯分離蛋白[27-28]凍干后4℃保存；HCl、NaOH、Na2SO3、Na2HPO4、NaH2PO4江蘇強(qiáng)盛化工有限公司，分析純。

CR22GⅡ高速冷凍離心機(jī) 日本東京日立KoKi有限公司；W201數(shù)控恒溫水浴鍋 上海申順生物科技有限公司；pH計(jì) 瑞士梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；HR1724飛利浦?jǐn)嚢铏C(jī) 珠海經(jīng)濟(jì)特區(qū)飛利浦家庭電器有限公司；DHG-9243BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；SZ-97自動(dòng)三重純水蒸餾器 上海亞榮生化儀器廠；Vortex Genie 2渦旋器 美國(guó)Scientific industries Inc；Christ冷凍干燥機(jī) 德國(guó)Christ公司；MCR301流變儀 奧地利Anton Pear。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 馬鈴薯分離蛋白的成分檢測(cè)

1.2.1.1 灰分測(cè)定 GB/T 5009.4-2003。

1.2.1.2 水分測(cè)定 GB/T 5009.3-2003。

1.2.1.3 蛋白質(zhì)含量測(cè)定 GB/T 5009.5-2003。

1.2.1.4 脂肪測(cè)定 GB/T 5009.6-2003。

1.2.2 馬鈴薯分離蛋白流變學(xué)特性的測(cè)定[29-31]

1.2.2.1 馬鈴薯分離蛋白溶液濃度對(duì)流體性能的影響 用pH=8的磷酸鹽緩沖溶液配制濃度為0.05%、0.1%、0.5%和1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，用MCR301流變儀測(cè)定不同濃度的馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度-剪切速率曲線。測(cè)定條件如下：溫度：恒溫25℃；錐板：直徑50mm、1°；測(cè)定模式：Flow Curve；以剪切速率為變量，范圍為0.1～1000s-1，模式為線性掃描，變量點(diǎn)取30個(gè)。

1.2.2.2 溫度對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響 配制濃度為1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，用MCR301流變儀測(cè)定馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度-溫度曲線。測(cè)定條件如下：溫度：20～80℃；錐板：直徑50mm、1°；測(cè)定模式：Flow Curve；掃描時(shí)間：10min；變量點(diǎn)取50個(gè)，剪切速率為500s-1。

1.2.2.3 剪切時(shí)間對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響 配制濃度為1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，測(cè)定其表觀黏度-剪切時(shí)間曲線。測(cè)定條件如下：溫度：25℃；錐板：直徑50mm、1°；測(cè)定模式：Flow Curve；以剪切時(shí)間為變量，變量點(diǎn)取50個(gè),剪切速率為700s-1，比較其流體性能受剪切時(shí)間的影響。

1.2.2.4 配制時(shí)間對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響 配制濃度為1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，分成兩份，一份在配制后1h內(nèi)測(cè)定表觀黏度-剪切速率曲線，另一份在放置過夜后測(cè)量其表觀黏度-剪切速率曲線。以剪切速率為變量，范圍0.1～1000s-1，掃描模式為線性，變量點(diǎn)取50個(gè)，比較其流體性能受配制時(shí)間的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬鈴薯分離蛋白成分

制備的馬鈴薯分離蛋白基本成分見表1。

表1 馬鈴薯分離蛋白的基本化學(xué)組成

2.2 馬鈴薯分離蛋白溶液濃度對(duì)流體性能的影響

描述假塑性和膨脹性的非牛頓流體行為，可以用冪律函數(shù)方程來表示：η=Krn-1。其中，η為溶液的表觀黏度；r為剪切速率；K為流體稠度，K值越大，流體越粘稠；n為溶液的流動(dòng)指數(shù)，也稱非牛頓指數(shù)，它可用來判斷流體與牛頓型流體的差別程度。n值離整數(shù)1越遠(yuǎn)，則呈非牛頓性越明顯。對(duì)于牛頓流體，n= 1，此時(shí)K相當(dāng)于牛頓黏度；對(duì)于假塑性流體，n＜1，表現(xiàn)為表觀黏度隨剪切速率的增加而下降；對(duì)于脹塑性流體，n＞1，表現(xiàn)為表觀黏度隨剪切速率的增加而增加[32]。

經(jīng)動(dòng)態(tài)流變儀MCR301測(cè)得蛋白溶液的黏度隨剪切速率的變化，如圖1所示。

圖1 馬鈴薯分離蛋白溶液表觀黏度-剪切速率曲線

利用儀器自帶的分析軟件，自動(dòng)擬合Ostwald冪律方程，計(jì)算得出相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 Ostwald冪律方程中各參數(shù)值及R2

由圖1可以看出，馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度隨著濃度的增大而升高，不同濃度的馬鈴薯分離蛋白溶液的黏度都隨著剪切速率的增加而減小，都表現(xiàn)為假塑性流體行為。由表2得出，隨著濃度的增加，稠度系數(shù)K隨之升高，表明濃度對(duì)馬鈴薯分離蛋白流動(dòng)行為的影響增大。流動(dòng)指數(shù)n隨著馬鈴薯分離蛋白溶液濃度的增大而降低，可見濃度越低，n越接近1，馬鈴薯分離蛋白溶液越接近于牛頓流體。馬鈴薯分離蛋白溶液濃度越高，n越偏離1，表現(xiàn)為假塑性流體行為越明顯。

2.3 溫度對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響

隨著溫度的升高，高分子間的相互作用力減弱，黏度下降。高分子溶液黏度對(duì)溫度的依賴性可用阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程來表示：η=AeEa/RT，該式反映了溶液黏度隨溫度的改變而發(fā)生的變化，η表示溶液表觀黏度；A為黏度常數(shù)（Pa·s）；R為氣體常數(shù)，8.32J/（mol·K）；T為絕對(duì)溫度；Ea為活化能（J/ mol），反映了高分子鏈流動(dòng)時(shí)用于克服分子間作用力的大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同濃度條件下，馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度隨溫度的升高而變化的曲線，利用分析系統(tǒng)擬合（Arrhenius）方程，結(jié)果見圖2、圖3和表3。

圖2 濃度為0.1%的蛋白溶液的黏度-溫度曲線

圖3 濃度為1%的蛋白溶液的黏度-溫度曲線

表3 不同濃度的馬鈴薯分離蛋白溶液的Arrhenius方程及活化能Ea

由圖2、圖3和表3可以看出，不同濃度的馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度都隨著溫度的升高而降低，這是由于體系溫度的升高而使馬鈴薯分離蛋白分子鏈之間作用力減弱，導(dǎo)致黏度的下降。經(jīng)分析軟件擬合（Arrhenius）方程后可以發(fā)現(xiàn)，剪切速率為500s-1時(shí)，1%的馬鈴薯分離蛋白溶液的活化能是濃度為0.1%的馬鈴薯分離蛋白溶液的活化能的4.34倍，由此可見馬鈴薯分離蛋白溶液濃度越高，活化能越大。當(dāng)溫度升高時(shí)，黏度下降也越明顯。

2.4 剪切時(shí)間對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響

實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)定在剪切速率為700s-1時(shí)，馬鈴薯分離蛋白溶液的黏度隨著剪切時(shí)間的增加而發(fā)生的變化，結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，馬鈴薯蛋白溶液的黏度在較高的剪切速率下，隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小，說明在高速、連續(xù)的剪切作用下，有可能破壞馬鈴薯分離蛋白分子間的相互作用。

圖4 濃度為1%的蛋白溶液的黏度隨剪切時(shí)間的變化

2.5 配制時(shí)間對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響

配制濃度為1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，分別測(cè)定配制后在1h之內(nèi)和放置過夜后的黏度-剪切速率曲線，觀察放置時(shí)間對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液的黏度的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 放置時(shí)間對(duì)黏度的影響

由圖5可以看出，馬鈴薯分離蛋白溶液在配制1h之內(nèi)和放置過夜后，溶液的流體特征趨勢(shì)沒有明顯變化，但溶液的表觀粘度稍有下降，這說明馬鈴薯分離蛋白分子間所形成的結(jié)構(gòu)不是很穩(wěn)定，隨著溶液放置時(shí)間的增加，蛋白分子水合作用增強(qiáng)，其蛋白-蛋白分子間作用力下降，從而導(dǎo)致了馬鈴薯分離蛋白溶液表觀黏度的下降。

3 結(jié)論

通過研究馬鈴薯分離蛋白的濃度、體系的溫度、持續(xù)的剪切時(shí)間和放置時(shí)間等因素，采用MCR流變儀對(duì)馬鈴薯分離蛋白溶液進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

3.1 馬鈴薯分離蛋白溶液屬于非牛頓流體，表現(xiàn)為：隨著剪切速率的增加，溶液表觀粘度隨之降低。隨著蛋白濃度的增加，溶液的黏度也增加。蛋白溶液濃度的升高，其剪切稀化現(xiàn)象也越明顯。

3.2 隨著體系溫度的升高，溶液的表觀黏度逐漸降低，這是由于體系溫度的升高而使馬鈴薯分離蛋白分子鏈之間作用力減弱，導(dǎo)致黏度下降。馬鈴薯分離蛋白溶液濃度越高，活化能越大，溶液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力也越大。溫度升高時(shí)，黏度下降也越明顯。

3.3 由于在連續(xù)較高的剪切條件下，蛋白分子之間相互作用被破壞，而使蛋白溶液黏度下降。

3.4 蛋白-蛋白分子間所形成的結(jié)構(gòu)不是很穩(wěn)定，隨著溶液放置時(shí)間的增加，蛋白分子水合作用增強(qiáng)，其蛋白-蛋白分子間作用力下降，從而導(dǎo)致了馬鈴薯分離蛋白溶液表觀黏度的下降。

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Study on rheological behavior of potato protein isolates solution

ZHANG Wen-hui1，WANG Yu-hua1，QI Bin2,*
（1.College of Food Science and Engineering,Jilin Agriculture University,Changchun 130118,China；2.College of Biology and Food Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China）

Using fresh potato to obtain potato protein isolate(PPI)by isoelectric precipitation.The property of hydrodynamics and influential factor on PPI solution were studied.The results indicated that the PPI solution displays shear-thinning behavior which belonged to non-Newtonian fluid.The shear-thinning behavior was more obviously with the increased of concentration of PPI solution.The rheological behavior of PPI was influenced by the temperature and shear time of the system and the time of preparing solutions.

potato；protein isolates；rheological behavior

TS215

A

1002-0306（2011）10-0194-04

馬鈴薯蛋白質(zhì)可明顯促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，其食物利用率、生物價(jià)、蛋白質(zhì)凈利用率、蛋白質(zhì)功效比值等評(píng)價(jià)指標(biāo)均與酪蛋白接近。維持人體氮平衡的實(shí)驗(yàn)證明，馬鈴薯蛋白優(yōu)于其它作物蛋白[1]。馬鈴薯蛋白質(zhì)的必需氨基酸含量占氨基酸總量的47.9%，其必需氨基酸含量與雞蛋蛋白（49.7%）相當(dāng)，明顯高于FAO/WHO的標(biāo)準(zhǔn)蛋白（36.0%）[2]。因此，馬鈴薯蛋白是天然的優(yōu)良蛋白，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值優(yōu)于酪蛋白，可加以開發(fā)和利用[3-6]。近年來有關(guān)馬鈴薯分離蛋白的研究主要集中在提取、分離[7-12]和功能性質(zhì)上，天然馬鈴薯蛋白濃縮物有良好的溶解性、起泡性和乳化性[13-17]。國(guó)外對(duì)于馬鈴薯蛋白的分離純化方面研究也較多[18-22]。但對(duì)馬鈴薯分離蛋白的流變性質(zhì)研究國(guó)內(nèi)外還未見報(bào)道。流變性，可以簡(jiǎn)單的理解為，物體在力學(xué)作用下發(fā)生的形變，在流動(dòng)過程中表現(xiàn)出來的性質(zhì)[23]。理解和掌握流體行為，是生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和應(yīng)用中的一個(gè)重要問題[24]。由于食品物料的流變性質(zhì)與食品的質(zhì)地穩(wěn)定性和加工工藝等有重要的關(guān)系，所以通過對(duì)食品流變性的研究，可以了解食品的組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分子形態(tài)等，能為產(chǎn)品配方加工工藝、設(shè)備選型及質(zhì)量檢測(cè)等提供方便和依據(jù)[25]。隨著食品工業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)食品流變學(xué)的興趣也日益增長(zhǎng),食品流變學(xué)的研究愈來愈廣泛,目前食品流變學(xué)已發(fā)展成為一門食品工業(yè)不可缺少的邊緣學(xué)科,因此,流變特性的檢測(cè)已成為食品加工及生產(chǎn)過程中必不可少的檢測(cè)手段之一[26]。本文主要研究了馬鈴薯分離蛋白的流變性隨著分離蛋白的濃度、體系溫度、剪切速率和剪切時(shí)間的變化。

2010-08-24 *通訊聯(lián)系人

張文會(huì)（1983-），男，碩士研究生，研究方向：食品微生物與功能性食品。