SPI-g-DEXT對SPI/DEXT共混溶液相行為及微結(jié)構(gòu)的影響

朱建華，楊曉泉，齊軍茹，賴富饒，單 斌，鄒秀容

（1.韶關(guān)學(xué)院英東食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；2.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640）

SPI-g-DEXT對SPI/DEXT共混溶液相行為及微結(jié)構(gòu)的影響

朱建華1，楊曉泉2，齊軍茹2，賴富饒2，單 斌1，鄒秀容1

（1.韶關(guān)學(xué)院英東食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；2.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640）

研究大豆分離蛋白-葡聚糖共價復(fù)合物（soy protein isolate-dextran grafted conjugates，SPI-g-DEXT）對大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）與葡聚糖（dextran，DEXT）溶液共混物相行為及微結(jié)構(gòu)形貌的影響。結(jié)果表明：添加SPI-g-DEXT的接枝率為49.92%時，共混溶液表觀黏度、黏彈模量、宏觀相分離時間及形貌結(jié)構(gòu)中多糖相分散度隨添加量（0、0.10、0.20、0.30 g/100 mL）增加而呈先增加后降低趨勢。SPI-g-DEXT添加量為0.20 g/100 mL時，共混溶液相容性隨其接枝度（0%、30.73%、49.92%、62.84%）增加而增加。添加共價復(fù)合物SPI-g-DEXT于SPI/DEXT共混溶液后，穩(wěn)態(tài)剪切及動態(tài)黏彈流變性、宏觀相分離時間、微觀形貌結(jié)構(gòu)和尺度主要取決于SPI-g-DEXT加入后增容作用與空間位阻作用的競爭結(jié)果。

大豆分離蛋白；葡聚糖；共價復(fù)合物；共混溶液；相行為；微結(jié)構(gòu)

蛋白與多糖是最常見存在于食品體系中的食品高分子聚合物，二者為構(gòu)建食品微結(jié)構(gòu)的兩大重要基材，其共混體系具熱力學(xué)不相容特征[1-3]。對于熱力學(xué)不相容的兩相或多相生物聚合物共混體系，有效地改善聚合物組分之間的相容性，控制分散相的形態(tài)及其相互凝聚，以及減小分散相的尺度，是實現(xiàn)食品材料功能性質(zhì)優(yōu)化的關(guān)鍵[4-5]。因此通過改善蛋白-多糖組分間的相容性，并控制體系相分離程度、分散相形態(tài)及介觀尺度以構(gòu)建預(yù)期微結(jié)構(gòu)，成為獲得具高品質(zhì)質(zhì)構(gòu)、控釋等功能特性的結(jié)構(gòu)化食品產(chǎn)品的理想途徑[6-7]。

在共混體系中引入少量與組分聚合物結(jié)構(gòu)相似的接枝或嵌段共聚物可有效地改善聚合物組分之間的相容性[8-9]。聚合物共混增容原理主要涉及此類嵌段共聚物與共混的聚合物之間具有一定的相容性能，可以降低界面張力，并將分散相隔離、乳化于連續(xù)相中，從而得到分散相相疇較小的共混物。因此添加接枝或嵌段共聚物成為聚合物共混體系的理想增容方法并被廣泛用于高分子材料加工領(lǐng)域中[10-11]。從材料學(xué)視角而言食品產(chǎn)品加工過程實則是可食性材料共混制備成型過程，在大多數(shù)情況下均會出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，如何對食品體系中出現(xiàn)的相分離現(xiàn)象進行預(yù)期約束調(diào)控近年來廣受食品科學(xué)理論及工業(yè)界關(guān)注的難點和熱點科學(xué)問題[12-13]。蛋白-多糖美拉德反應(yīng)共價復(fù)合物因其合成原料可食性、無毒且結(jié)構(gòu)符合接枝共聚物特性，與蛋白-多糖溶液共混體系的聚合物之間具良好的相容性[14]，因此通過物理場輔助作用可將其充分分散到蛋白-多糖溶液共混體系，從而成為具重要潛在技術(shù)應(yīng)用價值的增容劑，但從聚合物共混體系增容原理來研究食品體系的相分離約束問題迄今未見文獻報道。

本實驗擬以大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）與葡聚糖（dextran，DEXT）共混溶液為模型體系，探討采用美拉德反應(yīng)制備的共價復(fù)合物SPI-g-DEXT作為相容劑對改善多糖和蛋白共混體系的相行為及微結(jié)構(gòu)的影響，旨在為后續(xù)揭示美拉德共價復(fù)合物增容共混體系的作用規(guī)律和機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI（蛋白含量（干基）≥90%） 吉林不二蛋白有限公司；葡聚糖（70 kD） 美國Sigma公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

RHS600哈克流變儀 德國Hakke公司；TCS-SP2激光共聚焦儀 德國萊卡公司。

1.3 方法

1.3.1 SPI及DEXT儲備液的制備

將的SPI原料分別分散于磷酸緩沖液（pH7.6，0.5 mol/L）中，充分攪拌3 h并在4 ℃條件下過夜以確保SPI分子充分水化，制備的SPI儲備液質(zhì)量濃度為88 mg/mL。將分子質(zhì)量分別為70 kD的DEXT溶解于磷酸緩沖液中，于室溫下充分攪拌30 min分散溶解后制備得質(zhì)量濃度為20 mg/mL的DEXT儲備液。

1.3.2 SPI-g-DEXT美拉德共價復(fù)合物的制備及表征

分別稱取1 g SPI和一定量的DEXT，加入pH 6.5的磷酸鹽緩沖液10 mL，攪拌2 h至完全溶解，添加2 mg/mL NaN3數(shù)滴，置于5 ℃過夜，之后保持恒溫（50、55、60、65 ℃），攪拌24 h后，4 ℃透析24 h，于20 ℃在10 000×g離心30 min，取上清液，冷凍干燥，得到大豆分離蛋白-葡聚糖共價復(fù)合物（SPI-g-DEXT）。制備出的SPI-g-DEXT采用鄰苯二甲醛（OPA）法測定接枝度[14]。平行測定3 份樣品并取平均值。

1.3.3 共混工藝及共混溶液的制備

先將SPI儲備液（88 mg/mL）和DEXT儲備液（20 mg/mL）等體積預(yù)混后，然后加入SPI-g-DEXT溶液按預(yù)設(shè)比例共混，隨后在漩渦振蕩儀上振蕩5 min以使共混溶液宏觀相態(tài)均勻，溶液共混溫度為室溫。

1.3.4 共混溶液穩(wěn)態(tài)剪切流變性質(zhì)測定

采用平行板（直徑為27.83 mm）哈克RS600流變儀，在控制速率模式下，每個測量點停留10 s，測定溶液黏度（η）隨剪切速率的變化關(guān)系。實驗在25 ℃條a件下進行，剪切速率范圍為0.1～600 s-1，每個樣品平行測試3 次。

1.3.5 動態(tài)剪切應(yīng)變掃描性質(zhì)測定

平衡后溶液頻率掃描測試均于25 ℃條件下進行，其中頻率掃描范圍為0.1～100 rad/s，分別監(jiān)控彈性模量G’及黏性模量G’對頻率的依賴性。

1.3.6 共混溶液相分離時間的測定

移取適量共混溶液置于具塞刻度試管中，在漩渦振蕩儀上振蕩均勻，然后觀察試管中共混溶液開始出現(xiàn)具有宏觀相分離的時間，計算其與共混溶液移入試管時間的時間間隔。初始相分離時間與共混溶液相分離速度成負相關(guān)關(guān)系。初始相分離時間越長，表明共混溶液相分離速度越慢，即共混溶液的相穩(wěn)定性越好[16]。

1.3.7 共混溶液微觀形貌分析

SPI水化2 h后，加入0.2 mg/mL羅丹明B熒光標(biāo)記試劑，然后繼續(xù)攪拌混勻0.5 h以使熒光標(biāo)記試劑將蛋白染色充分，加入相應(yīng)質(zhì)量分數(shù)的DEXT和SPI-g-DEXT。用移液槍移取20 μL共混液至載玻片上，并采用Leica TCSSP2激光共聚焦儀進行共混溶液微結(jié)構(gòu)觀察。采用20倍，40 倍鏡頭選取所需觀察對象，選擇平面掃面xyz掃描模式，掃描像素為1 024×1 024。Ar/Kr激光器激發(fā)波長488 nm，激發(fā)值為100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Origin7.5軟件對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，樣品組和對照組之間的差異顯著性采用One Way ANOVA方法分析。P＜0.05 表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 SPI-g-DEXT的制備及表征

采用預(yù)設(shè)溫度條件下恒溫反應(yīng)24 h制備SPI-g-DEXT，通過有控制反應(yīng)溫度使其自發(fā)地發(fā)生Maillard反應(yīng)，使蛋白質(zhì)的ε-氨基基團與多糖的還原性羰基末端反應(yīng)得到共價復(fù)合物[17]。反應(yīng)溫度分別采用50、55、60、65 ℃，經(jīng)OPA法測定接枝度見圖1，對應(yīng)的平均接枝度值分別為30.73%、49.92%、62. 84%、62.99%，表明隨著反應(yīng)溫度的升高，接枝度提高，但當(dāng)反應(yīng)溫度從60 ℃升高到65 ℃時，接枝度增加不明顯。因此后續(xù)實驗選取加入0.20 g/100 mL質(zhì)量濃度30.73%、49.92%、62.84% 3 個接枝度共價復(fù)合物，及添加0.10、0.20、0.30 g/100 mL的接枝度為49.92%的SPI-g-DEXT，分別考察不同接枝度和不同添加量SPI-g-DEXT對SPI/DEXT溶液共混體系相行為、及形貌性質(zhì)的影響。

圖1 不同溫度條件下制備SPI-g-DEXT的接枝度Fig.1 Graft degree of SPI-g-DEXT at different preparation temperatures

2.2 共混溶液穩(wěn)態(tài)剪切流變性質(zhì)分析

圖2 添加SPI-g-DEXT后SPI/DEXT共混溶液的ηa-曲線Fig.2 ηa-curves of SPI/DEXT blend incorporated with SPI-g-DEXT

ηa是食品材料流變性質(zhì)中重要性質(zhì)之一，掌握食品材料的表觀黏度特性對食品產(chǎn)品混合、水化、輸送和成型制備工藝具有重要參考價值。圖2a和圖2b是在室溫下測定不同添加量和接枝度SPI-g-DEXT的ηa-曲線。由圖2可知，對照樣及添加不同量和接枝度SPI-g-DEXT共混溶液的ηa均隨增加而降低，均為典型的假塑性流體，表現(xiàn)出具剪切變稀特性。對SPI/DEXT共混溶液體系，美拉德共價復(fù)合物SPI-g-DEXT的加入，能改善體系的穩(wěn)態(tài)剪切流變特性。

由圖2a可知，加入等接枝度（49.92%）不同量的SPI-g-DEXT，當(dāng)添加量處于0.10～0.20 g/100 mL時，體系的表觀黏度隨添加量增加呈增加趨勢，流動性減弱。此結(jié)果主要因為在SPI/DEXT體系中，加入的美拉德共價復(fù)合物SPI-g-DEXT起到了增容劑的作用，增加了水溶劑體系中蛋白相和多糖相兩相之間的相界面互相吸引的作用力，從而使共混溶液體系的流動性得到改善。類似應(yīng)用接枝共價復(fù)合物增容高分子聚合物共混體系并改善其流動性的結(jié)果得到證實[18-19]。但當(dāng)進一步增加SPI-g-DEXT添加量至0.30 g/100 mL時，共混溶液表觀黏度值反而比未添加共價復(fù)合物對照樣相應(yīng)值低，此現(xiàn)象可能主要因為當(dāng)增容劑超過臨界值時，SPI-g-DEXT的蛋白端和多糖端的空間位阻作用崩解了蛋白與蛋白及多糖與多糖之間的纏結(jié)點，隨剪切速率的增加，加大了SPI和DEXT的分子取向，進而降低了流動阻力。

由圖2b可知，與對照樣相比，加入等量（0.20 g/100 mL）接枝度30.73%、49.92%及62.84%的SPI-g-DEXT后，共混溶液體系表觀黏度隨接枝度增加而增加。主要因為加入的SPI-g-DEXT隨接枝度的增加，增強了溶液中蛋白相和多糖相的表面黏結(jié)力，且接枝度和加入量的綜合作用表現(xiàn)為增容作用強于空間位阻作用。綜合上述結(jié)果表明，添加接枝共聚物SPI-g-DEXT于SPI/DEXT共混溶液后，流動性的變化主要取決于SPI-g-DEXT加入后增容作用與空間位阻作用的競爭，當(dāng)增容作用高于空間位阻作用時，流動性減弱，表觀黏度增加，而當(dāng)接枝物的空間位阻作用大于增容作用時，則表現(xiàn)出流動性增強，表觀黏度減弱。

2.3 共混溶液動態(tài)剪切應(yīng)變掃描性質(zhì)分析

圖3 添加SPI-g-DEXT后SPI/DEXT共混溶液的G’，G”-ω曲線Fig.3 G’, G”-ω curves of SPI/DEXT blend incorporated with SPI-g-DEXT

針對食品高分子材料溶液動態(tài)流變性測試，就頻率分布區(qū)域而言，低頻和中間段頻率區(qū)域測試出的彈性模量和黏性模量變化趨勢與食品材料性能的關(guān)聯(lián)性最強。因為在高頻率區(qū)域材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)因受剪切力頻度加大，且檢測時間數(shù)倍對數(shù)級低于低中頻區(qū)，容易屏蔽材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及差異，蛋白和多糖類為天然高分子聚合物，二者共混體系具部分相容性特征，而添加蛋白多糖接枝共聚物可直接改變相界面作用，并改善相容性，宏觀上可反映共混溶液的流變性能變化[20]。由圖3a可知，添加量范圍處于0～0.20 g/100 mL范圍時，SPI/DEXT共混溶液儲能模量（G’）、損耗模量（G’’）隨SPI-g-DEXT含量的增加而增加，說明共混溶液體系的模量由組分模量，即蛋白組分SPI模量、多糖組分DEXT模量及增容劑SPI-g-DEXT的加入對溶液體系模量的增量共同決定。G’-G’’及G’’-ω曲線在SPI-g-DEXT含量為0.30 g/100 mL時，曲線的斜率和分布值偏離SPI-g-DEXT含量為0～0.20 g/100 mL時變化趨勢，表明添加此含量SPI-g-DEXT的共混溶液結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。從SPI-g-DEXT添加量（圖3a）或接枝度（圖3b）對共混溶液體系G’，G’-ω影響趨勢可知，SPI-g-DEXT添加后當(dāng)增容效應(yīng)高于位阻效應(yīng)時，G’和G’均出現(xiàn)增強的趨勢，但當(dāng)添加給定接枝度SPI-g-DEXT過量時，黏彈特性均出現(xiàn)降低現(xiàn)象，此結(jié)果主要因為位阻效應(yīng)占優(yōu)而加大了體系的相分離程度所致。研究人員在考察葡聚糖酸硫酸酯鈉鹽增容葡聚糖/膠原蛋白二元共混乳液體系時發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象[21]。

2.4 共混溶液宏觀相分離速度分析

圖4 添加SPI-g-DEXT后SPI/DEXT共混溶液的宏觀相分離時間Fig.4 Macro-phase separation time of SPI/DEXT blend incorporated with SPI-g-DEXT

SPI和DEXT因分別帶負電和為中性多糖而發(fā)生離散相分離現(xiàn)象。宏觀相分離時間與高分子聚合物共混體系相界面作用強度呈正相關(guān)關(guān)系，因此可通過監(jiān)控SPI/DEXT共混溶液宏觀相分離時間表征SPI-g-DEXT加入后的增容效果。圖4為添加SPI-g-DEXT后SPI/DEXT共混溶液宏觀相分離時間測定結(jié)果。由圖4a可知，宏觀相分離時間隨共價復(fù)合物添加量呈先增加后降低趨勢，圖4b顯示宏觀相分離時間隨共價復(fù)合物接枝率值增加而增加。綜合結(jié)果表明，考察SPI-g-DEXT接枝率及添加量主變量時，因變量相分離起始時間的變化趨勢與二者對黏度的影響表現(xiàn)出相同的規(guī)律性。即添加SPI-g-DEXT后，蛋白和多糖的界面黏結(jié)力增加，引起相分離時間滯后，并隨著共價復(fù)合物增容強度的提高（黏度增加）而延長，表明增加蛋白多糖相容性有利于降低SPI/DEXT共混溶液的宏觀相分離速度。當(dāng)共價復(fù)合物添加引起的增容效應(yīng)亞于其添加產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)時，因產(chǎn)生蛋白和多糖相互排斥作用而致使宏觀相分離時間低于峰值，但其相分離速度仍低于對照樣（圖4b）。實驗結(jié)果表明，添加SPI-g-DEXT所引起的分子間內(nèi)聚力的變化對宏觀相分離時間及體系黏度變化的影響規(guī)律是趨同的，所以當(dāng)SPI/DEXT共混溶液黏度增加之后，共混液的宏觀相分離速度不降反增，此現(xiàn)象有利于食品產(chǎn)品實際生產(chǎn)過程制備相應(yīng)均一微結(jié)構(gòu)的流體化和膠凝化可食性材料。

2.5 共混溶液微觀形貌分析

圖5 添加等接枝度（49.92%）不同量SPI-g-DEXT后SPI/DEXTT共混溶液的共聚焦激光掃描顯微鏡圖Fig.5 Confocal laser scanning microscopy images of SPI/DEXT blend incorporated with various amounts of SPI-g-DEXT with a graft degree of 49.92%

圖5 中亮色區(qū)域為蛋白相，暗色區(qū)域為多糖相，結(jié)果表明SPI為連續(xù)相，而DEXT為分散相，且在實驗添加量范圍內(nèi)共混溶液微結(jié)構(gòu)均呈典型的“海-島”結(jié)構(gòu)，即形成連續(xù)相和分散相分界明顯的微觀結(jié)構(gòu)。未加SPI-g-DEXT時（圖5a），共混溶液體系相分離顯著，蛋白多糖相界面明顯，DEXT分散相平均尺度較大且分布不均，表明SPI和DEXT相界面黏結(jié)力較差，共混溶液具低度相容性特征。加入SPI-g-DEXT 后，當(dāng)加入的量較低時，DEXT分散相的平均尺度及其在SPI連續(xù)相中分散均勻度隨加入量的增加，分別呈降低和增加趨勢，表明適量SPI-g-DEXT的加入，對SPI/DEXT共混溶液體系起到了顯著的增容作用。但進一步增加SPI-g-DEXT添加量值至0.30 g/100 mL后（圖5d），與添加0.20 g/100 mL的SPI-g-DEXT共混溶液微結(jié)構(gòu)相比（圖5c），分散相的尺度和均勻度分別要大于和低于前者，但分散相均勻度仍顯著高于對照樣，這與穩(wěn)態(tài)剪切流變性能和相分離時間測定結(jié)果是一致的。Khonakdar等[22]在探索增容劑添加量對PET/PP高分子共混體系流變學(xué)與形貌結(jié)構(gòu)相關(guān)性時時發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，隨增容劑添加量提高，共混體系微觀形貌結(jié)構(gòu)尺度發(fā)生變化甚至出現(xiàn)相反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖6 添加等量（0.20 g/100 mL）不同接枝度SPI-g-DEXT后SPI/DEXT共混溶液的共聚焦激光掃描顯微鏡圖Fig.6 Confocal laser scanning microscopy images of SPI/DEXT blend incorporated with 0.20 g/100 mL SPI-g-DEXT with different graft degrees

圖6 為添加等量不同接枝度SPI-g-DEXT后SPI/DEXT共混溶液的共聚焦激光掃描顯微鏡圖，未添加SPI-g-DEXT時，SPI與DEXT相界面清晰，添加接枝度為62.84%的SPI-g-DEXT后（圖6b），共混溶液中蛋白相和多糖相界面顯著變窄，其中添加接枝度為的SPI-g-DEXT后樣品相界面最為模糊，與對照樣相比，隨加入SPI-g-DEXT接枝度的增加，分散相的尺寸總體呈遞減趨勢，而且多糖相的均勻度顯著提高，表明加入SPI-g-DEXT其到了增容劑作用，且隨接枝度增加，增容效應(yīng)越顯著，且在實驗固定SPI-g-DEXT添加量后選取的接枝度添加范圍，增容和位阻競爭增量效應(yīng)始終是增容效應(yīng)占優(yōu)。Sun等[23]在研究增容劑接枝度對乙丙橡膠/聚（對苯二甲酸丁二醇酯）共混體系機械和形貌性質(zhì)影響時發(fā)現(xiàn)了類似隨等添加量前提下隨增容劑接枝度提高共混體系中連續(xù)相和分散相分布均勻化的趨勢。

3 結(jié) 論

SPI-g-DEXT的添加量和接枝度均對SPI/DEXT共混溶液表觀黏度、動態(tài)黏彈模量、宏觀相分離時間和微觀形貌結(jié)構(gòu)有顯著影響。當(dāng)加入SPI-g-DEXT的增容作用強于其產(chǎn)生的空間位阻作用時，共混溶液體系表觀黏度、動態(tài)黏彈性、宏觀相分離時間呈增加趨勢，隨SPI-g-DEXT添加量增加或接枝度增加，增容效應(yīng)顯著提高，共混體系中蛋白連續(xù)相和多糖分散相的相界面漸趨弱化。當(dāng)SPI-g-DEXT添加量超過臨界值時，增容效應(yīng)被弱化，伴隨表觀黏度降低、宏觀相分離時間縮短和形貌結(jié)構(gòu)中的多糖分散相均勻度被消弱。

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Effect of SPI-g-DEXT on Phase Behavior and Morphology of SPI/DEXT Blend

ZHU Jian-hua1, YANG Xiao-quan2, QI Jun-ru2, LAI Fu-rao2, SHAN Bin1, ZOU Xiu-rong1
(1.Yingdong Food Science and Engineering College, Shaoguan University, Shaoguan 512005, China; 2. College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The effect of soy protein isolate-dextran grafted conjugates (SPI-g-DEXT) on the phase behavior and morphology of SPI/DEXT blends was investigated. The results demonstrated that the apparent viscosity, viscoelastic modulus, macroscopic phase separation time and polysaccharide dispersed phase of the blends was increased at first and then decreased with increasing addition (0, 0.10, 0.20 and 0.30 g/100 mL) of SPI-g-DEXT with a graft degree of 49.92%. The compatibility of SPI/DEXT blends was increased with increasing graft degree (0, 30.73%, 49.92%, and 62.84%) of SPI-g-DEXT at an addition level of 0.20 g/100 mL. After incorporation of SPI-g-DEXT in SPI/DEXT blend, the changing trend of the steady shear and dynamic viscoelastic rheology, macroscopic phase separation time and polysaccharide-dispersed phase depends primarily on the competition between compatibilization and steric effects caused by SPI-g-DEXT.

soy protein isolate; DEXT; dextran; blend; phase behavior; morphology

TS201.21

A

1002-6630（2014）11-0027-05

10.7506/spkx1002-6630-201411006

2013-11-15

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（31101215）；廣東省高等學(xué)校高層次人才項目（粵財教[2013]246號）；廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目（LYM10120）

朱建華（1978—），男，副教授，博士，研究方向為食品材料科學(xué)結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)。E-mail：jhuazh@gmail.com