基于渦流的水力空化對(duì)米渣蛋白功能性質(zhì)的影響

任仙娥，楊 鋒，黃永春，海代盛（廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州545006）

基于渦流的水力空化對(duì)米渣蛋白功能性質(zhì)的影響

任仙娥，楊 鋒，黃永春，海代盛
（廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州545006）

以渦流泵為水力空化的產(chǎn)生裝置，在不同出口壓力和處理時(shí)間下，研究了水力空化作用對(duì)米渣蛋白功能性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：水力空化能改善米渣蛋白的溶解性，其中在0.4MPa下處理60min溶解性可達(dá)到處理前的2.71倍；水力空化在處理初期能增加米渣蛋白的乳化活性，其中在0.1MPa下處理60min乳化活性可達(dá)到處理前的1.81倍，乳化穩(wěn)定性變化不大；米渣蛋白的起泡性隨著水力空化時(shí)間的延長(zhǎng)和壓力的增加而增大，泡沫穩(wěn)定性則在處理初期不斷增強(qiáng)，之后下降?？梢?，水力空化作用在一定條件下能改善米渣蛋白的部分功能性質(zhì)，該技術(shù)有望成為一種新的蛋白質(zhì)物理改性方法。

渦流，水力空化，米渣蛋白，功能性質(zhì)

米渣是以大米為原料生產(chǎn)淀粉糖過程中的副產(chǎn)物，米渣保留了大米中的大部分蛋白質(zhì)，是制備大米蛋白的好原料。米渣蛋白具有與大米蛋白幾乎相同的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，但是米渣蛋白在生產(chǎn)過程中因經(jīng)過高溫處理而變性，導(dǎo)致它的溶解性較差[1]，其他的功能性質(zhì)也比不上大米蛋白，限制了它在食品中的應(yīng)用。因此有必要對(duì)米渣蛋白進(jìn)行改性，以改善它的功能性質(zhì)，滿足食品工業(yè)的需要。

水力空化和超聲空化的原理相同，都有氣泡的形成、發(fā)展和潰滅的過程，利用氣泡在潰滅的瞬間產(chǎn)生局部瞬時(shí)高溫和高壓、強(qiáng)烈的沖擊波和微射流等空化效應(yīng)來誘導(dǎo)和強(qiáng)化生物大分子物理、化學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化，只是水力空化形成的空化場(chǎng)范圍更大且均勻、能量利用率更高、更易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[2]。水力空化的形成方法主要有射流和渦流，其中射流空化的產(chǎn)生要求流體以高的初速度流過文丘里管或孔板，而渦流可在較低的進(jìn)口壓力下形成空化，因此渦流對(duì)設(shè)備要求更為簡(jiǎn)單、能耗也更低[3]。研究表明，超聲空化可用于蛋白質(zhì)的物理改性，在適宜的作用條件下能改善蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)[4-6]，而水力空化目前還未見用于蛋白質(zhì)的物理改性方面，因此本文嘗試將基于渦流的水力空化技術(shù)用于米渣蛋白的改性，研究水力空化對(duì)米渣蛋白功能性質(zhì)的影響，對(duì)探索蛋白質(zhì)物理改性的新方法和拓展水力空化的應(yīng)用有一定的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

濕米渣（經(jīng)測(cè)定含水量為49.5%） 廣西柳州順意來生物科技有限公司；玉米油 市售，食品級(jí)；福林酚試劑、牛血清白蛋白 上海楷洋生物科技有限公司；其他試劑 均為分析純。

722分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；100LK高剪切混合乳化頭 上海威宇機(jī)電制造有限公司；TGL-16G高速離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；20NPD047渦流泵 上海尼可尼泵業(yè)有限公司；水力空化裝置 由渦流泵、管道、溶液貯箱、壓力表及閥門自行組裝，如圖1所示。

圖1 水力空化裝置示意圖Fig.1 Sketch map of hydrodynamic cavitation device

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 米渣蛋白的制備 采用堿提酸沉法提取米渣蛋白。稱取100g濕米渣，加入2000mL pH10.0的NaOH溶液，于40℃下攪拌提取4h，離心分離（5000r/min，10min），取上清液用1mol/L鹽酸溶液調(diào)pH至4.5，靜置，離心（5000r/min，10min）分離取沉淀，水洗沉淀，再用1mol/L NaOH調(diào)pH至7.0，冷凍干燥，所得產(chǎn)品即為米渣蛋白。

1.2.2 水力空化處理米渣蛋白 采用如圖1所示的水力空化裝置。利用pH8.0的磷酸鹽緩沖液分散米渣蛋白，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的米渣蛋白懸液，量取3L米渣蛋白液置于溶液貯箱中，開啟渦流泵，通過調(diào)節(jié)閥門5對(duì)出口壓力（該壓力為相對(duì)壓力，通過壓力表4測(cè)量）進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別于出口壓力0.1～0.4MPa下處理0～120min后，取樣測(cè)定其功能性質(zhì)。

1.2.3 米渣蛋白溶解性的測(cè)定 取經(jīng)水力空化處理的米渣蛋白液5mL，于10000r/min離心10min，取上清液，根據(jù)福林-酚染色法用牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)[7]，測(cè)定上清液中蛋白質(zhì)的含量，用上清液中蛋白質(zhì)的含量來表示米渣蛋白的溶解性。

1.2.4 米渣蛋白乳化活性和乳化穩(wěn)定性的測(cè)定 參照文獻(xiàn)[8]，略作修改，具體操作方法如下：將經(jīng)水力空化處理后的米渣蛋白液稀釋10倍后，取樣液30mL，再緩緩加入10mL玉米油，在剪切混合乳化機(jī)中以10000r/min轉(zhuǎn)速剪切乳化lmin，制備得到的乳狀液分別于不同時(shí)間（0，10min）從溶液底部吸取50μL乳濁液，加到5mL 0.1%SDS溶液中，于500nm處測(cè)定吸光值（A0，A10），其乳化活性用A0表示，乳化穩(wěn)定性則按下式計(jì)算：

1.2.5 米渣蛋白起泡性和起泡穩(wěn)定性的測(cè)定 參照文獻(xiàn)[8]，略作修改，具體操作方法如下：取經(jīng)水力空化處理后的米渣蛋白液50mL，置于剪切混合乳化機(jī)中以10000r/min轉(zhuǎn)速剪切1min，記錄泡沫體積（V0，mL），靜置20min后，再記錄泡沫體積（V1，mL）。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力空化對(duì)米渣蛋白溶解性的影響

蛋白質(zhì)的溶解性主要是通過肽鍵和氨基酸側(cè)鏈的親水基團(tuán)與水分子間的相互作用來實(shí)現(xiàn)的，是蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)其功能性質(zhì)的前提。水力空化對(duì)米渣蛋白溶解性的影響如圖2所示，米渣蛋白經(jīng)水力空化處理后，溶解性都有不同程度的增加，其中在出口壓力0.4MPa下處理60min溶解性可達(dá)到最大值1.151mg/mL，是處理前的2.71倍。這是因?yàn)樗栈兄c超聲空化相同的空化效應(yīng)，米渣蛋白分子在空化效應(yīng)下，一方面其聚集狀態(tài)被破壞，大顆粒被破碎成小顆粒，增加了米渣蛋白與水的接觸面積；另一方面其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，立體結(jié)構(gòu)變得松散，蛋白質(zhì)分子伸展開來，很多極性親水基團(tuán)暴露，使蛋白質(zhì)的水合能力加強(qiáng)，溶解性增加[9]。

圖2 水力空化對(duì)米渣蛋白溶解性的影響Fig.2 Effect of hydrodynamic cavitation on solubility of rice residue proteins

2.2 水力空化對(duì)米渣蛋白乳化性的影響

蛋白質(zhì)由于其大的分子量、良好的親水性與表面性質(zhì)以及獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，使其具有一定的乳化能力，蛋白質(zhì)的乳化特性可通過乳化活性和乳化穩(wěn)定性來表征。水力空化對(duì)米渣蛋白乳化活性和乳化穩(wěn)定性的影響如圖3所示。在0.1MPa處理60min內(nèi)、0.2MPa處理30min內(nèi)、0.3MPa處理20min內(nèi)和0.4MPa處理20min內(nèi)，米渣蛋白的乳化活性隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，其中在0.1MPa下處理60min乳化活性達(dá)到最大，是處理前的1.81倍，之后繼續(xù)處理乳化活性有所下降，但是也高于未處理的米渣蛋白。這是因?yàn)橐环矫娴鞍踪|(zhì)的乳化性受其溶解性的影響，溶解性增加有利于蛋白分子從溶液中向油水界面擴(kuò)散[10]；另一方面，空化效應(yīng)使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變的松散，蛋白分子的極性親水基團(tuán)外露，水合能力提高，親水性增強(qiáng)，與此同時(shí)非極性疏水基團(tuán)也暴露出來，親油性也增強(qiáng)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的親水性和親油性達(dá)到一定的平衡時(shí)，蛋白質(zhì)能很好地穩(wěn)定在油水界面，表現(xiàn)為乳化活性增強(qiáng)，當(dāng)這種親水親油平衡被破壞時(shí)，乳化活性下降[11]。水力空化對(duì)米渣蛋白乳化穩(wěn)定性的影響如圖4所示，乳化穩(wěn)定性在整個(gè)處理期間變化不大。

圖3 水力空化對(duì)米渣蛋白乳化活性的影響Fig.3 Effect of hydrodynamic cavitation on emulsion activity of rice residue proteins

圖4 水力空化對(duì)米渣蛋白乳化穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of hydrodynamic cavitation on emulsion stability of rice residue proteins

2.3 水力空化對(duì)米渣蛋白起泡性的影響

由圖5可知，水力空化能明顯增強(qiáng)米渣蛋白的起泡性，在出口壓力0.4MPa下處理其效果尤為顯著。這可能是因?yàn)?，一方面米渣蛋白?jīng)空化處理后其溶解性增強(qiáng)，蛋白擴(kuò)散并吸附在氣/水界面的能力增大，促進(jìn)了泡沫的形成[12]；另一方面空化效應(yīng)破壞了蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)伸展開來，更多的疏水性基團(tuán)暴露出來，因而具有更大的表面活性，同時(shí)降低了水的表面張力，使蛋白質(zhì)更易在空氣和水的界面上展開，起泡性增強(qiáng)[13]。水力空化對(duì)米渣蛋白泡沫穩(wěn)定性的影響如圖6所示，在0.1MPa處理30min、其余壓力下處理20min內(nèi)泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)，之后泡沫穩(wěn)定性開始下降，其原因可能是米渣蛋白經(jīng)水力空化處理一段時(shí)間后產(chǎn)生的泡沫界面膜韌性降低而容易破裂[4]，使泡沫穩(wěn)定性下降。

圖5 水力空化對(duì)米渣蛋白起泡性的影響Fig.5 Effect of hydrodynamic cavitation on foaming capacity of rice residue proteins

圖6 水力空化對(duì)米渣蛋白泡沫穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of hydrodynamic cavitation on foaming stability of rice residue proteins

3 結(jié)論

米渣蛋白經(jīng)水力空化處理后，溶解性增加，最多可增加到處理前的2.71倍；乳化活性也增加，最多可增加到處理前的1.81倍，乳化穩(wěn)定性變化不大；起泡性隨著水力空化時(shí)間的延長(zhǎng)和壓力的增加而增大，泡沫穩(wěn)定性在處理初期有所增加而后下降。由此可見，水力空化技術(shù)在一定條件下能改善米渣蛋白的部分功能性質(zhì)，但是關(guān)于水力空化引起米渣蛋白功能性質(zhì)改變的機(jī)理還需要作更深入的研究。

水力空化技術(shù)與其他蛋白質(zhì)的物理改性技術(shù)如超高壓射流破碎技術(shù)、高壓均質(zhì)技術(shù)、高靜壓技術(shù)和超聲波處理技術(shù)等一樣在適宜條件下都能改善蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)，但是超高壓射流破碎技術(shù)、高壓均質(zhì)技術(shù)和高靜壓技術(shù)需要高壓處理，對(duì)儀器設(shè)備的要求較高，超聲波處理技術(shù)只適用于小范圍樣液的處理，相比之下水力空化技術(shù)可以通過循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模樣液的處理，并且處理過程可以在常壓下進(jìn)行，設(shè)備操作簡(jiǎn)單且能耗低，在蛋白質(zhì)物理改性方面應(yīng)用前景更廣闊。

[1]趙殷勤，張暉，郭曉娜，等.米渣蛋白和大米蛋白的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)比較[J].糧食與飼料工業(yè)，2010（9）：22-24.

[2]李志義，張曉冬，劉學(xué)武，等.水力空化及其對(duì)化工過程的強(qiáng)化作用[J].化學(xué)過程，2004，32（4）：27-29.

[3]陸凱，郭培全，史錦屏.渦流空化水處理的流場(chǎng)仿真分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36（6）：743-747.

[4]劉高梅，任海偉.不同功率超聲波對(duì)蕓豆蛋白理化和功能性質(zhì)的影響[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2012，27（12）：17-20.

[5]Jambrak A R，Lelas V，Mason T J，et al.Physical properties of ultrasound treated soy proteins[J].Journal of Food Engineering，2009，93：386-393.

[6]邵悅，張琪，張程.超聲波對(duì)花生蛋白功能特性的影響[J].食品工業(yè)科技，2012，33（24）：130-133.

[7]張水華.食品分析[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2004：163-164.

[8]朱建華，楊小泉.超聲物理改性對(duì)SPI功能特性的影響[J].中國(guó)油脂，2006，31（1）：42-44.

[9]沈蘭，王昌盛，唐傳核.高壓微射流處理對(duì)大豆分離蛋白構(gòu)象及功能特性的影響[J].食品科學(xué)，2012，33（3）：72-76.

[10]尹壽偉，唐傳核，溫其標(biāo)，等.微射流處理對(duì)蕓豆分離蛋白構(gòu)象和功能特性的影響[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，37（10）：112-116.

[11]胡寶松，張紹英.超高壓射流破碎對(duì)大豆分離蛋白功能性質(zhì)的影響[J].大豆通報(bào)，2007（4）：30-34.

[12]涂宗財(cái).蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)超高壓微射流改性研究機(jī)機(jī)理初探[D].南昌：南昌大學(xué)，2007.

[13]朱建華，楊曉泉，熊犍.超聲處理對(duì)大豆蛋白表面性質(zhì)的影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31（3）：16-20.

Influence of hydrodynamic cavitation with turbine on functional properties of rice residue proteins

REN Xian-e，YANG Feng，HUANG Yong-chun，HAI Dai-sheng
（Department of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China）

The effects of hydrodynamic cavitation（HC）treatment at different pressure and time with turbine pump as generant device on functional properties of rice residue proteins were investigated in this study.The results showed that HC treatment improved protein solubility，and solubility of protein with HC treatment at 0.4MPa for 60min was 2.71 times of that of the untreated.In earlier stage，HC treatment increased emulsion activity，and emulsion activity of protein with HC treatment at 0.1MPa for 60min was 1.81 times of that of the untreated.Emulsion stability was not affected by HC treatment.Foaming capacity increased with the increasing of HC treatment time and pressure.Foaming stability gradually increased in early HC treatment stage，then decreased.These results suggest that HC treatment could improve some functional properties of rice residue protein under appropriate conditions.So it was possible for HC treatment to be a new method for physical modification of protein.

turbine；hydrodynamic cavitation；rice residue protein；functional property

TS201.2

A

1002-0306（2014）14-0088-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.010

2013－10－23

任仙娥（1979-），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：食品生物技術(shù)。