高壓均質(zhì)對大豆分離蛋白功能性質(zhì)的影響

楊盛楠，翟愛華*

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）是植物蛋白中非常重要的一種，除了其豐富的營養(yǎng)價(jià)值，還具有許多重要的功能特性，在食品的多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。高壓均質(zhì)技術(shù)是將物料在柱塞作用下進(jìn)入可調(diào)節(jié)壓力大小的閥組中，經(jīng)過特定寬度的限流縫隙（工作區(qū)）后，瞬間失壓的物料以極高的流速（1 000～l 500 m/s）噴出，碰撞在碰撞閥組件之一的沖擊環(huán)上，產(chǎn)生剪切、撞擊、空穴和湍流渦旋作用而把物料破碎的一種技術(shù)[1]。高壓均質(zhì)是食品加工領(lǐng)域安全高效的重要處理工序，蛋白浸提液在高壓均質(zhì)過程中，經(jīng)歷高壓、剪切力、空穴爆炸力和溫度會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能特性發(fā)生變化[2-4]。同時(shí)，高壓均質(zhì)可以連續(xù)操作，是工業(yè)化生產(chǎn)的有利條件。國內(nèi)已有研究高靜壓處理對大豆分離蛋白（SPI）功能性的影響，近年來，逐漸有學(xué)者將高壓均質(zhì)應(yīng)用于蛋白質(zhì)等大分子的改性，涂宗財(cái)?shù)萚5-7]研究發(fā)現(xiàn)，超高壓均質(zhì)對大豆蛋白的溶解度、乳化性等功能性質(zhì)具有顯著的改性效果。

本實(shí)驗(yàn)研究不同條件（均質(zhì)壓力、次數(shù)和物料比）高壓均質(zhì)改性對SPI功能性質(zhì)的影響，并分析其改性機(jī)理。該研究為改善SPI功能特性提供方法和理論指導(dǎo)，為進(jìn)一步的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低溫脫脂豆粕：大慶日月星有限公司，低溫干燥保存。

大豆油：市售，九三大豆油；氫氧化鈉、鹽酸均為分析純：沈陽市華東試劑廠；石油醚、乙醚均為分析純：沈陽市永大化學(xué)試劑有限公司；考馬斯亮藍(lán)R-250：天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心。

1.2 儀器與設(shè)備

JAR2140型電子分析天平：上海梅特勒托利多儀器有限公司；DGG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、DK-S24型電熱恒溫水浴鍋：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；JJ-1型精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器：江蘇金壇榮華儀器制造有限公司。L420型高速離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)公司；SRH型高壓均質(zhì)機(jī)：上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司；FA25型組織分散機(jī)：上海弗魯克流體機(jī)械制造公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

大豆豆粕→提取大豆分離蛋白→高壓均質(zhì)→測定功能性質(zhì)

1.3.2 大豆分離蛋白的制備

對片狀低溫豆粕進(jìn)行間歇性粉碎處理，將粉狀豆粕過100目尼龍篩，稱取40 g粉狀豆粕加入一定量的水中進(jìn)行攪拌，用1mol/LNaOH溶液調(diào)pH至8.5，充分浸提后，沉降5min，取上清液于4 000 r/min進(jìn)行離心30 min，除去沉淀取上清液。取500 mL上清液，對其進(jìn)行不同條件的高壓均質(zhì)處理后，以1 mol/L HCl溶液將上清液pH調(diào)至4.5，充分沉淀后于4 000 r/min進(jìn)行離心30 min，所得沉淀加適量去離子水，用1 mol/L NaOH堿液調(diào)至中性，過透析袋脫鹽24 h，凍干得大豆分離蛋白的對照樣和改性樣品。

1.3.3 脫脂豆粕分析檢測方法

水分含量按照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》檢測[8]；可溶性蛋白含量按照考馬斯亮藍(lán)染色法[9]；蛋白質(zhì)含量按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》檢測[10]；脂肪含量按照GB5009.6—2003《食品中脂肪的測定》檢測[11]。

1.3.4 高壓均質(zhì)條件的選擇

高壓均值壓力選擇：確定壓力的變化范圍為0～70MPa。將料液比為1∶10（g∶mL）提取的大豆分離蛋白溶液通過高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)一次，將壓力分別設(shè)定為0、10 MPa、25 MPa、40 MPa、55 MPa、70 MPa，考察不同的高壓均質(zhì)壓力對大豆分離蛋白溶解性的影響。

高壓均質(zhì)次數(shù)選擇：將物料比為1∶10（g∶mL）提取的大豆分離蛋白溶液均質(zhì)的壓力調(diào)至40 MPa，分別均質(zhì)1次、2次、3次，考察不同的高壓均質(zhì)次數(shù)對大豆分離蛋白溶解性的影響。

均質(zhì)物料料液比選擇：將低溫脫脂豆粕的料液比分別設(shè)定為1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16（g∶mL），將溶液通過壓力為40 MPa的高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)一次，考察不同的料液比對大豆分離蛋白溶解性的影響。

1.3.5 SPI功能特性的測定

（1）溶解性

在室溫下（25 ℃），取溶液5 mL以3 000 r/min轉(zhuǎn)速離心5 min，用凱氏定氮法測定上清液中的可溶性氮含量，氮溶解指數(shù)（nitrogen soluble index，NSI）值按下式進(jìn)行計(jì)算：

（2）乳化性

①乳化活性指數(shù)（EAI）和乳化液穩(wěn)定系數(shù)（ESI）的測定

參照PEARCE K N等[13]的濁度法，利用乳化界面的面積與混濁度存在簡單的相關(guān)關(guān)系原理，通過測定蛋白質(zhì)的乳化活性指數(shù)（emulsifying activity index，EAI）和乳化液穩(wěn)定系數(shù)（emulsion stability index，ESI）來評價(jià)蛋白質(zhì)的乳化性和乳化穩(wěn)定性。取9 mL SPI溶液與3 mL大豆油至25 mL小燒杯內(nèi)，以10 000 r/min的速率乳化1 min，分別在0、10 min時(shí)從溶液底部（每次的取樣點(diǎn)高度相同）吸取100 μL乳濁液，加到20 mL 0.1%十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）溶液中稀釋100倍混勻，以0.1%SDS溶液作為參照，在波長500 nm處測定其吸光度值A(chǔ)0、A10。EAI和ESI按照下面公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：EAI為乳化活性指數(shù)，mL/g；T為反應(yīng)速率常數(shù)，2.303；A0為均質(zhì)后迅速被稀釋的乳化液的吸光度值；C為乳化液形成前蛋白質(zhì)水溶液中蛋白質(zhì)量濃度，g/mL；Φ為乳化液中油的體積分?jǐn)?shù)。

式中：ESI為乳化液穩(wěn)定系數(shù)，min；A0為均質(zhì)后迅速被稀釋的乳化液的吸光度值；A10為乳化液在靜置10 min后的吸光度值；t為時(shí)間，min。

②乳析率測定

向①制備的乳狀液中添加2 g/100 mL的疊氮鈉（NaN3）溶液，使疊氮鈉在乳狀液中最終達(dá)0.02 g/100 mL，以抑制乳狀液中的微生物生長，然后準(zhǔn)確吸取10 mL于具塞刻度試管中，常溫加蓋密封靜置，第60 天記錄乳析層的高度（mm）[14]。

式中：H乳析為乳析層的高度，mm；H乳狀液為乳狀液的高度，mm。

（3）起泡性

參照COFFMANN C W等[15]的方法測定，稍作改動(dòng)。取100 mL蛋白溶液，以10 000 r/min高速均質(zhì)2 min。記錄均質(zhì)停止時(shí)和均質(zhì)完靜置30 min后的泡沫體積，以體積表示泡沫穩(wěn)定性，按下式計(jì)算起泡能力和泡沫穩(wěn)定性：

式中：V為均質(zhì)停止時(shí)泡沫體積，mL；V30為靜置30 min后的泡沫體積，mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料脫脂豆粕的基本指標(biāo)

表1為所購低溫脫脂豆粕的基本指標(biāo)。

2.2 大豆分離蛋白溶解性變化

SPI溶液經(jīng)過高壓均質(zhì)改性處理后溶解性的變化，結(jié)果見圖1。

表1 原料脫脂豆粕的基本成分Table 1 Elementary composition of defatted soybean flakes

圖1 均質(zhì)壓力(A)、均值次數(shù)(B)及料液比(C)對大豆分離蛋白NSI的影響Fig.1 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on NSI of SPI

由圖1A可知，SPI的溶解性隨著均質(zhì)壓力的增加而升高，但升高的趨勢隨著壓力的升高逐漸減小，當(dāng)壓力到達(dá)40 MPa時(shí)，SPI的溶解性最高，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是高壓均質(zhì)使蛋白質(zhì)分子展開，蛋白分子發(fā)生解聚，使得更多的疏水和極性基團(tuán)被暴露，增加了表面電荷，蛋白質(zhì)的水化作用增強(qiáng)，溶解性從而得到提高。由圖1B可知，當(dāng)均質(zhì)次數(shù)增加時(shí)，SPI的溶解度反而降低，這可能是由于多次均質(zhì)使蛋白分子過度展開，疏水作用增強(qiáng)，形成了難溶的聚集體，因而溶解度下降，故選擇一次均質(zhì)最為適宜。由圖1C可知，在同一均質(zhì)條件下，料液比越低，SPI溶解度越高，當(dāng)?shù)鞍兹芤簼舛仍黾?，在高壓均質(zhì)處理下，蛋白分子發(fā)生解聚的幾率越大，其性狀的改變也越完全，使得圍繞著新暴露的極性基團(tuán)的結(jié)合水增多，蛋白質(zhì)的水化作用增強(qiáng)。同時(shí)，增大了分離蛋白的處理量，表明了選擇料液比為1∶8（g∶mL）較好。

2.3 乳化性的變化

2.3.1 均質(zhì)條件對大豆分離蛋白EAI的影響

SPI溶液經(jīng)過高壓均質(zhì)改性處理后乳化活性的變化，結(jié)果見圖2。

圖2 均質(zhì)壓力(A)、均值次數(shù)(B)及料液比(C)對大豆分離蛋白EAI的影響Fig.2 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on EAI of SPI

蛋白質(zhì)的乳化活性和溶解性都與表面疏水性有著密切的關(guān)聯(lián)性，總體上均質(zhì)處理對大豆分離蛋白的乳化活性影響與溶解性趨勢基本吻合，由圖2A可知，SPI的乳化活性與均質(zhì)壓力呈現(xiàn)先增加后減少的拋物線型趨勢，當(dāng)均質(zhì)壓力＞40 MPa乳化活性會(huì)相應(yīng)的降低，這可能是由于均質(zhì)過程使SPI分子的疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)暴露，增加了親水性和親油性，從而增加了乳化性，而壓力到達(dá)一定閾值時(shí)，高壓均質(zhì)的熱效應(yīng)增加，機(jī)械作用與熱效應(yīng)相互影響，導(dǎo)致蛋白在一定程度上發(fā)生變性，使蛋白的表面疏水性下降，既而SPI的乳化活性下降。圖2B表明相同壓力下增加均質(zhì)次數(shù)會(huì)降低分離蛋白的乳化活性，這是由于均值次數(shù)的增加會(huì)增強(qiáng)蛋白分子的疏水作用，使其易聚集形成不溶體，降低了蛋白的遷移率，吸附到兩相界面的幾率減少，使乳化活性下降。由2C可以看出，料液比越低，大豆分離蛋白的乳化活性越高，這是由于料液比的增加提高了蛋白質(zhì)的溶解性，更多的蛋白溶于水，吸附于油水界面，提高了SPI的乳化活性。綜上所述，選擇對SPI乳化活性改善最為顯著的條件為最佳，即均質(zhì)壓力40 MPa，均質(zhì)1次，料液比1∶8（g∶mL）。

2.3.2 均質(zhì)條件對大豆分離蛋白ESI及乳析率的影響

SPI溶液經(jīng)過高壓均質(zhì)改性處理后乳化穩(wěn)定性的變化，結(jié)果見圖3。

圖3 均質(zhì)壓力(A)、均值次數(shù)(B)及料液比(C)對大豆分離蛋白ESI和乳析率的影響Fig.3 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on ESI and milk dissolving out ratio of SPI

ESI值與乳析率都是反映乳狀液穩(wěn)定性的指標(biāo)，由圖3A、圖3B可知，隨著均質(zhì)壓力和次數(shù)的逐漸增加，SPI的ESI值逐漸升高，乳析率逐步下降，這都表明了SPI的乳化穩(wěn)定性的增加，這可能是因?yàn)楦邏壕|(zhì)導(dǎo)致了SPI乳化液粒徑減小，使得脂肪球上浮速度減緩，從而導(dǎo)致了SPI的乳化穩(wěn)定性增加[17]。由圖3C可知，ESI隨著料液比的增加而增加，但變化趨勢較??；乳析率與料液比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢。由于蛋白質(zhì)分子是兩性分子，會(huì)自由的遷移至油-水兩相界面，降低自由能以維持體系的穩(wěn)定，高壓均質(zhì)處理使得蛋白質(zhì)分子構(gòu)象改變，更有利于分子的遷移，使蛋白的乳化穩(wěn)定性得到了改善。

2.4 起泡性及泡沫穩(wěn)定性的變化

SPI溶液經(jīng)過高壓均質(zhì)改性處理后起泡性及泡沫穩(wěn)定性的變化，結(jié)果見圖4。

圖4 均質(zhì)壓力(A)、均值次數(shù)(B)及料液比(C)對大豆分離蛋白起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on foamability and foam stability of SPI

SPI分子包含極性基團(tuán)和疏水基團(tuán)，使得其具有表面活性，能降低溶液的表面張力，在劇烈攪拌時(shí)形成泡沫[18]。由圖4可知，在一定范圍內(nèi)，高壓均質(zhì)處理可明顯提高SPI的起泡性和泡沫穩(wěn)定性，并隨著高壓均質(zhì)壓力、次數(shù)和物料濃度的增加而逐漸增強(qiáng)。這可能是由于高壓均質(zhì)的壓力和剪切力使得SPI分子部分展開，使其內(nèi)的疏水基團(tuán)暴露出來，在形成溶液與空氣的界面的同時(shí)，蛋白分子之間相互作用，形成了更為穩(wěn)定的界面膜，故而使SPI的起泡能力增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了高壓均質(zhì)處理后SPI及其組分功能特性的變化情況。綜上所述，高壓均質(zhì)在一定條件下能夠改善SPI的部分功能性質(zhì)，有效地提高了溶解性、乳化活性、乳化穩(wěn)定性、起泡性和泡沫穩(wěn)定性等功能特性。隨著均質(zhì)壓力的升高各項(xiàng)功能特性除乳化活性外均顯著增強(qiáng)；溶解性和乳化活性隨著均質(zhì)次數(shù)的增多而下降，起泡能力和泡沫穩(wěn)定性則升高；物料濃度的增加則使得SPI的功能特性均得到改善。根據(jù)高壓均質(zhì)對大豆分離蛋白各項(xiàng)功能性質(zhì)的改善情況，選擇高壓均質(zhì)條件為均質(zhì)壓力為40 MPa，均質(zhì)一次，料液比為1∶8（g∶mL）為最優(yōu)。高壓均質(zhì)技術(shù)的連續(xù)性能夠更好應(yīng)用于工業(yè)，且產(chǎn)品營養(yǎng)損失少，穩(wěn)定性高，是目前食品加工領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)，其在工業(yè)上應(yīng)用的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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