玉米胚芽蛋白凝膠特性的研究

石　丹,孫向東,張　筠,蘭　宇,劉春雨

(1.黑龍江東方學(xué)院食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150066;2.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全研究所,黑龍江哈爾濱 150086；3.西安銀橋乳業(yè)(集團(tuán))有限公司,陜西西安 710600)

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玉米胚芽蛋白凝膠特性的研究

石丹1,3,孫向東2,張?bào)?,*,蘭宇1,劉春雨1

(1.黑龍江東方學(xué)院食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150066;2.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全研究所,黑龍江哈爾濱 150086；3.西安銀橋乳業(yè)(集團(tuán))有限公司,陜西西安 710600)

利用流變儀研究不同處理?xiàng)l件下玉米胚芽蛋白凝膠特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明:玉米胚芽蛋白在160 mg/mL質(zhì)量濃度下開始形成凝膠,隨著質(zhì)量濃度的增加,凝膠彈性增強(qiáng)。玉米胚芽蛋白的儲(chǔ)能模量G′、耗能模量G″均與蛋白濃度呈線性正相關(guān),提高升降溫速率會(huì)使其凝膠彈性顯著減弱。玉米胚芽蛋白的儲(chǔ)能模量G′、耗能模量G″均與升降溫速率呈負(fù)相關(guān)。相同條件下,玉米胚芽蛋白的凝膠彈性較蛋清蛋白差,優(yōu)于大豆分離蛋白。本研究深入探索了玉米胚芽蛋白凝膠特性,為拓寬玉米胚芽蛋白利用途徑打下基礎(chǔ)。

流變儀,玉米胚芽蛋白,凝膠彈性

玉米胚芽占玉米籽粒質(zhì)量的10%～15%,含有玉米籽粒中20%的蛋白質(zhì)[1]。我國有豐富的玉米胚芽資源,但在玉米胚芽綜合利用方面還存在較大問題。目前玉米胚芽主要用于提取油脂,副產(chǎn)物胚芽粕則直接干燥粉碎,因其中的蛋白質(zhì)嚴(yán)重變性,功能性較差,有異味,所以一般作飼料使用,沒充分實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國內(nèi)關(guān)于胚芽蛋白方面大部分側(cè)重提取工藝的優(yōu)化和提取率的提高,對功能性研究并不多。據(jù)報(bào)道[2],歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)純度高達(dá)92%～95%的優(yōu)質(zhì)玉米胚芽分離蛋白,并且將玉米胚芽蛋白廣泛應(yīng)用于乳制品、焙烤食品、冰激凌、早餐方便食品、健康營養(yǎng)食品、飲料、人造肉及乳化肉制品當(dāng)中。應(yīng)用玉米胚芽蛋白可顯著改善產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)及口感,提高產(chǎn)品得率,延長保質(zhì)期,因而受到廣泛歡迎。 玉米胚芽中蛋白質(zhì)含量較高,主要含有白蛋白和球蛋白,具備良好的功能性質(zhì),如持水性、持油性、乳化性、乳化穩(wěn)定性、發(fā)泡性、膠凝性等,是優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的重要來源[3-4]。凝膠特性是食品蛋白質(zhì)最重要的功能特性之一,決定著香腸、火腿腸等乳化肉制品的組織狀態(tài)和口感,目前在這類肉制品中主要使用大豆蛋白作為添加劑,起到增強(qiáng)凝膠彈性及強(qiáng)化蛋白質(zhì)的作用。玉米胚芽蛋白與大豆蛋白都是植物貯藏蛋白,其中水溶性球蛋白占主要部分,不但結(jié)構(gòu)類似,乳化、發(fā)泡、凝膠等功能特性也很接近,具有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。

小張力振蕩動(dòng)態(tài)測試(small strain oscillatory dynamic testing)以動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)式流變儀在連續(xù)旋轉(zhuǎn)和震蕩形式下運(yùn)行,因其對樣品物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的變化特別敏感而在評(píng)估凝膠性質(zhì)和凝膠韌性方面有較大的應(yīng)用價(jià)值,近年來在對食品凝膠體系評(píng)價(jià)中應(yīng)用逐漸增多。該方法可測試溫度變化過程中蛋白質(zhì)形成凝膠的動(dòng)態(tài)變化,通過對溫度的掃描記錄下與流變性質(zhì)相關(guān)的從液體到膠體的能量轉(zhuǎn)化過程細(xì)節(jié)。這種方法適于測量與凝膠形成現(xiàn)象相關(guān)的細(xì)微變化,具有不破壞凝膠結(jié)構(gòu)、節(jié)省實(shí)驗(yàn)材料等特點(diǎn)。

采用工業(yè)上技術(shù)成熟的堿溶酸沉法提取玉米胚芽蛋白,以小張力振蕩動(dòng)態(tài)測試為實(shí)驗(yàn)手段,研究熱誘導(dǎo)玉米胚芽蛋白凝膠形成過程中粘彈性的動(dòng)態(tài)變化,明確其凝膠特性,可為深度開發(fā)玉米胚芽蛋白,拓展其在乳化肉制品領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

玉米胚芽哈爾濱市阿城區(qū)玉米粉廠;商品大豆分離蛋白哈高科大豆食品有限責(zé)任公司提供;雞蛋哈爾濱中央紅超市。

乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉等北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司。

酸度計(jì)PB-10北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;冷凍干燥機(jī)FDU-1100日本EYELA(東京理化)東京理化器械株式會(huì)社;凱氏定氮儀KjeltecTM 8100福斯華(北京)科貿(mào)有限公司;流變儀DHR美國TA公司等。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1堿溶酸沉法提取玉米胚芽蛋白趙梅[5]等采用堿溶酸沉法從已脫脂的玉米胚芽粉中提取玉米胚芽蛋白,本研究在其工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),具體步驟如下:

采用GB/T 5511-2008測得所提取的玉米胚芽蛋白中蛋白含量。

1.2.2玉米胚芽蛋白凝膠特性的測定配制蛋白質(zhì)量濃度分別為60、80、100、120、140、160、180、220 mg/mL,NaCl濃度為0.3 mol/L的玉米胚芽蛋白和大豆分離蛋白溶液并用封口膜封口,85℃下恒溫水浴40 min后取出,迅速冷卻,放入冰箱4℃冷藏過夜后,將試管倒置觀察形成凝膠的情況。凝膠未流出來的認(rèn)為能夠形成凝膠,反之則不能形成凝膠[6]。

1.2.3不同蛋白濃度對玉米胚芽蛋白凝膠特性的影響配制蛋白質(zhì)量濃度分別為60、80、100、120、140、160、180、220 mg/mL,NaCl濃度為0.3 mol/L的玉米胚芽蛋白溶液,校正流變儀探頭,加樣適量,設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù):初始溫度為25℃,平衡2 min,由25℃升溫至95℃,在95℃下保持30 s后降溫至25℃,升降溫速率為4℃/min,并設(shè)置在25℃時(shí),進(jìn)行頻率掃描,掃描范圍在0.01～10 Hz,然后加樣測定。為避免樣品測定期間水分蒸發(fā)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可在平板上的凹槽中滴入適量的礦物油以形成密封體系[7]。

1.2.4不同加熱速率對玉米胚芽蛋白凝膠特性的影響配制蛋白質(zhì)量濃度為160 mg/mL,NaCl濃度為0.3 mol/L的玉米胚芽蛋白懸濁液,校正流變儀探頭。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)同上,調(diào)節(jié)升降溫速率分別為1、2、4、8℃/min條件下進(jìn)行測定。

1.2.5不同蛋白質(zhì)凝膠彈性的比較分別配制含有0.3 mol/L NaCl,蛋白質(zhì)量濃度為160 mg/mL的玉米胚芽蛋白和大豆分離蛋白懸濁液、蛋清適量。校正流變儀探頭,設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù):升降溫速率為2℃/min,其他參數(shù)及步驟同上。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

采用SAS 9.4軟件的Duncan’s多重比較模塊進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。以下各表中顯著性差異(p<0.05)用不同字母表示。

2　結(jié)果與分析

2.1玉米胚芽蛋白粉蛋白質(zhì)含量

采用GB/T 5511-2008測得所提取的玉米胚芽蛋白中蛋白含量為56.42%,商品大豆分離蛋白中蛋白質(zhì)的含量為85.26%,由于商品大豆分離蛋白已經(jīng)過分離純化,故蛋白質(zhì)含量較高。

2.2玉米胚芽蛋白的凝膠特性

2.2.1玉米胚芽蛋白凝膠形成性的測定在蛋白質(zhì)分子聚集過程中,當(dāng)引力和斥力相等時(shí),就可形成蛋白質(zhì)凝膠;當(dāng)斥力大于引力時(shí),蛋白質(zhì)分子無法形成凝膠。當(dāng)引力大于斥力時(shí),蛋白質(zhì)分子則可以形成凝結(jié)物[8]。

表1　玉米胚芽蛋白與大豆分離蛋白的凝膠形成性

注:“+”表示形成了凝膠,“-”表示未形成凝膠。

由表1可知,玉米胚芽蛋白在質(zhì)量濃度為160 mg/mL時(shí),開始形成凝膠,此時(shí)為弱凝膠,大豆分離蛋白在100 mg/mL時(shí)就可形成凝膠,可見,大豆分離蛋白凝膠形成性優(yōu)于玉米胚芽蛋白。

2.2.2玉米胚芽蛋白凝膠形成時(shí)的典型圖譜儲(chǔ)能模量(G′)又稱為彈性模量,代表凝膠儲(chǔ)存形變并回復(fù)原狀的能力,表示與彈性凝膠結(jié)構(gòu)相關(guān)的樣品的硬度[9];耗能模量(G″)也稱為粘性模量,是物質(zhì)抵抗外力流動(dòng)的能力,是描述凝膠的粘性的物理量;

tanδ是粘性模量G″與彈性模量G′的比值,若tanδ<1,即G″1,即G″>G′時(shí),粘性占主要部分;若tanδ=1,即G″=G′時(shí),彈性與粘性相等,也是溶膠-凝膠的轉(zhuǎn)變點(diǎn),即凝膠的形成點(diǎn),當(dāng)tanδ值較小時(shí),表示彈性更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^儲(chǔ)能模量G′和耗能模量G″的變化檢測玉米胚芽蛋白形成的凝膠過程及變化[10-11]。

由圖1可以看出,掃描頻率為1 Hz的條件下,在初始的升溫階段,儲(chǔ)能模量G′緩慢上升,耗能模量G″開始略微下降,而后又逐漸上升,tanδ>1,說明在升溫初始階段,玉米胚芽蛋白所形成的體系黏性大于彈性,玉米胚芽蛋白懸濁液在開始時(shí)還未形成凝膠體。溫度在39℃時(shí),儲(chǔ)能模量G′和耗能模量G″出現(xiàn)交叉點(diǎn),此時(shí)tanδ=1,為玉米胚芽蛋白的凝膠點(diǎn)。說明加熱會(huì)引起玉米胚芽蛋白懸濁液發(fā)生由溶膠到凝膠的變化。在溫度即將上升到95℃時(shí),儲(chǔ)能模量G′和耗能模量G″急劇升高,這一現(xiàn)象可能由于在儲(chǔ)能模量G′值較高時(shí)凝膠體系中較強(qiáng)的分子間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)的蛋白與蛋白、蛋白與多聚物分子之間的相互作用。

圖1　質(zhì)量濃度為160 mg/mL玉米胚芽蛋白凝膠形成的典型圖譜Fig.1　Typical gel formation pattern of 160 mg/mL corn germ proteins

在降溫過程中,儲(chǔ)能模量G′和耗能模量G″仍不斷的升高,可能是經(jīng)過熱處理后,蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生部分延伸,有部分疏水基團(tuán)暴露出來,加強(qiáng)了分子間相互作用。

2.2.3蛋白質(zhì)量濃度對玉米胚芽蛋白凝膠彈性的影響對不同蛋白質(zhì)量濃度對玉米胚芽蛋白凝膠彈性影響的顯著性差異分析見表2。

圖2　不同蛋白質(zhì)量濃度對玉米胚芽蛋白凝膠性的影響Fig.2　Effect of different protein concentrations on gelation properties of corn germ proteins

由表2可以看出,掃描頻率為1 Hz的條件下,隨著玉米胚芽蛋白質(zhì)量濃度的增加,儲(chǔ)能模量G′和耗能模量G″值均顯著增大(p<0.05),儲(chǔ)能模量G′的變化較耗能模量G″變化幅度大,且儲(chǔ)能模量G′遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耗能模量G″。說明隨著蛋白質(zhì)量濃度的增加,形成的蛋白凝膠的韌性與粘性增加,可能是增加了玉米胚芽蛋白分子間基團(tuán)交聯(lián)的機(jī)率,導(dǎo)致形成的蛋白凝膠性增強(qiáng)。

表2　不同玉米胚芽蛋白質(zhì)量濃度對G′和G″的影響差異性分析

注:同列數(shù)據(jù)后字母不同表示顯著差異,檢驗(yàn)誤差為0.05水平。

以彈性模量G′和粘性模量G″為縱坐標(biāo)對玉米胚芽蛋白質(zhì)量濃度(ρ)做曲線,對圖2中曲線進(jìn)行擬合方程:儲(chǔ)能模量G′=269.53ρ-1584.0(R2=0.9831);耗能模量G″=72.075ρ-460.98(R2=0.9937),具有良好的線性關(guān)系。Arntfield等[12]早期在豌豆蛋白的研究中采用類似的方法描述凝膠的儲(chǔ)能模量G′和耗能模量G″對其質(zhì)量濃度之間關(guān)系,得到乘冪規(guī)律,而本實(shí)驗(yàn)得到的是線性關(guān)系,雖然這兩種蛋白質(zhì)的儲(chǔ)能模量G′、耗能模量G″與蛋白質(zhì)量濃度都呈正相關(guān),但畢竟還存在差異,究其原因,可能是不同蛋白質(zhì)性質(zhì)不同所致。

2.2.4升降溫速率對玉米胚芽蛋白凝膠彈性的影響由圖3可以看出,掃描頻率為1 Hz的條件下,在升降溫速率為1℃/min和2℃/min時(shí),儲(chǔ)能模量G′沒有顯著性差異(p>0.05),在2～8℃/min時(shí)隨著升降溫速率的升高,儲(chǔ)能模量G′降低(p<0.05),說明這時(shí)隨著升降溫速率的升高,形成的蛋白凝膠的韌性逐漸減弱;隨著升降溫速率的升高,耗能模量G″顯著減小(p<0.05),且儲(chǔ)能模量G′的降幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耗能模量G″?？赡苁窃谳^低升降溫速率時(shí)玉米胚芽蛋白氨基酸殘基有更充裕的時(shí)間進(jìn)行合理的排列,交聯(lián)的機(jī)率進(jìn)一步增加,從而形成韌性較強(qiáng)的蛋白凝膠[13]。

圖3　不同升降溫速率對玉米胚芽蛋白凝膠性的影響Fig.3　Effect of different heating and cooling rates on gelation properties of corn germ proteins注:表中同一系列字母標(biāo)記不同表示差異顯著,檢驗(yàn)誤差為0.05水平,圖4同。

當(dāng)以最大速率8℃/min加熱和冷卻時(shí),測得儲(chǔ)能模量G′值分別小于加熱和冷卻速率在1、2、4℃/min條件下的儲(chǔ)能模量G′。說明玉米胚芽蛋白凝膠形成相同的彈性時(shí),在較高的升降溫速率下形成相同韌性的凝膠需要更高溫度,才能與在升降溫速率較低的條件下形成的凝膠韌性相同。在1℃/min的升降溫速率條件下儲(chǔ)能模量G′值最大,可能是升降溫速率較慢時(shí),蛋白質(zhì)分子按照合理的順序重新排列的時(shí)間更加充分,從而增強(qiáng)了玉米胚芽蛋白的凝膠韌性[14]。

由圖3可以看出,不同升降溫速率下得到的玉米胚芽蛋白凝膠彈性(tan δ)不同,在4℃/min和8℃/min二個(gè)處理?xiàng)l件下,最終獲得的凝膠彈性無顯著差異(p>0.05),而1℃/min和2℃/min二個(gè)處理?xiàng)l件下獲得的凝膠彈性差異顯著,且與4℃/min和8℃/min兩個(gè)處理?xiàng)l件下獲得的凝膠也有顯著性差異?？傊?在較慢的加熱和冷卻速率(1℃/min)下,玉米胚芽蛋白形成的凝膠彈性較差。這是因?yàn)殡m然在1℃/min加熱和冷卻速率條件下凝膠韌性有所增加,但相應(yīng)的粘性增大得更多,才導(dǎo)致tan δ顯著升高。

2.2.5不同蛋白質(zhì)凝膠彈性的比較由圖4可知,蛋清凝膠儲(chǔ)能模量G′(4265.87 Pa)顯著高于玉米胚芽蛋白的儲(chǔ)能模量G′(2409.66 Pa)和商品大豆分離蛋白的儲(chǔ)能模量G′(1802.55 Pa),玉米胚芽蛋白的儲(chǔ)能模量G′與商品大豆分離蛋白的彈性模量G′(p<0.05)有顯著性差異。而三種蛋白質(zhì)凝膠中,蛋清凝膠的tanδ最低,表示其蛋白凝膠的彈性最好。眾所周知,雞蛋清中的主要蛋白質(zhì)卵白蛋白具有優(yōu)良的凝膠性,由圖4可見,蛋清的凝膠性明顯優(yōu)于玉米胚芽蛋白和大豆分離蛋白(p<0.05),這可能是由于玉米胚芽蛋白和大豆分離蛋白都是采用堿溶酸沉法提取,酸處理導(dǎo)致蛋白質(zhì)嚴(yán)重變性,導(dǎo)致凝膠彈性大幅較低,而新鮮蛋清未經(jīng)任何處理,具有最佳的凝膠形成能力。

圖4　不同蛋白質(zhì)凝膠性的比較Fig.4　Gelation characteristics of corn germ proteins compared with other proteins注:圖中SPI為大豆分離蛋白,CGP為玉米胚芽蛋白,EGG為蛋清蛋白。

3　結(jié)論

玉米胚芽蛋白凝膠性成形較大豆分離蛋白差;玉米胚芽蛋白的凝膠彈性隨著蛋白質(zhì)量濃度增高而增強(qiáng),較高的升溫和降溫速率會(huì)使玉米胚芽蛋白的凝膠彈性弱化;比較相同處理?xiàng)l件下玉米胚芽蛋白、大豆分離蛋白和蛋清的凝膠性發(fā)現(xiàn)蛋清蛋白的凝膠彈性最好,玉米胚芽蛋白凝膠的韌性較大豆蛋白差,但其凝膠彈性優(yōu)于大豆分離蛋白。因此,開發(fā)玉米胚芽蛋白作為功能性營養(yǎng)添加劑應(yīng)用于乳化肉制品中具有較好的應(yīng)用前景。

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Study on gelation characteristics of corn germ proteins

SHI Dan1,3,SUN Xiang-dong2,ZHANG Yun1,*,LAN Yu1,LIU Chun-yu1

(1.Food College,East University of Heilongjiang,Harbin 150066,China; 2.Quality&Safety Institute of Agricultural Products,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China; 3.Xi’an Yinqiao Dairy(Group)Limited Company,Xi’an 710600,China)

A rheometer was employed to study gelation characteristics of corn germ proteins concentrate under different conditions.Results showed that corn germ proteins concentrate started to form a gel at the concentration of 160 mg/mL,the gel elasticity of corn germ proteins was increased with increasing proteins concentration.Storage modulus G′ and loss modulus G″ showed a positive linear relationships with the increasing concentration of corn germ proteins concentrate.With rising heating and cooling rates,the elasticity of corn germ proteins gel were weakened and negative linear relationships were obtained for heating and cooling rate and G′ as well as G″.Under the same concentration,gel elasticity of corn germ proteins was weaker than that of egg white while stronger than that of soy protein isolate.This investigation provided fundamental informations for employing the gelation characteristics of corn germ proteins in food industry.

rheometer;corn germ protein;gelation elasticity

2015-08-27

石丹(1990-),女,碩士,研究方向:食品工程微生物與生物技術(shù),E-mail:daisyilla@163.com。

張?bào)?1976-),女,博士,研究方向:食品微生物與生物技術(shù),E-mail:24343886@qq.com。

哈爾濱市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人基金項(xiàng)目(2013RFXYJ049)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)07-0067-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.005