影響乳清分離蛋白乳化特性的因素研究

易建華， 孫藝飛， 朱振寶

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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影響乳清分離蛋白乳化特性的因素研究

易建華， 孫藝飛， 朱振寶

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

以乳清分離蛋白(WPI)與大豆油為原料，采用高壓均質(zhì)技術(shù)制備水包油型(O/W)型乳液；探究了pH(2.0～10.0)、溫度(60 ℃～90 ℃)、離子強(qiáng)度(0～600 mM)等因素對(duì)WPI乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明：pH對(duì)WPI乳化特性影響較大，在等電點(diǎn)(4.0～5.0)附近，WPI表現(xiàn)出最低的乳化性及乳化穩(wěn)定性，pH遠(yuǎn)離蛋白質(zhì)等電點(diǎn)，WPI乳化性及乳化穩(wěn)定性明顯提升；溫度影響WPI乳化特性，同時(shí)受pH作用，當(dāng)pH 3.0時(shí)，WPI在80 ℃時(shí)乳化性較好，pH 7.0時(shí)，WPI在60 ℃時(shí)有較好的乳化性；低離子強(qiáng)度可提高WPI的乳化特性，而高離子強(qiáng)度則降低了WPI的乳化特性；中性條件下，一定程度的熱處理提高了WPI對(duì)離子強(qiáng)度的耐受力.

乳清分離蛋白； 乳化性； 乳化穩(wěn)定性； 影響因素

0 引言

乳清分離蛋白(WPI)是利用現(xiàn)代生產(chǎn)工藝從牛奶中提取出來(lái)的蛋白質(zhì)，它是一些小的、 緊密的球狀蛋白,其獨(dú)特的氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)賦予它廣泛的功能特性[1].WPI具有高蛋白、低脂肪、低膽固醇的特點(diǎn),有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和生物學(xué)效價(jià),被營(yíng)養(yǎng)學(xué)界譽(yù)為“蛋白質(zhì)之王”[2].

在食品工業(yè)中，蛋白質(zhì)因其具有良好的親水親油特性而被廣泛用作食品乳化劑.乳化性是蛋白質(zhì)一個(gè)非常重要的功能特性，這個(gè)特性對(duì)于食品產(chǎn)品最終形成穩(wěn)定的乳濁體系發(fā)揮重要作用[3].但食品乳濁液體系一般是由多元成分組成的復(fù)合體系，不僅有蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)，也有鹽離子(如鈉離子)等小分子物質(zhì)，這些小分子具有極強(qiáng)的表面活性，對(duì)食品乳濁液的形成及后期的穩(wěn)定性方面起著重要作用，它們?cè)谑称坊旌象w系中通過(guò)與蛋白質(zhì)的相互作用，對(duì)蛋白質(zhì)的乳化特性產(chǎn)生重要影響[4].除此之外，蛋白質(zhì)的氨基酸組成、分子大小及結(jié)構(gòu)形態(tài)等固有的物理屬性及所處的環(huán)境情況(如溫度、 pH值、電離強(qiáng)度等)都會(huì)影響其乳化特性，因此對(duì)蛋白質(zhì)乳化特性的影響因素的研究就顯得很有必要.本試驗(yàn)分析了pH、溫度、離子強(qiáng)度等因素對(duì)WPI乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響，以期為WPI的進(jìn)一步開發(fā)利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 主要材料與試劑

乳清分離蛋白,Davisc WPI95 ，WPI蛋白質(zhì)含量為96.5% ，乳清分離蛋白中的主要蛋白成分為55%～61%β-LG 、19%～22%α-LG 、 6%～8%牛血清白蛋白，上海福諾食品有限公司；氯化鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、疊氮鈉、氫氧化鈉,分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；大豆油,金龍魚食品有限公司.

1.1.2 主要儀器

電子天平,BS323S 型，賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司；磁力攪拌器,84-1 型，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；精密pH計(jì)，PB-10 型，賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司；超細(xì)勻漿器,F6 / 10-10G 型，上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司；超高壓均質(zhì)機(jī),HP-4L 科研型，喜高精密流體機(jī)械有限公司；分光光度計(jì),722型，上海第三分析儀器廠.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳狀液的制備

[5,6]，略有改動(dòng).稱取0.5 g WPI，用5 mM pH 7.0 的磷酸緩沖液將其溶解于50 mL容量瓶中并定容，配制成1%的蛋白質(zhì)溶液.乳液加入0.02% 的疊氮鈉防腐.室溫下磁力攪拌2 h ,置于4 ℃冰箱中冷藏過(guò)夜，后按照1∶3的體積加入一定量的大豆油，通過(guò)手持式超細(xì)勻漿機(jī)攪拌混合形成粗乳，然后在50 MPa 條件下高壓均質(zhì)3次,得到乳化均勻的乳狀液.

1.2.2 乳化性及乳化穩(wěn)定性的測(cè)定[7]

采用濁度法測(cè)定乳化性及乳化穩(wěn)定性.用移液槍吸取100μL待測(cè)WPI溶液，加入20 mL0.1%SDS，用振蕩器振蕩30 s后于500 nm處測(cè)其吸光值A(chǔ)0，并于10 min后測(cè)其吸光值A(chǔ)10.乳化性用EAI表征，乳化穩(wěn)定性用ESI表征[8].

(1)

式(1)中：DF為稀釋倍數(shù)，C為蛋白質(zhì)濃度(g/mL)，φ為光路(1 cm)，θ為油體積分?jǐn)?shù)(0.25).

(2)

式(2)中：A0為0 min的吸光值；A10為10 min后的吸光值；Δt為時(shí)間差，min.

1.2.3 pH對(duì)WPI乳化特性的影響

采用1.2.1方法制備蛋白質(zhì)溶液.用0.1 M HCl 、0.1 M NaOH 溶液調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)溶液pH分別至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0.測(cè)定蛋白質(zhì)EAI、ESI，探究pH對(duì)WPI乳化特性影響.

1.2.4 離子強(qiáng)度對(duì)WPI乳化特性的影響

分別配制pH 3.0、pH 7.0 1% WPI溶液，于蛋白質(zhì)溶液緩慢加入0 、50 、100 、150 、200 、300 、400 、600 mM NaCl ，測(cè)定蛋白質(zhì)EAI、ESI，研究離子強(qiáng)度對(duì)WPI乳化性影響.

1.2.5 溫度對(duì)WPI乳化特性的影響

按照1.2.1制備WPI乳液.乳液于60、65、70、75、80、85、90 ℃處理10 min，測(cè)定蛋白質(zhì)EAI、ESI，研究溫度對(duì)WPI乳化特性影響.

1.2.6 加熱與離子強(qiáng)度復(fù)合處理對(duì)蛋白質(zhì)乳化特性影響

采用1.2.4方法制備分別含0 、50 、100 、150 、200 、300 、400 、600 mM NaCl蛋白質(zhì)溶液，放入4 ℃冰箱過(guò)夜，于65 ℃下加熱10 min，加入一定量的大豆油，制備蛋白質(zhì)乳液，然后測(cè)其乳化性及乳化穩(wěn)定性.

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，采用Origin 8.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對(duì)WPI乳化特性的影響

pH對(duì)WPI乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響如圖1所示.由圖1可以看出，WPI乳化性與乳化穩(wěn)定性變化趨勢(shì)基本相似.pH 4.0時(shí)，WPI乳化性最低，這主要是由于WPI等電點(diǎn)在4.0附近，這時(shí)乳清分離蛋白的溶解度最小，因此，蛋白質(zhì)形成乳狀液的能力下降.由圖1還可以看出，WPI在堿性條件下的乳化性及乳化穩(wěn)定性較好，且隨pH升高，其乳化特性有明顯提高趨勢(shì)，這與鄭亞軍等[9]的研究一致.這可能是由于氫氧根離子的作用，使羧基數(shù)量增多，增加了分子間的靜電斥力，加厚了離散雙電層，使溶液界面膜增厚，同時(shí)也有利于膠束的形成，因此乳化性得以提高.此外，pH變化還影響了蛋白質(zhì)親水親油的平衡及柔性，這些因素都會(huì)影響蛋白質(zhì)的乳化特性[10].

圖1 pH對(duì)WPI乳化性及乳化穩(wěn)定性影響(溫度25 ℃、0 mM NaCl)

2.2 熱處理對(duì)WPI乳化特性的影響

熱處理對(duì)WPI乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響如圖2所示.圖2表明，溫度對(duì)WPI乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響較大；且pH不同時(shí)，溫度對(duì)WPI乳化特性影響存在差異.由圖2(a)可以看出，pH 7.0時(shí)，WPI乳化性在60 ℃時(shí)達(dá)到最高，溫度繼續(xù)升高，乳化性漸差； 而pH 3.0時(shí)，WPI乳化性在80 ℃時(shí)最高，隨著溫度繼續(xù)升高，乳化性呈下降趨勢(shì).圖2(a)同時(shí)表明，pH 7.0時(shí)，WPI乳化性明顯高于pH 3.0，這可能是由于pH 7.0時(shí)WPI溶解度高于pH 3.0的緣故.姚磊等[11]的研究也證實(shí)了該研究結(jié)果.

由圖2(b)可以看出，pH 7.0時(shí)，溫度對(duì)WPI乳化穩(wěn)定性影響不明顯；而pH 3.0時(shí)，溫度對(duì)WPI乳化穩(wěn)定性影響較大，且70 ℃時(shí)，WPI乳化穩(wěn)定性達(dá)到最高，繼續(xù)升溫，乳化穩(wěn)定性趨于降低.該研究結(jié)果說(shuō)明，適度升溫有利于WPI變性，促使WPI分子內(nèi)部更多的疏水基團(tuán)露在分子表面，促進(jìn)蛋白質(zhì)與油滴發(fā)生疏水相互作用，從而表現(xiàn)出良好的乳化性和乳化穩(wěn)定性[12].但溫度繼續(xù)升高，則蛋白質(zhì)分子高度變性，分子扭結(jié)，導(dǎo)致乳化特性的降低[13].

(a)溫度對(duì)WPI乳化性影響

(b)溫度對(duì)WPI乳化穩(wěn)定性影響圖2 溫度對(duì)WPI乳化特性影響(0 mM NaCl)

2.3 離子強(qiáng)度對(duì)WPI乳化特性的影響

離子強(qiáng)度對(duì)乳清分離蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響如圖3所示.由圖3可以看出，離子強(qiáng)度對(duì)乳清分離蛋白乳化特性有不同程度的影響. pH 7.0時(shí)，0～100 mM NaCl，隨離子強(qiáng)度增大WPI乳化性明顯提升，且100 mM時(shí)NaCl乳化性最好；離子強(qiáng)度>100 mM NaCl，隨著離子強(qiáng)度的增加，WPI乳化性逐漸降低，并趨于穩(wěn)定.pH 3.0時(shí)，離子強(qiáng)度對(duì)WPI乳化性影響趨勢(shì)與pH 7.0基本相同.這與Wan等[14]的研究結(jié)果一致.可見，較低濃度的氯化鈉溶液有利于增加乳清分離蛋白的乳化特性，這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)碾x子強(qiáng)度可促進(jìn)WPI鹽溶性蛋白充分溶解，脂肪粒被包裹，從而提高其乳狀液的乳化活性.而較高的離子強(qiáng)度掩蔽蛋白質(zhì)本身所帶的電荷，降低了靜電排斥作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在水中的溶解度減弱，從而降低了蛋白質(zhì)的乳化性[15].

(a)離子強(qiáng)度對(duì)WPI乳化性影響

(b)離子強(qiáng)度對(duì)WPI乳化穩(wěn)定性影響圖3 離子強(qiáng)度對(duì)WPI乳化特性影響(溫度25 ℃)

2.4 離子強(qiáng)度與加熱復(fù)合處理對(duì)WPI乳化特性的影響

蛋白質(zhì)溶液65 ℃下處理10 min后，制備不同離子強(qiáng)度的WPI乳液，熱處理與離子強(qiáng)度復(fù)合作用對(duì)WPI乳化特性的影響如圖4所示.由圖4可以看出，熱處理與離子強(qiáng)度復(fù)合作用對(duì)WPI乳化性和乳化穩(wěn)定性影響有所不同.與空白對(duì)照相比，蛋白質(zhì)熱處理后，離子強(qiáng)度的增大具有降低蛋白質(zhì)的乳化性趨勢(shì)，且受pH影響較小；同樣，pH 3.0時(shí)，蛋白質(zhì)熱處理后，體系引入離子強(qiáng)度降低了蛋白質(zhì)乳化穩(wěn)定性；然而，pH 7.0時(shí)，熱處理總體提高了蛋白質(zhì)對(duì)離子強(qiáng)度的耐受力，乳液穩(wěn)定性有不同程度的提高，且50 mM NaCl的體系穩(wěn)定性顯著提升.該研究表明，中性條件下，離子強(qiáng)度較低時(shí)，乳液穩(wěn)定性主要受靜電排斥影響，而離子強(qiáng)度較高時(shí)，乳液穩(wěn)定性主要受蛋白質(zhì)空間排斥影響，加熱加速蛋白質(zhì)巰基轉(zhuǎn)化為二硫鍵，增大了蛋白質(zhì)空間位阻，從而提高了乳液穩(wěn)定性.該研究結(jié)果與Tcholakova等[16]的研究基本一致.

(a)熱處理與離子強(qiáng)度相互作用對(duì)WPI乳化性影響

(b)熱處理與離子強(qiáng)度相互作用對(duì)WPI乳化穩(wěn)定性影響圖4 熱處理與離子強(qiáng)度相互作用對(duì)WPI乳化特性影響(溫度65 ℃、熱處理時(shí)間10 min)

3 結(jié)論

pH是影響WPI乳化特性的重要因素之一.在等電點(diǎn)附近，WPI表現(xiàn)出最低的乳化性及乳化穩(wěn)定性，pH遠(yuǎn)離蛋白質(zhì)等電點(diǎn)，WPI乳化性及乳化穩(wěn)定性明顯提升；溫度影響WPI乳化特性，同時(shí)受pH作用，當(dāng)pH 3.0時(shí)，WPI在80 ℃時(shí)乳化性較好， pH 7.0時(shí)，WPI在60 ℃時(shí)有較好的乳化性；低離子強(qiáng)度可提高WPI的乳化特性，而高離子強(qiáng)度則降低了WPI乳化特性；在中性條件下，一定程度的熱處理提高了WPI對(duì)離子強(qiáng)度的耐受力.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

Study on the factors influencing the emulsifying properties of whey protein isolates

YI Jian-hua， SUN Yi-fei， ZHU Zhen-bao

(School of Food and Biological Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China)

In this paper,whey protein isolates (WPI) and soybean oil were used to prepare oil-in-water (O/W) emulsions using high-pressure homogenization.The effects of pH (2.0～10.0),temperature (60 ℃～90 ℃) and ionic strength (0～600 mM) on the emulsification and emulsion stability of WPI were investigated.The results showed that pH greatly affected the emulsifying properties of WPI.The emulsification and emulsion stability of WPI were the lowest between pH 4.0 and 5.0,which was the isoelectric point(PI) of WPI.When the pH was away from the isoelectric point,the emulsification and emulsion stability were improved obviously.The temperature also affected the emulsifying properties of WPI,and at the same time,it was being affected by pH.At pH 3.0,the best temperature of the emulsification of WPI was 80 ℃,while it was 60 ℃ at pH 7.0.Lower ionic strength generally increased the emulsifying properties of WPI,whereas,higher ionic strength generally decreased those of WPI.In the neutral condition,the endurance of WPI to ionic strength was improved by heat treatment.

whey protein isolate; emulsification; emulsion stability; affecting factors

2017-01-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31671888)； 陜西科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2017BJ-21)

易建華(1971-)，女，河南信陽(yáng)人，教授，博士，研究方向：油脂與蛋白質(zhì)化學(xué)

2096-398X(2017)04-0112-05

TS202.3

A