濕法糖基化改善卵白蛋白的起泡性

王希希, 許美玉, 林 超, 黃 群, 安鳳平(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

濕法糖基化改善卵白蛋白的起泡性

王希希, 許美玉, 林 超, 黃 群, 安鳳平
(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

采用濕法糖基化改性以改善卵白蛋白的起泡性，考察葡萄糖添加量、pH、溫度和時間對卵白蛋白起泡性及其穩(wěn)定性的影響，在單因素試驗的基礎(chǔ)上通過響應(yīng)面法優(yōu)化改性工藝條件.結(jié)果表明，經(jīng)濕法糖基化改性后卵白蛋白的起泡性得以顯著提高，最佳改性工藝條件為：反應(yīng)溫度60 ℃、pH 7.4、葡萄糖添加量3.5%、加熱時間30 min.此條件下改性后卵白蛋白的起泡性為168%，與未改性卵白蛋白起泡性(120%)相比，其起泡性提高40%.

卵白蛋白; 葡萄糖; 濕法糖基化改性; 起泡性; 工藝優(yōu)化

Abstract: To optimize glycosylation condition for ovalbumin, glucose dosage, pH value, reaction temperature and time were investigated, then Box-Behnken experimental design was applied to optimize the parameters. The result showed that foamability of ovalbumin reached 168%, which was 1.4 times higher than that of unmodified ovalbumin. The optimal modification condition was to add 3.5% glucose under pH 7.4 at 60 ℃ and heated for 30 min.

Keywords: ovalbumin; glucose; glycosylation under wet-heating condition; foaming properties; process optimization

雞蛋含有豐富的蛋白質(zhì)，蛋清蛋白不僅具有較高的營養(yǎng)價值，且具有改善各種食品品質(zhì)和功能的特性.卵白蛋白為蛋清中含量最大的蛋白質(zhì)，具有理想的乳化性和起泡性，鑒于該方面的功能特性使其對食品在制造、加工或保藏中的物理化學(xué)性質(zhì)起著重要作用，因此廣泛應(yīng)用于食品加工的各個領(lǐng)域，尤其是卵白蛋白的起泡性，在蛋糕和冰淇淋類食品中的應(yīng)用相當(dāng)普遍[1-3].但不少天然蛋白質(zhì)的這些特性尚不突出，不能滿足現(xiàn)代食品開發(fā)與加工的需要，往往要通過特定的方法來提高它的功能特性，使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛[4].研究表明，對卵白蛋白進(jìn)行適度改性可以提高卵白蛋白的起泡性能，其改性的方法包括物理法、化學(xué)法、酶法和基因工程方法等[5].研究顯示，化學(xué)法和酶法改性是提高蛋白質(zhì)功能特性的有效途徑，但化學(xué)法改性在改變結(jié)構(gòu)和功能特性方面比酶法更有效[6].糖基化改性是化學(xué)法改性中常見的改性方法，糖與蛋白質(zhì)的α-或ε-氨基共價鏈接形成糖基化蛋白聚合物，在蛋白質(zhì)的乳化活性、乳化穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及起泡性等方面產(chǎn)生顯著影響.即使在酸性及高鹽溶液中，卵清蛋白—葡萄糖復(fù)合物也具有良好的乳化活性和穩(wěn)定性[7].目前濕法糖基化改性對卵白蛋白起泡特性的研究較少，對單糖改善卵白蛋白起泡性的研究也不多，且主要集中在提高蛋白乳化性和凝膠性的影響方面.因此，本試驗采用濕法糖基化改性改善卵白蛋白起泡性的方法，探討葡萄糖添加量、pH、溫度和時間對卵白蛋白起泡性的影響，以拓展卵白蛋白在起泡產(chǎn)品方面的應(yīng)用范圍.

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮雞蛋從超市購買.

試劑有硫酸銨、氫氧化鈉、葡萄糖和鹽酸等，均為分析純.

主要儀器與設(shè)備有HJ-3數(shù)顯恒溫磁力攪拌器(常州澳華儀器有限公司)、PHS-4A實驗室pH計(上海向陽科學(xué)儀器廠)、LXJ-IIB離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)、FD5-series真空冷凍干燥機(jī)(上海海信科學(xué)儀器廠)、FJ200-SH型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)(上海標(biāo)本模型制造廠)及DM2000型顯微鏡和DFC280型攝像系統(tǒng)(德國徠卡公司).

1.2 方法

1.2.2 卵白蛋白糖基化的改性 分別稱量1.0 g卵白蛋白和一定量的葡萄糖，混合均勻后溶于50 mL蒸餾水中，攪拌，調(diào)節(jié)pH到某一確定值后，定容到100 mL容量瓶中，得到蛋白含量為10 mg·mL-1的混合溶液，混合溶液轉(zhuǎn)移到燒杯中，將燒杯置于60 ℃的水浴鍋中加熱30 min后取出迅速冷卻，得到改性后的卵白蛋白待測液[10].

1.2.3 起泡性和穩(wěn)定性的測定 室溫下，將1%卵白蛋白待測液于高速組織搗碎機(jī)中均質(zhì)2 min(8 000 r·min-1)，然后快速移至250 mL量筒中，記下均質(zhì)停止時的泡沫體積(V0)，起泡性根據(jù)均質(zhì)停止時的泡沫體積與100 mL的百分比來計算.起泡性/%=(V0/100)×100.

均質(zhì)停止30 min后，記下此時的泡沫體積(V1)，泡沫穩(wěn)定性根據(jù)30 min時泡沫占均質(zhì)停止時泡沫的體積分?jǐn)?shù)來計算[11].泡沫穩(wěn)定性/%=(V1/V0)×100.

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

圖1 葡萄糖添加量對卵白蛋白起泡性和穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of glucose dosage on ovalbumin foamability and stability

2.1.1 葡萄糖添加量 在溫度60 ℃、pH 8.0、反應(yīng)時間30 min的條件下，分別將1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%葡萄糖(以混合溶液體積的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為參照)與1.0 g卵白蛋白混合進(jìn)行反應(yīng)，考察葡萄糖添加量對卵白蛋白起泡性和穩(wěn)定性的影響，確定葡萄糖添加量的取值范圍.結(jié)果如圖1所示.

添加適量的葡萄糖，不僅可以提高反應(yīng)速度和最終的反應(yīng)程度，同時還可避免副反應(yīng)的發(fā)生.由圖1可知：隨著葡萄糖添加量的增加，卵白蛋白的起泡性和穩(wěn)定性也隨之提高；當(dāng)葡萄糖的添加量達(dá)到3.0%時，起泡性和穩(wěn)定性達(dá)到最高值；繼續(xù)增加葡萄糖的添加量，起泡性和穩(wěn)定性隨葡萄糖添加量的增加而下降.因而確定葡萄糖的添加量為3.0%時，卵白蛋白的改性效果最佳.

2.1.2 反應(yīng)pH 在溫度60 ℃、葡萄糖添加量3.0%、反應(yīng)時間30 min的條件下，分別調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH為5.0、6.0、7.0、8.0和9.0，考察反應(yīng)pH對卵白蛋白起泡性和穩(wěn)定性的影響，從而確定pH的取值范圍.結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知：隨著pH的升高，卵白蛋白的起泡性和穩(wěn)定性隨之提高；當(dāng)pH達(dá)到8.0左右時，起泡性和穩(wěn)定性達(dá)到最高值；繼續(xù)升高pH，起泡性和穩(wěn)定性逐漸下降.因而確定pH為8.0左右時，卵白蛋白的改性效果最佳.原因可能是pH小于8.0時為酸性，會抑制美拉德反應(yīng)的發(fā)生；pH大于8.0時為堿性，堿性過強(qiáng)會破壞蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)[12].

2.1.3 反應(yīng)溫度 在pH 8.0、葡萄糖添加量3.0%、反應(yīng)時間30 min的條件下，分別調(diào)節(jié)溫度為30、40、50、60和70 ℃，考察反應(yīng)溫度對卵白蛋白起泡性和穩(wěn)定性的影響，以確定溫度的取值范圍.結(jié)果如圖3所示.

圖2 pH對卵白蛋白起泡性和穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of pH value on ovalbumin of foamability and stability

由圖3可知：隨著溫度的升高卵白蛋白的起泡性和穩(wěn)定性也隨之提高；當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時，起泡性和穩(wěn)定性都達(dá)到最高值；繼續(xù)升高反應(yīng)溫度，起泡性和穩(wěn)定性逐漸降低.因而確定反應(yīng)溫度為60 ℃時，卵白蛋白的改性效果最佳.原因可能是適當(dāng)提高溫度有助于美拉德反應(yīng)的發(fā)生，但溫度達(dá)70 ℃時卵白蛋白開始變性，從而降低蛋白質(zhì)的功能特性.

圖4 反應(yīng)時間對卵白蛋白起泡性和穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of reaction time on ovalbumin foamability and stability

2.1.4 反應(yīng)時間 在pH 8.0、葡萄糖添加量3.0%、溫度60 ℃的條件下，分別設(shè)置反應(yīng)時間為10、20、30、40和50 min，考察反應(yīng)時間對卵白蛋白起泡性和穩(wěn)定性的影響，以確定時間的取值范圍.結(jié)果如圖4所示.

由圖4可知：隨著反應(yīng)時間的增加，卵白蛋白的起泡性和穩(wěn)定性也隨之提高；當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到30 min時，卵白蛋白的起泡性和穩(wěn)定性都達(dá)到最高值.這可能是由于反應(yīng)開始時糖鏈的引入，羥基的親水性使得蛋白質(zhì)的溶解性升高，糖基化改性的蛋白質(zhì)部分可以有效地吸附在油—水界面上，降低界面的張力，共價結(jié)合的糖分子鏈在吸附膜的周圍形成立體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)增加了膜的厚度和機(jī)械強(qiáng)度，從而增加了卵白蛋白的起泡性和穩(wěn)定性[13].繼續(xù)增加反應(yīng)時間，卵白蛋白的起泡性和穩(wěn)定性逐步降低.這是因為隨著反應(yīng)的進(jìn)行，糖和蛋白質(zhì)的交聯(lián)程度增加，從而使復(fù)合物的親水性過高，界面活性降低.因而確定反應(yīng)時間為30 min時，卵白蛋白的改性效果最佳.

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗結(jié)果

2.2.1 回歸方程的建立與顯著性分析 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，確定了反應(yīng)溫度、pH、反應(yīng)時間和葡萄糖添加量4個因素的試驗水平，水平編碼見表1，并在此基礎(chǔ)上采用統(tǒng)計軟件Design-Export 8.0.5進(jìn)行Box-Behnken試驗設(shè)計(表2).對表2的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次項回歸擬合，得起泡性的擬合回歸方程為：

表1 響應(yīng)面試驗因素及水平編碼表Table 1 Factors and levels of coding for response surface experiment

表2 Box-Behnken中心組合試驗結(jié)果Table 2 Result of Box-Behnken central composite experiment

表3 回歸模型方差分析結(jié)果1)Table 3 Regression analysis of variance

1)**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05).

2.2.2 兩因素交互作用對卵白蛋白起泡性的影響 由圖5可知，反應(yīng)溫度與pH的交互作用對卵白蛋白的起泡性具有顯著影響.反應(yīng)溫度為50～60 ℃時，隨著pH的增大，起泡性逐漸升高；而反應(yīng)溫度為60～70 ℃時，隨著pH的增大，起泡性呈逐漸下降的趨勢.反應(yīng)溫度與葡萄糖添加量的交互作用對卵白蛋白的起泡性具有顯著影響.葡萄糖添加量為2.0%～3.0%時，隨著反應(yīng)溫度的升高，起泡性逐漸提高；葡萄糖添加量為3.0%～4.0%時，隨著反應(yīng)溫度的升高，起泡性呈先提高后穩(wěn)定的趨勢.

利用得到的回歸方程，分別對X1、X2和X3求偏階倒數(shù)，并令其偏階倒數(shù)等于零，通過Design-Export 8.0.5軟件計算可知，濕法糖基化改性卵白蛋白的最佳工藝參數(shù)為：反應(yīng)溫度60.77 ℃、pH 7.42、葡萄糖添加量3.47%，起泡性的預(yù)測值為161%.最佳工藝參數(shù)修正為：反應(yīng)溫度60 ℃、pH 7.4、葡萄糖添加量3.5%，所得卵白蛋白起泡性的實際值為168%，表明建立的模型可靠性高，可作為卵白蛋白起泡性的最佳條件.在反應(yīng)溫度60 ℃、pH 7.4的條件下處理未經(jīng)濕法糖基化改性的1.0 g相同卵白蛋白，測其起泡性進(jìn)行對比試驗，其起泡性為120%，因此，與此條件下卵白蛋白的起泡性相比，經(jīng)濕法糖基化改性后卵白蛋白的起泡性可提高40%.

圖5 兩因素交互作用對卵白蛋白起泡性影響的響應(yīng)面及等高線Fig.5 Interaction response surface and contour plots of two-factor experiment

2.3 卵白蛋白濕法糖基化改性前后泡沫的微觀結(jié)構(gòu)

微觀結(jié)構(gòu)的觀察主要從3個方面入手：泡沫大小、泡沫量和泡沫分散情況.由圖6A可知，未經(jīng)糖基化改性的卵白蛋白，其泡沫大而分散，且大小不一，泡沫量比較少；而從圖6B可知，經(jīng)濕法糖基化改性后的卵白蛋白，其泡沫小而密集，且大小相對均勻，泡沫量較大.表明濕法糖基化對卵白蛋白改性的效果顯著.

A：改性前;B：改性后.圖6 卵白蛋白改性前后泡沫的顯微圖像Fig.6 Microscopic images of foam before and after ovalbumin modification

3 結(jié)論

以卵白蛋白為原料添加適量的葡萄糖對其進(jìn)行改性，并以改性后卵白蛋白的起泡性作為評價指標(biāo).在單因素試驗的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法優(yōu)化了濕法糖基化改性卵白蛋白的工藝條件.通過驗證試驗和回歸分析得到濕法糖基化改性的最佳工藝條件為：反應(yīng)溫度60 ℃、pH 7.4、葡萄糖添加量3.5%、加熱時間30 min，在此條件下得到的起泡性為168%，與響應(yīng)面分析理論值(161%)能較好地吻合.表明該模型能有效預(yù)測實際濕法糖基化產(chǎn)物的起泡性，具有一定的應(yīng)用價值；同時與未改性前卵白蛋白的起泡性(120%)進(jìn)行比較可知，改性后卵白蛋白的起泡性顯著提高.

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(責(zé)任編輯:施曉棠)

Enhancingfoamabilityofovalbuminbyglycosylationunderwet-heatingcondition

WANG Xixi, XU Meiyu, LIN Chao, HUANG Qun, An Fengping
(College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

TS253.4

A

1671-5470(2017)05-0595-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.05.019

2016-11-13

2017-03-01

國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))專項(201303084)； 福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)項目(612014042).

王希希(1994-)，女，碩士研究生.研究方向：食品加工.Email：1277150404@qq.com.通訊作者黃群(1977-)，男，副教授，博士.研究方向：蛋品科學(xué)與食品生物技術(shù).Email：huangqunlaoshi@126.com.