pH對(duì)玉米胚芽蛋白Pickering乳液穩(wěn)定性及流變學(xué)性質(zhì)的影響

張 會(huì)，任 健

(1.齊齊哈爾大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006； 2.農(nóng)產(chǎn)品加工黑龍江省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

現(xiàn)代食品工業(yè)越來(lái)越注重食品對(duì)人類營(yíng)養(yǎng)及健康改善的功能，大量生物活性成分被廣泛應(yīng)用于各類食品體系。但這類物質(zhì)中的大多數(shù)生物可利用度均較低。特別是各種疏水性生物活性物質(zhì)，包括脂溶性維生素、多不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素和疏水性植物多酚，如何在食品中有效添加并保持其穩(wěn)定性是目前食品工業(yè)的一大技術(shù)難題。構(gòu)建食物蛋白膠體粒子是功能因子穩(wěn)定性及生物效價(jià)的一個(gè)重要途徑[1]。

我國(guó)是玉米生產(chǎn)消費(fèi)大國(guó)，玉米胚芽資源豐富。目前主要以玉米胚芽為原料制備玉米胚芽油，而脫脂后含有優(yōu)質(zhì)天然植物蛋白的玉米胚芽粕大多被用作飼料，消化吸收率較低，造成了一定的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，并沒(méi)有發(fā)揮其潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。因此，可將玉米胚芽粕作為原料提取玉米胚芽蛋白，實(shí)現(xiàn)資源再利用。玉米胚芽蛋白具有良好的功能性質(zhì)，既含有親水性基團(tuán)又含有疏水性基團(tuán)，具有兩親性質(zhì)，為其作為Pickering乳液穩(wěn)定劑奠定基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于Pickering乳液的研究主要集中在醇溶蛋白[3]，而關(guān)于玉米胚芽蛋白Pickering乳液的研究較少。

本文以玉米胚芽蛋白為原料，利用高壓均質(zhì)法制備玉米胚芽蛋白Pickering乳液，主要研究了pH對(duì)玉米胚芽蛋白Pickering乳液粒徑、電位、穩(wěn)定性及流變性的影響，為開(kāi)發(fā)新型活性載體物質(zhì)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玉米胚芽餅：黑龍江龍鳳玉米開(kāi)發(fā)有限公司；大豆油：益海嘉里食品營(yíng)銷有限公司；尼羅藍(lán)、尼羅紅。

GYB40-10S型高壓均質(zhì)機(jī)；T25型乳化分散機(jī)；Kinexus pro+型高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀：英國(guó)Malvern公司；TCS SP8激光共聚焦顯微鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米胚芽蛋白的提取

用粉碎機(jī)將玉米胚芽餅粉碎，過(guò)100目篩，得到較細(xì)顆粒玉米胚芽粉，采用石油醚浸提方法將玉米胚芽粉脫脂，采用堿提酸沉法提取玉米胚芽蛋白，NaOH濃度為0.08 mol/L，酸沉pH 為4.7，然后對(duì)其進(jìn)行水洗、中和、冷凍干燥，得玉米胚芽蛋白[4]。

1.2.2 玉米胚芽蛋白Pickering乳液的制備

配制玉米胚芽蛋白分散液。將3 g玉米胚芽蛋白溶于240 mL蒸餾水中，磁力攪拌2 h，充分溶脹后，次日分別逐滴加入60 mL 的大豆油，經(jīng)乳化分散機(jī)(20 000 r/min)分散2 min，用1 mol/L的HCl或NaOH調(diào)其pH，得到pH分別為3、5、7、9、11的粗乳液。用高壓均質(zhì)機(jī)將此粗乳液均質(zhì)處理3次，壓力設(shè)定為40 MPa[5]。

1.2.3 乳液的微結(jié)構(gòu)表征

取1 mL乳液樣品，加入20 μL 0.02%的尼羅紅、20 μL 0.1%的尼羅藍(lán)，混合均勻，染色1 min，用膠頭滴管取1滴在20 mm的玻底培養(yǎng)皿中，利用激光共聚焦顯微鏡觀察乳液微結(jié)構(gòu)，激發(fā)波長(zhǎng)為488 nm和633 nm[6]。

1.2.4 乳液粒徑電位的測(cè)定

采用 Zetasizer Nano ZS測(cè)定新制備的玉米胚芽蛋白Pickering乳液的Zeta電位和粒徑。取適量乳液，用去離子水稀釋，然后進(jìn)行Zeta電位和粒徑測(cè)定[7]。

1.2.5 乳液離心穩(wěn)定性及貯藏穩(wěn)定性的測(cè)定

分別取不同pH的玉米胚芽蛋白Pickering乳液4 mL裝入5 mL離心管中，10 000 r/min下離心2 min，測(cè)定其乳析指數(shù)的變化。分別取不同pH的玉米胚芽蛋白Pickering乳液5 mL裝入10 mL透明玻璃瓶中，觀察剛均質(zhì)后的乳液及貯藏1、3、7 d時(shí)乳液乳析指數(shù)的變化，分析貯藏時(shí)間對(duì)Pickering乳液穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)做3次平行。

1.2.6 表觀黏度的測(cè)定

乳液表觀黏度通過(guò)馬爾文流變儀進(jìn)行測(cè)定。將乳液樣品分別置于平行板之間，選用PU60 mm的模具平板，設(shè)置間距為1 mm，剪切速率0.1～100 s-1，25℃下平衡5 min，然后開(kāi)始測(cè)定玉米胚芽蛋白Pickering乳液表觀黏度的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液的微結(jié)構(gòu)

利用激光共聚焦顯微鏡(CLSM)觀察乳液液滴的微結(jié)構(gòu)，1%蛋白乳液，油相比例為20%，pH為5，采用尼羅紅和尼羅藍(lán)分別對(duì)蛋白與油相進(jìn)行染色，染色后油相為綠色，蛋白為紅色，測(cè)定結(jié)果如圖1所示。

圖1 玉米胚芽蛋白Pickering乳液CLSM圖像

由圖1可以看到，紅色的玉米胚芽蛋白包裹著綠色的油滴，說(shuō)明該乳液是蛋白顆粒穩(wěn)定的水包油型 Pickering乳液[8]。

2.2 乳液粒徑

pH對(duì)乳液粒徑的影響如圖2所示。

圖2 pH對(duì)玉米胚芽蛋白Pickering乳液粒徑的影響

由圖2可知，pH為3、5、7、9、11時(shí)乳液的平均粒徑分別為1.689、71.05、1.422、0.955 3、0.943 1 nm，隨著pH的增加，乳液的粒徑先增大后減小，pH為5時(shí)乳液粒徑最大，pH 5接近玉米胚芽蛋白等電點(diǎn)，等電點(diǎn)時(shí)液滴表面的靜電荷幾乎為0，液滴之間的靜電斥力小，易于發(fā)生聚集[9]，導(dǎo)致玉米胚芽蛋白Pickering乳液的平均粒徑增大，乳液不穩(wěn)定。隨著pH繼續(xù)增大，蛋白包裹的液滴表面靜電荷量增大，液滴之間的靜電斥力增大，能使液滴之間保持平衡而不發(fā)生聚集，所以pH為11時(shí)乳液粒徑最小，乳液的穩(wěn)定性好。

2.3 乳液電位

pH對(duì)乳液電位的影響如圖3所示。

圖3 pH對(duì)玉米胚芽蛋白Pickering乳液電位的影響

由圖3可知，pH為3、5、7、9、11時(shí)乳液的電位分別為-33.3、-26.6、-38.6、-39.5、-41.7 mV，隨著pH的增大，乳液電位絕對(duì)值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。pH 5時(shí)乳液電位絕對(duì)值最小，因?yàn)閜H 5接近玉米胚芽蛋白等電點(diǎn)，顆粒表面電荷達(dá)到最小，乳液電位絕對(duì)值變小。顆粒的帶電變化與玉米胚芽蛋白中氨基和羧基之間的電離平衡有關(guān)，溶液整體帶電性影響乳液的穩(wěn)定性，乳液中顆粒間電荷的相互排斥作用小，易發(fā)生聚集，難以維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，乳液不穩(wěn)定[10]。反之，pH 11時(shí)乳液電位絕對(duì)值最大，為乳液中的顆粒間提供了相對(duì)較強(qiáng)的電荷排斥作用，顆粒不易聚集，乳液較為穩(wěn)定[11]。

2.4 乳液的表觀黏度

pH對(duì)乳液表觀黏度的影響如圖4所示。

圖4 pH對(duì)玉米胚芽蛋白Pickering乳液表觀黏度的影響

由圖4可知，在剪切速率0.1～100 s-1的范圍內(nèi)玉米胚芽蛋白Pickering乳液的表觀黏度隨剪切速率的增大而下降，即發(fā)生了剪切稀釋現(xiàn)象，分析原因可能是由于絮凝態(tài)的油滴在剪切過(guò)程中互相分離的緣故[12]。隨著pH的增加，表觀黏度先增大后減小，pH 5時(shí)表觀黏度最大，這可能是因?yàn)榱捷^大的緣故，根據(jù)托克斯定律[13]，pH 5時(shí)在蛋白質(zhì)等電點(diǎn)附近，蛋白質(zhì)分子表面電荷幾乎為0，分子間的相互排斥力減弱，顆粒極易碰撞、凝聚，聚合物溶液中的聚合物分子具有纏繞著的環(huán)狀和長(zhǎng)分子鏈，所有這些物質(zhì)在靜止時(shí)將保持內(nèi)部的不規(guī)則次序，因?yàn)榫哂邢喈?dāng)高的內(nèi)部阻力阻礙流動(dòng)，表現(xiàn)出較高的黏度，反之，pH 11時(shí)蛋白溶解度高，顆粒間靜電斥力大，乳液粒徑小，分散性好，則表觀黏度較小[14]。

2.5 乳液穩(wěn)定性

2.5.1 離心穩(wěn)定性

pH對(duì)乳液離心穩(wěn)定性的影響如圖5所示。

圖5 pH對(duì)玉米胚芽蛋白Pickering乳液

由于離心時(shí)所產(chǎn)生的離心力，使乳液液滴匯聚，從而加快乳液的乳析分層過(guò)程。離心后，下層為水層，上層為顆粒包裹的致密乳化層，乳析指數(shù)能反映乳液的穩(wěn)定性。由圖5可知，pH 5時(shí)乳液乳析指數(shù)在75%左右，并出現(xiàn)破乳現(xiàn)象[15]，pH 3時(shí)乳液發(fā)生輕微分層，但無(wú)破乳現(xiàn)象，其他pH下的乳液沒(méi)有明顯的分層現(xiàn)象，乳液離心穩(wěn)定性較好。

2.5.2 貯藏穩(wěn)定性

pH對(duì)玉米胚芽蛋白Pickering乳液貯藏穩(wěn)定性的影響如圖6所示。通過(guò)觀察乳化層在貯藏過(guò)程中發(fā)生的變化，判斷乳液的貯藏穩(wěn)定性，如果乳液不分層，不出現(xiàn)乳析現(xiàn)象，則說(shuō)明乳液穩(wěn)定性良好，如果乳液層不斷變化，并伴有溢油、破乳等現(xiàn)象，則乳液的穩(wěn)定性不佳[15]。在貯藏過(guò)程中由于重力的作用，乳液中的水層在下方，富含油脂的乳液在上方。

由圖6a可知：新鮮制備的5種乳液均未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，pH 5的乳液貯藏1 d(見(jiàn)圖6b)后出現(xiàn)分層，乳析指數(shù)在15%左右，貯藏3 d(見(jiàn)圖6c)后乳液中的水層界面高度增加并且變清晰，其他pH的乳液3 d內(nèi)均未出現(xiàn)分層，乳液較穩(wěn)定；貯藏7 d時(shí)pH 5的乳液乳析指數(shù)達(dá)到約20%，pH為7和9的乳液出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且乳析指數(shù)為pH 5>pH 7>pH 9，pH為3的乳液底部也出現(xiàn)不明顯的分層現(xiàn)象，由此可見(jiàn)pH為11時(shí)，乳液貯藏穩(wěn)定性最好。分析原因可能是pH 5的乳液接近蛋白質(zhì)等電點(diǎn)，顆粒表面電荷幾乎為0，電荷排斥力小，液滴聚集，乳液絮凝分層，pH越大，粒子間電荷排斥力越大，分散性越好，乳液越穩(wěn)定[16]。

注：a.新鮮制備的乳液；b.貯藏1 d的乳液；c.貯藏3 d的乳液；d.貯藏7 d的乳液。

圖6 pH對(duì)玉米胚芽蛋白Pickering乳液貯藏穩(wěn)定性的影響

3 結(jié) 論

采用高壓均質(zhì)的方法制備不同pH的玉米胚芽蛋白Pickering乳液，乳液類型為水包油型；隨著pH的增大，乳液粒徑先增大后減小，電位絕對(duì)值先減小后增大；隨著剪切速率的增大，乳液表觀黏度逐漸減小，呈剪切稀釋現(xiàn)象；pH為11時(shí)乳液離心穩(wěn)定性、貯藏穩(wěn)定性最佳。