大豆親脂蛋白-羥丙基甲基纖維素乳液制備及其穩(wěn)定性

鐘明明，齊寶坤,2，趙 添，孫禹凡，王迪瓊，方 琳，謝鳳英,3，張 爽，楊樹昌，李 楊,2,3,*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.國家大豆工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150000；3.哈爾濱市食品產(chǎn)業(yè)研究院，黑龍江 哈爾濱 150000）

大豆分離蛋白（isolated soy protein，SPI）是大豆的典型商業(yè)產(chǎn)品，廣泛用作食品加工。長期以來，一直認為SPI由兩種主要的儲存蛋白組成，即大豆球蛋白（11S）和β-伴大豆球蛋白（7S）[1]。然而，最新的研究發(fā)現(xiàn)大豆儲存蛋白組分中親脂性蛋白質(zhì)（lipophilic protein，LP）含量占據(jù)SPI的30%左右，因此SPI的組成和功能特性有待深入研究[2]。有文獻表明SPI的溶解度必須通過11S、7S和LP三種蛋白質(zhì)組分之間的相互作用調(diào)控，而不是簡單地將11S和7S的性質(zhì)加在一起[3]。因此，SPI的其他功能特性也應(yīng)該基于這3 種蛋白質(zhì)組分的性質(zhì)重新考慮?，F(xiàn)有的文獻對11S和7S的相關(guān)研究較多，但是缺乏對LP的相關(guān)研究。

LP的主要成分是油體蛋白-磷脂，它是油體的原始成分并且具有較強的親油性。在添加高濃度鹽和表面活性劑（吐溫20）的情況下，LP乳液表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性，而對于11S和7S的乳液觀察到有絮凝現(xiàn)象產(chǎn)生[4]。這些數(shù)據(jù)表明LP的表面活性優(yōu)于11S和7S，可作為優(yōu)異的乳化劑使用。此外，大部分植物蛋白在緊密分子結(jié)構(gòu)中缺少明顯的疏水性和親水性分區(qū)，很少用于運載疏水性生物活性物質(zhì)，LP乳液有望解決這一問題[5]。

除了小分子質(zhì)量表面活性劑以外，利用多糖穩(wěn)定蛋白質(zhì)乳液得到越來越多的關(guān)注[6]。與通過表面活性劑穩(wěn)定的常規(guī)乳液相比，顆粒穩(wěn)定乳液具有避免一些小分子質(zhì)量表面活性劑的不利影響的優(yōu)點，如組織刺激，代謝綜合征和環(huán)境污染等。對于最可用的生物聚合物，纖維素是一個很好的候選者，因為它營養(yǎng)豐富，成本低，無毒無害并且有益于身心健康，具有可生物降解性和生物相容性。羥丙基甲基纖維素（hydroxypropyl methylcellulose，HPMC）又是一種可食用性纖維素，其資源豐富、健康無毒，而且有良好的水溶性和成膜性，是制備水包油乳液的理想原料[7]。

本實驗擬探究由HPMC穩(wěn)定的LP乳液的制備和表征，并研究不同均質(zhì)壓力和HPMC質(zhì)量分數(shù)對LP乳液穩(wěn)定性的影響，以期提供一種更穩(wěn)定的LP乳劑的制備方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆研究所；羥丙基甲基纖維素（I型，黏度30 mPa·s），磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；多力葵花籽油 市售；氯化鈉 天津市光復(fù)精細化工研究所；硫酸 北京新光化工試劑廠；其他試劑為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

ULTRA-TURRAX UTL 2000高壓均質(zhì)機 上海標本模型有限公司；LGR20-W臺式高速冷凍離心機 北京京立離心機有限公司；Mastersizer 2000激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司；DELTAVISIONTMOMX SR超分辨顯微鏡 德國徠卡公司；OCA20視頻接觸角測量儀德國Data Physics儀器股份有限公司；UV-5100型高性能紫外-可見分光光度計 上海奧析科學(xué)儀器；MAGNAIR560傅里葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet儀器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 LP的提取

大豆LP組分的分離由Samoto等[8]的方法經(jīng)修改后使用。大豆磨粉，過60 目篩，正己烷脫脂制備低變性大豆脫脂粉，在70 ℃干熱處理2 h，此時氮溶指數(shù)降至75%。50 g干熱處理后的脫脂豆粉加入到400 mL蒸餾水中，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值到8.0。在20 ℃攪拌1 h后3 000 r/min離心10 min。分離上清液并加入10 mmol/L Na2SO3,然后用H2SO4調(diào)節(jié)pH值至5.8，3 000 r/min離心10 min，接著用H2SO4調(diào)節(jié)上清液pH值至5.0，并在55 ℃處理15 min。然后加入50 mmol/L NaCl并用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值到5.5，3 000 r/min離心10 min，沉淀即為LP組分。

1.3.2 LP-HPMC乳液的制備

用pH 7.4的10 mmol/L磷酸鹽緩沖溶液制備由HPMC穩(wěn)定的LP水包油乳液。通過將適量的LP分散在磷酸鹽緩沖液中，并室溫下攪拌2 h后進行超聲處理以確保蛋白質(zhì)的完全溶解以制備LP溶液。將0.5% LP溶液分別加入到0%、0.01%、0.05%、0.1%、0.2% HPMC溶液中，邊滴加邊磁力攪拌，形成復(fù)合物攪拌30 min后，加入25%（V/V）葵花籽油，在1 000 r/min條件下粗均3 min后，在均值壓力60、100、140 MPa下高壓均質(zhì)制備出不同類型的乳液，4 ℃條件下貯藏[9]。

1.3.3 十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）

采用Laemmli[10]的方法，為適應(yīng)本實驗樣品，稍作一些改動。分離膠、濃縮膠分別為12%和5%，樣品與上樣緩沖液共同混合并水浴加熱后，用移液槍吸取質(zhì)量濃度為1 mg/mL的混合樣品10 μL。加壓后開始跑膠，并在實驗過程中適時調(diào)節(jié)電壓大小，實驗結(jié)束后將膠片取出，采用實驗前配制好的考馬斯亮藍溶液染色，而后進行3～5 次脫色，即得到樣品電泳條帶。

1.3.4 動態(tài)光散射

使用Mastersizer2000儀器進行蛋白質(zhì)顆粒的尺寸分布，Zeta電位的測量。在裝入比色杯（PCS8501）之前，用10 mmol/L磷酸鹽緩沖液（pH 7.4）將樣品稀釋至質(zhì)量分數(shù)0.1%。所有測量均在25 ℃進行3 次。對于分散體（LP）使用1.450的折射率，對于連續(xù)相（10 mmol/L磷酸鹽緩沖液，pH 7.4）使用1.331的折射率[11]。

1.3.5 EAI和ESI測定

參考Li Chen等[12]的方法。從乳液樣品底部取樣50 μL a（0 min）和b（10 min），經(jīng)SDS稀釋200 倍，充分混合后在500 nm處測定吸光度A，以SDS做空白對照。乳化活性（emulsification activity，EAI）和乳化穩(wěn)定性（emulsification stability，ESI）分別表示如下：

式中：T＝2.303，N為稀釋倍數(shù)200，θ為油相體積分數(shù)0.25，L為比色杯厚度1 cm；C為乳化液形成前蛋白質(zhì)水溶液中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度（5 mg/mL）；A0、A10為乳狀液在0～10 min的吸光度，T10-T0為時間差10 min。

1.3.6 超分辨顯微鏡

采用尼羅藍和尼羅紅對樣品液滴進行染色，尼羅紅染料在大多數(shù)極性溶劑中不發(fā)熒光，但可以在富含脂質(zhì)的環(huán)境中以微紅的顏色強烈地發(fā)熒光，尼羅藍則在含蛋白環(huán)境中顯綠色熒光，利于觀察。使用DELTAVISIONTMOMX SR超分辨顯微鏡檢查不同壓力處理下的乳劑的結(jié)構(gòu)。將5 μL的染色乳液置于顯微鏡載玻片上，然后用蓋玻片輕輕蓋上。在633 nm的激發(fā)波長下操作的He-Ne激光成像油滴和蛋白質(zhì)。使用60 倍放大率的油浸物鏡進行觀察。

1.3.7 貯藏穩(wěn)定性分析

復(fù)合體系乳層析指數(shù)（creaming index，CI）的測定參考Zisu等[13]的方法。將水包油型乳狀液樣品于室溫下靜置35 d，每天記錄乳狀液所在具塞比色管分層界面的刻度，即可衡量乳狀液相分離的程度。清液高度HC和乳液總高度HE的比值代表CI。按以下公式計算：

1.3.8 接觸角測定

使用接觸角分析儀在25 ℃通過座滴的方法測定。簡而言之，乳液涂抹于載玻片制備成直徑為13 mm且厚度為2 mm的薄膜。使用高精度注射器將一滴水（5 μL）沉積在薄膜的表面上。在通過攝像機從注射器下落之后立即記錄液滴圖像，并且液滴的輪廓被數(shù)值求解并且適合于Laplace-Young方程，可確定其界面張力。每個樣品在3 個顆粒中的每一個上測量接觸角，并對每個顆粒進行3 次測量[14]。

1.3.9 紅外光譜分析

將乳液直接進行凍干，凍干后的樣品置于干燥器中用P2O5充分干燥，取樣品1.5 mg與200 mg溴化鉀研磨混勻后壓片進行紅外光譜測定。在實驗過程中，為了減少水蒸汽的干擾，用干燥的N2持續(xù)注入測量室。測定時波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)64，分辨率4 cm-1，得到的紅外吸收曲線采用“peak fitting”軟件和高斯曲線擬合，分析蛋白在不同均質(zhì)壓力的情況下二級結(jié)構(gòu)含量的變化[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本實驗數(shù)據(jù)均為3 個平行樣的平均值，結(jié)果采用SPSS 22.0分析軟件和Origin 8.0軟件進行處理，采用ANOVA對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 SDS-PAGE分析

圖1 親脂蛋白的凝膠電泳圖Fig. 1 SDS-PAGE analysis of lipophilic protein

本實驗方法所提LP是一組由多種蛋白質(zhì)組合的復(fù)合物，包括11S、7S和脂氧合酶（Lx）的殘余亞基。如圖1所示，34 kDa蛋白質(zhì)最初被認為是大豆油脂蛋白，因為它可以緊密地與油體結(jié)合，但后來被認為位于蛋白質(zhì)儲存液泡中，也同樣屬于LP的一部分。這與Gao Zhiming等[4]的研究結(jié)果一致，證明所提取的LP質(zhì)量良好。但如圖1所示有些條帶出現(xiàn)很明顯的不清晰的情況，這可能是由于LP部分中存在相對含量較高的磷脂，導(dǎo)致相對較差的考馬斯亮藍染色效果，正如Samoto等[16]報道。也正是由于大量磷脂的存在增加了LP的表面活性，為后續(xù)穩(wěn)定乳液的形成提供理論依據(jù)。

2.2 動態(tài)光散射分析

表1 不同均質(zhì)壓力和纖維素質(zhì)量分數(shù)下乳液的動態(tài)光散射Table 1 Particle size and potential of emulsions at different homogenization pressures and cellulose concentrations

表1為不同均質(zhì)壓力和不同HPMC質(zhì)量分數(shù)下所形成乳液的粒徑和電位大小。粒徑越小、越均勻，越有利于乳液的穩(wěn)定；同樣電位的絕對值越大表明乳液穩(wěn)定性越好[17]。LP-HPMC復(fù)合乳液的粒徑與復(fù)合物的特性有關(guān)，經(jīng)不同均質(zhì)壓力處理后的LP-HPMC復(fù)合乳液的體積平均粒徑D4,3的變化趨勢如表1所示，未添加HPMC所形成的乳液的D4,3值大部分分布在300 nm左右，而添加HPMC的乳液隨著HPMC質(zhì)量分數(shù)的改變在不同壓力的均質(zhì)條件下粒徑發(fā)生不同的變化。均質(zhì)壓力的不斷升高，相同HPMC質(zhì)量分數(shù)的情況下粒徑不斷減小，不同均質(zhì)壓力的條件下，纖維素質(zhì)量分數(shù)為0.1%時，粒徑相對其他添加量較小，電位絕對值也最大，證明在HPMC質(zhì)量分數(shù)為0.1%時所形成乳液的穩(wěn)定性是最好的，這與LP-HPMC復(fù)合物的結(jié)合度有直接關(guān)系。并且在均質(zhì)壓力為100 MPa，纖維素質(zhì)量分數(shù)為0.1%時電位絕對值達到最大值40.4 mV，說明此時的乳液達到最穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3 乳化性分析

EAI代表LP-HPMC復(fù)合物形成油-水界面的能力，它結(jié)合了蛋白質(zhì)在水相中的溶解能力以及纖維素能夠強烈吸附在油-水界面形成乳化層的能力；ESI是指乳狀液形成小液滴的穩(wěn)定能力[18]。由圖2可知，在60、100、140 MPa三種情況下，HPMC質(zhì)量分數(shù)在0.1% EAI都表現(xiàn)出最大值，證明纖維素質(zhì)量分數(shù)為0.1%時對于乳液體系最有利，與前面結(jié)論一致。而在60 MPa時，ESI隨纖維素質(zhì)量分數(shù)的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在質(zhì)量分數(shù)為0.1%時呈現(xiàn)忽然的升高趨勢，可能在較低均質(zhì)壓力的情況下，纖維素的添加對乳液穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，反而更容易形成互不相容的兩相，對乳液乳化性起到不利的影響[19]。而達到0.2%時，ESI明顯降低說明纖維素濃度過高也不利于乳液的穩(wěn)定，添加0.1%的HPMC較為合適。100 MPa時，ESI隨著纖維素質(zhì)量分數(shù)0%～0.1%的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，可以推測100 MPa可能是有利于纖維素作用于乳液的最佳均質(zhì)壓力。140 MPa時，ESI與60 MPa時趨勢類似，在纖維素質(zhì)量分數(shù)0.1%時ESI值最高。

圖2 不同均質(zhì)壓力和纖維素質(zhì)量分數(shù)下乳液的ESI和EAIFig. 2 Emulsifying activity and emulsion stability at different homogenization pressures and cellulose concentrations

2.4 乳液的微觀結(jié)構(gòu)分析

超分辨顯微鏡經(jīng)常用于分析乳液微觀結(jié)構(gòu)，能夠直觀地反映出乳液顆粒大小、分散狀況及產(chǎn)生的不穩(wěn)定情況。圖3是不同HPMC質(zhì)量分數(shù)在不同均質(zhì)壓力下形成的乳液的微觀結(jié)構(gòu)。60 MPa均質(zhì)的情況下，乳液液滴粒徑較大且分布不均勻，出現(xiàn)了乳滴聚集，這主要是由于均質(zhì)壓力不夠?qū)е氯橐旱娜榛暂^差，形成的乳滴不均勻，而且單獨的大豆蛋白所形成乳液的界面膜不夠穩(wěn)定，發(fā)生了更為明顯的油滴之間的絮凝或聚集[20]。100 MPa和140 MPa的超分辨圖對比下，可以發(fā)現(xiàn)，100 MPa均質(zhì)壓力下乳液的狀態(tài)最好，粒徑較小且最為均勻，HPMC質(zhì)量分數(shù)為0.1%時乳液最為穩(wěn)定。140 MPa時，部分乳滴較大，同時也存在較小的乳滴分布，這主要是由于LP和HPMC在高壓下發(fā)生分離，沒有較好地復(fù)合，使油滴部分由單獨多糖穩(wěn)定[21]。結(jié)果證明，100 MPa是LP-HPMC乳液形成的最佳均質(zhì)壓力，而最佳HPMC質(zhì)量分數(shù)為0.1%。

圖3 不同均質(zhì)壓力和纖維素質(zhì)量分數(shù)下乳液的超分辨顯微鏡圖Fig. 3 Super-resolution micrographs of emulsions at different homogenization pressures and cellulose concentrations

2.5 貯藏穩(wěn)定性分析

圖4 不同均質(zhì)壓力和纖維素質(zhì)量分數(shù)下乳液的CIFig. 4 Milk chromatography index of emulsions at different homogenization pressures and cellulose concentrations

乳液的乳化是由乳液中各相之間的不同密度引起的，通常是油相和水相[22]。因此，CI提供了關(guān)于乳液中油滴與水相的聚集和分離程度的信息。不同均質(zhì)壓力和不同HPMC質(zhì)量分數(shù)處理條件下形成乳液的CI如圖4所示，對不同乳液35 d的貯藏穩(wěn)定性實驗結(jié)果表明，乳液的分層現(xiàn)象隨時間變化有所不同，其中HPMC質(zhì)量分數(shù)為0.01%的LP-HPMC復(fù)合乳液CI最高，說明乳液的穩(wěn)定性最差，這與之前分析的EAI、ESI得出結(jié)果一致，再次證明較低質(zhì)量分數(shù)HPMC的添加不能很好的與LP結(jié)合，反而會形成互不相容的兩相，不利于乳液的穩(wěn)定。其次是未添加HPMC的LP乳液CI較高，證明單獨的LP也不足以形成較穩(wěn)定的乳液。CI最低的是HPMC質(zhì)量分數(shù)為0.1%的乳液，再次得出結(jié)論，纖維素質(zhì)量分數(shù)為0.1%時最有利于乳液的形成與穩(wěn)定。

2.6 接觸角分析

圖5 不同纖維素質(zhì)量分數(shù)下乳液的接觸角Fig. 5 Contact angle of emulsions at different cellulose concentrations

圖6 不同纖維素質(zhì)量分數(shù)下乳液界面張力Fig. 6 Interfacial tension of emulsions at different cellulose concentrations

接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線，此切線在液體一方，與固-液交界線之間的夾角為θ，是潤濕程度的量度[23]。若θ＜90°，則固體表面是親水性的，即液體較易潤濕固體，其角越小，表示潤濕性越好；若θ＞90°，則固體表面是疏水性的[24]。實驗發(fā)現(xiàn)接觸角的改變主要受纖維素質(zhì)量分數(shù)的影響，與均質(zhì)壓力的改變并無太大關(guān)系，可能是由于親水性纖維素吸附在乳液的表面增加了乳液的親水性。從圖5可以看出，所有乳液都呈親水性，只是親水效果有所差異。在不添加HPMC的情況下，由LP包裹葵花籽油所形成的乳液夾角為67.5°，明顯高于添加HPMC后形成乳液的夾角。另一方面，蛋白乳液的穩(wěn)定性與界面張力和界面壓的大小密切相關(guān)，界面張力越小，界面壓越大，乳狀液越穩(wěn)定。由圖6可見，纖維素質(zhì)量分數(shù)為0.1%時，接觸角低至19.6°，親水性最好。同時，在此條件下界面張力值也是最小的，說明質(zhì)量分數(shù)0.1%時乳液最穩(wěn)定。說明在此濃度下LP與HPMC結(jié)合度最高，HPMC親水性部分吸附在乳液表面，增加了乳液的親水性。

2.7 紅外光譜分析

圖7 不同均質(zhì)壓力下乳液中蛋白的紅外光譜Fig. 7 Infrared spectra of protein in emulsions at different homogenization pressures

表2 不同均質(zhì)壓力下乳液中蛋白的二級結(jié)構(gòu)Table 2 Secondary structures of protein in emulsions at different homogenization pressures

通過紅外光譜表征在不同均質(zhì)壓力下HPMC質(zhì)量分數(shù)為0.1%時乳液中蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的含量（圖7），蛋白質(zhì)紅外光譜的1 600～1 700 cm-1屬于肽鍵吸收范圍，包含了蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象的信息[25]。利用Peak Fit擬合軟件對得到的圖譜進行分析計算，得到不同均質(zhì)壓力處理LP-HPMC乳液中LP的二級結(jié)構(gòu)含量如表2所示。由此可見，隨著均質(zhì)壓力的升高，α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，而β-折疊結(jié)構(gòu)在100 MPa時含量高達40.5%。說明LP經(jīng)高壓均質(zhì)處理后對α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生一定的影響，LP的二級結(jié)構(gòu)被破壞，其柔性結(jié)構(gòu)增加，蛋白質(zhì)分子由有序結(jié)構(gòu)變得無序。LP的α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)是主要由氫鍵維持，高壓均質(zhì)處理后可能破壞了二級結(jié)構(gòu)中的氫鍵作用，使蛋白質(zhì)分子展開，二級結(jié)構(gòu)破壞，蛋白質(zhì)不同程度的改變和伸展，可能會影響LP與其他物質(zhì)的結(jié)合程度[26]，這與前面得出的結(jié)論，均質(zhì)壓力在100 MPa時乳液最穩(wěn)定相一致。

3 結(jié) 論

經(jīng)100 MPa高壓均質(zhì)處理的LP-HPMC復(fù)合物所形成乳液粒徑均勻穩(wěn)定，乳滴的形狀規(guī)則，表現(xiàn)較好的EAI和ESI。同時，高壓均質(zhì)改變了LP二級結(jié)構(gòu)，從而使乳化能力得以提高，100 MPa時β-折疊結(jié)構(gòu)含量最高，LP構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時LP無序構(gòu)象的組成、柔性結(jié)構(gòu)的展開影響蛋白質(zhì)整體構(gòu)象的柔韌性[27]，使其更易與HPMC形成功能特性較好的復(fù)合物，增加乳液穩(wěn)定性；超過或者低于100 MPa都會對乳液穩(wěn)定性造成不利的影響。HPMC質(zhì)量分數(shù)也同樣對乳液產(chǎn)生一定的影響，質(zhì)量分數(shù)為0.1%時，乳液的ESI和親水性最好，由超分辨顯微鏡觀察到的乳液形貌也最為穩(wěn)定。因此，本實驗發(fā)現(xiàn)在HPMC質(zhì)量分數(shù)為0.1%，均質(zhì)壓力100 MPa的條件下所形成的乳液最穩(wěn)定。