水溶性硅素對(duì)大鯢皮明膠理化性質(zhì)及乳化活性的影響

金文剛，呂浩，趙萍

1(陜西理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中，723001)2(陜西理工大學(xué),大鯢研究所，陜西 漢中，723001)

大鯢(Andriasdavidiauns)，俗稱“娃娃魚”，是世界上現(xiàn)存最大的兩棲動(dòng)物，素有“活化石”之稱[1-2]。目前，大鯢人工養(yǎng)殖已在陜西漢中、湖南張家界、河南洛陽、貴州、四川、重慶等地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，大鯢分割及深加工產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然要求[3-7]。大鯢全身是寶，其皮膚、皮膚分泌物、肌肉、骨骼含有很多生物活性物質(zhì)，具有較高的營養(yǎng)和藥用價(jià)值[8-10]。

明膠是一種通過膠原蛋白熱變性、部分水解獲得的高分子質(zhì)量水溶性蛋白，被廣泛應(yīng)用于改善食品結(jié)構(gòu)、提高食品保水性和穩(wěn)定性[11-12]。近年來，有關(guān)明膠改性的研究較多，如通過向明膠溶液引入多酚類物質(zhì)[13]、糖醇類物質(zhì)[14]以及通過糖基化、磷酸化等手段[15-16]，可以獲得特定性能的明膠衍生產(chǎn)物。大鯢皮膚厚實(shí)，膠質(zhì)含量豐富，是膠原蛋白及明膠的潛在來源之一。前期研究表明[17-18]，大鯢皮明膠性能介于哺乳動(dòng)物明膠和魚皮明膠，具有較好的界面性質(zhì)，然而改性處理可提升明膠部分功能特性，進(jìn)而拓展其在工業(yè)中的應(yīng)用范圍[13-14]。

硅是維系人類健康重要的微量元素之一，甚至關(guān)系到人類起源和進(jìn)化。水晶石經(jīng)過1 700 ℃高溫煅燒、濃縮抽提后，可獲得水溶性硅素[19]。水溶性硅素在食品、化妝品領(lǐng)域已成為風(fēng)靡東南亞的一款特殊功能產(chǎn)品，由于具有較強(qiáng)的滲透性、乳化性、抗氧化性和抗菌性能，硅素聚合物表面活性劑的研究越來越多[19-20]。研究表明，硅素在體內(nèi)可與膠原蛋白發(fā)生作用，促進(jìn)再生和穩(wěn)定性，對(duì)于骨骼、皮膚發(fā)育具有重要影響[21-22]。然而，有關(guān)體外硅素與膠原蛋白、明膠之間的相互作用及其功能性質(zhì)研究，尚未見相關(guān)報(bào)道?；诖?，本研究向6.67%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大鯢皮明膠溶液中，加入不同比例食品級(jí)硅素，探究含不同硅素的大鯢皮明膠pH值、色澤、凝膠強(qiáng)度、流變性、紅外光譜以及乳化活性的變化，為明膠-硅素功能性復(fù)合液相關(guān)應(yīng)用開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)材料：大鯢皮明膠根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)室提取流程制備[13]，冷凍干燥成粉末(粗蛋白含量 89%，Bloom 值216 g)，-20 ℃低溫貯藏。

主要試劑：Umoplus食品級(jí)硅素濃縮液(含硅素9 000 mg/L)，日本大阪株式會(huì)社；十二烷基磺酸鈉和KBr，生工生物工程(上海)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MCR302型高級(jí)流變儀,奧地利安東帕公司；pHS-3C型精密pH計(jì),上海雷磁儀器廠；NR145精密色差計(jì) 深圳三恩時(shí)科技有限公司；FA320413型電子天平，上海精科天美科學(xué)儀器有限公司；LGJ-10B型冷凍干燥機(jī)，北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；CT3型質(zhì)構(gòu)儀,美國Brookfield公司；Avatar 360紅外光譜儀，美國尼高力公司；Evolution 201型紫外可見分光光度計(jì),美國Thermo公司。

1.3 方法

1.3.1 含硅素的大鯢皮明膠復(fù)合液制備

精確吸取5 mL Umoplus 硅素濃縮液，稀釋100倍備用(按照使用說明)。精確稱取大鯢皮明膠，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.67%的標(biāo)準(zhǔn)明膠溶液[12,14]，置于50 ℃恒溫磁力攪拌水浴鍋攪拌至完全溶解。將硅素稀釋溶液分別加入至大鯢皮明膠溶液中，繼續(xù)攪拌至體系完全混合均勻，制備得到含硅素稀釋液分別為0%(對(duì)照)、10%、30%和50%的大鯢皮明膠-硅素復(fù)合液，50 ℃恒溫磁力攪拌1 h，得到如圖1所示各組復(fù)合液。

圖1 不同硅素比例的大鯢皮明膠復(fù)合液外觀照片F(xiàn)ig.1 Photo of giant salamander skin gelatin incorporated with different level of silicon

1.3.2 復(fù)合液pH測(cè)定

各組樣品pH值采用精密 pH 計(jì)測(cè)定，使用前經(jīng)過兩點(diǎn)校正后分別讀取，每個(gè)樣品平行測(cè)量 3 次，取平均值。

1.3.3 復(fù)合液色差測(cè)定

1.3.4 復(fù)合液凝膠強(qiáng)度測(cè)定

利用CT3質(zhì)構(gòu)儀壓縮模式，測(cè)定各組樣品的凝膠強(qiáng)度[13]。分別取各組樣品液15 mL，置于20 mL小玻璃瓶，4 ℃冷藏過夜。參數(shù)設(shè)置如下：選用TA5探頭，壓縮距離10 mm，觸發(fā)點(diǎn)負(fù)載5.0 g，測(cè)試前速度1.0 mm/s，測(cè)試后速度1.0 mm/s，數(shù)據(jù)頻率10個(gè)/s。凝膠強(qiáng)度定義為探頭壓縮至目標(biāo)距離的最大負(fù)載,g[13]。每組樣品平行測(cè)定3次，取平均值。

1.3.5 復(fù)合液流變性測(cè)定

樣品液流變學(xué)特性采用MCR302高級(jí)流變儀測(cè)定。儀器開機(jī)后，經(jīng)初始化，選取直徑40 mm錐板(2°)，取適量樣品液置于樣品臺(tái)上，設(shè)置測(cè)試溫度為25 ℃，在剪切速率范圍0～100 s-1進(jìn)行表觀黏度測(cè)試。然后，在0.1～10 Hz頻率下進(jìn)行頻率掃描，測(cè)定儲(chǔ)能模量和損耗模量的變化。

1.3.6 復(fù)合液紅外光譜測(cè)定

參考實(shí)驗(yàn)室前期方法[13]，將各組樣品液冷凍干燥后，稱取少量樣品和 100 mg KBr 顆?；旌涎心?、壓片。采用紅外光譜儀對(duì)凍干的各組樣品進(jìn)行紅外光譜掃描，掃描范圍為 4 000～400 cm-1掃描 32 次。

1.3.7 復(fù)合液乳化活性測(cè)定

采用乳化活性指數(shù)(emulsifying activity index，EAI)和乳化穩(wěn)定性指數(shù)(emulsifying stability index,ESI)為指標(biāo)，評(píng)價(jià)各組樣品液的乳化活性，具體實(shí)驗(yàn)方法和EAI和ESI計(jì)算公式參考實(shí)驗(yàn)室前期文獻(xiàn)[17-18]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n≥3)表示，t檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析。數(shù)據(jù)圖采用OriginPro 8.5進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅素比例對(duì)明膠溶液色差的影響

隨著硅素比例的增加，復(fù)合溶液色澤逐漸變?yōu)榈榘咨?。利用校正的精密色差?jì)對(duì)各組復(fù)合溶的亮度值L*，紅度值a*和黃度值b*進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，硅素添加量對(duì)明膠復(fù)合溶液色差值有一定的影響。大鯢皮明膠溶液中引入硅素后，L*值顯著上升(P<0.05)，a*值和b*值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是僅50%硅素的大鯢皮明膠組差異顯著(P<0.05)。在茶多酚改性大鯢明膠的過程中，也導(dǎo)致了色差值發(fā)生變化[13]，本研究中可能是由于硅素溶液自身色澤以及硅素與明膠相互作用造成，這與外觀照片結(jié)果基本一致。

2.2 硅素比例對(duì)明膠溶液pH值的影響

向6.67%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大鯢皮明膠溶液中，加入不同比例的硅素溶液，復(fù)合溶液的pH值變化結(jié)果如圖2所示。

圖2 硅素比例對(duì)大鯢皮明膠溶液pH的影響Fig.2 Influence of silicon level on pH of giant salamander skin gelatin solution注：不同小寫字母代表各組間存在顯著差異(P<0.05)

由圖2可知，硅素對(duì)大鯢明膠溶液pH有一定影響。本試驗(yàn)配制的6.67%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大鯢皮明膠溶液pH值為5.86，為弱酸性溶液。加入不同比例的硅素溶液后，大鯢皮明膠溶液的pH值呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。添加10%、30%和50%(體積分?jǐn)?shù))硅素后，大鯢皮明膠溶液pH值分別為6.13，6.38和6.76。與未加硅素對(duì)照組(0%)相比，pH分別升高了4.61%，8.87%和15.36%(P<0.05)。究其原因可能是由于硅素溶液呈現(xiàn)弱酸性[20]，隨著添加比例的增加導(dǎo)致大鯢皮明膠溶液pH值升高。

表1 硅素比例對(duì)明膠復(fù)合液色差的影響Table 1 Color of composite liquids with different levels of silicon

2.3 硅素比例對(duì)明膠溶液凝膠強(qiáng)度的影響

向6.67%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大鯢皮明膠溶液中，加入不同比例的硅素溶液后，利用質(zhì)構(gòu)儀獲得了復(fù)合溶液的圧縮曲線以及凝膠強(qiáng)度的變化，結(jié)果如圖3所示。

①-硅素比例0%，凝膠強(qiáng)度(142.70±12.10) g；②-硅素比例10%，凝膠強(qiáng)度(70.16±4.2) g；③-硅素比例30%，凝膠強(qiáng)度(37.85±2.31) g；④-硅素比例50%，凝膠強(qiáng)度(13.90±3.47) g圖3 硅素比例對(duì)大鯢皮明膠凝膠性質(zhì)的影響Fig.3 Influence of silicon level on the gel properties of giant salamander skin gelatin solution

由圖3的壓縮負(fù)載-時(shí)間曲線可看出，硅素對(duì)大鯢皮明膠凝膠性質(zhì)有較大的影響。隨著探頭壓縮的推進(jìn)，負(fù)載逐漸增大直至凝膠破裂，將壓縮過程中正向最大負(fù)載定義為凝膠強(qiáng)度。由圖3可看出，6.67%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大鯢皮明膠凝膠強(qiáng)度為142.70 g。加入10%、30%、50%不同比例(體積分?jǐn)?shù))硅素后，大鯢皮明膠凝膠強(qiáng)度分別下降了55.78%、74.25%和90.57%(P<0.05)。這可能是由于硅素的滲透及其與明膠功能基團(tuán)發(fā)生相互作用，破壞了凝膠網(wǎng)絡(luò)所致[20]。

2.4 硅素比例對(duì)明膠溶液流變性的影響

向6.67%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大鯢皮明膠溶液中，加入不同比例的硅素溶液后，利用流變儀研究了復(fù)合溶液的剪切流動(dòng)性質(zhì)、儲(chǔ)能模量和損耗模量的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

A-表觀黏度; B-儲(chǔ)能模量; C-損耗模量圖4 硅素比例對(duì)大鯢皮明膠流變性的影響Fig.4 Influence of silicon level on the rheological properties of giant salamander skin gelatin

由圖4-A可知，隨著剪切速率從0.1 s-1增加到100 s-1，以及隨著硅素添加比例的增加，復(fù)合液表觀黏度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，說明硅素的引入導(dǎo)致復(fù)合液流動(dòng)性增強(qiáng)。各組復(fù)合液均呈現(xiàn)出了非牛頓流體的剪切稀變現(xiàn)象，是由于復(fù)合液中分子間的內(nèi)摩擦力隨著剪切速率的增加而減少所致[23-24]。圖4-B和4-C動(dòng)態(tài)流變頻率掃描結(jié)果顯示，大鯢皮明膠溶液引入不同比例硅素，對(duì)復(fù)合液儲(chǔ)能模量和損耗模量產(chǎn)生了較大影響，各組復(fù)合液整體呈現(xiàn)出儲(chǔ)能模量大于損耗模量。通常儲(chǔ)能模量占主導(dǎo)時(shí)，說明聚合物呈現(xiàn)出一定類似固體的彈性行為，其流動(dòng)性相對(duì)較弱，屬于弱凝膠[24-25]。由圖4-B和4-C可看出，隨著向大鯢皮明膠溶液加入10%和30%硅素(體積分?jǐn)?shù))，復(fù)合液儲(chǔ)能模量和損耗模量明顯高于未添加組(0%)，而加入50%硅素后，儲(chǔ)能模量和損耗模量明顯低于未添加組和10%和30%復(fù)合液組。這說明加入10%和30%的硅素改善了大鯢皮明膠水凝膠的黏彈性質(zhì)，而加入50%硅素會(huì)破壞大鯢皮明膠復(fù)合液水凝膠的黏彈性質(zhì)。

2.5 硅素比例對(duì)明膠溶液紅外光譜特征的影響

圖5 硅素比例(體積分?jǐn)?shù))對(duì)大鯢皮明膠紅外光譜的影響Fig.5 Influence of silicon level on infrared spectra of giant salamander skin gelatin

表2 復(fù)合液紅外光譜特征吸收峰波數(shù)Table 2 Wavenumber of the complex liquids

2.6 硅素比例對(duì)明膠溶液乳化活性的影響

以乳化活性指數(shù)和乳化穩(wěn)定性指數(shù)為指標(biāo)，對(duì)含不同比例硅素的大鯢皮明膠溶液的乳化性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，大鯢皮明膠溶液(含硅素0%)的EAI和ESI分別為(11.06±0.22) m2/g和(66.05±3.11) min。當(dāng)添加不同比例硅素后，大鯢皮明膠復(fù)合液的EAI和ESI值明顯增加(P<0.05)，且存在劑量-效應(yīng)依賴關(guān)系。與未加硅素組相比，加入10%、30%和50%(體積分?jǐn)?shù))硅素的大鯢皮明膠復(fù)合液EAI值分別提高了22.15%、49.28%和127.85%；ESI值分別提高了18.76%、62.65%和109.95%。本研究通過向大鯢皮明膠中引入不同比例硅素，復(fù)合液的EAI和ESI值都分別得到明顯提高(P<0.05)，這說明二者結(jié)合可能發(fā)揮了一定的協(xié)同表面活性。究其原因，一方面是水產(chǎn)明膠作為一種生物分子聚合物具有較好的界面性質(zhì)，表現(xiàn)出一定天然乳化劑的應(yīng)用潛力[17,26-27]；另一方面是水溶性硅素本身也具有較強(qiáng)表面活性[19]，引入到大鯢明膠溶液后致使復(fù)合液的乳化活性指數(shù)和乳化穩(wěn)定性得到了明顯提高。

A-乳化活性指數(shù)；B-乳化穩(wěn)定指數(shù)圖6 硅素添加量對(duì)大鯢皮明膠乳化活性的影響Fig.6 Influence of silicon level on the emulsifying properties of giant salamander skin gelatin注：柱上方不同小寫字母代表組間存在顯著差異(P<0.05)

3 結(jié)論

添加不同比例硅素后，大鯢皮明膠溶液L*值和pH值顯著升高(P<0.05)，而凝膠強(qiáng)度顯著下降(P<0.05)。流變性分析表明，與未添加硅素相比，低劑量的硅素(10%～30%，體積分?jǐn)?shù))能提高大鯢皮明膠的儲(chǔ)能模量和損耗模量，顯示出較好的黏彈性質(zhì)；而高劑量硅素會(huì)破壞大鯢皮明膠黏彈性質(zhì)。引入不同比例硅素后大鯢皮明膠紅外光譜酰胺A帶、II帶向低波數(shù)方向移動(dòng)，而I帶和 III帶向高波數(shù)方向偏移，可能是硅素與明膠氨基酸側(cè)鏈的氫鍵作用變化引起。大鯢皮明膠溶液加入不同比例硅素后，乳化活性指數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)得到顯著提高(P<0.05)。因此，大鯢皮明膠引入低劑量硅素后，復(fù)合液具有較好的理化性質(zhì)和乳化活性，可作為功能性表面活性劑用于食品乳液中。