張漫莉,王 強(qiáng),陳炳宇,劉紅芝
(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)
以多糖結(jié)構(gòu)、功能和藥用價(jià)值為核心的糖工程被認(rèn)為是繼蛋白工程、基因工程后生物化學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域中最后一個(gè)巨大的科學(xué)前沿。多糖具有優(yōu)良的理化性質(zhì)和廣泛的藥理作用,在食品、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊前景[1]。多糖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)象是其重要的結(jié)構(gòu)特征,與其理化性質(zhì)和生物活性密切相關(guān),如分支度為0.4的香菇多糖具有三股螺旋結(jié)構(gòu),在水溶性方面更具優(yōu)勢(shì),而線性連接的凝乳聚糖在室溫下幾乎不溶于水[2]。天然多糖主要具有親水性,僅少數(shù)天然多糖在油-水界面具有表面活性,適合作為乳化劑[3]。各國(guó)學(xué)者采用物理、化學(xué)和生物方法修飾多糖以改善其乳化性,研究其構(gòu)效關(guān)系。本文對(duì)多糖的乳化性改善方法、構(gòu)效關(guān)系及在食品中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述,旨在為提高多糖乳化性、擴(kuò)大應(yīng)用范圍提供理論參考。
目前,多糖的乳化性改善有物理、化學(xué)和生物方法:物理方法包括輻照和熱處理等;化學(xué)方法包括乙?;?、硫酸化修飾、與蛋白相互作用等;生物方法包括酶解修飾。
物理方法是通過(guò)機(jī)械力或其他作用破壞多糖分子內(nèi)的糖苷鍵,降低其分子質(zhì)量[4]。目前,改善多糖乳化性常采用的物理方法是熱處理法和輻照法。熱處理時(shí),較高溫度會(huì)破壞糖苷鍵,并在一定程度上降解聚合物,使得乳液粒徑降低、乳化性提高,但側(cè)鏈共價(jià)結(jié)合蛋白質(zhì)的果膠類多糖經(jīng)熱處理會(huì)發(fā)生分子聚集,暴露出更多疏水基團(tuán),從而改善其乳化性[5];輻照處理可使多糖鏈發(fā)生降解,暴露出更多的親水基團(tuán)和疏水基團(tuán),有利于多糖在油-水界面的伸展,從而改善乳化性。
王珍[6]采用常壓蒸制、高壓蒸制、微波和炒制4 種方式處理燕麥可溶性膳食纖維,發(fā)現(xiàn)不同熱處理均可使乳液的黏度增加,乳化性有一定程度的提高,其中高壓蒸制的乳化穩(wěn)定性最高可達(dá)65.4%,炒制的乳化穩(wěn)定性最高可達(dá)88.7%。
Khan等[7]將酵母β-葡聚糖樣品裝于兩層的聚乙烯袋中,使用60Co γ射線,以2.0 kGy/h的劑量率照射,發(fā)現(xiàn)劑量的增加可使其乳化活性由66.2%增加至79.2%,乳化穩(wěn)定性由95.2%增加至99.3%。Hamdani等[8]在20 ℃使用60Co γ射線以2.5 kGy和5.0 kGy的輻照劑量、80 Gy/min劑量率分別處理阿拉伯膠、刺梧桐膠、杏膠,發(fā)現(xiàn)阿拉伯膠與刺梧桐膠乳化性隨輻照劑量的增加而增強(qiáng),但杏膠并無(wú)顯著性變化,這可能與糖苷鍵斷裂處疏水基團(tuán)與親水基團(tuán)的暴露有關(guān)。
物理方法工藝簡(jiǎn)單,所使用的試劑相對(duì)較少,不需要后續(xù)步驟去除所添加的試劑,對(duì)環(huán)境友好;但設(shè)備成本高,對(duì)乳化性的改善效果有待進(jìn)一步提升,且控制較麻煩,處理時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),可能伴隨副產(chǎn)品的產(chǎn)生,需要進(jìn)一步分離純化。
乙?;⒘蛩峄?、辛烯基琥珀酸修飾、與蛋白質(zhì)相互作用等化學(xué)方法均可改善多糖的乳化性?;瘜W(xué)修飾通過(guò)將乙酸酐、硫酸、辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride,OSA)等基團(tuán)引入到多糖羥基上,改變多糖親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)的數(shù)量和比例,其中親水基團(tuán)向水相伸展,疏水基團(tuán)向油相伸展,使界面張力降低;此外,經(jīng)修飾后多糖的空間位阻增加,且乳液粒徑也會(huì)降低,乳化性改善。多糖與蛋白相互作用一方面使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)得到舒展,可吸附于油-水界面,降低表面張力;另一方面可形成靜電屏障,阻礙乳化液滴的聚集[9]。
1.2.1 乙?;揎?/p>
乙酰化是改善多糖乳化性的有效方法之一,隨著多糖含量的增加,乳液的平均粒徑降低程度越大,乳化性越好[10]。目前,已有利用乙?;揎椙噍锒嗵呛凸z等多糖改善其乳化性的研究。Li Junjun等[3]將青蒿多糖溶于含體積分?jǐn)?shù)10.0%吡啶的甲酰胺中,分別將青蒿多糖與醋酸酐以1∶8、2∶8、4∶8和6∶8(m/V)混合,室溫下反應(yīng)12 h,經(jīng)過(guò)透析和凍干得到乙?;a(chǎn)物。該產(chǎn)物可降低表面張力、減小液滴尺寸、提高乳化性,但乙酰基對(duì)不同比例產(chǎn)物的乳化性貢獻(xiàn)程度有所不同。Schmidt等[11]將果膠溶液與醋酸酐在pH 8.0、5 ℃條件反應(yīng)10 min后調(diào)節(jié)pH值至3.0終止反應(yīng),經(jīng)醇沉、過(guò)濾、烘干后得到乙?;z,其乳化性得到改善,并隨取代度的增加先不變后增強(qiáng)。
1.2.2 硫酸化修飾
錢亞楠[12]將纖維素與硫酸以1∶20(m/V)混合,45 ℃攪拌10 min后冰水浴結(jié)束反應(yīng),沉淀經(jīng)洗滌和離心后得到膠體,透析除酸,隨后在50 kHz、300 W條件下超聲處理15 min,制得納米晶體,并研究了硫酸基團(tuán)含量對(duì)納米晶體乳化性的影響,發(fā)現(xiàn)硫酸基團(tuán)含量高,乳液的粒徑更小、黏度更高,其乳化能力更強(qiáng)。
1.2.3 辛烯基琥珀酸酐酯化修飾
多糖通過(guò)OSA修飾引入疏水基,改變表面活性,可提高乳化性[13]。劉嘉[14]將OSA與燕麥β-葡聚糖混合,于45 ℃反應(yīng)5 h制備辛烯基琥珀酸葡聚糖酯,此多糖表面活性劑具有良好的乳化和穩(wěn)定性。王慧[15]將短鏈葡聚糖糊化后,調(diào)節(jié)pH值至8.5,使短鏈葡聚糖與OSA反應(yīng)形成辛烯基琥珀酸短鏈葡聚糖聚合物,其粒徑隨取代度增加而減小。李蓉[16]對(duì)酶解超支化葡聚糖的產(chǎn)物進(jìn)行OSA修飾,將質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.0%葡聚糖在35 ℃、pH 8.5條件下處理8 h,得到酯化葡聚糖,其乳化性隨反應(yīng)程度增加而增強(qiáng),且比酯化蠟質(zhì)玉米淀粉乳化性更好。劉倩茹等[17]配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.0%的大豆可溶性多糖(soybean soluble polysaccharides,SSPS)溶液,在40 ℃、pH 8.5條件下與OSA反應(yīng)35 min后得到OSA-SSPS,研究發(fā)現(xiàn),改性修飾后得到的OSA-SSPS因具有兩親性基團(tuán)而體現(xiàn)優(yōu)良的乳化性,且乳液的穩(wěn)定性較好。
1.2.4 多糖與蛋白相互作用
蛋白質(zhì)和多糖都可以作為乳化劑應(yīng)用到食品中,但效果并不理想,而多糖和蛋白質(zhì)共聚物應(yīng)用于穩(wěn)定乳液時(shí)[18],其穩(wěn)定效果由多糖與蛋白質(zhì)自身性質(zhì)和相互作用性質(zhì)決定。蛋白質(zhì)具有兩親性,可以在乳液界面存在,而多糖的親水基可以延伸到水相,液滴的聚集由于空間排斥的增加而受到阻礙[19]。李果[20]分別將殼聚糖與牛血清白蛋白溶解并在室溫下攪拌2 h,隨后比較了不同條件下多糖-蛋白復(fù)合物的乳化性能。研究發(fā)現(xiàn),乳液的粒徑隨蛋白含量增加而減??;其中蛋白與多糖體積比為8∶1~1∶1、pH 3.0或pH 4.0時(shí),所制備的乳液穩(wěn)定性最好。
多糖與蛋白質(zhì)共軛物在穩(wěn)定油包水乳液中具有重要作用,多糖通過(guò)水相的增稠和凝膠行為賦予膠體穩(wěn)定性,蛋白質(zhì)可以在油-水界面吸附并形成黏彈層[21]。研究表明,多糖-蛋白共軛物的乳化性優(yōu)于它們的混合物[22-23]。共軛物表面活性更高,可在更低的濃度下實(shí)現(xiàn)界面層飽和,且在不利條件下(高溫、低pH值),多糖在乳液液滴表面產(chǎn)生的空間斥力可防止蛋白質(zhì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[24]。Zhong Lei等[25]將燕麥分離蛋白與平菇β-葡聚糖以質(zhì)量比1∶2在60 ℃、75.0%相對(duì)濕度條件下制備復(fù)合物,β-葡聚糖能在乳液表面形成空間排斥作用,促進(jìn)液滴周圍形成穩(wěn)定的膜,提高復(fù)合物的乳化活性。Sun Tao等[26]將燕麥β-葡聚糖溶解于蒸餾水中,分別加入谷氨酰胺、二肽、谷胱甘肽,在80 ℃回流反應(yīng)40 h得到共軛物。燕麥β-葡聚糖由于引入疏水基團(tuán),乳化性得到改善,但三者乳化性有所不同,從大到小依次為β-葡聚糖-二肽共軛物>β-葡聚糖-谷氨酰胺共軛物>β-葡聚糖-谷胱甘肽共軛物;Chen Weijun等[27]用干熱法制備了乳清分離蛋白-阿拉伯膠復(fù)合物,其乳化性優(yōu)于蛋白質(zhì)和混合物。
化學(xué)方法引入其他基團(tuán)可顯著改善多糖的乳化性,其中,多糖與蛋白質(zhì)反應(yīng)制備共軛物來(lái)穩(wěn)定乳液被廣泛研究;但化學(xué)方法也存在化學(xué)試劑的毒性、包裹物質(zhì)時(shí)可能影響物質(zhì)的完整性、反應(yīng)進(jìn)程控制較難、對(duì)環(huán)境有一定的破壞等缺點(diǎn)。
生物方法通常通過(guò)酶作用于多糖,常用的酶分為水解酶和氧化酶兩類;水解酶可水解多糖物質(zhì),降低其分子質(zhì)量和乳液的界面張力;氧化酶可以使多糖分子產(chǎn)生鏈交聯(lián),使乳液黏度和空間位阻增加,乳化穩(wěn)定性得到改善。
李俊俊[28]采用多糖酶水解沙蒿多糖,水解后多糖可降低乳液的界面張力和Zeta-電位,有利于乳化進(jìn)行,但當(dāng)?shù)鞍酌杆夂?,其乳化性降低明顯。Chen Haiming等[29]使用α-1,4-聚半乳糖醛酸酶、β-1,5-阿拉伯糖酶、α-1,4-半乳糖酶、阿魏酰酯酶等水解甜菜果膠,探討甜菜果膠中成分對(duì)乳化性的影響,研究發(fā)現(xiàn),甜菜果膠中含有的阿魏酸和蛋白質(zhì)可吸附于液滴的表面,降低表面張力;阿拉伯糖和半乳糖側(cè)鏈可將蛋白與阿魏酸與主鏈連接;而半乳糖醛酸、甲基和乙酰基在乳液穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用,半乳糖醛酸主鏈與中性糖側(cè)鏈可形成界面膜阻止液滴的聚集和融合,甲基和乙?;捎绊懄?D-半乳糖醛酸向鈣離子的移動(dòng)。Zhang Lu等[30]將果膠與H2O2及辣根過(guò)氧化物酶進(jìn)行混合,于pH 6.5反應(yīng)6 min后終止反應(yīng),并研究經(jīng)過(guò)酶修飾后產(chǎn)物乳化性能的變化。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)酶修飾,果膠中發(fā)生鏈交聯(lián),分子質(zhì)量和乳液黏度增加,其乳化穩(wěn)定性得到改善。
生物方法具有反應(yīng)條件溫和、高選擇性和專一性等特點(diǎn),但其產(chǎn)率較低,且水解過(guò)程可能存在多個(gè)產(chǎn)物,需要進(jìn)一步分離目標(biāo)產(chǎn)物與不同產(chǎn)物。
分子質(zhì)量的大小與多糖來(lái)源、處理方式和結(jié)構(gòu)有關(guān),但多糖乳化性與分子質(zhì)量的關(guān)系尚未明確,多糖分子質(zhì)量的變化與溶液的黏度、界面活性和親疏水基團(tuán)有關(guān),乳化性隨溶液黏度的增加而改善,但黏度并不是影響乳化性的主要因素[31-32]。經(jīng)過(guò)輻照、熱處理和水解酶處理,多糖的分子質(zhì)量可由100 kDa以上降低至20~60 kDa[33-36],可使多糖溶液的黏度增加,乳化效果更好;而氧化酶處理可以使多糖的分子質(zhì)量先增大后減小,采用辣根過(guò)氧化物酶處理果膠時(shí),分子質(zhì)量最大可達(dá)1.86×106Da,之后由于溶解性的降低分子質(zhì)量迅速減小[30]。分子質(zhì)量增加可使多糖的空間位阻增加,阻止液滴的聚集和絮凝,乳化性得到改善[37]。而化學(xué)修飾對(duì)分子質(zhì)量的影響分為兩部分,當(dāng)烷基鏈較短、取代度較低時(shí),多糖降解起主要作用,分子質(zhì)量減??;當(dāng)烷基鏈較長(zhǎng)、取代度較高時(shí),分子質(zhì)量隨取代度增加而增大,取代度增加,多糖的疏水性增加,其乳液粒徑會(huì)有所減小,乳化性改善[38]。乙?;揎椆z時(shí)其分子質(zhì)量隨取代度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),黏度隨取代度的增加呈先降低后增加的趨勢(shì),乳化性均得到改善,乙酰化可改善多糖的疏水性;因此,取代度增加乳化性更好[3]。在多糖-蛋白復(fù)合物中,多糖的分子質(zhì)量大于10.0 kDa才能有效地改善乳化性[39]。
溶液構(gòu)象是多糖結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,多糖分子鏈具有鏈構(gòu)象,其形態(tài)特征包括多糖構(gòu)象和分子鏈的柔韌性[40]。多糖的構(gòu)象與其來(lái)源、鍵合方式、氫鍵、糖殘基、支化度和靜電斥力等因素有關(guān)[38];其中,氫鍵等分子間和分子內(nèi)相互作用力在多糖的構(gòu)象中起決定性的作用,多糖已知的構(gòu)象有單螺旋、雙螺旋、三股螺旋、無(wú)規(guī)卷曲、團(tuán)聚體、棒狀、蠕蟲狀等[41]。
多糖的降解、修飾均可對(duì)多糖的構(gòu)象產(chǎn)生影響,構(gòu)象的變化影響親疏水基團(tuán)的存在狀態(tài)、電荷變化影響多糖的乳化性[8],但多糖乳化性的構(gòu)效關(guān)系尚不明確[42]。研究發(fā)現(xiàn),蠕蟲狀鏈較球狀鏈具有更多的電荷,能夠產(chǎn)生更大的空間位阻和斥力,具有更好的乳化性[43]。在比較不同提取方法制備的大豆種皮多糖乳化性時(shí)發(fā)現(xiàn),球狀體結(jié)構(gòu)的乳化性優(yōu)于鏈狀結(jié)構(gòu)[44],這與其粒徑、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的致密程度、空間位阻、黏度等因素有關(guān)。多糖接枝反應(yīng)能夠改變四級(jí)結(jié)構(gòu)的柔順性,從而影響乳化性。輻照處理時(shí),隨劑量增加,多糖鏈的降解主要發(fā)生在支鏈,多糖由于其取代基龐大,無(wú)螺旋結(jié)構(gòu)在降解后轉(zhuǎn)為螺旋結(jié)構(gòu),分子質(zhì)量更小的多糖形成隨機(jī)螺旋構(gòu)象,黏度隨之增加,乳化性改善[45]。乙酰化程度和產(chǎn)物旋轉(zhuǎn)半徑增加,構(gòu)象變得更加緊密,乳液粒徑和表面張力降低,黏度增加,乳化性提高[3]。在修飾果膠時(shí)發(fā)現(xiàn),烷基鏈和取代度較低時(shí)能夠形成隨機(jī)螺旋結(jié)構(gòu),取代度和鏈長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)呈球形構(gòu)象[38]。但李俊俊[28]研究發(fā)現(xiàn)分子構(gòu)象對(duì)沙蒿多糖的乳化性影響不大。綜上,不同修飾方法對(duì)多糖構(gòu)象的影響見(jiàn)表1。
表1 不同修飾方法對(duì)多糖構(gòu)象的影響Table 1 Effects of modification methods on the conformation of polysaccharides
基于修飾后多糖乳化性得到顯著改善,可將其應(yīng)用到飲料、焙烤食品、肉制品和果醬中,增加產(chǎn)品的黏度和穩(wěn)定性,改善產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu),提高食品的品質(zhì)。
多糖與OSA發(fā)生酯化反應(yīng)后,二者的結(jié)合物具有良好的乳化性,劉倩茹[55]分別將OSA-SSPS、SSPS與脫脂奶粉在水中混合并調(diào)pH值至3.6~4.6,經(jīng)均質(zhì)處理得到酸性蛋白飲料。其中,經(jīng)OSA-SSPS穩(wěn)定的飲料液滴分布均勻,穩(wěn)定性更好。趙如霞[56]將制備的OSA-SSPS進(jìn)行分級(jí)處理得到多糖、低分子質(zhì)量OSA-SSPS和高分子質(zhì)量OSA-SSPS,比較SSPS和高分子質(zhì)量OSA-SSPS對(duì)酸性蛋白飲料的穩(wěn)定效果,結(jié)果表明高分子質(zhì)量OSA-SSPS可形成更大的空間位阻與靜電斥力,抑制蛋白的聚集,提高酸性蛋白飲料的穩(wěn)定性。
王曉艷等[57]比較了預(yù)糊化淀粉、羥丙基二淀粉磷酸酯和乙酰化二淀粉磷酸酯對(duì)面包質(zhì)構(gòu)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有面包比容均增加,外形更加蓬松,且修飾后的淀粉也可降低冷凍對(duì)面包的影響。邢明[58]將燕麥淀粉水解后得到不同葡萄糖當(dāng)量的淀粉用來(lái)制備重油蛋糕,所制備的低脂蛋糕與傳統(tǒng)蛋糕相比,質(zhì)量損失增加,比容和硬度降低,持水能力、黏附性和彈性增加,咀嚼性和回復(fù)性得到改善。
Liu Rui等[59]比較了水解前后燕麥β-葡聚糖對(duì)低脂肉丸品質(zhì)的影響,添加相對(duì)含量0.6%水解后的燕麥β-葡聚糖的肉丸質(zhì)地更加光滑,硬度降低,保水能力增加,質(zhì)構(gòu)得到改善。辛烯基琥珀酸淀粉酯可用于雞肉灌腸中,且不同來(lái)源的淀粉也有一定區(qū)別,早秈米變性淀粉形成的灌腸制品結(jié)構(gòu)更加緊密,咀嚼性、黏聚性和彈性要優(yōu)于木薯淀粉制作的灌腸制品[60]。李玉瓊[61]通過(guò)加入相對(duì)含量為2%的蕓豆蛋白糖基化產(chǎn)物制備香腸,結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加糖基化產(chǎn)物使香腸具有良好的乳化性和持水性,提高了香腸的得率,硬度、彈性均得到改善,結(jié)構(gòu)更加緊密。
目前,關(guān)于多糖乳化性的相關(guān)研究仍存在以下問(wèn)題:1)缺少綠色、高效、產(chǎn)業(yè)化可行的多糖乳化性改善方法。高壓、輻照等方法設(shè)備昂貴;乙?;⒘蛩峄揎椀确椒ú灰桩a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)且易導(dǎo)致環(huán)境污染;酶處理法專一性強(qiáng),但成本較高。2)乳化性改善的構(gòu)效關(guān)系還不夠系統(tǒng)和深入。目前研究發(fā)現(xiàn)多糖分子質(zhì)量大于10 kDa時(shí),所形成復(fù)合物的乳化性更好,但仍缺少其他方法修飾后乳化性與分子質(zhì)量關(guān)系的研究;構(gòu)象研究方面,發(fā)現(xiàn)蠕蟲狀鏈較球狀鏈具有更好的乳化性,球狀結(jié)構(gòu)優(yōu)于鏈狀結(jié)構(gòu),也有研究發(fā)現(xiàn)分子構(gòu)象對(duì)乳化性影響不大;因此,多糖乳化性的具體構(gòu)效關(guān)系尚不明確,仍需深入研究。3)多糖的應(yīng)用范圍有待擴(kuò)大。目前有關(guān)多糖的應(yīng)用主要包括OSA修飾后多糖在蛋白飲料中的應(yīng)用、乙?;揎椇蠖嗵窃诿姘械膽?yīng)用、多糖與蛋白相互作用后在香腸中的應(yīng)用,但其他修飾改性后多糖的應(yīng)用研究仍然較少。
針對(duì)上述問(wèn)題,今后研究應(yīng)重點(diǎn)包括3 個(gè)方面:1)開展物理-生物方法協(xié)同作用對(duì)多糖乳化性的影響。比較微波、超聲等與不同種類酶協(xié)同作用對(duì)多糖乳化性的影響,并開展中試實(shí)驗(yàn),建立產(chǎn)業(yè)化可行的多糖乳化性改善新技術(shù)。2)開展加工過(guò)程對(duì)多糖結(jié)構(gòu)和乳化性的改善機(jī)制研究。研究單糖組成、糖苷鍵連接方式對(duì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和一級(jí)空間構(gòu)象對(duì)多糖乳化性的影響機(jī)理,以及溫度、pH值等加工條件和超聲、微波、加工過(guò)程對(duì)多糖結(jié)構(gòu)的影響。3)進(jìn)一步拓寬具有乳化活性多糖的應(yīng)用領(lǐng)域,提升產(chǎn)品品質(zhì)。基于多糖良好的生物活性和功能特性,將其作為脂肪替代品改善肉制品品質(zhì),還可將其添加到焙烤食品、乳制品中改善口感和穩(wěn)定性。而多糖作為食品壁材對(duì)實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)成分的轉(zhuǎn)運(yùn)和吸收也有待研究。