谷物蛋白質(zhì)乳液的研究進(jìn)展

肖志剛,王可心,王 娜,王依凡,段慶松,霍金杰,江睿生,高育哲

(1.沈陽師范大學(xué) 糧食學(xué)院,沈陽 110034;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院,沈陽 110866;3.遼寧大學(xué) 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院,沈陽 110036)

0 引 言

圖1 W/O乳液及O/W乳液示意圖Fig.1 Schematic diagram of W/O emulsion and O/W emulsion

乳液是水、油、表面活性劑或類表面活性劑按照一定比例混合后,經(jīng)過均質(zhì)或超聲處理形成的膠體分散體系[1]。通過表面活性劑親水親油的特性在油水界面上形成一層保護(hù)膜使其達(dá)到水包油(O/W)或油包水(W/O)的狀態(tài)。乳液的制備方法有高速均質(zhì)法、反溶劑法和膜乳化法等,其中較為常用的是高速均質(zhì)法。食品級乳液大多數(shù)有2個(gè)存在形式,即O/W(水包油型),例如牛奶、冰激凌、蛋黃醬等;和W/O(油包水型),例如人造黃油、黃油等,2種乳液的結(jié)構(gòu)如圖1所示。食品級乳液大多采用食品固體顆粒(例如蛋白質(zhì)、淀粉、酯類等)來替代表面活性劑,從而達(dá)到穩(wěn)定乳液的目的。由于蛋白具有兩親性,可以在油-水界面進(jìn)行吸附的同時(shí)二級和三級結(jié)構(gòu)重排,疏水鏈段和親水鏈段相繼暴露出來與對應(yīng)的基團(tuán)相結(jié)合;蛋白質(zhì)分子之間通過疏水作用或二硫鍵吸附作用,進(jìn)一步聚合形成保護(hù)層,從而避免液滴之間發(fā)生聚結(jié)和絮凝。但并不是所有蛋白質(zhì)分子在界面吸附時(shí)都會發(fā)生這種變化[2]。蛋白質(zhì)按照來源可以分為動(dòng)物蛋白和植物蛋白。2種蛋白質(zhì)在本質(zhì)上并無區(qū)別,只是氨基酸組成略有不同。谷物蛋白作為植物蛋白,通?？煞譃榍宓鞍住⑶虻鞍?、醇溶蛋白和谷蛋白4個(gè)組分,有獨(dú)特的成膜性、凝膠性、自組裝特性和生物相容性,作為乳液的穩(wěn)定劑同樣具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢[3]。同時(shí)從營養(yǎng)角度考慮,動(dòng)物性食物中脂肪和膽固醇含量較高,長期食用會增加高血壓及心腦血管疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)。而植物性食物,尤其是谷物,其蛋白質(zhì)含量也十分可觀。值得注意的是,部分谷物蛋白,例如花生大豆等蛋白質(zhì)具有致敏性,在應(yīng)用中應(yīng)注意避免其食品對過敏人群帶來的困擾[4]。

1 谷物蛋白質(zhì)乳液

谷物大致分為稻麥類、豆類及薯類,蛋白質(zhì)含量為7%～15%,是目前最豐富、價(jià)格最低的蛋白質(zhì)來源[5]。不同種類蛋白質(zhì)的氨基酸組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都不同,功能性質(zhì)也各不相同。其中,水稻的蛋白質(zhì)主要組分為谷蛋白,其分子內(nèi)及分子間含有許多二硫鍵,導(dǎo)致蛋白質(zhì)交聯(lián)聚合,部分親水基團(tuán)被折疊在內(nèi);蕎麥蛋白中球蛋白占據(jù)了較大比重,在鹽溶液中有較好的分散性;小麥蛋白中的醇溶蛋白和谷蛋白通常又以交聯(lián)形式存在,使其在穩(wěn)定乳液方面頗有難度;玉米醇溶蛋白親水和疏水基團(tuán)分區(qū)明顯,含有一定量的極性氨基酸,因此在包埋活性物質(zhì)和可食性材料的制備方面具有廣闊前景。綜上,谷物蛋白在作為乳液穩(wěn)定劑的同時(shí),需要針對自身特點(diǎn)選擇適宜的交聯(lián)物質(zhì)和處理方法,并根據(jù)乳液穩(wěn)定性及其他優(yōu)勢選擇制備方法和應(yīng)用途徑。此外,制備過程中的溫度,可溶蛋白質(zhì)濃度,鹽、糖類物質(zhì)的添加都會對乳液的性質(zhì)產(chǎn)生影響[6]。

2 不同來源谷物蛋白質(zhì)乳液的特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀

2.1 大米蛋白乳液

大米蛋白具有低過敏性和抗腫瘤活性[7],生物效價(jià)高、氨基酸組成符合WHO/FAO推薦的理想模式,近年來得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。大米蛋白中谷蛋白含量高達(dá)80%[8],其溶解性受pH影響很大;同時(shí)谷蛋白二級結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多經(jīng)巰基及二硫鍵交聯(lián)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高度卷曲,界面張力大,蛋白質(zhì)界面性質(zhì)差,在乳液的制備過程及穩(wěn)定過程中均有較大的難度。

針對這一特點(diǎn),賈瀟等[9]采用漆酶催化氧化阿魏酸之后與大米蛋白進(jìn)行交聯(lián),此方法可以使阿魏酸發(fā)生催化氧化形成醌類物質(zhì),再與大米蛋白中的巰基和氨基發(fā)生加成反應(yīng),使蛋白質(zhì)肽鏈逐漸展開,從而達(dá)到降低表面張力和提高界面性質(zhì)的效果。由于阿魏酸羥基的引入、蛋白質(zhì)展開后親水基團(tuán)的暴露以及共價(jià)結(jié)合引起色氨酸向親水區(qū)域遷移,蛋白質(zhì)交聯(lián)物質(zhì)的疏水性降低了29%;在堿性環(huán)境中溶解性明顯升高(同時(shí)受蛋白質(zhì)性質(zhì)影響);在pH值為5、7、9條件下乳液比較穩(wěn)定,乳化顆粒間靜電斥力增大,乳液粒徑較小,生物利用率高。同時(shí)此方法還可以提高乳液體系的抗氧化活性,有效提高油脂氧化穩(wěn)定性。南昌大學(xué)的鄧忠華[10]利用胰蛋白酶對蛋白質(zhì)進(jìn)行水解,改善了大米谷蛋白高度折疊的結(jié)構(gòu),使其在酶解作用下斷裂成肽段,分子形狀由緊實(shí)球體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性分子,使得大米蛋白的柔性大大增強(qiáng)。同時(shí)鄧忠華還對蛋白質(zhì)的水解度與乳液穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)大米蛋白水解程度越高,蛋白質(zhì)的溶解性就越好,所制備的乳液的穩(wěn)定性越強(qiáng)。

2.2 麥類蛋白乳液

麥類谷物包括小麥、大麥、蕎麥、藜麥等,其中,蕎麥蛋白和藜麥蛋白由于組分之間相對不易交聯(lián),氨基酸組成合理而常被用于乳液的制備與研究。

蕎麥蛋白具有很高的營養(yǎng)價(jià)值,其富含賴氨酸,可以降低血液中膽固醇的含量。蕎麥蛋白組分中球蛋白含量較高[11],四級結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,易發(fā)生凝集聚合和解離反應(yīng),導(dǎo)致制備的乳液穩(wěn)定性不強(qiáng),極易破乳。為了使蕎麥蛋白乳液更加穩(wěn)定,曹麗霞[12]在60 ℃,24 h和70 ℃,6 h兩種條件下制備了蕎麥分離蛋白-葡聚糖共價(jià)復(fù)合物,將糖類物質(zhì)與蛋白質(zhì)混合加熱使其發(fā)生羰氨反應(yīng)產(chǎn)生共價(jià)鍵,從而引入糖類物質(zhì)的親水基團(tuán),同時(shí)加熱作用也使得蛋白質(zhì)鏈展開,增加了復(fù)合物的表面疏水性。改性后的蕎麥蛋白乳化活性及乳化穩(wěn)定性明顯增強(qiáng),但由于羰氨反應(yīng)形成的色素導(dǎo)致乳液的顏色呈淺褐色。

藜麥具有相當(dāng)全面的營養(yǎng)成分。藜麥蛋白主要由2S清蛋白及11S球蛋白組成,還有少部分的醇溶蛋白和谷蛋白[13],大量的球蛋白也導(dǎo)致了藜麥蛋白溶解性差的問題,同時(shí)藜麥在食用前脫除皂苷的過程可能會導(dǎo)致蛋白質(zhì)乳化性受到影響。Qin Xinsheng等[14]將天然藜麥分離蛋白提取后于100 W,25 ℃超聲處理20 min,發(fā)現(xiàn)超聲處理可以增大藜麥蛋白的接觸角和表面疏水性;同時(shí)蛋白質(zhì)間的作用類型也變?yōu)榱硕蜴I和疏水作用。將超聲藜麥蛋白質(zhì)制備成乳液,并與天然藜麥分離蛋白制備的乳液進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)濃度大于1%時(shí),超聲藜麥蛋白的乳液乳化效果更強(qiáng);乳液粒徑更小,具有更好的生物相容性;同時(shí)具有更高的液滴表面填充率和界面吸附能力。同時(shí),秦新生[15]還研究了藜麥蛋白乳液中鹽離子濃度對乳液凍融穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)0～500 mM的鹽離子,添加到100 W超聲處理20 min的2%藜麥蛋白制得的乳液中可以提高蛋白質(zhì)二級折疊結(jié)構(gòu)的含量,增強(qiáng)疏水相互作用。在水油比例1∶1的藜麥蛋白乳液中添加鹽離子可以使液滴粒徑更小,同時(shí)發(fā)生鹽析作用在界面形成凝膠結(jié)構(gòu)從而提高乳液的凍融穩(wěn)定性。

2.3 玉米蛋白乳液

玉米蛋白來源于玉米加工的副產(chǎn)物酒糟及玉米蛋白粉,其蛋白質(zhì)含量高達(dá)27%～65%。由于玉米醇溶蛋白具有自組裝特性、良好的成膜性和凝膠性,疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)分區(qū)明顯,成為了目前谷物蛋白質(zhì)乳液的主要研究對象。相較于其他谷物蛋白乳液,玉米醇溶蛋白乳液已經(jīng)有比較廣泛的研究結(jié)果和應(yīng)用。但在乳液制備過程中,玉米醇溶蛋白也具有一定的局限性,比如缺乏帶電氨基酸和極性的氨基酸等等。唐瑜婉等[16]將玉米醇溶蛋白與多酚復(fù)合后形成了納米顆粒,并利用納米顆粒作為穩(wěn)定顆粒制備了乳液。研究表明多酚與玉米醇溶蛋白復(fù)合后可以起到提高乳液的穩(wěn)定性的作用,同時(shí)增加了乳液的抗氧化活性。

由于玉米醇溶蛋白具有獨(dú)特的自組裝特性,所以常用反溶劑法來制備乳液。因此,玉米醇溶蛋白可以作為活性物質(zhì)的包埋物,提高活性物質(zhì)在食品體系中的穩(wěn)定性[17]。黃曉霞[18]利用反溶劑法制備了一種荷載姜黃素的玉米醇溶蛋白納米顆粒,并添加了濃度為0.11%(w/v)的果膠多糖溶液,采用靜電沉積法使多糖吸附到納米顆粒表面形成一種核/殼型復(fù)合納米顆粒,此種顆粒具有很高的穩(wěn)定性,且粒徑均小于250 nm,生物利用率較高。王麗娟[3]利用反溶劑法將70%(v/v)玉米醇溶蛋白加入到乙醇溶液中,將此溶液滴加到每分鐘6 000 rpm剪切的含有殼聚糖的溶液中制備了玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)合膠體顆粒。殼聚糖與玉米醇溶蛋白在剪切作用下逐漸接觸產(chǎn)生靜電作用和疏水相互作用,在界面發(fā)生絮凝和聚集,這對乳液的穩(wěn)定起到了重要的作用,且當(dāng)殼聚糖比例為20∶1～10∶1時(shí),三相接觸角更加接近90°,形成的乳液更加穩(wěn)定。

3 豆類蛋白乳液

農(nóng)業(yè)上的豆類作物有大豆、花生、豌豆、綠豆等,其蛋白含量較高,具有一定的加工價(jià)值。其中,大豆是食用非常廣泛的豆類作物,其蛋白組分大多為球蛋白和伴球蛋白,分子量較大,結(jié)構(gòu)卷曲度高,分子柔性較差,其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性也導(dǎo)致了界面性質(zhì)較差的現(xiàn)象[19]。

鄭建璋等[20]通過胃蛋白酶處理大豆分離蛋白以達(dá)到水解蛋白質(zhì),將卷曲結(jié)構(gòu)展開,增加分子柔性的目的。將酶解后的大豆蛋白再與磷脂交聯(lián),形成復(fù)合乳液體系。磷脂作為一種表面活性劑,適當(dāng)添加可與大豆蛋白交聯(lián),增強(qiáng)界面性質(zhì);但過量添加將會導(dǎo)致未自組裝的磷脂游離于體系中影響體系穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明,當(dāng)pH=2、酶解蛋白濃度2%、磷脂濃度0.1%、油相體積10%時(shí),其交聯(lián)物質(zhì)制備的復(fù)合乳液最穩(wěn)定。劉鵬等[21]將大豆蛋白和乳清蛋白復(fù)合,增強(qiáng)了大豆蛋白質(zhì)的自身穩(wěn)定性。之后再進(jìn)行高壓處理使得復(fù)合蛋白質(zhì)內(nèi)部基團(tuán)逐漸暴露,結(jié)構(gòu)伸展。在壓力為150 MPa時(shí)處理的蛋白質(zhì)小分子聚集在油水界面上,降低了表面張力,乳液也更加穩(wěn)定。這也與Molina等[22]研究的結(jié)果一致。

花生蛋白大部分為鹽溶性蛋白,由花生球蛋白和伴花生球蛋白組成,同樣因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)折疊復(fù)雜,具有較差的柔性。焦博[23]利用花生蛋白與多糖之間的交互作用及凝膠特性,制備了花生分離蛋白-多糖復(fù)合凝膠顆粒并將其作為乳液的穩(wěn)定顆粒。熱處理首先破壞了花生球蛋白的三級和四級結(jié)構(gòu),其次糖接枝作用可以使蛋白質(zhì)小分子結(jié)構(gòu)更加緊湊,從而增大顆粒的溶解性,使得乳液體系更加穩(wěn)定[24]。當(dāng)顆粒濃度大于0.2%,內(nèi)相比例為70%時(shí),制備的乳液具有強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高粘度,這些由于花生蛋白質(zhì)糖接枝帶來的特性共同阻止了乳液中油脂的聚結(jié)和上浮,使得乳液相對穩(wěn)定。

4 薯類蛋白乳液

薯類包括紅薯、馬鈴薯、山藥、芋類等。薯類谷物中的蛋白質(zhì)同樣具有很高的營養(yǎng)價(jià)值,易于人體消化吸收。馬鈴薯貯藏蛋白中含有25%的馬鈴薯球蛋白和40%的馬鈴薯糖蛋白,其中,糖蛋白的營養(yǎng)成分更接近于蛋清,并被認(rèn)為具有比大豆蛋白更好的乳化性能[25]。與其他谷物蛋白相同,馬鈴薯球蛋白和糖蛋白同樣具有乳化性和凝膠性等性質(zhì),但由于二級結(jié)構(gòu)為不規(guī)則卷曲導(dǎo)致溶解性均較差。劉興麗等[26]將2%～6%的蛋白質(zhì)溶液加熱制備了微凝膠顆粒。凝膠化熱處理將馬鈴薯蛋白卷曲的二級和三級結(jié)構(gòu)展開,更多的氨基酸基團(tuán)暴露在外,表面電荷明顯升高,制備的乳液穩(wěn)定性大大加強(qiáng)。

雖然目前看來馬鈴薯蛋白由于糖蛋白組分的功能特性,具有廣闊的研究前景,但薯類中淀粉含量多、蛋白質(zhì)含量較少,這一特點(diǎn)極大地限制了薯類蛋白在乳液研究領(lǐng)域中的開發(fā)與應(yīng)用。

5 展 望

谷物由于品種和生長環(huán)境不同,主要貯藏蛋白質(zhì)的含量和組分也具有明顯差異,同一類谷物的不同作物蛋白質(zhì)也有著千差萬別。例如大米蛋白質(zhì)組分中谷蛋白含量較高,但麥類和豆類蛋白質(zhì)組分中,含量較高的是球蛋白;小麥蛋白中的醇溶蛋白和谷蛋白組分極易產(chǎn)生交聯(lián)形成復(fù)合物;玉米醇溶蛋白具有獨(dú)特的自組裝特性;馬鈴薯蛋白中的糖蛋白具有更好的界面性質(zhì)等,這些特點(diǎn)都需要學(xué)者們逐個(gè)開發(fā)和進(jìn)一步利用。但大多數(shù)谷物蛋白具有同一特性,即蛋白質(zhì)柔性差、結(jié)構(gòu)高度折疊卷曲、球蛋白含量較多等,需要輔助改性手法來提高蛋白質(zhì)的界面性質(zhì),以達(dá)到穩(wěn)定乳液的目的。

谷物蛋白質(zhì)作為最廣泛和最廉價(jià)的植物蛋白質(zhì)來源,其開發(fā)潛力巨大。而乳液作為日常食品中較為多見的形式,不同原料也會導(dǎo)致其制備的乳液形態(tài)和性質(zhì)各不相同。未來,谷物蛋白乳液應(yīng)在提高蛋白質(zhì)界面性質(zhì)及乳液穩(wěn)定性的研究基礎(chǔ)上,更加注重制作成本及安全性的問題,注意新基團(tuán)的引入以及化學(xué)成分對乳液安全性的影響,使蛋白乳液更好更快的進(jìn)入到人們的視線,增加谷物蛋白的利用價(jià)值;同時(shí),應(yīng)注重小眾谷物蛋白的開發(fā),結(jié)合其蛋白質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行研究,為其他谷物蛋白研究開發(fā)作參考。這對于谷物蛋白,尤其是谷物蛋白乳液的研究具有重要意義。