離子強(qiáng)度對菜籽分離蛋白氣液界面行為及泡沫特性的影響

王 梅 姚軼俊 劉昆侖 熊文飛 王立峰

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院;江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心1，南京 210023) (河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院2，鄭州 450001)

我國是油菜種植大國，油菜的產(chǎn)量常年位列全球首位，菜籽制油后剩余的菜籽粕每年可達(dá)700萬t以上，其中含有大量未利用的菜籽蛋白，但是目前我國的菜籽蛋白利用率很低，主要原因有：一是菜籽中有一些不易去除的有害物質(zhì)，如硫苷、芥酸等，會對菜籽蛋白的營養(yǎng)價值產(chǎn)生一定影響；二是目前我國對菜籽蛋白的研究程度還不深入，未能構(gòu)建出產(chǎn)業(yè)鏈條[1]。目前，我國的菜籽粕主要還是用于廢料或者動物飼料，不利于我國油菜種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，如何充分利用菜籽粕中的蛋白質(zhì)，開發(fā)出相應(yīng)的具有功能特性和生理活性的產(chǎn)品，是當(dāng)前面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。菜籽粕中重要的蛋白質(zhì)包含清蛋白和球蛋白，均為貯藏性蛋白。菜籽蛋白營養(yǎng)豐富，營養(yǎng)價值高，尤其是菜籽粕中氨基酸模式平衡[2]。且對菜籽蛋白的消化比率為2.64，大豆蛋白為2.19[3]。菜籽蛋白的潛在價值高，可用于食品開發(fā)[4]。而且，菜籽蛋白的蛋白質(zhì)利用率、凈利用率和生物學(xué)價值均高于其他植物蛋白[5]。NaCl和CaCl2在植物蛋白如大豆蛋白中有著廣泛的應(yīng)用，可以使植物蛋白的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生一定改變，從而增強(qiáng)其溶解性、疏水性、起泡性及起泡穩(wěn)定性。當(dāng)溶液體系中的離子強(qiáng)度發(fā)生變化時，蛋白質(zhì)分子的靜電相互作用和疏水相互作用也相應(yīng)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的二、三級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。有研究表明，在NaCl的作用下，大豆蛋白二級結(jié)構(gòu)中的α-螺旋結(jié)構(gòu)的比例呈現(xiàn)出減少的趨勢，而β-折疊和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)的比例則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。同時，NaCl產(chǎn)生的電荷屏蔽效應(yīng)也使其原有的三級結(jié)構(gòu)也遭到破壞。為了更好地了解菜籽分離蛋白食品分散體系的特性，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同濃度、pH值和不同離子強(qiáng)度條件下菜籽分離蛋白在氣液界面上的吸附動力學(xué)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

雙低菜籽收購于安徽當(dāng)?shù)氐氖袌?，所用的?shí)驗(yàn)試劑蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.5%，含水量為4.9%，殘油量0.2%，豆粕經(jīng)研磨粉碎，過100目篩備用。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器，F(xiàn)W100型高速萬能破碎機(jī)，TGL-16G型高速離心機(jī)，F(xiàn)D-1型真空冷凍干燥機(jī)，PHS-3C型pH計(jì)，ZK-82A型高爐干燥爐，UV2600型紫外可見分光光度計(jì)，S-3400N型掃描電鏡，Q2000型差示掃描量熱分析儀，Dycz-24d型微型垂直電泳槽，YY-5型電壓電流電泳儀，F(xiàn)7000型熒光光度計(jì)，XW-80A型Zeta電位和納米粒度儀，OCA20型視頻光學(xué)測量系統(tǒng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 菜籽分離蛋白的制備

首先將菜籽粕倒入粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，然后用80目的篩子進(jìn)行過篩。將過完篩的固體粉末加入到石油醚中，在30～80 ℃的溫度下脫脂12 h，而后將其倒入NaOH溶液中開始菜籽蛋白的提取，浸泡之后將溶液放入離心機(jī)中，5 000 r/min離心20 min，收集上層清液。用1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)上清液pH值， 5 000 r/min再次離心20 min，收集得到的沉淀物，用去離子水沖洗沉淀物至中性，冷凍干燥，得到菜籽分離蛋白。

1.3.2 界面壓力的檢測

采用動態(tài)滴形分析法來對菜籽分離蛋白溶液在氣液界面上的界面張力(σ)隨吸附時間(t)變化規(guī)律進(jìn)行分析，采用的分析儀器仍為OCA20食品光學(xué)接觸角測量系統(tǒng)。本章所進(jìn)行的全部吸附實(shí)驗(yàn)均在室溫進(jìn)行，菜籽分離蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，pH 7，離子強(qiáng)度分別為0、10、20、50、100 mmol/L，每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)時間為180 min。

1.3.3 起泡性及起泡穩(wěn)定性測定以及泡沫照片

菜籽蛋白的起泡性及起泡穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)方案是[6]，用電子分析天平準(zhǔn)確稱取菜籽蛋白100 mg，將其溶解在10 mL的去離子水中，用0.1 mol/L的HCl或者NaOH溶液將菜籽蛋白溶液的pH分別調(diào)節(jié)至5、7、9、11，然后離心機(jī)以1 000 r/min離心1 min，量取初始泡沫體積，之后每間隔5 min測一次泡沫體積，共測量12次。每次在同樣條件下拍攝泡沫的形態(tài)。

起泡性(FA)=(起始泡沫體積/總泡沫體積)×100%

起泡穩(wěn)定性(FS)=(60 min泡沫體積/起始泡沫體積)×100%

1.3.4 熒光光譜測定

熒光光譜法用于研究每種蛋白質(zhì)溶液系統(tǒng)內(nèi)部熒光基團(tuán)微環(huán)境的影響，以反映蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象變化和蛋白質(zhì)之間的相互作用[7]。用F7000熒光分光光度計(jì)對菜籽蛋白溶液進(jìn)行熒光光譜測試，發(fā)射波長為290～500 nm，激發(fā)波長為280 nm，發(fā)射和激發(fā)狹縫寬度均為5.0 nm，電壓為550 MV，測量溫度恒定在25 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，應(yīng)用Origin8.5進(jìn)行圖形繪制，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面壓力隨吸附時間的變化

圖1是菜籽分離蛋白在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、pH 7，離子強(qiáng)度分別為0、10、20、50、100 mmol/L時，表面壓力隨吸附時間的變化曲線。從圖1中可知，表面壓力(π)在整個吸附過程中，隨著離子強(qiáng)度的增大，其速率以及最大值迅速增加，這也表明菜籽蛋白分子逐漸吸附到氣液界面上的速度越來越快。在離子強(qiáng)度為0 mmol/L，表面壓力(π)的增加還是分為3個階段，在0～1 000 s時，處于誘導(dǎo)階段；而后在1 000～4 000 s時，進(jìn)入快速增長階段，表面壓力(π)迅速增加，從圖中也可以發(fā)現(xiàn)曲線在此范圍內(nèi)也有著最大的斜率；在4 000～12 000 s時，為緩慢增長階段，表面壓力(π)的最大值為8 mN/m。在離子強(qiáng)度為10 mmol/L時，誘導(dǎo)階段為0～500 s，進(jìn)入快速增長階段后，π增大的速率提高，同時氣液界面的π值更大，可以達(dá)到10 mN/m。而當(dāng)離子強(qiáng)度進(jìn)一步增大，達(dá)到20、50、100 mmol/L時，從π-t曲線上可知，誘導(dǎo)期消失，從吸附一開始，表面壓力(π)便迅速上升，并且表面壓力隨著離子強(qiáng)度的增大而增大，在離子強(qiáng)度為100 mmol/L時，達(dá)到最大，為28 mN/m。

注：質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，pH 7,余同。圖1 離子強(qiáng)度對菜籽蛋白表面壓力的影響

離子強(qiáng)度對氣液界面表面壓力(π)有著顯著的影響，離子強(qiáng)度越大，表面壓力(π)上升速度越快，數(shù)值越大。這說明了在菜籽蛋白溶液中，隨著金屬離子的加入，使得菜籽蛋白分子的結(jié)構(gòu)更加松散，更容易吸附到氣液界面上，使得界面張力顯著降低，表面壓力顯著增大[8]。

2.2 離子強(qiáng)度對氣液界面擴(kuò)散動力學(xué)的影響

當(dāng)氣液界面蛋白濃度較低時，表面壓力(π)較小，可以用改進(jìn)的Ward-Tordai擴(kuò)散模型表示π和t的關(guān)系。不同離子強(qiáng)度下的π-t1/2曲線如圖2所示，特征參數(shù)和相應(yīng)的線性回歸系數(shù)如表1。在離子強(qiáng)度為0、50 mmol/L時，菜籽分離蛋白溶液的π-t1/2曲線圖是相似的，誘導(dǎo)期很短，斜率較大，表面壓力π的值也大體相同。而在離子強(qiáng)度為10 mmol/L時，氣液界面的表面壓力π值卻大幅下降，π值小于10 mN/m，此時和Ward-Tordai擴(kuò)散模型有著良好的相關(guān)性，π-t1/2曲線近似一條直線，表明了在離子強(qiáng)度為10 mmol/L時，菜籽蛋白分子的吸附動力學(xué)受擴(kuò)散作用影響。在離子強(qiáng)度為20 mmol/L時，相比于離子強(qiáng)度為10 mmol/L，誘導(dǎo)期縮短，斜率變大，π值增大到15 mN/m。

圖2 菜籽蛋白在不同離子強(qiáng)度下的氣液界面擴(kuò)散動力學(xué)特征曲線

離子強(qiáng)度對擴(kuò)散動力學(xué)有著明顯的影響。從表1中發(fā)現(xiàn)，離子強(qiáng)度開始增加時，誘導(dǎo)期邊長，π-t1/2曲線的斜率變小，擴(kuò)散控制吸附動力學(xué)的時間變長。原因可能時隨著溶液中離子強(qiáng)度的增加，帶電荷的離子和菜籽蛋白分子發(fā)生了相互作用，菜籽蛋白分子表面電荷耗盡，這導(dǎo)致了菜籽蛋白分子之間的靜電斥力減少，菜籽蛋白分子之間發(fā)生了團(tuán)聚，使得溶解度下降，疏水性變差，導(dǎo)致擴(kuò)散速度降低，表面壓力下降[9]。隨著離子強(qiáng)度的進(jìn)一步增強(qiáng)，菜籽蛋白分子表面電荷開始增多，蛋白分子之間的靜電排斥力又重新開始變大，此時溶解度開始上升，疏水性也提高，使得表面壓力開始增大，在離子強(qiáng)度為50mmol/L時，菜籽蛋白分子表面的電荷量與離子強(qiáng)度為0時的電荷量基本一致，此時從π-t1/2曲線上看，就會發(fā)現(xiàn)這2種條件下曲線走向趨勢和表面壓力π的最大值極為相似。

表1 離子強(qiáng)度對菜籽分離蛋白氣液界面擴(kuò)散動力學(xué)特征參數(shù)影響

總體來說，在離子強(qiáng)度為10 mmol/L時，表面壓力π小于10 mN/m，菜籽分離蛋白在氣液界面上的吸附動力學(xué)由擴(kuò)散控制，π-t1/2曲線呈直線，與Ward-Tordai擴(kuò)散模型相符，擴(kuò)散速率隨著離子強(qiáng)度的增大而加快。

2.3 離子強(qiáng)度對氣液界面展開和重排動力學(xué)的影響

由圖3可知，隨著離子強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，在表面壓力π大于10 mN/m時，π-t1/2曲線呈曲線的形式，偏離直線，這就說明了在離子強(qiáng)度較大時，擴(kuò)散不在控制吸附動力學(xué)。這是因?yàn)?，隨著π的增大，擴(kuò)散作用所需的能量進(jìn)一步增大[10]。此時，吸附速率是由蛋白質(zhì)分子在氣液界面上獲得空間進(jìn)而使其展開和重排的能力所確定。

圖3 菜籽蛋白在不同離子強(qiáng)度下的氣液界面展開和重排動力學(xué)特征曲線

對于π值大于10 mN/m的監(jiān)測體系，擴(kuò)散控制吸附過程之后，ln[(π180-πt)/(π180-π0)]-t曲線產(chǎn)生了2個線形區(qū)域，這2個區(qū)域代表了菜籽分離蛋白分子在氣液界面展開KP和重排KR的第一速率常數(shù)，由此可以斷定，菜籽蛋白擴(kuò)散到氣液界面后，展開和重排機(jī)制控制吸附動力學(xué)。

從表2可知，離子強(qiáng)度影響著展開和重排動力學(xué)參數(shù)的大小，總體的變化趨勢是，隨著離子強(qiáng)度的增大，KP和KR的數(shù)值也在不斷增大，這就說明了在較高的離子強(qiáng)度下，蛋白分子更容易進(jìn)行展開和重排。這說明了，離子強(qiáng)度的增大，菜籽分離蛋白的柔性增強(qiáng)，蛋白分子的疏水基團(tuán)有更大的概率暴露在氣液界面上，同時離子強(qiáng)度大，使得氣液界面的張力減小，導(dǎo)致展開和重排的速率加快。在離子強(qiáng)度為50 mmol/L時，KP和KR均高于其他離子強(qiáng)度下的KP和KR值。這說明了在高離子強(qiáng)度下，菜籽蛋白的結(jié)構(gòu)會變得松散，展開的蛋白分子更容易滲透吸附，也更容易在氣液界面上發(fā)生展開和重排[11～13]。

表2 離子強(qiáng)度對菜籽分離蛋白向氣液界面上展開和重排動力學(xué)特征參數(shù)的影響

總體來說，當(dāng)π值大于10 mN/m時，π與吸附時間之間的線性變化復(fù)合第一速率方程，ln[(π180-πt)/(π180-π0)]-t曲線產(chǎn)生了兩個線形區(qū)域，菜籽蛋白分子在氣液界面的吸附動力學(xué)由展開和重排機(jī)制控制。展開和重排速率受到離子強(qiáng)度的影響，隨著離子強(qiáng)度的增大，展開和重排速率也隨著變大，在離子強(qiáng)度較低時，蛋白分子較為團(tuán)聚，難以在界面展開和重排[14]。

2.4 離子強(qiáng)度對起泡性及泡沫穩(wěn)定性的影響

菜籽分離蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，pH值為7，離子強(qiáng)度分別為為0、10、20、50、100 mmol/L時，菜籽分離蛋白的起泡性能及泡沫穩(wěn)定性圖及泡沫體積隨時間變化圖如圖4所示。

離子強(qiáng)度對起泡性的影響主要是通過改變菜籽蛋白的溶解度實(shí)現(xiàn)的。從圖4可知，隨著離子強(qiáng)度的增大，菜籽分離蛋白的起泡性逐漸增大，這是由于高的離子強(qiáng)度可以提高菜籽蛋白的溶解度[15]，而溶解度的增大就可以獲得良好的起泡性。當(dāng)離子強(qiáng)度較低時，溶解的菜籽蛋白較少，溶液中的菜籽蛋白主要以固體的形式存在，起泡性較差，隨著離子強(qiáng)度的逐漸增強(qiáng)，溶解度增大，此時菜籽蛋白溶液中溶解的和未溶解的菜籽蛋白比例越發(fā)得當(dāng)，經(jīng)過攪拌后，有固液氣三相泡沫產(chǎn)生，而且固液面相接觸的面積越來越匹配，阻止了起泡的粗化，故起泡性最好[16]。

圖4 菜籽蛋白在不同離子強(qiáng)度下的起泡性和泡沫穩(wěn)定性

從圖4可知，菜籽分離蛋白的泡沫穩(wěn)定性隨著離子強(qiáng)度的增大而降低。從圖5可知，離子強(qiáng)度越大，初始泡沫體積和穩(wěn)定態(tài)泡沫體積之差越大，這也從另一個角度證明了離子強(qiáng)度增大泡沫穩(wěn)定性降低這一現(xiàn)象。影響泡沫穩(wěn)定性的因素有兩點(diǎn)：一是在泡沫的形成過程中蛋白質(zhì)分子界面膜的形成；二是形成的界面膜的流變學(xué)特性。

因此，若要有高的泡沫穩(wěn)定性，則在每個泡沫的周圍都要有一個厚的、彈性好、連續(xù)且不透氣的膜。菜籽蛋白分子在柔性較好時，會促進(jìn)分子在氣液界面發(fā)生重排，這便使得相鄰的分子快速的結(jié)合，從而在周圍形成了一個高彈性的膜。而在很高的離子強(qiáng)度下，會導(dǎo)致菜籽蛋白的分子結(jié)構(gòu)柔性下降[17]，使得其難以在氣液界面發(fā)生重排，這會使高彈性膜的形成變得更加困難，進(jìn)而導(dǎo)致了菜籽分離蛋白溶液的泡沫穩(wěn)定性降低。圖5是菜籽分離蛋白濃度為0.5%，pH值為7，離子強(qiáng)度分別為為0、10、20、50、100、200 mmol/L時，菜籽分離蛋白溶液的發(fā)泡照片，從照片中也可以發(fā)現(xiàn)隨著離子強(qiáng)度的增大，溶液泡沫逐漸增多，且泡沫越發(fā)致密，這與前面得到的結(jié)論是相符和的[18]。

圖5 菜籽蛋白發(fā)泡照片

2.5 不同離子強(qiáng)度下的菜籽分離蛋白熒光光譜分析

菜籽分離蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，pH值為7，離子強(qiáng)度分別為為0、10、20、50、100 mmol/L時的菜籽分離蛋白溶液熒光光譜圖如圖6所示。

從圖6可知，與不含有金屬離子的熒光圖像對比發(fā)現(xiàn)，在離子強(qiáng)度為10、20、50 mmol/L時，菜籽分離蛋白的熒光強(qiáng)度發(fā)生了顯著的下降。對比最大吸收峰所處的波長也可以發(fā)現(xiàn)，在離子強(qiáng)度為0時的波長為320 nm，而在離子未強(qiáng)度為10、20、50 mmol/L時，最大吸收峰的波長分別為303、319、330 nm，先發(fā)生小幅度的藍(lán)移，之后開始紅移。在發(fā)生藍(lán)移的時候，說明菜籽蛋白中的色氨酸殘基所在的環(huán)境極性降低。同時熒光強(qiáng)度的降低說明了菜籽蛋白的構(gòu)象發(fā)生了改變[19]。在溶液中，蛋白分子本身所攜帶的電荷和離子電荷發(fā)生了中和，使得蛋白分子本身的帶電量下降，分子之間的排斥作用降低，蛋白分子之間發(fā)生團(tuán)聚，使得芳香族的氨基酸在溶液中的暴露程度下降。同時蛋白質(zhì)的聚集也會導(dǎo)致二硫鍵的形成，而二硫鍵對芳香族的氨基酸殘基有著較強(qiáng)的淬滅作用，進(jìn)而也導(dǎo)致了熒光強(qiáng)度的下降[20]。同時也有研究表明[21-22]，在蛋白分子發(fā)生團(tuán)聚時，芳香族的氨基酸之間會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，這也會使熒光強(qiáng)度下降。在離子強(qiáng)度為100 mmol/L時，最大吸收峰所在處波長為334 nm，發(fā)生紅移，同時熒光強(qiáng)度發(fā)生顯著增強(qiáng)，接近6 000 A.U.，比離子強(qiáng)度為0時，增長了近3倍。這說明了隨著離子強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，溶液中電荷量的增多，蛋白質(zhì)溶液中色氨酸殘基的極性發(fā)生了增強(qiáng)。同時熒光強(qiáng)度的大幅增加說明蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象也發(fā)生了改變，由于電荷量的增加，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子之間的排斥作用重新增強(qiáng)，分子間不在發(fā)生團(tuán)聚，柔性增強(qiáng)，變得更為舒展[23，24]，使得芳香族氨基酸重新暴露在蛋白質(zhì)的表面上，這就使得菜籽蛋白分子發(fā)生紅移和熒光強(qiáng)度的改變。

圖6 不同離子強(qiáng)度下菜籽分離蛋白熒光光譜圖

3 結(jié)論

本文通過測定氣液界面表面壓力π的變化，研究了離子強(qiáng)度對菜籽分離蛋白氣液界面的吸附動力學(xué)的影響，并討論了離子強(qiáng)度對蛋白起泡性和起泡穩(wěn)定性的影響。

隨著離子強(qiáng)度的增大，菜籽分離蛋白的起泡性逐漸增大，在pH值為11時有小幅下降；在很高的離子強(qiáng)度下，會導(dǎo)致菜籽蛋白的分子結(jié)構(gòu)柔性下降，導(dǎo)致了菜籽分離蛋白溶液的泡沫穩(wěn)定性降低。

熒光光譜分析表明隨著離子強(qiáng)度的增加，菜籽蛋白構(gòu)象先發(fā)生團(tuán)聚，而后又逐漸展開，在譜圖上體現(xiàn)為熒光強(qiáng)度先降低在增加，最大吸收峰所處波長先發(fā)生藍(lán)移，再發(fā)生紅移。