EGCG修飾對乳清蛋白乳液冷凝膠特性的影響

曹艷蕓，林金甌，韓劍眾

（浙江工商大學食品與生物工程學院 杭州 310018）

蛋白質的乳化和凝膠特性對于維持食品的感官和質構具有重要的意義。比如：在冰淇淋、舒芙蕾、泡沫飲料這些乳液和泡沫形態(tài)的食品中，往往通過添加蛋白質作為表面活性劑，幫助形成和穩(wěn)定食品體系[1]。蛋白質乳液凝膠可作為營養(yǎng)活性物質的傳遞載體。冷凝膠技術是一種較新的食品凝膠制備技術，在室溫下便可以形成凝膠，更適用于構建熱敏感性營養(yǎng)成分的載體，其在功能性食品和醫(yī)藥等領域應用也愈加廣泛。目前有研究表明利用乳清蛋白冷凝膠對維生素E、益生菌等生物活性物質進行包埋，其運輸傳遞效果良好[2]。使用蛋白凝膠珠對核黃素進行包埋時，其包埋率能達到80%以上[3-5]。

然而，通常蛋白質冷凝膠在成膠時所需要的蛋白質濃度比較高，凝膠強度比較低，并且包裹在內部的脂質容易被氧化[6]。許多研究者通過向體系中添加天然植物多酚以提高乳液凝膠的氧化穩(wěn)定性，并取得良好的效果。Zhou 等[7]通過在魚糜中添加茶多酚來改善魚糜凝膠強度、持水性和蛋白交聯(lián)度。Chen 等[8]研究發(fā)現(xiàn)丁香提取物可以促進肌原纖維蛋白的交聯(lián)，從而增強其凝膠的流變性質。同時，植物多酚的添加能夠有效提高食品體系的附加營養(yǎng)價值。據(jù)報道[9]，多酚與蛋白質反應在一定程度上降低食品中的營養(yǎng)價值，降低蛋白質在體內、體外的消化率。多酚化合物對蛋白質功能特性的影響亦不可忽視。

乳清蛋白是加工生產奶酪或者酪蛋白過程中產生的副產物[10]，它具有良好的加工特性和生物活性[11-14]。乳清蛋白中含量高的β-乳球蛋白在天然狀態(tài)下很難被胃蛋白酶水解，并且它與多酚發(fā)生相互作用后其消化性也會發(fā)生變化[15]。乳清蛋白是構建乳液凝膠傳遞系統(tǒng)良好的蛋白質壁材[16-18]。

茶多酚是廣泛應用于食品加工的天然抗氧化劑之一[19]，具有良好的水溶性，其中表沒兒茶素沒食子酸酯（EGCG）是茶多酚中含量最高、抗氧化活性最強的多酚類單體。Cao 等[20]發(fā)現(xiàn)，沒食子酸和表沒食子兒茶素沒食子酸酯在一定濃度范圍均有利于乳清蛋白在兩相界面的吸附，并加強冷凝膠形成過程中蛋白聚集體的交聯(lián)。

目前關于植物多酚對蛋白質乳液凝膠特性影響的研究很多，根據(jù)反應條件、蛋白質以及多酚種類不同等試驗條件不同，研究結果有所出入[21-23]；對乳液凝膠特性影響的研究不夠充分，有待深入探究。本文以乳清分離蛋白（Whey Protein Isolate，WPI）為蛋白質模型，探究EGCG 對乳清蛋白乳液冷凝膠特性的影響規(guī)律，為利用植物多酚提高蛋白質乳液凝膠特性，開發(fā)新型食品功能因子載體提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金龍魚玉米油，豐益貿易（中國）私人有限公司；乳清蛋白BiPRO，美國Davisco 有限公司；表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG），南京春秋生物工程有限公司；磷酸二氫鈉、十二烷基硫酸鈉（SDS）、尼羅紅（19123）、Na2EDTA、快綠（Fast Green），美國Sigma 公司；磷酸氫二鈉、無水氯化鈣（CaCl2）、三羥甲基氨基甲烷（Tris），Aladdin 公司；β-巰基乙醇，Acmec 公司。

1.2 設備與儀器

T-18-D-S25 高速剪切機，德國IKA 公司；JY92-IIDN 超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司；UV-2600 紫外分光光度計，日本島津公司；MS3000 激光粒度儀，馬爾文儀器有限公司（英國）；KND-816 自動凱氏定氮儀，上海纖檢儀器有限公司；SP-8 激光共聚焦顯微鏡，Leica公司；TA-XT2i 質構儀，STABLE MICRO SYSTEM公司；SU-8010 掃描電鏡，Hitachi 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 乳清蛋白乳液凝膠的制備

1.3.1.1 多酚對蛋白質修飾 乳清蛋白粉末（NWPI）均勻地溶解于去離子水中得到10%（質量分數(shù)）的NWPI 溶液。在室溫下，用磁力攪拌器在轉速為300 r/min 下攪拌1 h。為了讓蛋白質充分水化，將室溫下完全溶解的NWPI 溶液置于4 ℃冰箱中保存過夜。用1 mol/L 的NaOH 或HCl 調節(jié)蛋白溶液pH 值至7.0 后將其置于85 ℃的水浴鍋中加熱20 min 得到熱變性乳清蛋白 （HWPI）溶液。乳清蛋白經(jīng)熱處理后，內部疏水基團暴露，有利于蛋白質膠凝，是制備蛋白質冷凝膠的重要步驟。HWPI 溶液冷卻至室溫后與多酚溶液進行下一步反應。

EGCG 貯液（10 mmol/L）為新鮮配置并冷藏，使用前稀釋至適當濃度。

在中性（pH 7.0）條件下，HWPI 溶液與EGCG溶液均勻混合，使溶液中EGCG 終濃度分別為0.2，1，2 mmol/L，溶液中蛋白質量濃度為75 mg/mL（及2.7，13.3，26.6 μmol 多酚/g 蛋白），輕微振蕩后在室溫反應2 h。

1.3.1.2 乳液制備 HWPI-EGCG 溶液（乳清蛋白質量濃度為75 mg/mL）和金龍魚玉米油按體積比3∶1 加至50 mL 離心管中，終體積為20 mL。用裝有低起泡性探頭的高速剪切分散機在轉速13 600 r/min 下預乳化2 min 得到粗乳液（乳清蛋白質量濃度為56.25 mg/mL）。為了防止超聲過程中溫度過高對乳液造成影響，將裝有粗乳液的離心管置于裝滿碎冰的玻璃杯中，用超聲細胞破碎儀進行進一步分散得到HWPI-GA 乳液。超聲條件設定如下：6 號探頭；超聲開啟5 s，關閉5 s；超聲功率40%（240 W），超聲時間共10 min。

1.3.1.3 乳液凝膠制備 取一定量的HWPI-GA/EGCG 乳液于定制的玻璃小管中，用移液槍緩慢地注入凝膠劑CaCl2（終濃度為7.5 mmol/L），然后順時針輕攪30 s，逆時針輕攪30 s，以免在攪拌混勻的過程中帶入氣泡從而對凝膠產生影響。最后將玻璃小管小心地放在固定的盒中，置于4 ℃冰箱中成膠48 h。每組凝膠制作3 個平行。

1.3.2 乳液結構和特性表征

1.3.2.1 界面蛋白吸附量測定 利用凱氏定氮法測定原乳液和上清中的蛋白質含量。用KDN-816自動定氮儀對新鮮制備的乳液進行凱氏定氮，測定其蛋白含量。界面吸附蛋白含量測定公式如下：

式中：V總——滴定新鮮乳液所用鹽酸體積，mL；V清——滴定乳液離心后的下清溶液所用鹽酸體積，mL；下清溶液通過乳液采用3 次高速離心進行相分離后得到，具體方式如下：于4 ℃下采用離心力14 000 g 離心25 min，用注射器吸取初次離心得到的下清溶液；用相同的方法和相同的離心條件，再離心2 次得到3 次離心后的下清液。

1.3.2.2 乳液平均粒徑和ζ 電位測定 用馬爾文3 000 粒度儀測定乳液的粒徑和ζ 電位。參考Wang 等[24]的方法，進行少許改進。在測試前，取30 μL 乳液于5 mL 離心管中，加入3 mL 磷酸鈉緩沖液（0.1 mol/L，pH 7.0）進行稀釋，以免乳液濃度過高而產生多重散射效應。取1.5 mL 稀釋后的樣品加入樣品池，關閉儀器蓋子后開始對樣品的粒徑和ζ 電位進行分析測定。測定的參數(shù)如下：設定磷酸鈉緩沖液折射率為1.34，乳液折射率1.450，測試溫度為22.5 ℃，激光衍射角為173°廣角，掃描前平衡時間為60 s，掃描時間為10 s，每兩次掃描間隔時間為10 s，每個樣品掃描3 次。

1.3.2.3 激光共聚焦顯微鏡分析乳液微觀結構采用激光掃描共聚焦顯微鏡（Confocal laser scanning microscope，CLSM） 來表征HWPI-EGCG 乳液。用50 μL 快綠（1 mg/mL 溶解于去離子水）對乳液中蛋白質進行染色，用50 μL 尼羅紅（1 mg/mL溶解于丙酮）對乳液中脂肪染色。染色在避光條件下進行。取20 μL 染色后的樣品滴于載玻片上，蓋上蓋玻片靜置10 min 后用激光共聚焦顯微鏡成像系統(tǒng)進行拍照。掃描條件設置如下：20 或40 倍物鏡，用633 nm 處的CY5 通道來激發(fā)快綠染色的蛋白質，用488 nm 處的FITC 通道來激發(fā)尼羅紅染色的脂肪。

1.3.3 乳液凝膠特性分析

1.3.3.1 凝膠強度測定 用TA-XT Plus 質構儀測定凝膠強度。質構儀的參數(shù)設置如下：探頭型號選擇P/0.5，觸發(fā)力為2 g，下壓速度為0.8 mm/s，下壓距離為1 cm，測試前速度2 mm/s，測試后速度5 mm/s。將凝膠發(fā)生破裂時所測量到的感應力作為凝膠強度。

1.3.3.2 凝膠持水性測定 將HWPI-EGCG 乳液凝膠置于4 ℃冰箱中放置24 h 后測定凝膠的持水性。具體方法如下：稱取一整塊完整的凝膠置于10 mL 離心管中，質量控制在1 g 左右，準確記錄凝膠質量為Ma。在4 ℃，8 000 g 離心力條件下離心30 min 后，小心地從離心管中取出凝膠置于吸水紙上，并用吸水紙小心地擦干其表面殘留水分，以免弄碎或黏留在吸水紙上，然后稱重并準確記錄其質量為Mb。凝膠的持水性用離心后的凝膠質量占原凝膠質量的百分比來表示，公式如下：

1.3.3.3 凝膠作用力分析 凝膠中的相互作用力分析參考Tang 等[25]的方法，略微加以修改。將HWPI-EGCG 乳液凝膠分別溶解在4 種溶液中，通過比較凝膠在4 種溶液中溶解度的不同來反映其作用力類型。4 種溶液分別為：A 液：蒸餾水；B液：pH 值為8.0 的緩沖液，其中含有0.086 mol/L Tris，0.09 mol/L 甘氨酸和4 mmol/L Na2EDTA；C液：B 液+2.0 g/100 mL 十二烷基硫酸鈉（SDS）；D液：C 液+1 g/100 mL β-巰基乙醇（β-ME）。用小刀將乳液凝膠切成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm 的凝膠小塊。在玻璃瓶中稱取1 g 凝膠小塊，然后加入15 mL 對應的A、B、C、D 溶液，在4 ℃條件下用磁力攪拌器慢速攪拌1 h。然后將溶液轉移至離心管，以300 g，4 ℃條件下離心20 min。離心后溶液形成兩層：上層為凝膠層，下層為乳液層。用針筒吸取下層乳液，并用去離子水將下層乳液稀釋至一定濃度，然后在波長500 nm 處用紫外分光光度計測定溶液的吸光度。濁度（T）計算如下：

式中：A——在500 nm 處的吸光度（×稀釋倍數(shù)）；L——光程長度，cm。

1.3.3.4 掃描電子顯微鏡觀察凝膠微觀結構 用Hitachi SU-8010 型掃描電鏡來觀察HWPIEGCG 乳液凝膠。在掃描之前，需要對凝膠樣品進行預處理：1）雙固定：首先將樣品先后在2.5%的戊二醛溶液和1%的鋨酸溶液中固定，最后用pH 7.0 的磷酸緩沖液漂洗樣品；2）脫水：用梯度濃度（包括30%，50%，70%，80%，90%，95%和100%）的乙醇溶液對雙固定后的樣品進行脫水處理；3）干燥：將脫水后的凝膠在Hitachi HCP-2 型臨界點干燥儀中進行干燥。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 試驗均設置3 組平行對照，且重復3 次。試驗數(shù)據(jù)采用Statistix9.0 進行方差分析，用LSD 程序檢驗是否存在顯著性差異（P <0.05）。結果表示為平均值±標準偏差。

2 結果與討論

2.1 EGCG 對乳液性質的影響

2.1.1 乳液平均粒徑和ζ 電位 圖1a 為不同濃度EGCG 修飾對蛋白質乳液粒徑的影響，由圖中可以得到，與對照組相比，低濃度的EGCG 加入使乳狀液粒徑略微增大，而中、高濃度的EGCG 使乳狀液粒徑變小。平均粒徑小的乳液中，多酚和蛋白質可以更有效地吸附在油水界面上，使乳液體系更穩(wěn)定。

圖1b 為不同濃度EGCG 修飾對蛋白質乳液Zeta 電位的影響，由圖中可以得出，與對照組相比，EGCG 的加入使蛋白質乳液的Zeta 電位絕對值變大，且隨著EGCG 濃度的增加，乳液Zeta 電位的絕對值逐漸增加。乳液的Zeta 電位可以反映乳液中吸附在油-水界面的蛋白質分子之間的排斥力[26]。乳液的Zeta 電位絕對值越大，乳液液滴間的斥力越大，從而阻止了乳液液滴的聚集，防止出現(xiàn)蛋白質絮凝。

圖1 與不同濃度EGCG 反應后，蛋白質乳液的粒徑和Zeta 電位Fig.1 Particle size distribution and zeta potential of emulsion treated by different concentrations of EGCG

所以綜合乳液粒徑和Zeta 電位的結果來看，中、高濃度EGCG 對蛋白質修飾使其形成的乳液更加穩(wěn)定。

2.1.2 蛋白質界面吸附量 圖2為不同濃度EGCG 修飾對蛋白質乳液中界面蛋白吸附的影響。從圖中可以看出，與對照組相比，EGCG 的加入增加了蛋白質乳液中界面蛋白吸附量，且隨著EGCG 濃度的增加，乳液的界面蛋白吸附量增大。其中，在高濃度條件下，EGCG 的加入使乳液的界面蛋白吸附量增加了9%，增加最顯著。這是由于EGCG 的化學結構中的多個疏水性苯環(huán)和親水性羥基基團有利于界面吸附膜的表面性質，所以EGCG 與HWPI 反應后增加了蛋白質的界面吸附量。

圖2 與不同濃度EGCG 反應后乳液中界面蛋白的含量Fig.2 The content of interfacial protein in emulsion treated by different concentrations of EGCG

2.1.3 乳液微觀結構的觀察 圖3為乳液的CLSM 微觀結構圖。從圖中可以看出，與對照組相比，EGCG 的添加使HWPI 乳液油滴分布更均勻，且隨著EGCG 濃度的升高，乳液液滴粒徑變小，該趨勢與乳液平均粒徑結果相一致。Sabouri 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，與未加入EGCG 的乳液相比，加入了EGCG 的乳液的界面彈性模量顯著提高，更有利于乳液界面的穩(wěn)定性。多酚改變了HWPI 的微觀結構，使其形成的乳液液滴平均粒徑減小，液滴表面帶電量增大，體系趨于穩(wěn)定。另外，在高濃度條件下，EGCG 的加入使乳液中的蛋白質基質呈現(xiàn)一種聚集狀態(tài)。

圖3 與不同濃度EGCG 反應后HWPI 乳液的CLSM 圖Fig.3 CLSM images of HWPI emulsion treated by different concentrations of EGCG

2.2 EGCG 對乳清蛋白乳液冷凝膠特性的影響

2.2.1 凝膠強度和凝膠持水性 由圖4a 可以看出，與對照組凝膠相比，低濃度EGCG 的添加使乳液凝膠的凝膠強度減弱，中、高濃度EGCG 增強了乳液凝膠的凝膠強度。Jongberg 等[28]發(fā)現(xiàn)，低濃度的綠茶提取物增加了肉乳液凝膠在蒸煮過程中的損失并且降低了其凝膠強度，該結論與低濃度EGCG 組凝膠強度趨勢一致。Feng 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的EGCG 能夠增強肌原纖維蛋白凝膠的凝膠強度，說明高濃度的EGCG 有利于蛋白質的膠凝。

從圖4b 中可以看出，EGCG 的加入對HWPI形成的乳液凝膠持水性影響較小，各組之間不存在顯著性差異。

圖4 與不同濃度EGCG 反應后HWPI 形成的乳液凝膠的凝膠強度和持水性Fig.4 Gel strength and water holding capacity of emulsion gel formed by HWPI treated by different concentrations of EGCG

2.2.2 凝膠中相互作用力分析 由圖5a 可以看出，對照組凝膠中幾乎不含靜電作用力，EGCG 的加入明顯增加了HWPI 形成的乳液凝膠中的靜電作用力，且隨著多酚濃度的升高，凝膠中靜電作用力逐漸增強。由于EGCG 的結構中具有多個羥基，EGCG 與HWPI 反應后體系中的帶電基團增多，從而使其形成的凝膠中靜電作用力增強。該結果與Zeta 電位的趨勢一致。

由圖5b 可知，與對照組相比，低濃度EGCG的加入減弱了凝膠中的疏水作用力，而中、高濃度EGCG 明顯增強了凝膠中的疏水作用力，其中高濃度EGCG 組凝膠中的疏水作用力最大。由乳液微觀的CLSM 結果可知，高濃度EGCG 組乳液中蛋白質基質聚集現(xiàn)象最明顯，從而使其形成的凝膠中疏水作用力最大。凝膠中疏水作用力是決定凝膠性質的重要作用力，其結果與凝膠強度的趨勢一致。

從圖5c 中可以看出，與對照組相比，EGCG的加入使HWPI 乳液凝膠中二硫鍵的作用減弱。蛋白質中的自由氨基側鏈組（賴氨酸）、巰基組（半胱氨酸），羰基化合物和其它氨基酸殘基（色氨酸、脯氨酸、蛋氨酸、組氨酸、酪氨酸等）都會因為蛋白質與多酚相互結合而減少[30]，而巰基的損失不利于蛋白質膠凝過程中形成二硫鍵。但是在中、高濃度條件下，EGCG 對乳液凝膠中二硫鍵的影響較小。這可能是由于中、高濃度的EGCG 增強了凝膠體系內的疏水作用力，從而使蛋白質分子之間相互作用增強，增加了巰基與二硫鍵之間的轉化。另外，由Ali 等[31]的結果推測，中、高濃度的EGCG 可能誘導HWPI 的構象發(fā)生改變，使得多酚與蛋白質巰基之間接觸幾率增加。

圖5 與不同濃度EGCG 反應后HWPI 形成的乳液凝膠中的作用力Fig.5 The force in the emulsion gel formed by HWPI treated by different concentrations of EGCG

2.2.3 掃描電鏡對凝膠微觀結構的觀察 圖6為乳液的三維網(wǎng)絡結構SEM 圖像。從圖中可以看出對照組乳液凝膠的微觀結構表面較粗糙，表面孔隙大小不一，孔隙分布不均勻。與對照組相比，高濃度EGEG 組乳液凝膠的微觀結構表面孔隙數(shù)量明顯增多，且孔隙減小，分布更加均一，凝膠表面變得平整。Line 等[32]發(fā)現(xiàn)凝膠的持水性與其結構中的孔隙大小有關，具有較大孔隙的凝膠對水的結合性較小，凝膠持水性較低。從圖中可以看出多酚組凝膠的孔隙大小與對照組差別不大，該結果與凝膠持水性的結果一致。

圖6 與高濃度EGCG 反應后HWPI 形成的乳液凝膠SEM 微觀圖像Fig.6 SEM microscopic images of emulsion gel treated by high concentration of EGCG

3 結論

本文圍繞EGCG 與蛋白質相互作用對乳清蛋白乳液冷凝膠特性的影響規(guī)律展開研究工作。研究結果顯示，EGCG 的添加使蛋白質乳液的粒徑變小，乳液體系中液滴分布更均勻，這與乳液液滴間靜電斥力增大有關；添加EGCG 可以使得乳清蛋白乳液冷凝膠的微觀結構更為致密和均勻，支撐凝膠的疏水作用力、靜電作用力均增強，從而顯著增強了凝膠特性?？偟膩砜?，EGCG 濃度越高，影響程度越大。由此表明，高濃度的EGCG 有助于使蛋白質乳液更加趨于穩(wěn)定，乳液冷凝膠的凝膠特性得到提升。