噴霧干燥對大豆分離蛋白與γ-聚谷氨酸復合物的影響

李嘉慧,謝新華,齊 蕾,朱鴻帥,張波波

(河南農業(yè)大學食品科學技術學院,河南 鄭州 450002)

噴霧干燥技術廣泛應用于食品成分的微膠囊化制備,用于保護和控制活性化合物的釋放,但在干燥過程中,由于霧化和汽化使食品成分受到熱機械應力作用[1],引起食品成分的聚集或解離。當食品成分為蛋白質時,汽化過程的加熱可引起蛋白質變性[2]。

近年來蛋白質與聚電解質形成復合物成為食品配料研究的熱點[3-5],二者形成的復合物可用于保護蛋白結構[6]。γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是一種由D-或L-谷氨酸通過α-氨基和γ-羧基形成γ-酰胺鍵結合而成的陰離子聚電解質[7],具有良好的水溶性且無毒無味透明度高,它因具有良好的增稠性、保水性、抗凍性以及可食用性被廣泛應用于食品中[8]。大豆分離蛋白(SPI)具有良好的氨基酸配比,在pH值為4.5時易聚沉,為了提高大豆分離蛋白在酸性條件下的應用,利用帶正電荷的SPI和帶負電荷的γ-PGA靜電相互作用形成復合物,采用噴霧干燥方法研究霧化和加熱過程對SPI-γ-PGA復合物形成的影響,提高蛋白質的熱穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆分離蛋白(蛋白質質量分數90%)購于山東禹王實業(yè)有限公司;γ-聚谷氨酸購于西安四季生物科技有限公司。

1.2 SPI溶液與γ-PGA復合體系的制備

準確稱取5.0 g SPI和γ-PGA分別溶于1 000 mL蒸餾水中,得到濃度為0.5%的SPI溶液和γ-PGA溶液作為儲液[9]。分別取合適體積的SPI和γ-PGA儲液混合,制備SPI與γ-PGA濃度比為10∶1、3∶1、5∶6的混合溶液,制備完成后用2 mol/L的HCL以及NaOH調節(jié)復合溶液的pH值至3.5。

1.3 霧化過程

使用Labplant SD-Basic噴霧干燥儀對SPI-γ-PGA復合體系進行霧化。為探究噴霧干燥過程中施加的剪切作用對復合體系的影響,SPI-γ-PGA復合物以0.4 L/h的速度通過0.5 mm的霧化器噴嘴,通過噴嘴后的霧化液用容器收集進行測試。

1.4 熱處理過程

將不同濃度比的復合體系于80℃下進行水浴加熱,加熱時間分別為1 min(T1)、2 min(T2)、3 min(T3)和4 min(T4)。將未經加熱的復合物(T0)作為對比[10]。

1.5 噴霧干燥過程

使用Labplant SD-Basic噴霧干燥儀對SPI-γ-PGA復合體系進行干燥,液體樣品以0.4 L/h的速度進行干燥,得到的粉末制備復合物懸浮液進行指標測定。

1.6 濁度的測定

使用分光光度計于600 nm處測定制備的混合液的吸光度值,每個樣品重復3次測量[11]。

1.7 粒徑的測定

復合體系粒度分布使用Beckman Coulter激光粒度分析儀進行測定,由3個獨立樣品的3次進樣計算出體積加權平均直徑D[4,3][12]。

1.8 ζ-電位的測定

采用Malvern Nano ZS儀對復合體系的ζ-電位進行測定,將復合溶液放入樣品池中進行測定,每個樣品重復3次[13]。

1.9 表面疏水性的測定

使用ANS熒光探針法測定蛋白質表面疏水性。將制備好的不同復合體系以4 000 r/min的速度離心20 min,上清液用pH3.5的蒸餾水依次稀釋,使用Lowry法測定稀釋后上清液中蛋白質的質量濃度,使其在0.07～0.67 mg/mL之間。取稀釋后的樣品4 mL,加入50 μL濃度為8 mmol/L的ANS溶液,充分混勻后靜置10 min,在330 nm的激發(fā)波長和490 nm的發(fā)射波長下測定其熒光強度,狹縫為5 nm。以蛋白質質量濃度為橫坐標,熒光強度為縱坐標作圖,曲線初始階段的斜率即為蛋白質分子的表面疏水性[14]。

1.10 數據分析

使用SPSS16.0對數據進行統(tǒng)計分析,用Origin8.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 霧化過程對SPI-γ-PGA復合物性質的影響

由圖1(a)、(b)可知,霧化前,隨著γ-PGA濃度增大,SPI-γ-PGA復合體系的濁度增大,而復合體系的粒徑在3∶1時達最大,這說明隨著γ-PGA增大,SPI與γ-PGA形成更多的復合物,引起濁度增大。當γ-PGA添加過量時(SPI與γ-PGA濃度比為5∶6),復合體系的粒徑降低,這是由于γ-PGA過量時,使復合物含有大量的負電荷,產生靜電斥力導致粒徑降低,可由圖1(c)證實,在SPI與γ-PGA濃度比為5∶6時,復合體系ζ-電位為負值;同時復合體系疏水性也呈增大的趨勢,可由圖1(d)證實,這是因為恒定數量的帶正電的SPI分子被增加的帶負電的γ-PGA中和,復合體系ζ-電位的絕對值增大,蛋白質較穩(wěn)定地分散開來,表面疏水性基團暴露較多[15]。

圖1 霧化過程對SPI-γ-PGA復合物濁度(a)、粒徑(b)、ζ-電位(c)和表面疏水性(d)的影響

霧化后,在SPI與γ-PGA比例為10∶1和3∶1時,粒徑均顯著降低,這是因為復合物在經過噴嘴時的剪切力作用而部分分解[16],大尺寸的復合物分解成眾多尺寸較小的復合物,體系濁度并未明顯降低,而在γ-PGA過量時,由于復合物本身粒徑微小,部分分解后濁度顯著降低,而粒徑變化較小。霧化后,在SPI與γ-PGA比例為10∶1和5∶6時,ζ-電位絕對值顯著降低,而在SPI與γ-PGA比例為3∶1,ζ-電位絕對值反而增大了,這是因為霧化后SPI與γ-PGA形成的復合物部分解離,導致復合體系電荷量發(fā)生變化,霧化后表面疏水性的變化與ζ-電位絕對值的變化相一致,這是因為此時ζ-電位絕對值越大,蛋白質分子聚集的傾向越小,團聚后表面疏水基團相應增大[17]。

2.2 加熱過程對SPI-γ-PGA復合物性質的影響

由圖2(a)、(b)可知,加熱對SPI與γ-PGA復合物的濁度和粒徑有顯著影響。當SPI與γ-PGA濃度比為10∶1時,隨著加熱時間的增加,復合物濁度值由1.914增加至2.196,粒徑也由90.54 μm增至163.66 μm。當SPI與γ-PGA濃度比為3∶1時,熱處理也使復合物的粒徑有所增加,粒徑從92.335 μm增至164.077 μm。這是因為在γ-PGA低濃度時,加熱使得過多的蛋白質分子內部的疏水性基團暴露,發(fā)生了疏水性聚集(這由圖2 (d)顯示隨加熱時間延長復合體系的表面疏水性顯著性增大證實),引起蛋白質分子粒徑變大,濁度也相應增高[14]。在SPI與γ-PGA濃度比為5∶6時,復合物的濁度和粒徑變化不明顯,說明復合物對大豆蛋白的熱變性有保護作用[18]。

圖2 加熱過程對SPI-γ-PGA復合物濁度(a)、粒徑(b)、ζ-電位(c)和表面疏水性(d)的影響

圖2(c)、(d)顯示,當SPI與γ-PGA濃度比為10∶1時,隨著加熱時間的增加,熱處理降低了復合物的ζ-電位,其表面疏水性有增加;在SPI與γ-PGA濃度比為5∶6時,復合物的ζ-電位差異不顯著,而表面疏水性增加,這是因為熱處理破壞了復合物的結構,使復合物中的γ-PGA及蛋白質的疏水位點的陰離子基團暴露引起的[19]。

2.3 霧化后加熱對SPI-γ-PGA復合物性質的影響

為了更好地模擬噴霧干燥過程,對復合物進行了噴霧后加熱處理,結果如圖3所示,SPI與γ-PGA比例為10∶1時,熱處理使復合物的濁度顯著增大,粒徑基本保持在60 μm左右,這可能是因為加熱使游離的SPI分子部分聚集引起的,這與復合物僅經過熱處理結果一致;SPI與γ-PGA比例為3∶1時,熱處理使霧化后的SPI-γ-PGA復合物濁度略有降低,粒徑卻顯著增大至317.19 μm,說明此時熱處理使SPI暴露更多的正電荷基團與γ-PGA負電荷結合,這可由圖3(c)ζ-電位絕對值降低證明,也說明霧化后的復合物對熱處理更敏感;當SPI與γ-PGA比例為5∶6時,復合物的濁度和粒徑都略有降低,這也是由于復合物的熱解離造成的,且此時γ-PGA過量,帶有負電荷的復合物可通過靜電排斥作用防止分子間的聚集[20]。

圖3 霧化后加熱對SPI-γ-PGA復合物濁度(a)、粒徑(b)、ζ-電位(c)和表面疏水性(d)的影響

圖3(c)、(d)顯示,當SPI與γ-PGA濃度比為10∶1時,熱處理使ζ-電位由負值變?yōu)檎?且隨著加熱時間的增加逐漸減小,疏水性也呈現出驟然增大后又逐漸減小的趨勢,這是因為加熱使SPI分子發(fā)生熱變性導致蛋白質內部的一些帶電基團以及疏水性殘基暴露到分子外部,隨著加熱時間的延長,ζ-電位及疏水性下降。當SPI與γ-PGA濃度比為3∶1和5∶6時,復合物的ζ-電位絕對值和表面疏水性均逐漸減小,這是由于加熱使形成的復合物進一步聚集[21],這也體現出添加足夠的γ-PGA對蛋白質的保護作用。

2.4 噴霧干燥對SPI-γ-PGA復合物性質的影響

由圖4(a)、(b)可知,復合物經過噴霧干燥后,復合物的濁度和粒徑與圖1(a)、(b)噴霧的變化趨勢一致,而在三組濃度下復合物粒徑均顯著降低,這是因為復合物不僅受剪切力作用,同時也受瞬間高溫影響,使料液水分快速蒸發(fā),顆粒表面收縮,引起粒徑的減小[22]。與霧化后再進行水浴加熱的樣品相比,通過整個噴霧干燥過程的復合物粒徑更小,在高濃度的γ-PGA下,濁度也降至更低的數值,這是因為水浴加熱是使體系的溫度緩慢升高,而噴霧干燥使霧狀液滴與熱空氣均勻混合,瞬間完成干燥過程,伴隨著更大的熱機械應力[23]。由圖4(c)、(d)可知,經過噴霧干燥復合物的ζ-電位絕對值增大,表面疏水性增加,是由于霧化使得復合物部分解離,負電荷量增大[24]。

圖4 噴霧干燥對SPI-γ-PGA復合物濁度(a)、粒徑(b)、ζ-電位(c)和表面疏水性(d)的影響

3 結論

在pH值為3.5條件下制備了SPI與γ-PGA濃度比為10∶1、3∶1及5∶6的復合物,霧化由于剪切力的作用使復合物的解離形成小的復合物;在濃度比為10∶1時,加熱使過量的蛋白質分子聚集;SPI與γ-PGA濃度比3∶1時,加熱使復合物聚集;SPI與γ-PGA濃度比為5∶6時,加熱使復合物發(fā)生解離。噴霧干燥的復合物與霧化后再進行加熱的復合物相比解離程度更大,ζ-電位絕對值增大,表面疏水性增大,說明高濃度的γ-PGA與SPI形成的復合物可避免蛋白質的聚集,有利于保護蛋白質,防止蛋白質變性。