馬鈴薯蛋白-黃原膠復(fù)合物的制備及微流變特性

中圖分類號：TS235.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.07.030

文章編號：1000-9973（2025）07-0204-06

Preparation and Microrheological Properties of Potato Protein-Xanthan Gum Complex

JI Yue1'2，LIU Yang1，LI Shuai-hao1，WEI Jia-yi1，WANG Yu1 ， ZHANG Yan-yan1，2，LIU Xing-li1，2 * （1.College of Food and Bioengineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450001， China；2. Key Laboratory of Cold Chain Food Processing and Safety Control，Ministry of Education，Zhengzhou 45000l，China）

Abstract： Potato protein and xanthan gum are used as the raw materials to prepare complex， and the changes of particle size，potential，secondary structure，microrheological properties and microstructure of potato protein-xanthan gum complexes in three different states are studied. The results show that in the phase separation state，the particle size is the largest， while the potential and surface hydrophobicity are the smallest. This may be due to the enhanced electrostatic interaction，which forms larger aggregates and leads to intermolecular self aggregation. During the process of complexes from mutual dissolution to phase separation，the β -fold gradually increases，while the β -angle gradually decreases，and the α -helix and random coil remain stable，indicating thatthe protein structurechanges fromlooseto tight.Theanalysis of microrheological properties shows that the complex in the phase separation state has the highest macroscopic viscosity factor value and the largest viscosity，and the speed of particle movement slows down. There are strong forces among the emulsion droplets，making the system more stable. This study has provided a certain reference for the in-depth research and product development of potato protein，improved the utilization rate of potato protein，and expanded its application scope.

Keywords：potato protein；complex；aggregation；microrheology

馬鈴薯蛋白（PP）是馬鈴薯淀粉加工后的副產(chǎn)物[1]，具有多種均衡的氨基酸組分[2]。人體必需氨基酸如蘇氨酸、色氨酸、蛋氨酸和其他糧食缺乏的賴氨酸都可以通過馬鈴薯蛋白獲取，且含量高于其他植物蛋白質(zhì)，相當(dāng)于雞蛋中蛋白質(zhì)所含有的營養(yǎng)成分[3-4]。氨基酸組成與動物蛋白和溶酶菌相當(dāng)，具有很高的利用價值[5-6]。馬鈴薯加工以生產(chǎn)淀粉為主，淀粉提取工藝廢水中的主要有機物為蛋白質(zhì)，但是目前馬鈴薯淀粉廢水大多直接排放，既浪費資源又污染環(huán)境[]。由于高溫變性，大多數(shù)PP在加工過程中不溶于水，低溶解度限制了其作為食品加工原料的使用[8]。若能更好地開發(fā)利用PP資源，提高蛋白質(zhì)利用率，將有限提升馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)的綜合利用。

蛋白質(zhì)和多糖是自然界中重要的生物大分子，對食物的結(jié)構(gòu)、性能等有重大影響[9]。當(dāng)單獨使用蛋白質(zhì)時，食品可能沒有優(yōu)異的質(zhì)構(gòu)、味道和其他品質(zhì)。添加多糖是提高食品質(zhì)量的常用方法。它們形成的復(fù)合物不僅具有兩種大分子的營養(yǎng)特性，而且比單一大分子具有更理想的功能特性[10]。盡管多種物理作用的協(xié)同效應(yīng)會影響復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，但靜電相互作用依然起著主導(dǎo)作用[11-12]。

黃原膠具有獨特的流變性、優(yōu)良的增稠性、懸浮性、乳化性和水溶性，并具有良好的熱、酸堿穩(wěn)定性，與多種鹽類有很好的相容性[13]。通過在食品中添加黃原膠，可以改善產(chǎn)品的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、味道、外觀等[14]，因此黃原膠被廣泛應(yīng)用于食品中，是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大且用途極廣泛的微生物多糖[15]。李湘鑾等[16]探究了黃原膠對反復(fù)凍融豬肉的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其能夠提高豬肉的保水性，降低蒸煮損失率；劉樹萍等[14]探究了黃原膠對牛肉丸的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可以提高牛肉丸的咀嚼性與彈性，并且能有效降低牛肉丸的蒸煮損失率和改善色差；王嫣等[17]探究了黃原膠對番茄沙司黏度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加適量黃原膠能進一步提高其黏度和穩(wěn)定性；朱香杰等[18]探究了添加馬鈴薯蛋白-黃原膠復(fù)合物的無麩質(zhì)大米面團，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯蛋白-黃原膠復(fù)合物提高了無麩質(zhì)面團的持氣性，增加了比容；楊龍松[19]探究了馬鈴薯蛋白-黃原膠復(fù)合物對餃子皮的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其減緩了水分在凍融過程中的遷移，降低了蒸煮損失率。

蛋白質(zhì)與多糖溶液混合發(fā)生靜電作用[2，因其性質(zhì)、溶液組成不同，它們呈現(xiàn)出相互吸引和相互排斥的狀態(tài)，從而形成3種狀態(tài)的復(fù)合體[21]；互溶狀態(tài)（misciblestate）、靜電相互作用形成的共溶狀態(tài)（cosolubilitystate）和相分離狀態(tài)（phase separation state）[22-23]。本文選取馬鈴薯蛋白和黃原膠為原料，制備了3種不同狀態(tài)的馬鈴薯蛋白-黃原膠復(fù)合物（PPXGC），研究了復(fù)合物的粒徑、電位、二級結(jié)構(gòu)、微流變特性、微觀結(jié)構(gòu)等的變化，為二者的開發(fā)利用提供了重要的理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1. 1 材料與試劑

馬鈴薯蛋白：蘭州沃特萊斯生物科技有限公司；黃原膠：上海藥巢生物工程有限公司；大豆油：益海嘉里金龍魚糧油食品集團股份有限公司；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、十二烷基硫酸鈉：天津市大茂化學(xué)試劑廠；8-苯胺-1-萘磺酸（ANS）：上海麥克林生化科技有限公司；溴化鉀：天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

1.2 儀器與設(shè)備

AL204分析天平梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；UVWin6紫外分光光度計北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；LGJ-50FD冷凍干燥機北京松源華興科技發(fā)展有限公司；F-7000熒光分光光度計日本日立公司；Vertex7O 傅里葉變換紅外光譜儀美國賽默飛世爾科技公司；FA25高剪切分散乳化機上海弗魯克流體機械制造有限公司；RheolaserMaster光學(xué)法微流變儀法國Formulaction儀器公司；NanoManVS原子力顯微鏡美國布魯克公司；Nano-ZS90 納米激光粒度儀英國馬爾文儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1不同狀態(tài)馬鈴薯蛋白多糖復(fù)合物的制備

將馬鈴薯蛋白和黃原膠分別溶解于去離子水中，攪拌 3h 后置于 4°C 冰箱中過夜。將兩種溶液用攪拌器攪拌 至混勻。用 1mol/L 的HCI溶液調(diào)節(jié)溶液至3種不同狀態(tài)：相分離狀態(tài)（ PSS，pH2.69 ）、共溶狀態(tài)（CSs s，pH4.96 、互溶狀態(tài)（MS， pH7.48） 。在 85°C 水浴加熱 30min 后迅速冷卻至室溫，凍干保存。最后，研磨粉碎后過100目篩備用[24]

1.3.2 粒徑的測定

采用納米激光粒度儀測定復(fù)合物的粒徑。測定溫度為 25°C ，平衡時間為 2min 。

1.3.3 5 -電位的測定

采用納米激光粒度儀測定復(fù)合物的電位。測定溫度為 25°C ，平衡時間為 2min 。

1.3.4表面疏水性的測定

用一定濃度的PBS溶液稀釋樣品至不同蛋白濃度，加入ANS溶液后避光反應(yīng)。使用熒光分光光度計在激發(fā)波長 390nm 、發(fā)射波長 470nm 、狹縫 5nm 下記錄樣品的熒光強度。以蛋白質(zhì)濃度為橫坐標(biāo)、熒光強度為縱坐標(biāo)擬合曲線，斜率即為樣品的表面疏水性 （H₀）^[25] （204

1.3.5二級結(jié)構(gòu)的測定

將PPXGC和溴化鉀按 1：100 的比例研磨混合，將混合物壓制成均勻的薄片。置于Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀中掃描其在 4000～400cm^-1 范圍內(nèi) 的紅外光譜[18]

采用PeakFit4.12對酰胺I帶 （1700cm～1600^-1. ）進行圖譜分析，對樣品的紅外圖譜進行基線校正，校正后進行二階導(dǎo)數(shù)擬合，直至擬合殘差最小。

1.3.6 微流變特性的測定

將PPXGC粉末溶于去離子水中，然后與大豆油按3：1 混合，經(jīng)高速均質(zhì)機均質(zhì) 2min 。利用RheolaserMaster光學(xué)法微流變儀，采用擴散波譜動態(tài)光散射技術(shù)，分析3 種狀態(tài)PPXGC乳液液滴的布朗運動[26]。測定液滴均方根位移（MSD）隨時間變化的布朗運動，參數(shù)設(shè)定：樣品體積 20mL ，溫度 25°C ，測量時間 3h^[27]"。

1.3.7 微觀形貌的測定

根據(jù)胡靜[28]、李銀麗[29]的方法，使用Bruker離線分析軟件NanoScopeAnalysisV1.5對圖譜進行分析和計算。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析

采用Origin8.5進行繪圖和方程擬合，所有實驗均重復(fù)3次，使用SPSS26.0統(tǒng)計軟件進行差異顯著性分析，數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Duncan's多重比較法進行顯著性檢驗（ ?Plt;0.05 表示差異顯著）。

2 結(jié)果與分析

2.1不同狀態(tài)下PPXGC的粒徑、電位、表面疏水性表1不同狀態(tài)下馬鈴薯蛋白-黃原膠復(fù)合物的粒徑、電位、表面疏水性

注：同列不同小寫字母表示差異顯著 （Plt;0.05） 。

由表1可知，PSS-PPXGC的粒徑最大 （205.37nm） ，這可能是因為加熱導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子被破壞，與多糖的結(jié)合位點增加，相互作用增強，形成較大的聚集體，發(fā)生分子間自聚集[24]。當(dāng) pH 改變至等電點附近時，蛋白質(zhì)表面局部區(qū)域電荷與多糖電荷相反，兩者相互吸引，形成可溶性復(fù)合物。當(dāng) ΔpH 低于等電點時，蛋白質(zhì)整體電荷與多糖電荷相同，發(fā)生相分離，形成不溶性復(fù)合物。另外，研究發(fā)現(xiàn)，強電解質(zhì)如卡拉膠與蛋白質(zhì)形成的不溶性復(fù)合物結(jié)構(gòu)更類似于“沉淀\"[30-31] 。

5 -電位可表征蛋白質(zhì)表面電荷。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變對蛋白質(zhì)表面電荷量有影響。在互溶到相分離狀態(tài)的過程中， 5 -電位都呈升高趨勢。在互溶狀態(tài)下，PP和黃原膠具有相同電荷，兩者相互排斥，但由于兩者濃度低，有可能通過進一步的混合形成共溶體系；在共溶到相分離狀態(tài)下，兩者帶有相反電荷，發(fā)生靜電吸附形成復(fù)合物。當(dāng)馬鈴薯蛋白和黃原膠恢復(fù)到共溶體系時，兩者形成的復(fù)合物的結(jié)合程度會漸漸降低至完全解離[32]。

蛋白質(zhì)的表面疏水性隨著粒徑的增大而降低[33]。粒徑大表示蛋白質(zhì)形成更多的聚集體，疏水基團向內(nèi)卷，使親水基團暴露在表面，降低表面疏水性[34]；反之，粒徑小表示聚集體少，表面疏水性增加[33]。由表1可知，從MS到PSS，蛋白質(zhì)粒徑從 71.65nm 升至 205.37nm ，表面疏水性從256.7降至72.92。

2.2 不同狀態(tài)下PPXGC的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)包含 α -螺旋、 β 折疊、 .β 轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲。通過分析二級結(jié)構(gòu)中不同結(jié)構(gòu)所占的比例，可以研究蛋白質(zhì)折疊、去折疊及聚集過程[21]。

由圖1可知，在互溶到相分離的過程中， β^. 折疊由28.32% 增加到 33.83% ，呈逐漸增加的趨勢，而 β 轉(zhuǎn)角由 26.32% 減少到 22.03% ，呈逐漸減少的趨勢，其他兩個結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，說明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)由松散向緊密轉(zhuǎn)化。在相分離狀態(tài)下，復(fù)合物具有較高的 β -折疊含量和較低的 α -螺旋含量，表明此時形成了蛋白質(zhì)聚集體。

2.3 不同狀態(tài)下PPXGC的微流變特性

2.3.1 MSD曲線注： A～C 分別為PSS、CSS、MS。

MSD曲線反映PPXGC的黏彈性特征。MSD曲線去相關(guān)時間由長位移向短位移轉(zhuǎn)變，即彈性增加；去相關(guān)時間由短向長的MSD曲線變化表明黏度增加。由圖2可知，PSS變化最顯著，其彈性平臺區(qū)的MSD值最低，說明該復(fù)合物體系的黏度最高。

由圖2可知，PSS乳液的MSD曲線表現(xiàn)出平臺區(qū)，表明微滴間相互作用力強，體系黏彈性高。隨著時間的延長，液滴內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響粒子運動，導(dǎo)致速度減慢形成平臺區(qū)。相反，MS的MSD曲線未形成平臺區(qū)，表明PSS提高了乳液的微流變特性，增強了彈性與黏度，并形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[35]

2.3.2 MVI、EI、SLB和 FI

樣品的彈性大小和宏觀黏度分別用彈性指數(shù)（EI）和宏觀黏度指數(shù)（MVI表示，這也可以從MSD曲線中獲得。EI對應(yīng)MSD平臺值的倒數(shù)，EI越大，表示粒子在與網(wǎng)絡(luò)交互之前行進的距離越短。MVI為乳液在零剪切速率下的黏度。具體來說，MVI越大，表明體系的結(jié)構(gòu)越強，即表征體系結(jié)構(gòu)具有能更好承受低剪切效應(yīng)的能力，這意味著乳液的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，更不容易發(fā)生形變[36]。

由圖3可知，PSS的MVI最大，表明相較于CSS和MS，PSS的黏度更大。隨著從CSS到PSS的轉(zhuǎn)變，PPXGC乳液的MVI逐漸增大，黏度逐漸增加，穩(wěn)定性逐漸增強。MVI越大，表明該體系越穩(wěn)定。PSS乳液的EI較低，說明乳液液滴間的相互作用較弱。而隨著乳液從CSS轉(zhuǎn)變到PSS，其EI逐漸增加，表明乳液的結(jié)構(gòu)變得更致密，彈性增加，液滴間的相互作用隨之增強，從而穩(wěn)定性得到提高。EI的變化與乳液的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，當(dāng)EI增大時，表示乳液形成更致密的結(jié)構(gòu)，這可能是因為表面蛋白濃度和界面層厚度的增加，防止液滴的破壞和聚集，提高乳液的穩(wěn)定性[27，37]。EI和 MVI的增加很可能是由于液滴間阻力較大，這是存在更多乳化液滴所致，液滴的緊密接觸可能會促進它們在水相中的空間重排，從而形成致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)[38]。

在研究MSD曲線時，經(jīng)常會注意到平臺區(qū)的斜率，而這個斜率通常以固液平衡（SLB）來表示。SLB能夠反映樣品在類固體和類液體兩種性質(zhì)中所占的比率，進而反映乳液的固液特性。具體來說， SLB=0 時，樣品呈現(xiàn)純彈性狀態(tài)，即其行為更接近固體； 01 時表示有沉積物出現(xiàn)。

由圖4中A可知，3種狀態(tài)下PPXGC的SLB均大于0.5，這意味著樣品的行為更像液體而不是固體。初始時，PSS和CSS乳液的SLB接近1，但隨著時間的推移，SLB逐漸減小，直到穩(wěn)定在0.6左右。MS乳液的SLB最高，為0.7，表明乳液的乳化性相對較差。斜率越高，說明顆粒的運動速度越快，表明樣品的黏度降低。相反，低斜率表明液滴的移動速度減慢，這是由于它們受到“籠子\"的阻礙，表明樣品具有彈性。在乳液體系中，液滴運動速率較低時，可以認(rèn)為乳液體系處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這是因為液滴之間的相互作用力較強，能夠抵消液滴的沉降趨勢。乳液體系中的乳化劑能夠吸附在液滴表面形成一層薄膜，這種薄膜能夠減弱液滴之間的相互作用力，從而穩(wěn)定乳液體系。然而，當(dāng)液滴的運動速率過高時，可能出現(xiàn)液滴的沉降和乳液的相分離現(xiàn)象，這是因為液滴的運動速率過高導(dǎo)致液滴之間的相互作用力不足以抵消液滴的沉降趨勢。

FI（流動指數(shù)）表征了系統(tǒng)中液滴的運動速度，數(shù)值越大，說明粒子的流動性越強，同時與MVI呈負(fù)相關(guān)[41]。3種狀態(tài)下PPXGC乳液的FI見圖4中B。

由圖4中B可知，MS樣品乳液的FI最高，表明其乳液流動性最快，這主要是因為MS乳液的黏度相對較小，液滴的運動速度更快。從CSS到PSS過程中，乳液的FI下降，乳液的黏度增加，導(dǎo)致粒子運動速度變慢，說明在PPXGC的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)過程中，靜電效應(yīng)對布朗運動的促進作用顯著，這種作用可能對乳液的穩(wěn)定性和均一性產(chǎn)生重要影響[27]。

2.4AFM表征不同狀態(tài)下PPXGC的微觀形貌

原子力顯微鏡是一種先進的顯微技術(shù)，被廣泛用于研究蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的電子顯微鏡相比，原子力顯微鏡通過測量樣品表面的相互作用力，并通過探針的移動和振動來獲得高分辨率的圖像，這使得原子力顯微鏡成為研究生物大分子如蛋白質(zhì)的理想工具[27，42-43]。3 種狀態(tài)下 PPXGC 的原子力顯微鏡圖譜見圖5。

注： A～C 分別為PSS、CSS、MS。

在互溶狀態(tài)時，黃原膠和馬鈴薯蛋白均帶負(fù)電荷，不發(fā)生靜電相互作用，從互溶狀態(tài)到相分離狀態(tài)過程中，黃原膠和馬鈴薯蛋白帶相反電荷，此時在靜電作用下相互吸引，二者進行絡(luò)合，發(fā)生聚集[44]。原子力顯微圖像也證實了不同狀態(tài)下復(fù)合物的形態(tài)和大小變化。

3結(jié)論

本實驗以馬鈴薯蛋白和黃原膠為原料制備復(fù)合物，探究了3種不同狀態(tài)下PPXGC的粒徑分布、電位、二級結(jié)構(gòu)、微流變特性等的變化。結(jié)果表明，從互溶到相分離的過程中，復(fù)合物粒徑逐漸增大，電位、表面疏水性均呈現(xiàn)降低趨勢，可能是因為靜電相互作用增強，形成了較大的聚集體，出現(xiàn)了分子間自聚集；在此過程中， β 折疊逐漸增大，而 β 轉(zhuǎn)角逐漸減小， α -螺旋與無規(guī)則卷曲基本穩(wěn)定，說明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)由松散向緊密轉(zhuǎn)化。微流變特性分析表明互溶狀態(tài)下乳液的MVI、EI最小，SLB、FI最大，說明互溶狀態(tài)下乳液體系最不穩(wěn)定，相分離狀態(tài)下MVI最大，黏度最大，粒子運動速度減慢，體系更穩(wěn)定。

馬鈴薯蛋白獨特的組成決定了其營養(yǎng)價值，其具有良好的乳化性和溶解性，在食品領(lǐng)域具有巨大潛力。提取PP常使用的酸堿沉淀法存在多種問題，因此除了常規(guī)方法外，蛋白改性是另一條途徑[45]。本研究為將PPXGC應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)提供了一定參考，提高了馬鈴薯蛋白的利用率，擴大了其應(yīng)用范圍。

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