動態高壓微射流技術對β-乳球蛋白微觀結構的影響

鐘俊楨，劉成梅，劉 偉，蔡小飛，徐雨佳

(南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，南昌大學中德食品工程中心，江西南昌 330047)

動態高壓微射流技術對β-乳球蛋白微觀結構的影響

鐘俊楨，劉成梅*，劉 偉，蔡小飛，徐雨佳

(南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，南昌大學中德食品工程中心，江西南昌 330047)

采用動態高壓微射流技術(DHPM)處理β－乳球蛋白，研究DHPM對β－乳球蛋白微觀結構的影響。實驗結果表明，未處理的β－乳球蛋白的微觀結構表現為球體且分布緊湊。隨著DHPM處理壓力的逐漸增大，β－乳球蛋白分子被逐漸打散，大部分顆粒逐漸變細。然而僅有小部分β－乳球蛋白分子在經過100MPa和150MPa處理后，發生了部分團聚現象，分別形成不同聚集體的形貌結構。

動態高壓微射流技術，β－乳球蛋白，微觀結構，原子力顯微鏡

β－乳球蛋白(β－Lg)是乳清中的主要成分，它被廣泛應用于食品中作為一種功能性原料。天然的β－Lg是一種球形蛋白，總共包含162個氨基酸分子，分子量大約為18ku［1］。β－乳球蛋白在經過高壓、熱處理等物理手段處理后，其構象會發生一定程度的改變，導致一個或多個半胱氨酸殘基失活，促使蛋白質與蛋白質間的交互作用發生改變，從而引起其微觀結構變化［2］。近幾年，高壓技術被廣泛應用于食品及蛋白質構象變化研究中，它主要包含靜高壓(HHP)和動態高壓［3］。其中，動態高壓微射流技術(DHPM)是一種新興的動態高壓技術。動態高壓微射流技術是集輸送、混合、濕法粉碎、均質等多單元操作于一體的全新技術，能對物料(液－液相或液－固相)進行強烈剪切、高速撞擊、壓力瞬時釋放、高頻振蕩、膨爆和氣穴作用等一系列的綜合作用，從而起到超微細化、乳化和均一化效果，進而對其理化性質產生影響［4］。目前，這項技術已應用于一些蛋白質和酶的活性與結構的研究中，Hayes等報道脫脂牛乳經200MPa高壓均質后其酪蛋白膠態離子的粒徑有一定程度的降低［5］;Floury等發現動態高壓處理大豆11S球蛋白可導致蛋白質伸展和聚合［6］;本課題組也報道了動態高壓微射流對乳清蛋白的功能及結構影響［7］和β－乳球蛋白的過敏性影響［8］。本實驗著重探討經動態高壓微射流技術處理后的β－乳球蛋白微觀結構的變化，以期為改性β－乳球蛋白在乳制品中的應用提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

β－乳球蛋白 購于上海Sigma公司，其純度為90%以上。

M－7125Microfluidics微射流均質機 美國Microfluidics公司;S－750型掃描電鏡 日本日立公司;AJ－V型原子力顯微鏡 上海卓倫微納米設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 動態高壓微射流處理方法 將β－乳球蛋白配成一定濃度的溶液，采用微射流均質機在0、50、100、150、200MPa下對β－乳球蛋白分別處理三次。每個壓力水平下獲取50mL β－乳球蛋白溶液［9］。

1.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)形貌分析 將0、50、100、150、200MPa微射流技術處理后的β－乳球蛋白溶液經冷凍干燥后，將樣品粘于臺上并噴鍍電導層，然后在高分辨率掃描電子顯微鏡下觀察β－乳球蛋白的形貌變化［10］。

1.2.3 原子力顯微鏡(AFM)成像觀測 將10μL的樣品溶液滴在新解離的云母表面，成像之前在空氣中干燥1～2h。AFM成像觀測是在超凈工作間的室溫中進行的，所有的測量都是在空氣中進行的。因此，在實驗中選用輕敲模式下的原子力顯微鏡(AJV－AFM)，共振頻率大約為 80kHz，彈性系數為1.8N/m，掃描速率為0.2～2line/s。采用原子力顯微鏡自帶數據處理軟件對圖像進行處理［11］。

實驗都在超凈間實驗室進行，實驗溫度為25℃，空氣濕度為40%～50%。

2 結果與分析

2.1 掃描電子顯微鏡形貌分析

不同壓力處理后的β－乳球蛋白的微觀形貌圖如圖1所示。圖1(a)顯示的是未處理的β－乳球蛋白的電鏡掃描圖，從此圖中可見，未處理的β－乳球蛋白表現為許多小球體緊湊地團聚在一起，并同時伴隨著一些纖維狀的聚集體。當樣品經過DHPM 50MPa壓力處理后，如圖1(b)所示，β－乳球蛋白的團聚體被打散，結構變得松散。從此圖中還可以看出，β－乳球蛋白的微觀結構表現為單個球體的特征，球體的大小相較于未處理樣品變小。隨著處理壓力的持續增大達到100MPa時，大部分的β－乳球蛋白分子被打散形成更細小的球體微觀結構，但同時小部分的分子在壓力作用下發生了團聚現象，表現為塊狀結構及纖維狀聚集體。當DHPM壓力增加到150MPa時，如圖1(d)所示，大部分的β－乳球蛋白分子進一步被細化形成微小的顆粒狀，然而仍有一些分子在動態高壓作用下，聚集形成三個球體狀的微觀結構。當β－乳球蛋白經過200MPa高壓處理后，β－乳球蛋白的球體狀結構遭到破壞，大部分的分子均被打散，形成更細小的顆粒狀。

本課題組在前期利用DHPM處理乳清蛋白研究其功能性質與聚集體的關系中發現，SEM結果圖顯示未處理的乳清蛋白呈現球狀且緊湊的結構。隨著DHPM處理壓力的持續上升，乳清蛋白的球體結構消失且會形成塊狀結構，壓力越大，塊狀結構越小［7］。此外，Tunich等研究發現將牛奶等乳制品經過高壓處理后，乳制品中大的脂肪球顆粒也會被打散形成細小的顆粒［12］。

2.2 原子力顯微鏡成像分析

圖2呈現了經DHPM不同壓力處理后的β－乳球蛋白的AFM成像三維圖，反映了不同的處理壓力對樣品表面成像的影響。從圖2中可以看出，未處

圖1 不同壓力處理后β－乳球蛋白SEM圖

圖2 未壓力處理的β－乳球蛋白的AFM圖

圖3 DHPM50MPa處理后β－乳球蛋白的AFM圖

然而當動態高壓微射流壓力上升至100MPa時，其AFM圖顯示，大部分顆粒大小得到進一步的減小并分布均勻，僅有小部分顆粒發生了聚集現象。此外，大部分顆粒的高度消失，少數顆粒聚集成塊狀結構且仍有一定的高度，其高度峰型趨于柱體。隨著壓力的持續增大達到150MPa時，由圖5可見，大部分顆粒被細化且均勻的分布在表面，高度圖消失。僅有少數分子交聯在一起形成兩個分子或三個分子、均一等高的柱形體。當DHPM壓力達到200MPa后，如圖6所示，β－乳球蛋白分子絕大部分被細化，形成細小的顆粒狀，均勻的分布在表面上，此外，立體圖反映其顆粒被細化的同時，其高度完全消失，β－乳球蛋白分子均勻地分布在云母表面，壓力使顆粒變得很細小。

圖4 DHPM 100MPa處理后β－乳球蛋白的AFM圖

圖5 DHPM150MPa處理后β－乳球蛋白的AFM圖

圖6 DHPM200MPa處理后β－乳球蛋白的AFM圖

β－乳球蛋白分子通過非共價鍵連接兩個單體形成穩定的β－折疊二聚體形式存在［13］。天然β－乳球蛋白在高溫、低pH及低離子強度情況下容易形成纖維狀聚集體［14］。Oboroceanu［15］等人采用 AFM研究β－乳球蛋白從2min至20h的聚集過程中發現，從0～85min，β－乳球蛋白單體解聚并擴大形成一些聚集體。當時間超過85min后，β－乳球蛋白形成纖維狀結構，長度增加至10μm。此外，Oboroceanu［16］等研究了高壓微射流對乳清蛋白纖維體的結構和長度分布影響，研究發現，50MPa及以上高壓微射流壓力能破壞β－乳球蛋白纖維體結構但不影響纖維體高度。

3 結論

本文采用動態高壓微射流技術處理β－乳球蛋白，利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡研究了動態高壓微射流技術對β－乳球蛋白微觀形貌結構的影響。未處理的β－乳球蛋白分子表現為球體狀且緊湊地團聚在一起。隨著DHPM處理壓力的逐漸增大，β－乳球蛋白分子被逐漸打散，大部分顆粒逐漸變細。僅有少量β－乳球蛋白分子在經過100MPa和150MPa處理后，發生了部分團聚現象，分別形成不同的形貌結構。

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Effects of dynamic high－pressure microfluidization technology on microstructure of β－lactoglobulin

ZHONG Jun－zhen，LIU Cheng－mei*，LIU Wei，CAI Xiao－fei，XU Yu－jia
(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Sino－German Food Engineering Center，Nanchang University，Nanchang 330047，China)

β－lactoglobulin(β－Lg)was treated by dynamic high－pressure microfluidization(DHPM).The effect of DHPM on the microstructure of β－lactoglobulin was investigated.The results showed that the microstructure of untreated β－Lg was consisting of globules，which were compact in the texture.With DHPM pressure increasing，the microstructure became looser and the size of β－Lg was much smaller.However，only a little β－Lg molecule，after treated at 100MPa and 150MPa，reaggregated and formed different morphology，respectively.

dynamic high－pressure microfluidization technology;β－lactoglobulin;microstructure;atomic force microscopy

TS201.2

A

1002－0306(2011)11－0072－04

2011－08－25 *通訊聯系人

鐘俊楨(1984－)，女，博士研究生，研究方向:食物(含生物質)資源的開發與利用。

國家自然科學基金項目(31071573);博士點基金項目(20103601110002)。