馬鈴薯分離蛋白溶液的流變學性能研究

張文會，王玉華，齊 斌

（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.常熟理工學院生物與食品工程學院，江蘇常熟215500）

馬鈴薯分離蛋白溶液的流變學性能研究

張文會1，王玉華1，齊 斌2,﹡

（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.常熟理工學院生物與食品工程學院，江蘇常熟215500）

以新鮮馬鈴薯為原料，用等電點法提取馬鈴薯分離蛋白，研究了馬鈴薯分離蛋白的流體力學性能和影響因素。通過實驗結果可以得出，馬鈴薯分離蛋白溶液表現為剪切稀化的流體性能，屬于非牛頓流體。馬鈴薯分離蛋白溶液濃度越高，剪切稀化現象越明顯。體系的溫度、剪切時間和溶液的配制時間對馬鈴薯分離蛋白溶液的流體性能都有影響。

馬鈴薯，分離蛋白，流變性

1 材料與方法

1.1 材料與設備

自制馬鈴薯分離蛋白[27-28]凍干后4℃保存；HCl、NaOH、Na2SO3、Na2HPO4、NaH2PO4江蘇強盛化工有限公司，分析純。

CR22GⅡ高速冷凍離心機 日本東京日立KoKi有限公司；W201數控恒溫水浴鍋 上海申順生物科技有限公司；pH計 瑞士梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；HR1724飛利浦攪拌機 珠海經濟特區飛利浦家庭電器有限公司；DHG-9243BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風干燥箱 上海新苗醫療器械制造有限公司；SZ-97自動三重純水蒸餾器 上海亞榮生化儀器廠；Vortex Genie 2渦旋器 美國Scientific industries Inc；Christ冷凍干燥機 德國Christ公司；MCR301流變儀 奧地利Anton Pear。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯分離蛋白的成分檢測

1.2.1.1 灰分測定 GB/T 5009.4-2003。

1.2.1.2 水分測定 GB/T 5009.3-2003。

1.2.1.3 蛋白質含量測定 GB/T 5009.5-2003。

1.2.1.4 脂肪測定 GB/T 5009.6-2003。

1.2.2 馬鈴薯分離蛋白流變學特性的測定[29-31]

1.2.2.1 馬鈴薯分離蛋白溶液濃度對流體性能的影響 用pH=8的磷酸鹽緩沖溶液配制濃度為0.05%、0.1%、0.5%和1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，用MCR301流變儀測定不同濃度的馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度-剪切速率曲線。測定條件如下：溫度：恒溫25℃；錐板：直徑50mm、1°；測定模式：Flow Curve；以剪切速率為變量，范圍為0.1～1000s-1，模式為線性掃描，變量點取30個。

1.2.2.2 溫度對馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響 配制濃度為1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，用MCR301流變儀測定馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度-溫度曲線。測定條件如下：溫度：20～80℃；錐板：直徑50mm、1°；測定模式：Flow Curve；掃描時間：10min；變量點取50個，剪切速率為500s-1。

1.2.2.3 剪切時間對馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響 配制濃度為1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，測定其表觀黏度-剪切時間曲線。測定條件如下：溫度：25℃；錐板：直徑50mm、1°；測定模式：Flow Curve；以剪切時間為變量，變量點取50個,剪切速率為700s-1，比較其流體性能受剪切時間的影響。

1.2.2.4 配制時間對馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響 配制濃度為1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，分成兩份，一份在配制后1h內測定表觀黏度-剪切速率曲線，另一份在放置過夜后測量其表觀黏度-剪切速率曲線。以剪切速率為變量，范圍0.1～1000s-1，掃描模式為線性，變量點取50個，比較其流體性能受配制時間的影響。

2 結果與討論

2.1 馬鈴薯分離蛋白成分

制備的馬鈴薯分離蛋白基本成分見表1。

表1 馬鈴薯分離蛋白的基本化學組成

2.2 馬鈴薯分離蛋白溶液濃度對流體性能的影響

描述假塑性和膨脹性的非牛頓流體行為，可以用冪律函數方程來表示：η=Krn-1。其中，η為溶液的表觀黏度；r為剪切速率；K為流體稠度，K值越大，流體越粘稠；n為溶液的流動指數，也稱非牛頓指數，它可用來判斷流體與牛頓型流體的差別程度。n值離整數1越遠，則呈非牛頓性越明顯。對于牛頓流體，n= 1，此時K相當于牛頓黏度；對于假塑性流體，n＜1，表現為表觀黏度隨剪切速率的增加而下降；對于脹塑性流體，n＞1，表現為表觀黏度隨剪切速率的增加而增加[32]。

經動態流變儀MCR301測得蛋白溶液的黏度隨剪切速率的變化，如圖1所示。

圖1 馬鈴薯分離蛋白溶液表觀黏度-剪切速率曲線

利用儀器自帶的分析軟件，自動擬合Ostwald冪律方程，計算得出相關參數見表2。

表2 Ostwald冪律方程中各參數值及R2

由圖1可以看出，馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度隨著濃度的增大而升高，不同濃度的馬鈴薯分離蛋白溶液的黏度都隨著剪切速率的增加而減小，都表現為假塑性流體行為。由表2得出，隨著濃度的增加，稠度系數K隨之升高，表明濃度對馬鈴薯分離蛋白流動行為的影響增大。流動指數n隨著馬鈴薯分離蛋白溶液濃度的增大而降低，可見濃度越低，n越接近1，馬鈴薯分離蛋白溶液越接近于牛頓流體。馬鈴薯分離蛋白溶液濃度越高，n越偏離1，表現為假塑性流體行為越明顯。

2.3 溫度對馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響

隨著溫度的升高，高分子間的相互作用力減弱，黏度下降。高分子溶液黏度對溫度的依賴性可用阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程來表示：η=AeEa/RT，該式反映了溶液黏度隨溫度的改變而發生的變化，η表示溶液表觀黏度；A為黏度常數（Pa·s）；R為氣體常數，8.32J/（mol·K）；T為絕對溫度；Ea為活化能（J/ mol），反映了高分子鏈流動時用于克服分子間作用力的大小。實驗測定了不同濃度條件下，馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度隨溫度的升高而變化的曲線，利用分析系統擬合（Arrhenius）方程，結果見圖2、圖3和表3。

圖2 濃度為0.1%的蛋白溶液的黏度-溫度曲線

圖3 濃度為1%的蛋白溶液的黏度-溫度曲線

表3 不同濃度的馬鈴薯分離蛋白溶液的Arrhenius方程及活化能Ea

由圖2、圖3和表3可以看出，不同濃度的馬鈴薯分離蛋白溶液的表觀黏度都隨著溫度的升高而降低，這是由于體系溫度的升高而使馬鈴薯分離蛋白分子鏈之間作用力減弱，導致黏度的下降。經分析軟件擬合（Arrhenius）方程后可以發現，剪切速率為500s-1時，1%的馬鈴薯分離蛋白溶液的活化能是濃度為0.1%的馬鈴薯分離蛋白溶液的活化能的4.34倍，由此可見馬鈴薯分離蛋白溶液濃度越高，活化能越大。當溫度升高時，黏度下降也越明顯。

2.4 剪切時間對馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響

實驗條件下，測定在剪切速率為700s-1時，馬鈴薯分離蛋白溶液的黏度隨著剪切時間的增加而發生的變化，結果見圖4。

由圖4可以看出，馬鈴薯蛋白溶液的黏度在較高的剪切速率下，隨著剪切時間的延長而逐漸減小，說明在高速、連續的剪切作用下，有可能破壞馬鈴薯分離蛋白分子間的相互作用。

圖4 濃度為1%的蛋白溶液的黏度隨剪切時間的變化

2.5 配制時間對馬鈴薯分離蛋白溶液流體性能的影響

配制濃度為1%的馬鈴薯分離蛋白溶液，分別測定配制后在1h之內和放置過夜后的黏度-剪切速率曲線，觀察放置時間對馬鈴薯分離蛋白溶液的黏度的影響，結果見圖5。

圖5 放置時間對黏度的影響

由圖5可以看出，馬鈴薯分離蛋白溶液在配制1h之內和放置過夜后，溶液的流體特征趨勢沒有明顯變化，但溶液的表觀粘度稍有下降，這說明馬鈴薯分離蛋白分子間所形成的結構不是很穩定，隨著溶液放置時間的增加，蛋白分子水合作用增強，其蛋白-蛋白分子間作用力下降，從而導致了馬鈴薯分離蛋白溶液表觀黏度的下降。

3 結論

通過研究馬鈴薯分離蛋白的濃度、體系的溫度、持續的剪切時間和放置時間等因素，采用MCR流變儀對馬鈴薯分離蛋白溶液進行研究，得出以下結論。

3.1 馬鈴薯分離蛋白溶液屬于非牛頓流體，表現為：隨著剪切速率的增加，溶液表觀粘度隨之降低。隨著蛋白濃度的增加，溶液的黏度也增加。蛋白溶液濃度的升高，其剪切稀化現象也越明顯。

3.2 隨著體系溫度的升高，溶液的表觀黏度逐漸降低，這是由于體系溫度的升高而使馬鈴薯分離蛋白分子鏈之間作用力減弱，導致黏度下降。馬鈴薯分離蛋白溶液濃度越高，活化能越大，溶液流動時產生的阻力也越大。溫度升高時，黏度下降也越明顯。

3.3 由于在連續較高的剪切條件下，蛋白分子之間相互作用被破壞，而使蛋白溶液黏度下降。

3.4 蛋白-蛋白分子間所形成的結構不是很穩定，隨著溶液放置時間的增加，蛋白分子水合作用增強，其蛋白-蛋白分子間作用力下降，從而導致了馬鈴薯分離蛋白溶液表觀黏度的下降。

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Study on rheological behavior of potato protein isolates solution

ZHANG Wen-hui1，WANG Yu-hua1，QI Bin2,*
（1.College of Food Science and Engineering,Jilin Agriculture University,Changchun 130118,China；2.College of Biology and Food Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China）

Using fresh potato to obtain potato protein isolate(PPI)by isoelectric precipitation.The property of hydrodynamics and influential factor on PPI solution were studied.The results indicated that the PPI solution displays shear-thinning behavior which belonged to non-Newtonian fluid.The shear-thinning behavior was more obviously with the increased of concentration of PPI solution.The rheological behavior of PPI was influenced by the temperature and shear time of the system and the time of preparing solutions.

potato；protein isolates；rheological behavior

TS215

A

1002-0306（2011）10-0194-04

馬鈴薯蛋白質可明顯促進動物的生長發育，其食物利用率、生物價、蛋白質凈利用率、蛋白質功效比值等評價指標均與酪蛋白接近。維持人體氮平衡的實驗證明，馬鈴薯蛋白優于其它作物蛋白[1]。馬鈴薯蛋白質的必需氨基酸含量占氨基酸總量的47.9%，其必需氨基酸含量與雞蛋蛋白（49.7%）相當，明顯高于FAO/WHO的標準蛋白（36.0%）[2]。因此，馬鈴薯蛋白是天然的優良蛋白，營養價值優于酪蛋白，可加以開發和利用[3-6]。近年來有關馬鈴薯分離蛋白的研究主要集中在提取、分離[7-12]和功能性質上，天然馬鈴薯蛋白濃縮物有良好的溶解性、起泡性和乳化性[13-17]。國外對于馬鈴薯蛋白的分離純化方面研究也較多[18-22]。但對馬鈴薯分離蛋白的流變性質研究國內外還未見報道。流變性，可以簡單的理解為，物體在力學作用下發生的形變，在流動過程中表現出來的性質[23]。理解和掌握流體行為，是生產、運輸、儲存和應用中的一個重要問題[24]。由于食品物料的流變性質與食品的質地穩定性和加工工藝等有重要的關系，所以通過對食品流變性的研究，可以了解食品的組分、內部結構和分子形態等，能為產品配方加工工藝、設備選型及質量檢測等提供方便和依據[25]。隨著食品工業的發展,人們對食品流變學的興趣也日益增長,食品流變學的研究愈來愈廣泛,目前食品流變學已發展成為一門食品工業不可缺少的邊緣學科,因此,流變特性的檢測已成為食品加工及生產過程中必不可少的檢測手段之一[26]。本文主要研究了馬鈴薯分離蛋白的流變性隨著分離蛋白的濃度、體系溫度、剪切速率和剪切時間的變化。

2010-08-24 *通訊聯系人

張文會（1983-），男，碩士研究生，研究方向：食品微生物與功能性食品。