燕麥蛋白-葡聚糖濕熱反應產物的功能性質研究

陳世超，錢海峰

（江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122）

燕麥蛋白-葡聚糖濕熱反應產物的功能性質研究

陳世超，錢海峰*

（江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122）

以燕麥蛋白質為研究對象，通過β-葡聚糖對其進行濕熱復合改性。研究不同條件下，復合產物的功能性質隨著反應條件的變化規律，并對工藝條件進行優化。結果表明，隨著燕麥蛋白和β-葡聚糖濕熱復合反應時間的延長，在中性至弱堿性pH條件下，采用不同比例燕麥蛋白和葡聚糖的復合產物功能性質都有了不同程度的改善，同時，接枝度變大，顏色逐漸變深。在100℃，pH9，反應物比例為1∶1（w/w），反應120min的最佳工藝條件下，燕麥蛋白的溶解性提高到82%，復合物乳化性與乳化穩定性顯著提高。

燕麥蛋白質，β-葡聚糖，濕熱反應，乳化性，溶解性

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥 購自無錫三里橋農貿市場；燕麥β-葡聚糖 購自張家口一康生物有限公司；2，4，6-三硝基苯磺酸（2，4，6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS）

Sigma公司；十二烷基硫酸鈉（SDS） 化學純；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉等 均為分析純。

水浴鍋 上海一恒科學儀器有限公司；攪拌器 IKA RW 20digital；HH—S數顯恒溫油浴鍋 金壇市金偉實驗儀器廠；722型分光光度計 上海精密科學儀器有限公司；FJ-200高速分散均質機 上海標本模型廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 燕麥蛋白質的制備 參考Gang Liu等方法制備燕麥蛋白質[5]。

1.2.2 燕麥蛋白中蛋白質含量測定 采用凱氏定氮法，參考GB/T5009.5-1985《食品中蛋白質的測定方法》。

1.2.3 燕麥β-葡聚糖-蛋白質復合物的制備 將β-葡聚糖與燕麥蛋白質分別溶于緩沖溶液中，按照一定反應物比例，將二者混合均勻，100℃反應，每30min取出，冰浴5min終止反應后，得到復合產物。其中，分別改變緩沖溶液的pH（pH7﹑8、9的磷酸鹽緩沖溶液，0.1mol/L）與反應物配比（燕麥蛋白質∶β-葡聚糖為3∶1，1∶1和1∶3）進行實驗。

1.2.4 溶解性的測定 取樣配成蛋白含量1%（w/v）溶液，在30℃水浴下攪拌分散，然后10000r/min高速離心15min，取上清液，采用凱氏定氮法測定蛋白質含量。

溶解度NSI（%）=上清液中蛋白含量/樣品中蛋白含量×100%

1.2.5 乳化性及乳化穩定性的測定 參照濁度法[6]，適當改進：取樣溶解成蛋白含量為1mg/mL的溶液，取30mL該溶液和10mL色拉油，在高速分散器上以10000r/min的轉速分散1min。立即從底部取50μL乳狀液，加到5mL 0.1%的SDS溶液中，搖勻，迅速在500nm下測吸光度，以SDS溶液為空白，0min時測得的吸光值A0作為乳化活性EA。乳化穩定性用ESI=A0× 10/（A0-A10）表示，其中A10為乳狀液放置10min時測得的吸光值。

1.2.6 接枝度的測定（TNBS法） 取樣液稀釋一定倍數，加入1mL 0.01%TNBS溶液，于50℃水浴避光加熱30min。反應完成后，立刻加入2mL 0.1mol/L無水亞硫酸鈉終止反應，室溫下放置15min后，測定420nm下的吸光值，以水為空白對照[7]。

蛋白質接枝度（DG）的計算公式：

式中，A0為未反應時TNBS所測蛋白質自由氨基數；At為反應t時刻蛋白質自由氨基數。

1.2.7 褐變指數的測定 取樣品液1mL，加入5mL 0.1g/100mL SDS，磁力攪拌20min，取稀釋液在420nm波長處測定吸光度，以0.1g/100mL SDS溶液為空白。

2 結果與討論

2.1 燕麥蛋白質與β-葡聚糖的理化成分分析

表1 燕麥蛋白質的成分（%，w/w，干基）Table 1 Chemical compositions of oat protein

表2 燕麥β-葡聚糖的成分（%，w/w，濕基）Table 2 Chemical compositions of oat β-glucan

燕麥蛋白質純度90%，主要雜質為多糖。為排除樣品中含有的多糖對反應本身造成干擾，取燕麥蛋白質作為對照。燕麥β-葡聚糖純度為80%。燕麥蛋白和燕麥β-葡聚糖的成分如表1和表2。

2.2 不同pH條件下復合產物功能性質的變化

蛋白質與多糖的濕熱反應程度，有很多影響因素，例如：溫度﹑加熱時間﹑反應物比例﹑pH和多糖分子量等?？紤]到實際燕麥加工過程中[2]，采用90～100℃，確定100℃為實驗溫度。同時，中性與堿性pH更容易促進反應的進行[8]，同時pH越大，顏色變化越明顯。因此，本實驗采用pH7﹑8和9的緩沖溶液進行實驗。同時，將燕麥蛋白質溶于相應的緩沖溶液，平行處理，作為空白。

2.2.1 復合產物的乳化性及乳化穩定性 蛋白質作為乳化劑，可以吸附在分散粒子的表面，其親水鏈深入水相，形成吸附膜降低了表面張力，又形成空間保護層阻止膠粒的聚集。而多糖作為穩定劑，大多滯留在分散介質，通過水化或締合改變介質流變性而阻止膠粒的聚集[9]。

圖1 不同pH（7、8、9），反應物比例為1∶1（w/w），乳化性（A500nm）隨時間變化Fig.1 Effects of pH on emulsifying properties of reaction compounds（ratio of reaction materials 1∶1）

圖2 不同pH（7、8、9），反應物比例為1∶1（w/w），乳化穩定性隨時間變化Fig.2 Effects of pH on emulsifying stability of reaction compounds（ratio of reaction materials 1∶1）

從圖1與圖2可以看出，不同pH（7、8、9）時，相對于原蛋白，三者的乳化性及其穩定性均有不同程度的提高。這表明蛋白質與多糖的相互反應，賦予體系不同于兩者單獨存在時的功能表現。此時，共價鍵合的蛋白質-多糖復合物既保留了蛋白質的表面活性又具有多糖的親水性能，乳化性和穩定性都有不同程度的提高[10]。隨著時間延長，蛋白質的疏水基團逐漸暴露，親油性增大，復合物更加易于分散在油/水界面，表現為乳化性隨熱處理時間而增大。當熱處理過度時，可能導致蛋白質分子聚合，乳化性下降[11]。而多糖的加入，增加了油/水乳化系統中水相的黏度，同時會降低油/水界面張力，提高乳化穩定性[12]。

另外，pH9時復合產物的乳化性及其穩定性變化比pH7和pH8時更加顯著。這三者的不同，是因為不同pH下蛋白質與多糖的反應速度不同。美拉德反應本質上是堿催化反應，因此pH偏向堿性有利反應的進行。在此范圍內，隨著反應程度的提高，乳化特性提高更快[13]。

從圖1與圖2可知，燕麥蛋白質與β-葡聚糖復合產物的乳化性質，與單一的加熱后蛋白質（pH7蛋白質，pH9蛋白質）相比，顯著增大。隨著時間的延長，pH7蛋白質和pH9蛋白質的乳化特性在前120min略有升高，之后隨著時間進一步延長（120～150min）而降低。這和燕麥蛋白質-β-葡聚糖復合物的規律一致，但不明顯。這表明，燕麥蛋白質中含有的糖類與燕麥蛋白質的反應可以忽略。

2.2.2 復合產物溶解性的測定 從圖3可得，隨著反應時間延長，反應產物的溶解性明顯升高。這是因為隨著反應的進行，蛋白質分子上親水基團增多，從而使溶解度增大。同時，β-葡聚糖的引入，從空間上保護了蛋白質，防止蛋白質聚集[13]。隨著反應進一步進行，美拉德反應進入到最終階段，前面的裂解產物繼續反應，產生類黑精，同時與蛋白質發生交聯，阻礙反應的進行，表現為溶解度變化不明顯[14]。并且，從pH7到pH9，溶解性逐漸增大。這可能是由于在較高的pH時，蛋白質和多糖更加容易結合，親水基團越多，溶解性越好。pH過高，堿性太強，蛋白質的一級結構可能發生變化，會影響反應的進行。本實驗中（pH9）沒有觀察到此現象。

圖3 不同pH（7、8、9），反應物比例為1∶1（w/w），溶解性隨時間變化Fig.3 Effects of pH on solubility of reaction compounds（ratio of reaction materials 1∶1）

從圖3可知，燕麥蛋白質與β-葡聚糖復合產物的溶解性，與單一的加熱后蛋白質（pH7蛋白質，pH9蛋白質）相比，顯著增大。隨著加熱的進行，pH7蛋白質和pH9蛋白質的溶解性在前120min略有升高，之后隨著時間進一步延長（120～150min）而降低。這和燕麥蛋白質-β-葡聚糖復合物的規律一致，但不明顯，這表明，燕麥蛋白質中含有的糖類與燕麥蛋白質的反應可以忽略，因此，下文不再做此比較。

2.2.3 復合產物的接枝度 從圖4可知，隨著時間延長，接枝度明顯升高。并且，pH越高（從pH7到pH9），接枝度越大。這樣，在反應過程中，親水基團比例逐漸增大，產物的溶解性增大，同時乳化特性也增大，這與性質的變化相吻合。

對于接枝度的變化，是因為在蛋白質與多糖的接枝反應中，與蛋白質中伯氨基接觸的還原性醛基才能發生反應。反應開始后，伯氨基不可能立即全部暴露在分子的表面，隨著加熱時間的延長，蛋白質結構部分展開，多糖與蛋白質受熱逐步結合，接枝度逐漸提高[15]。當反應進行到最終階段，前面的裂解產物繼續反應，生產色素，阻礙反應的進行，接枝度保持不變或變化不明顯。

多糖的分子量對蛋白質和多糖反應有一定影響。分子量越大，空間效應使得反應降低，反應時間也更長，這也解釋了本實驗結果與某些文獻結果的差別[9]。

圖4 不同pH（7、8、9），反應物比例為1∶1（w/w），接枝度隨時間變化Fig.4 Effects of pH on grafting degree of reaction compounds（ratio of reaction materials 1∶1）

2.2.4 復合產物的褐變指數 顏色變化是蛋白質與多糖反應之后的一個十分重要并且極其顯著的特征。它的變化取決于食品的種類與反應的進程。從圖5可以看到，隨著時間延長，不同pH復合物的褐變程度均變大。這和其他報道是一致的[9]。另外，隨著pH增大，蛋白質與多糖反應產物的吸光度明顯增加。這是因為在堿性介質中，氨基酸呈陰離子形態，此時，氨基易于發生反應。由于鄰近n原子的影響，糖堿基C1上電子密度增大，使1，2-烯醇化轉為困難，所以在堿性介質中，一般進行2，3-烯醇化[15]，使得顏色變化明顯。而褐變的不斷發生，影響反應的進一步進行，同時對實際應用造成一定困擾。

圖5 不同pH（7、8、9），反應物比例為1∶1（w/w），褐變程度隨時間變化Fig.5 Effects of pH on browning of reaction compounds（ratio of reaction materials 1∶1）

綜上，復合產物的功能性質在pH9時變化更加明顯。同時，在120min時，功能性質最大，褐變程度相對較低，此時接枝程度也最大，因此確定pH9，反應120min。

2.3 不同反應比例條件下復合物功能性質的變化

蛋白質與多糖分子間的作用是在一定的基團間進行的。在一定范圍內，反應物的分子碰撞幾率增大，利于反應的進行。但當加到一定程度時，考慮到蛋白質分子與多糖分子的空間位阻，分子間碰撞幾率降低，不利于反應的進行。本實驗控制燕麥蛋白質濃度0.5%，改變反應物蛋白質與多糖的比例（燕麥蛋白∶β-葡聚糖為1∶3，1∶1和3∶1w/w），檢測二者復合物的性質變化，結果如圖6和圖7。

圖6 反應物比例對復合物功能性質的影響Fig.6 Effects of ratio of reaction materials on functional properties of reaction compounds（pH9）

圖7 反應物比例對復合物接枝度與褐變顏色的影響Fig.7 Effects of ratio of reaction materials on grafting degree and browning of reaction compounds（pH9）

如圖6，不同反應物比例所得復合產物的乳化特性﹑溶解性與原蛋白相比都有很大提高。總體來說，復合產物的溶解性隨著β-葡聚糖含量的增多而變大，1∶1與1∶3比例相差不大。復合產物的乳化性則先升高，反應物配比從1∶1到1∶3變化不明顯。乳化穩定性也表現出類似的趨勢。

如圖7，從接枝度而言，比例3∶1時接枝度較小，1∶1開始變大，這可能是由于隨著糖含量的增大，蛋白質的氨基與多糖的羰基的接觸機會增多，結合幾率也增大的緣故。同時，隨著β-葡聚糖含量的增大，褐變也增大。當比例增大到1∶3時，接枝度變化不大，這可能是因為β-葡聚糖含量過大，空間位阻會影響二者的過多結合。

綜合一系列測定結果以及考慮到生產實際，液相體系中，在反應溫度100℃時，pH9，反應物比例為1∶1（w/w），反應120min時，得到的復合產物功能性質最佳，此時溶解性提高到82%，乳化性與乳化穩定性顯著提高，是一種有效的改性方法。

3 結論

本實驗通過β-葡聚糖對燕麥蛋白質進行濕法改性。結果表明：隨著時間的延長，不同pH與反應物比例的復合產物其功能性質都有不同程度的改善。同時，接枝度變大，顏色逐漸變深?？紤]到顏色變化對生產實際帶來的不便，確定100℃，pH9，反應物比例為1∶1，反應120min為最佳工藝。此時，溶解性提高到82%，乳化性與乳化穩定性顯著提高，可為燕麥蛋白的濕熱改性提供參考。

[1]路長喜，周素梅，王岸娜.燕麥的營養與加工[J].糧食工程技術，2008（1）：89-92.

[2]胡新中，魏益民，任長忠.燕麥品質與加工[M].北京：科學出版社，2009：45-52.

[3]齊軍茹，楊曉泉，廖勁松.液相體系制備大豆酸沉蛋白-葡聚糖共價復合物及其反應機制（Ⅰ）共價復合物的制備[J].食品科學，2008，29（2）：111-114.

[4]Fabien G，Said B，Anne R.Modification of bovine-lactoglobulin by glycation in a powdered state or in aqueous solution：adsorption at the air-water interface[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2001（21）：37-45.

[5]Gang Liu，Ji Li，Ke Shi，et al.Composition，secondary structure and self-assembly of oat protein isolate[J].Agric Food Chem，2009，57（11）：4552-4558.

[6]Pearce K N，Kinsella J E.Emulsifying properties of proteins：evaluation of a turbidimetric technique[J].Agric Food Chem，1978，26（3）：718-723.

[7]Adler Nissen J.Determination of the degree of hydrolysis of food protein hydrolysis by trintrobenzene-sulfonic acid[J].J Agric Food Chem，1979，27（6）：1256-1262.

[8]劉娟.酪蛋白-葡聚糖接枝改性研究[D].無錫：江南大學，2008.

[9]紀崴.酶法及美拉德反應改進大米蛋白功能性質的研究[D].無錫：江南大學，2009.

[10]吳姣.米渣蛋白改性和改性產物的乳化性及應用的研究[D].南昌：南昌大學，2007.

[11]Nakai S，Modler H W.Food Proteins：properties and characterization[M].New York：Wiley-VCH Publishier，1996：99-121.

[12]Hennock M，Rahalkar R R，Richmond P.Effect of xanthan gum upon the rheology and stability of oil-water emulsion[J]. Food Science，1984，49（5）：1271-1274.

[13]劉燕.大豆蛋白-多糖接枝反應的研究與應用[D].無錫：江南大學，2006.

[14]Fennema O R.食品化學[M].王璋，許時嬰，江波，等譯.第3版.北京：中國輕工業出版社，2003：147-150.

[15]吳惠玲，王志強，韓春，等.影響美拉德反應的幾種因素研究[J].現代食品科技，2010，26（5）：441-444.

Functional properties of reaction products between oat proteins and glucans by wet-heated reaction

CHEN Shi-chao，QIAN Hai-feng*
（School of Food Science and Technology，State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

β-glucans were used to modify the functional properties of oat proteins by wet-heated reaction.The functional properties of reactions products were determined under different conditions.Results indicated that the functional properties of reactions products improved significantly in different process.At the same time，the degree of grafting increased and the color was darken.Under the condition of 100℃and pH9 at the ratio of 1∶1（w/w），reaction time was 120min，the solubility of the reaction products could reach 82%，while the emulsifying properties and the emulsifying stability increased significantly.

oat proteins；β-glucans；wet-heated reaction；emulsifying properties；solubility

TS210.1

A

1002-0306（2012）01-0132-04

燕麥是公認的營養價值很高的糧食作物，同時含有兩種高營養物質蛋白質與β-葡聚糖。燕麥蛋白質的氨基酸組成平衡，具備人體必需的8種氨基酸，特別是含有大米等食品中缺少的賴氨酸，生物價較高。而燕麥β-葡聚糖是一種分子量較小的非淀粉多糖，具有很高的粘度，可以明顯降低人體血漿和肝臟膽固醇水平。并具有降低血壓的作用，除此之外還具有增稠、乳化和親水等性質，可作為性能良好的食品添加劑[1]。燕麥蛋白質營養價值比較高，但是溶解性差。目前燕麥片﹑燕麥粉是大多數人獲得燕麥蛋白的途徑[2]。在蛋白質中引入多糖，是對蛋白質的一種改性，可以顯著改善蛋白質的溶解性等功能性質。目前國內這方面的研究主要集中在大豆蛋白和大米蛋白。對于燕麥蛋白，國內關于該技術領域的研究還鮮見報道。對于蛋白-多糖共價復合物的研究，現有制備方法有干法與濕法[3]。其中，干法制備糖蛋白復合物，反應時間長，固相反應物之間接觸不均勻、不充分，產物性能比較不穩定。而濕熱法蛋白質與多糖之間接觸的幾率更大，在相對較短反應時間下，反應程度更高，在蛋白-蛋白接觸面上存在重要的結構改變[4]。本文主要考察其與β-葡聚糖在液相體系中，經不同條件作用后，復合物各種功能性質的變化，并對蛋白質與多糖反應機理進行初步探討。

2011－01－25 *通訊聯系人

陳世超（1984-），女，碩士研究生，研究方向：谷物功能成分。