高壓均質對大豆分離蛋白功能性質的影響

楊盛楠，翟愛華*

（黑龍江八一農墾大學 食品學院，黑龍江 大慶 163319）

大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）是植物蛋白中非常重要的一種，除了其豐富的營養價值，還具有許多重要的功能特性，在食品的多個領域得到了廣泛的應用。高壓均質技術是將物料在柱塞作用下進入可調節壓力大小的閥組中，經過特定寬度的限流縫隙（工作區）后，瞬間失壓的物料以極高的流速（1 000～l 500 m/s）噴出，碰撞在碰撞閥組件之一的沖擊環上，產生剪切、撞擊、空穴和湍流渦旋作用而把物料破碎的一種技術[1]。高壓均質是食品加工領域安全高效的重要處理工序，蛋白浸提液在高壓均質過程中，經歷高壓、剪切力、空穴爆炸力和溫度會導致蛋白質結構和功能特性發生變化[2-4]。同時，高壓均質可以連續操作，是工業化生產的有利條件。國內已有研究高靜壓處理對大豆分離蛋白（SPI）功能性的影響，近年來，逐漸有學者將高壓均質應用于蛋白質等大分子的改性，涂宗財等[5-7]研究發現，超高壓均質對大豆蛋白的溶解度、乳化性等功能性質具有顯著的改性效果。

本實驗研究不同條件（均質壓力、次數和物料比）高壓均質改性對SPI功能性質的影響，并分析其改性機理。該研究為改善SPI功能特性提供方法和理論指導，為進一步的研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低溫脫脂豆粕：大慶日月星有限公司，低溫干燥保存。

大豆油：市售，九三大豆油；氫氧化鈉、鹽酸均為分析純：沈陽市華東試劑廠；石油醚、乙醚均為分析純：沈陽市永大化學試劑有限公司；考馬斯亮藍R-250：天津市天新精細化工開發中心。

1.2 儀器與設備

JAR2140型電子分析天平：上海梅特勒托利多儀器有限公司；DGG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱、DK-S24型電熱恒溫水浴鍋：上海森信實驗儀器有限公司；JJ-1型精密定時電動攪拌器：江蘇金壇榮華儀器制造有限公司。L420型高速離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發公司；SRH型高壓均質機：上海申鹿均質機有限公司；FA25型組織分散機：上海弗魯克流體機械制造公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

大豆豆粕→提取大豆分離蛋白→高壓均質→測定功能性質

1.3.2 大豆分離蛋白的制備

對片狀低溫豆粕進行間歇性粉碎處理，將粉狀豆粕過100目尼龍篩，稱取40 g粉狀豆粕加入一定量的水中進行攪拌，用1mol/LNaOH溶液調pH至8.5，充分浸提后，沉降5min，取上清液于4 000 r/min進行離心30 min，除去沉淀取上清液。取500 mL上清液，對其進行不同條件的高壓均質處理后，以1 mol/L HCl溶液將上清液pH調至4.5，充分沉淀后于4 000 r/min進行離心30 min，所得沉淀加適量去離子水，用1 mol/L NaOH堿液調至中性，過透析袋脫鹽24 h，凍干得大豆分離蛋白的對照樣和改性樣品。

1.3.3 脫脂豆粕分析檢測方法

水分含量按照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》檢測[8]；可溶性蛋白含量按照考馬斯亮藍染色法[9]；蛋白質含量按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白質的測定》檢測[10]；脂肪含量按照GB5009.6—2003《食品中脂肪的測定》檢測[11]。

1.3.4 高壓均質條件的選擇

高壓均值壓力選擇：確定壓力的變化范圍為0～70MPa。將料液比為1∶10（g∶mL）提取的大豆分離蛋白溶液通過高壓均質機均質一次，將壓力分別設定為0、10 MPa、25 MPa、40 MPa、55 MPa、70 MPa，考察不同的高壓均質壓力對大豆分離蛋白溶解性的影響。

高壓均質次數選擇：將物料比為1∶10（g∶mL）提取的大豆分離蛋白溶液均質的壓力調至40 MPa，分別均質1次、2次、3次，考察不同的高壓均質次數對大豆分離蛋白溶解性的影響。

均質物料料液比選擇：將低溫脫脂豆粕的料液比分別設定為1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16（g∶mL），將溶液通過壓力為40 MPa的高壓均質機均質一次，考察不同的料液比對大豆分離蛋白溶解性的影響。

1.3.5 SPI功能特性的測定

（1）溶解性

在室溫下（25 ℃），取溶液5 mL以3 000 r/min轉速離心5 min，用凱氏定氮法測定上清液中的可溶性氮含量，氮溶解指數（nitrogen soluble index，NSI）值按下式進行計算：

（2）乳化性

①乳化活性指數（EAI）和乳化液穩定系數（ESI）的測定

參照PEARCE K N等[13]的濁度法，利用乳化界面的面積與混濁度存在簡單的相關關系原理，通過測定蛋白質的乳化活性指數（emulsifying activity index，EAI）和乳化液穩定系數（emulsion stability index，ESI）來評價蛋白質的乳化性和乳化穩定性。取9 mL SPI溶液與3 mL大豆油至25 mL小燒杯內，以10 000 r/min的速率乳化1 min，分別在0、10 min時從溶液底部（每次的取樣點高度相同）吸取100 μL乳濁液，加到20 mL 0.1%十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）溶液中稀釋100倍混勻，以0.1%SDS溶液作為參照，在波長500 nm處測定其吸光度值A0、A10。EAI和ESI按照下面公式進行計算：

式中：EAI為乳化活性指數，mL/g；T為反應速率常數，2.303；A0為均質后迅速被稀釋的乳化液的吸光度值；C為乳化液形成前蛋白質水溶液中蛋白質量濃度，g/mL；Φ為乳化液中油的體積分數。

式中：ESI為乳化液穩定系數，min；A0為均質后迅速被稀釋的乳化液的吸光度值；A10為乳化液在靜置10 min后的吸光度值；t為時間，min。

②乳析率測定

向①制備的乳狀液中添加2 g/100 mL的疊氮鈉（NaN3）溶液，使疊氮鈉在乳狀液中最終達0.02 g/100 mL，以抑制乳狀液中的微生物生長，然后準確吸取10 mL于具塞刻度試管中，常溫加蓋密封靜置，第60 天記錄乳析層的高度（mm）[14]。

式中：H乳析為乳析層的高度，mm；H乳狀液為乳狀液的高度，mm。

（3）起泡性

參照COFFMANN C W等[15]的方法測定，稍作改動。取100 mL蛋白溶液，以10 000 r/min高速均質2 min。記錄均質停止時和均質完靜置30 min后的泡沫體積，以體積表示泡沫穩定性，按下式計算起泡能力和泡沫穩定性：

式中：V為均質停止時泡沫體積，mL；V30為靜置30 min后的泡沫體積，mL。

2 結果與分析

2.1 原料脫脂豆粕的基本指標

表1為所購低溫脫脂豆粕的基本指標。

2.2 大豆分離蛋白溶解性變化

SPI溶液經過高壓均質改性處理后溶解性的變化，結果見圖1。

表1 原料脫脂豆粕的基本成分Table 1 Elementary composition of defatted soybean flakes

圖1 均質壓力(A)、均值次數(B)及料液比(C)對大豆分離蛋白NSI的影響Fig.1 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on NSI of SPI

由圖1A可知，SPI的溶解性隨著均質壓力的增加而升高，但升高的趨勢隨著壓力的升高逐漸減小，當壓力到達40 MPa時，SPI的溶解性最高，出現這種現象的原因可能是高壓均質使蛋白質分子展開，蛋白分子發生解聚，使得更多的疏水和極性基團被暴露，增加了表面電荷，蛋白質的水化作用增強，溶解性從而得到提高。由圖1B可知，當均質次數增加時，SPI的溶解度反而降低，這可能是由于多次均質使蛋白分子過度展開，疏水作用增強，形成了難溶的聚集體，因而溶解度下降，故選擇一次均質最為適宜。由圖1C可知，在同一均質條件下，料液比越低，SPI溶解度越高，當蛋白溶液濃度增加，在高壓均質處理下，蛋白分子發生解聚的幾率越大，其性狀的改變也越完全，使得圍繞著新暴露的極性基團的結合水增多，蛋白質的水化作用增強。同時，增大了分離蛋白的處理量，表明了選擇料液比為1∶8（g∶mL）較好。

2.3 乳化性的變化

2.3.1 均質條件對大豆分離蛋白EAI的影響

SPI溶液經過高壓均質改性處理后乳化活性的變化，結果見圖2。

圖2 均質壓力(A)、均值次數(B)及料液比(C)對大豆分離蛋白EAI的影響Fig.2 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on EAI of SPI

蛋白質的乳化活性和溶解性都與表面疏水性有著密切的關聯性，總體上均質處理對大豆分離蛋白的乳化活性影響與溶解性趨勢基本吻合，由圖2A可知，SPI的乳化活性與均質壓力呈現先增加后減少的拋物線型趨勢，當均質壓力＞40 MPa乳化活性會相應的降低，這可能是由于均質過程使SPI分子的疏水基團和親水基團暴露，增加了親水性和親油性，從而增加了乳化性，而壓力到達一定閾值時，高壓均質的熱效應增加，機械作用與熱效應相互影響，導致蛋白在一定程度上發生變性，使蛋白的表面疏水性下降，既而SPI的乳化活性下降。圖2B表明相同壓力下增加均質次數會降低分離蛋白的乳化活性，這是由于均值次數的增加會增強蛋白分子的疏水作用，使其易聚集形成不溶體，降低了蛋白的遷移率，吸附到兩相界面的幾率減少，使乳化活性下降。由2C可以看出，料液比越低，大豆分離蛋白的乳化活性越高，這是由于料液比的增加提高了蛋白質的溶解性，更多的蛋白溶于水，吸附于油水界面，提高了SPI的乳化活性。綜上所述，選擇對SPI乳化活性改善最為顯著的條件為最佳，即均質壓力40 MPa，均質1次，料液比1∶8（g∶mL）。

2.3.2 均質條件對大豆分離蛋白ESI及乳析率的影響

SPI溶液經過高壓均質改性處理后乳化穩定性的變化，結果見圖3。

圖3 均質壓力(A)、均值次數(B)及料液比(C)對大豆分離蛋白ESI和乳析率的影響Fig.3 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on ESI and milk dissolving out ratio of SPI

ESI值與乳析率都是反映乳狀液穩定性的指標，由圖3A、圖3B可知，隨著均質壓力和次數的逐漸增加，SPI的ESI值逐漸升高，乳析率逐步下降，這都表明了SPI的乳化穩定性的增加，這可能是因為高壓均質導致了SPI乳化液粒徑減小，使得脂肪球上浮速度減緩，從而導致了SPI的乳化穩定性增加[17]。由圖3C可知，ESI隨著料液比的增加而增加，但變化趨勢較小；乳析率與料液比呈現負相關趨勢。由于蛋白質分子是兩性分子，會自由的遷移至油-水兩相界面，降低自由能以維持體系的穩定，高壓均質處理使得蛋白質分子構象改變，更有利于分子的遷移，使蛋白的乳化穩定性得到了改善。

2.4 起泡性及泡沫穩定性的變化

SPI溶液經過高壓均質改性處理后起泡性及泡沫穩定性的變化，結果見圖4。

圖4 均質壓力(A)、均值次數(B)及料液比(C)對大豆分離蛋白起泡性和泡沫穩定性的影響Fig.4 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on foamability and foam stability of SPI

SPI分子包含極性基團和疏水基團，使得其具有表面活性，能降低溶液的表面張力，在劇烈攪拌時形成泡沫[18]。由圖4可知，在一定范圍內，高壓均質處理可明顯提高SPI的起泡性和泡沫穩定性，并隨著高壓均質壓力、次數和物料濃度的增加而逐漸增強。這可能是由于高壓均質的壓力和剪切力使得SPI分子部分展開，使其內的疏水基團暴露出來，在形成溶液與空氣的界面的同時，蛋白分子之間相互作用，形成了更為穩定的界面膜，故而使SPI的起泡能力增強。

3 結論

本實驗研究了高壓均質處理后SPI及其組分功能特性的變化情況。綜上所述，高壓均質在一定條件下能夠改善SPI的部分功能性質，有效地提高了溶解性、乳化活性、乳化穩定性、起泡性和泡沫穩定性等功能特性。隨著均質壓力的升高各項功能特性除乳化活性外均顯著增強；溶解性和乳化活性隨著均質次數的增多而下降，起泡能力和泡沫穩定性則升高；物料濃度的增加則使得SPI的功能特性均得到改善。根據高壓均質對大豆分離蛋白各項功能性質的改善情況，選擇高壓均質條件為均質壓力為40 MPa，均質一次，料液比為1∶8（g∶mL）為最優。高壓均質技術的連續性能夠更好應用于工業，且產品營養損失少，穩定性高，是目前食品加工領域的一項高新技術，其在工業上應用的研究具有十分重要的現實意義。

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