高壓均質對大豆分離蛋白-多糖混合體系功能特性的影響

譚 慧，韓建春，2，*，張 媛，何 畔，崔 憲，劉容旭

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030；2.國家大豆工程技術研究中心，黑龍江哈爾濱150030）

高壓均質對大豆分離蛋白-多糖混合體系功能特性的影響

譚 慧1，韓建春1，2，*，張 媛1，何 畔1，崔 憲1，劉容旭1

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030；2.國家大豆工程技術研究中心，黑龍江哈爾濱150030）

采用亞麻籽膠（FG）、魔芋粉（KGM）、羧甲基纖維素鈉（CMC）三種多糖與大豆分離蛋白（SPI）建立SPI-多糖混合體系，研究了不同均質壓力（1～120 MPa）對SPI以及上述三種體系的功能特性的影響。結果表明：亞麻籽膠的添加使SPI的溶解性和乳化性顯著（p＜0.05）提高，在壓力120 MPa時達到最大值，但是其乳化穩定性隨壓力升高而降低；SPIKGM體系的起泡性和泡沫穩定性在均質壓力30 MPa時最佳；均質作用使SPI的持水性下降，添加多糖也沒有明顯改善SPI的持水性；SPI-FG的持油性在90 MPa時達到最高值。添加CMC的SPI在高壓均質作用下各功能性質也有提升，但效果不是十分明顯。高壓均質對SPI和SPI-多糖體系的功能性質有不同程度的改善。

大豆分離蛋白，高壓均質，多糖，功能特性

食品體系中，蛋白質和多糖是兩種重要的大分子組份，兩者之間的相互作用影響著食品體系的結構和穩定性[1]。大豆分離蛋白是營養豐富、價格低廉的植物蛋白[2]。不僅如此，它還具有很多重要的功能性質，其功能特性主要有溶解性、持水性、乳化性、起泡性和吸油性等。大豆蛋白因具有良好的功能性質而被廣泛應用于面制品、肉產品、水產品、飲料和乳品等的生產加工中。功能特性影響著大豆蛋白的組織結構特性和感官特征，為了提高它的附加值，人們試圖研究大豆蛋白和其他食用高分子的復合物[3]。

高壓均質技術是一種成熟的食品加工技術，當液體物料流過狹縫時會產生強大的剪切力，液體沖擊到金屬環上產生強大撞擊力以及壓力突變生成的空穴爆炸力，這些作用會影響生物大分子的結構，改變分子間和分子內的非共價作用力，從而使大豆蛋白功能特性發生變化[4-6]。Floury等發現高壓均質處理的大豆蛋白樣品變性溫度升高，表明動態高壓均質增加了大分子結構的穩定性[7]。

大分子之間的相互作用有可能是相互吸引或相互排斥，作用力強或者弱，具有特異性或非特異性[8]。到目前為止，有研究利用高壓均質技術獲得了較好性質的蛋白質、多糖等單體，表明了高壓均質能改善單一物質的理化性質，但其對蛋白質和多糖復合體系影響的研究鮮有報道[9]。本實驗以大豆分離蛋白（SPI）和三種多糖為對象，采用高壓均質技術對SPI和多糖混合體系進行作用，并對反應產物的功能性質進行研究，為引入多糖分子改善大豆分離蛋白的功能特性提供方法和理論依據，并能推動高壓均質技術在工業上的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白（SPI） 哈高科大豆食品有限責任公司；羧甲基纖維素鈉（CMC） 上海化學試劑站分裝廠；亞麻籽膠（FG） 新疆立世得生物科技有限公司；魔芋粉（KGM） 北京多愛特生物科技有限公司；牛血清白蛋白（BSA） 上海伯奧生物科技有限公司，分析純。

AH-100D型超高壓均質機 ATS工業系統有限公司；TU-1900雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；FSH-2高速勻漿機 丹瑞儀器公司；Alpha1-2 LDplus冷凍干燥機 德國Martin Christ公司；Kjeltec 8400全自動凱氏定氮儀 丹麥FOSS公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備 將5%（W/V）大豆分離蛋白和0.2%（W/V）多糖（FG、KGM、CMC）溶解于0.05 mol/L pH8磷酸鹽緩沖溶液，用高速勻漿機混勻，使多糖和蛋白溶液充分接觸，4℃條件下水化24 h。高壓均質處理方法：將SPI與SPI-多糖混合溶液分別分成五份，一份為對照，對照組溶液在不設定壓力條件下經過高壓均質機（均質機最小工作壓力為1 MPa），其余四份設定不同壓力經過高壓均質機，均質的壓力分別為30、60、90、120 MPa進行均質處理，將對照組和高壓均質處理后的部分液體于4℃保存備用，其余冷凍干燥成粉末。

1.2.2 溶解性的測定 測定高壓均質處理前后蛋白樣品的溶解度。溶解性的測定采用考馬斯亮藍法[10]，有少許改動。以牛血清白蛋白（BSA）為標準品，繪制蛋白質標準曲線。用分析天平稱取干燥的蛋白樣品，用去離子水溶液配制成1%的蛋白溶液，磁力攪拌10 min，使其充分溶解，用0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH調節pH，使其pH=7.0。10000×g離心20 min，上清液稀釋后，取1 mL于試管中，加入5 mL考馬斯亮藍試劑，振蕩搖勻后，在595 nm處測定吸光值。原樣品的總蛋白質含量則使用凱氏定氮法測定。上清液中蛋白質含量與原蛋白含量的比值即為溶解度指標，溶解度用氮溶解度指數NSI（%）表示，具體按下式計算：

1.2.3 乳化性及乳化穩定性的測定 用0.1 mol/L，pH7.0磷酸鹽緩沖液配制蛋白濃度為0.1%的樣品溶液，以蛋白∶油為3∶1（V/V）比例加入大豆油，室溫下用高速勻漿機在10000 r/min攪拌1 min，立即從乳化液的底部取樣50 μL，以0.1%（W/V）SDS溶液稀釋100倍，經快速混勻器混勻5 s后測定500 nm處的吸光值A0。在室溫下放置10 min后，按上述方法測定的吸光值記為A10，用作空白對照組的是0.1%的SDS溶液[11]。乳化性用EAI表示，公式為：

其中，c—乳化前的蛋白濃度（g/mL），φ—光學路徑（1 cm），θ—油相比例0.25，DF—稀釋倍數100。

乳化穩定性用ESI表示，計算公式為：其中，A10和A0分別代表10 min和0 min時的吸光值。

1.2.4 起泡性及泡沫穩定性的測定 均質前后蛋白樣品用0.1 mol/L、pH7.0磷酸鹽緩沖液配制成1%的溶液，量取溶液50 mL，在室溫下經過高速勻漿機以10000 r/min攪打2 min，然后快速將溶液移至250 mL量筒。分別記錄下攪打后0、30 min泡沫的體積[12]。起泡性用FAI表示，泡沫穩定性用FSI表示，計算公式為：

其中，V0—攪打前溶液體積；V1—攪打后形成泡沫體積；V2—30 min后泡沫體積。

1.2.5 持水性和持油性的測定 持水性：準確稱取冷凍干燥后樣品0.2 g于10 mL的離心管中，此時記錄離心管和蛋白的合重W1，緩慢加入4 mL的去離子水，靜置30 min，之后5000×g離心20 min，去除上清液，記錄蛋白、水以及離心管的總重量為W2，用每克樣品結合的去離子水的質量（g）來表示樣品的持水性。計算公式為：WHC=（W2-W1）/0.2。

持油性：準確稱取樣品0.2 g于10 mL的離心管中，此時記錄離心管和蛋白的合重W3，緩慢加入4 mL的豆油，用快速混勻器分散至無明顯顆粒，靜置30 min，之后10000×g離心20 min，將上清液去除，記錄蛋白、油以及離心管的總重量為W4，用每克樣品（g）結合的油的質量（g）來表示樣品的持水性[13]。計算公式為：FAC=（W4-W3）/0.2。

1.2.6 統計分析 所得數據均為三次測定的平均值，用Origin 8.0做圖，SPSS 20.0軟件運用One-way ANOVO方法對數據進行顯著性比較統計分析。

2 結果與討論

2.1 高壓均質對SPI與SPI-多糖混合體系溶解性的影響

SPI及其與多糖混合溶液的溶解性隨均質壓力變化的趨勢如圖1所示，其中溶解性用氮溶解指數（NSI）表示。由圖1可知，隨著均質壓力的增大，大豆分離蛋白溶液溶解性也顯著提高（p＜0.05），在120 MPa時SPI的NSI有了明顯的提升，與未均質時相比提升了24.4%。這是因為高壓均質的空化和剪切等作用破壞了大豆蛋白的結構，大的蛋白質分子解聚成一些小的亞基單位，并且亞基結構進一步地伸展，暴露出更多的疏水基團，蛋白質分子表面的電荷分布增強，新暴露的極性基團與水相互作用增強，溶解性也得到改善[14]。并且由圖1可以得出由于FG的引入使得SPI的親水性增強。高壓均質促進了蛋白和多糖的相互作用，使混合體系結合水的能力增強，所以SPI-多糖的溶解性與SPI相比有所提高。但是不同多糖對SPI的NSI變化影響不同。SPI-FG體系的溶解性與其他體系相比有較大提高，FG是一種親水膠體，分子內部含有多個羥基，其較強的親水特性也促使SPI-FG體系NSI的提高。并且隨著均質壓力的增大，SPI-FG的NSI保持上升趨勢，溶解性比高壓均質前提高了17.99%。SPI-KGM的NSI在30～60 MPa時明顯提高（p＜0.05），壓力繼續升高，NSI曲線仍然呈上升趨勢，高壓均質使得SPI-KGM的NSI提高了26.37%。在均質壓力較低時，SPI-CMC的溶解性也有顯著提高（p＜0.05），均質壓力超過60 MPa后其溶解性出現降低趨勢，原因可能是壓力的提高產生了熱作用，使SPI和CMC兩種大分子發生靜電相互作用，發生熱力學不相容性，導致SPI-CMC溶解性降低[15]。同樣處理條件下三種SPI-多糖體系的溶解性大小為：SPI-FG＞SPI-KGM＞SPICMC。

圖1 均質壓力對SPI與SPI-多糖混合體系溶解性的影響Fig.1 Effect of homogeneous pressure on the solubility of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

2.2 高壓均質對SPI與SPI-多糖混合體系乳化性及乳化穩定性的影響

圖2 均質壓力對SPI與SPI-多糖混合體系乳化性的影響Fig.2 Effect of homogeneous pressure on the emulsification of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

如圖2可知，隨著均質壓力的提高，SPI及SPI-多糖體系的乳化性有不同程度的提高。均質壓力在60 MPa時，SPI乳化性顯著提高（p＜0.05），達到59.5 m2/g。原因是壓力的作用，使得埋藏在蛋白分子內部的疏水殘基暴露出來，使得SPI表面疏水性增加，增強了其親油性，同時高壓均質加快了其在溶液中的擴散速度，使蛋白更快的吸附至油水界面，因此提高了蛋白質的乳化性能。但是隨著均質壓力的繼續升高，SPI的乳化性反而呈現下降趨勢，可能是由于蛋白發生了進一步聚集，導致蛋白不易吸附到到油水界面上，所以乳化性下降。SPI-多糖體系的乳化性也隨著均質壓力的升高而呈現上升趨勢。由前邊論述也可推斷，高壓均質作用促使蛋白質與多糖的反應改善蛋白質的溶解性，進而對其乳化特性起到積極的影響。SPI和KGM的混合物在較低均質壓力時的乳化性反而低于SPI的乳化性。當壓力提高到一定值時，均質作用提高了SPI與KGM的相互作用，使得乳化性得到顯著提高（p＜0.05），由33.8 m2/g提高到69.3 m2/g。SPI-FG混合溶液的乳化能力隨著壓力的提高而明顯提高（p＜0.05），從43.5 m2/g提高到79.1 m2/g，并且優于SPI與其他組的乳化性，FG的添加使大豆分離蛋白乳化性提高的原因可能是FG的加入能增加體系的粘稠度，防止油滴發生聚集。并且隨著壓力的增加，SPI與FG的作用增強，進而提高了其乳化性。在60～90 MPa之間，大豆分離蛋白與CMC混合體系的乳化性低于SPI的乳化性，這是由于隨著均質壓力的提高，體系的吉布斯自由能發生變化，導致兩相分離，阻隔了大豆分離蛋白與油的親和。

圖3 均質壓力對SPI與SPI-多糖混合體系乳化穩定性的影響Fig.3 Effect of homogeneous pressure on the emulsion stability of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

圖3是大豆分離蛋白混合溶液的乳化穩定性隨均質壓力大小的變化趨勢。從圖3中可以得出，各組樣品在30 MPa以內，乳化穩定性下降的速度都較快。隨著均質壓力的提高，各樣品乳化穩定性下降速度減緩，穩定性逐漸保持不變，添加KGM的蛋白樣品乳化穩定性好于未添加的分離蛋白樣品。在60 MPa以內，SPI-CMC的乳化穩定性隨著壓力的提升變化不明顯，所以在此壓力范圍內SPI-CMC的乳化穩定性較SPI要好。FG的添加使得SPI的乳化穩定性在均質過程中一直處于較低的水平。而乳化穩定性降低可能是由于壓力使得粒子之間進一步聚集，導致吸附在油水界面上粒子數量降低，使得乳化穩定性降低。

2.3 高壓均質對SPI與SPI-多糖混合體系起泡性和泡沫穩定性的影響

圖4 均質壓力對SPI與SPI-多糖混合體系起泡性的影響Fig.4 Effect of homogeneous pressure on the foaming properties of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

SPI與SPI-多糖混合物起泡特性如圖4所示。隨著均質處理壓力增加，大豆分離蛋白的起泡特性（FAI）也逐漸增加，高壓均質作用使SPI的起泡性提高了50.8%，與對照相比明顯增加（p＜0.05）。一般地，起泡能力與樣品在水中的溶解度是呈正相關的[16]。圖1說明SPI的溶解性隨著壓力的提高而增大，從而其起泡性也提高。沒有均質作用時，添加了CMC和KGM的大豆分離蛋白的起泡性明顯增強，這是因為CMC和KGM溶液粘稠度較大，而蛋白質溶液的起泡性能與其溶解度、粘度以及蛋白質的展開和聚集等都有關，因此在未高壓均質時這兩種混合體系的起泡性增加可能主要來源于CMC和KGM的性質。SPI-KGM的起泡能力在均質壓力30 MPa時達到了最高，為165%。但是隨著均質壓力繼續增大，SPI-KGM的起泡性有所下降，可能是此時蛋白質溶液的粘度超過了一定范圍，對泡沫體積的增大有一定的抑制作用。在60 MPa以內，SPI與FG混合溶液的起泡性隨著均質壓力提高而有所提高，但是與SPI相比，起泡能力提升不明顯。當均質壓力繼續增大，SPI與FG混合溶液的起泡性下降，這可能與高壓均質對SPI-KGM的作用原理相同。SPI-CMC的起泡性隨著均質壓力的升高反而降低，這可能是因為SPI-CMC體系在均質壓力升高時溶解性降低。

圖5 均質壓力對SPI與SPI-多糖混合體系泡沫穩定性的影響Fig.5 Effect of homogeneous pressure on the foam stability of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

圖5表示不同均質壓力下SPI-多糖混合物的泡沫穩定性。由圖5可以看出，SPI以及添加多糖的復合體系的泡沫穩定性隨著均質壓力的增大而增加，壓力超過60 MPa后，SPI的泡沫穩定性有了顯著提高（p＜0.05），SPI的泡沫穩定性從60 MPa時的17.3%提高到120 MPa時的50.5%，這可能是在均質過程中高壓以及其他的作用力，使蛋白質分子變得柔韌，所以能快速吸附在空氣-水界面，因而泡沫穩定性較好。并且在壓力作用下（除120 MPa外），幾種混合體系的起泡穩定性均明顯優于大豆分離蛋白。在30 MPa時，SPI-KGM的泡沫穩定性達到48.4%，當壓力繼續升高到60 MPa后，SPI-KGM的泡沫穩定性下降，此后均質壓力對SPI-KGM的泡沫穩定性沒有明顯的影響。并且通過比較圖4和圖5發現，在沒有均質作用時，SPIKGM和SPI-CMC的起泡性雖然較好，但是其泡沫持續時間短，而均質作用明顯改善了SPI-KGM的泡沫穩定性。SPI-FG泡沫穩定性在120 MPa時達到最大值55.9%，明顯比同樣處理下SPI的泡沫穩定性要好。由此可以看出，高壓均質能夠很好地促進SPI與FG的相互作用。在60 MPa之后，SPI-FG的泡沫穩定性趨于平穩。SPI-CMC混合體系的泡沫穩定性的變化規律與SPI-FG體系泡沫穩定性的變化規律相似，在60 MPa內，其泡沫穩定性由15.8%提升到44.6%。

2.4 高壓均質對SPI與SPI-多糖混合體系持水性和持油性的影響

圖6 均質壓力對SPI和SPI-多糖混合體系持水性的影響Fig.6 Effect of homogeneous pressure on the water retention of SPI and SPI-polysaccharide mixture

大豆蛋白持水性和持油性也是兩類極其重要的功能性質。如圖6所示，大豆分離蛋白的持水特性隨著壓力增加而小幅度降低，在120 MPa處理時與對照SPI相比差異顯著（p＜0.05），可能由于溶解性的增加，測量過程中因為蛋白在離心后傾倒上清液時被除去，從而使所測持水性下降。由于FG的添加，體系的持水性有小幅度提高。SPI-FG的持水性在均質壓力60 MPa時最高，與對照的SPI-FG相比提高了11%，差異顯著（p＜0.05）。這可能是因為兩種物質的相互作用，導致蛋白結構發生變化，混合物在溶液中充分溶脹，所形成的網絡結構能結合更多的自由水。隨著壓力的繼續升高，SPI-FG體系的持水性有所降低，這是因為高壓均質使得其溶解性提高，導致其溶解在水中，離心后隨著水傾倒出去。由圖6中還可以發現，SPI-CMC與SPI-KGM的持水性都低于SPI的持水性，高壓均質作用也沒有使這兩種混合物質的持水性有明顯的改善。

圖7 均質壓力對SPI與SPI-多糖混合體系持油性的影響Fig.7 Effect of homogeneous pressure on the oil retention of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

從圖7可以看出，單純的SPI樣品隨著壓力的提升持油性提高，120 MPa處理后提高了57.5%，與對照SPI相比差異顯著（p＜0.05）。這是由于均質作用使得SPI的疏水性基團暴露，導致其親油。在未高壓均質作用時，FG的添加對于大豆分離蛋白持油性的改善有明顯的作用，高壓均質各壓力對SPI-FG持油性影響不顯著（p＞0.05），在90 MPa時達到最高值，每克蛋白持油量為3.65 g。從圖7中還發現在30 MPa時，與對照相比SPI-KGM體系和SPI-CMC體系的持油性都顯著提高（p＜0.05），分別提高了20.4%和23.2%。但是壓力繼續升高，SPI-KGM體系的持油性有小幅度的降低，而SPI-CMC體系的持油性基本保持不變。原因可能是均質壓力較低時，SPI-多糖體系形成帶網狀結構的大顆粒結構，因此體系束縛了較多的水和油，有利于持水和持油性的增加，壓力的增大，導致這種結構遭到不同程度的破壞，從而導致SPI-多糖的持水性和持油性略有降低[17]。

3 結論

通過對不同高壓均質壓力作用下的SPI功能性質比較發現，高壓均質作用能夠較好的改善大豆分離蛋白的功能性質，在均質壓力60 MPa下同時改善了大豆分離蛋白的溶解性、乳化性、起泡性和持油特性。均質壓力120 MPa時，SPI的溶解性提升了24.4%；均質壓力60 MPa時，SPI的乳化性達到最大值59.5 m2/g；相對于高壓均質未處理的SPI，處理后的SPI起泡性提高了50.8%；SPI的持油性提高了57.5%。高壓均質作用使得大豆分離蛋白的持水性和乳化穩定性都降低。

高壓均質作用不同程度地促進了大豆分離蛋白與多糖的相互作用，并改善體系的功能性質。FG在SPI溶解性和乳化性改善上的貢獻要大于KGM、CMC，SPI-FG的NSI溶解性隨著均質壓力的提高而升高，相對于未均質的SPI-FG體系提高了17.99%；SPIFG在壓力為120 MPa時，乳化性達到最大值79.1 m2/g； SPI-KGM的起泡性在均質壓力30 MPa時最好，達到165%；SPI-FG的泡沫穩定性在120 MPa時最好，達到55.9%；均質壓力在60 MPa以內，高壓均質作用使SPI的持水性降低，而FG的添加彌補了這一影響。SPIFG的持水性在均質壓力60 MPa時最高，提高了11%；高壓均質對于SPI-FG持油性的提高不是十分明顯，在90 MPa時達到最高值，每克蛋白持油量為3.65 g。均質作用雖然降低了SPI的乳化穩定性，但是由于CMC和KGM的加入，其乳化穩定性較未添加多糖的SPI要好。

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Effect of high pressure homogenization on the function properties of soybean protein isolate-polysaccharide mixtures

TAN Hui1，HAN Jian-chun1，2，*，ZHANG Yuan1，HE Pan1，CUI Xian1，LIU Rong-xu1
（1.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.The National Research Center of Soybean Engineering and Technology，Harbin 150030，China）

Functional properties of soy bean protein isolated（SPI）by high pressure homogenization（1～120 MPa），adding flaxseed gum（FG），konjac powder（KGM），carboxymethylcellulose sodium（CMC）were studied.The results showed that the addition of flaxseed gum made SPI solubility and emulsification increased significantly，reaching the maximum pressure of 120 MPa，but the emulsion stability with high pressure reduction.SPI-KGM system showed best foamability and foam stability at 30 MPa homogenization pressure.The water holding capacity decreased after homogenization，and adding polysaccharide did not improve the water holding capacity of SPI.The fatbinding capacity of SPI-FG reached the highest value at 90 MPa.The functional properties of SPI-CMC had been raised at high pressure homogenizati-on，but the effect was not very obvious. In summary，high pressure homogenization had different degrees of improvement for the functional properties of SPI and SPI-polysaccharide system.

soy protein isolate；high pressure homogenization；polysaccharide；functional properties

TS201.1

A

1002-0306（2015）22-0092-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.010

2014-03-19

譚慧（1990-），女，碩士研究生，研究方向：食品工程，E-mail：tanhuiruby@163.com。

*通訊作者：韓建春（1973-），男，博士，教授，研究方向：蛋白質工程和發酵工程，E-mail：hanjianchun@hotmail.com。

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2013AA102208）。