大豆分離蛋白及其美拉德反應產物成膜條件探究

強婉麗,景 浩,王 宇,張連慧

(1.中糧營養健康研究院,北京 102209;2.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

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大豆分離蛋白及其美拉德反應產物成膜條件探究

強婉麗1,景 浩2,王 宇1,張連慧1

(1.中糧營養健康研究院,北京 102209;2.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

本論文研究不同pH(10、11、12)、不同加熱溫度(70、80、90 ℃)和不同甘油濃度(0～3.0 mL/100 mL)對濃度為6 g/100 mL大豆分離蛋白溶液及大豆分離蛋白-葡萄糖(w/w=1)美拉德反應溶液、大豆分離蛋白-木糖(w/w=1)美拉德反應溶液成膜條件的影響。通過測定大豆分離蛋白-葡萄糖/木糖溶液的色差值及吸光值來判斷美拉德反應程度,通過肉眼和手感觀察和評價膜的可揭性、顏色和表觀特征。實驗結果表明:當大豆分離蛋白和糖濃度均為6 g/100 mL的條件下,大豆分離蛋白的成膜條件為甘油濃度:2.5 mL/100 mL、溶液pH11、80 ℃加熱60 min;大豆分離蛋白與木糖美拉德反應產物成膜條件為甘油濃度:0.125 mL/100 mL、溶液pH11、80 ℃加熱60 min;而大豆分離蛋白與葡萄糖在此條件下美拉德反應程度不明顯,因此未對其進行膜的制備。

大豆分離蛋白,美拉德反應,成膜條件,水蒸氣透過率

大豆分離蛋白有很好的成膜性和生物降解性、高阻氧性,廣泛應用于可食性膜包裝中[1],包惠燕等人[2]研究pH為中性的大豆分離蛋白膜的制備及特性,得出大豆分離蛋白最佳成膜條件為:成膜溶液的熱處理溫度為80 ℃,熱處理時間為30 min。Wang等人[3]研究不同比例的羧甲基魔芋葡甘聚糖和大豆分離蛋白膜的物理化學性質。實驗結果表明:隨著羧甲基魔芋葡甘聚糖濃度的增加,大豆分離蛋白-羧甲基魔芋葡甘聚糖膜的吸水性下降,拉伸強度和伸長率與大豆分離蛋白膜相比有所增加,膜粗糙度與大豆分離蛋白膜相比有所下降。糖基化蛋白膜即利用還原性糖與蛋白質在一定條件下進行美拉德反應,生成美拉德反應產物,加入增塑劑制備成膜。國內外對于大豆分離蛋白膜制備和成膜條件的報道很多,但對于糖基化大豆分離蛋白成膜條件的研究國內報道較少。Su等人[4]研究羧甲基纖維素-大豆分離蛋白美拉德反應產物成膜性及膜物理化學性質,將成膜條件選擇為大豆分離蛋白濃度為5 g/100 mL,糖濃度為10 g/100 mL,溶液pH為10,于80 ℃加熱60 min;且實驗結果表明隨著羧甲基纖維素含量的增加,美拉德反應產物膜的透明度增加。因此本實驗在大豆分離蛋白中加入葡萄糖、木糖,研究大豆分離蛋白膜及其美拉德反應產物膜的成膜條件;本實驗通過測定大豆分離蛋白與葡萄糖、木糖體系在450 nm處的吸光值、色差值來判斷美拉德反應發生程度。在大豆分離蛋白及其美拉德反應產物中加入增塑劑,通過表觀觀察來確定大豆分離蛋白及其美拉德反應產物的成膜條件,對于均可成膜的條件,對膜進行水蒸氣透過率的測定,選擇較優的成膜條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆粕 由中糧營養健康研究院有限公司惠贈;葡萄糖 分析純,北京化工廠;木糖 含量98.5%,北京嘉康源科技發展有限公司;甘油 分析純,北京化工廠。

pHS-3C+型酸度計 成都市紀方舟科技有限公司； SL/202N型分析天平 上海民橋精密科學儀器有限公司； S-HH-W21-Crjn型電熱恒溫水箱 北京長安科學儀器廠；Model 680型酶標儀 Bio-Rad Laboratories；TD6M型離心機 上海安亭科學儀器廠；SC-80C型色差儀 北京康廣儀器有限責任公司；HJ-1型磁力攪拌器 金壇市榮華儀器制造有限公司；YC-015型噴霧干燥儀 上海雅程儀器設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備 本研究根據前人的研究成果,當大豆分離蛋白溶液濃度在3～6 g/100 mL之間時,容易成膜,因此選擇6 g/100 mL大豆分離蛋白溶液進行成膜條件的研究[5]。堿溶酸沉法提取大豆分離蛋白:稱量1000 g低溫脫脂豆粕于塑料桶中,加入10 L去離子水,使得料液比為1∶10 g/mL,用0.5 mol/L NaOH/HCl調節溶液pH為7.0,溫度為30 ℃,保持60 min待溶液pH7.0不變(溶液pH會不斷下降,需要不斷加入NaOH調節溶液pH),于1500 r/min(390×g)離心10 min(DT5-1型;北京時代北利離心機有限公司),分離得到上清液,用0.5 mol/L NaOH/HCl調節溶液pH為4.0,于1500 r/min離心10 min,分離得到凝乳,用0.5 mol/L NaOH/HCl調節凝乳至pH為7.0后經噴霧干燥(進口溫度為170～190 ℃,出口溫度為70～90 ℃)得到約300 g大豆分離蛋白(蛋白質含量大于90%),加入去離子水,配制成濃度為6 g/100 mL大豆分離蛋白溶液。

甘油溶液的配制:由于甘油粘度大,不方便吸取,因此在實驗時,用去離子水對甘油進行等體積稀釋,獲取體積分數為50%的甘油作為工作液。

1.2.2 不同pH和加熱溫度對大豆分離蛋白凝膠性的影響 本實驗中大豆分離蛋白原始pH為7.0,大豆分離蛋白在等電點(pH4.5)時不能較好的分散成膜,且pH<6.0時易出現白色絮狀沉淀且形成的膜抗拉強度較弱[6],因此本研究考察范圍選擇pH6.0～pH11.0。用0.1 mol/L NaOH/HCl調節濃度為6 g/100 mL大豆分離蛋白溶液的pH分別為6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0,每組取3 mL加入到15 mL離心管中,將離心管分別置于70、80、90 ℃水浴鍋中加熱1 d,觀察并記錄樣品溶液的凝固時間。

1.2.3 不同甘油濃度對大豆分離蛋白成膜性的影響 稱量0.9 g大豆分離蛋白于50 mL離心管中,加入不同濃度的甘油(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mL/100 mL)溶液,用去離子水定容至15 mL,即配制成15 mL成膜溶液,用0.1 mol/L NaOH調節成膜液pH至11,于80 ℃加熱60 min(由大豆分離蛋白凝固性實驗可知大豆分離蛋白在70 ℃和80 ℃不凝固,且隨著加熱溫度增加可縮短蛋白成膜時間,因此選擇80 ℃加熱60 min的條件下探究甘油濃度對大豆分離蛋白成膜性的影響),取出后手動將成膜液搖勻(上下搖勻10下),倒入平皿中(15 mL),在烘箱(30 ℃)下成膜。通過肉眼和手感觀察和評價膜的顏色和表觀特征,并記錄成膜時間。

1.2.4 不同pH和不同加熱時間對大豆分離蛋白-葡萄糖、大豆分離蛋白-木糖美拉德反應進程的影響 大豆分離蛋白濃度為6 g/100 mL,糖濃度為6 g/100 mL,用0.1 mol/L NaOH/HCl調節溶液pH為10.0、11.0和12.0,將調好pH的樣品溶液于80 ℃加熱0、15、30、45和60 min。觀察溶液是否發生凝固,選取未發生凝固的組別,每次取樣5 mL,測定樣品溶液在450 nm處的吸光值和色差值。

1.2.5 不同甘油濃度對大豆分離蛋白-木糖溶液成膜性的影響 由1.2.3大豆分離蛋白成膜性實驗可知,甘油濃度為2.5 mL/100 mL,大豆分離蛋白濃度為6 g/100 mL時,可形成完整的大豆分離蛋白膜,而美拉德反應有促進蛋清蛋白溶液成膜的作用,因此成膜時考慮減小甘油的濃度,甘油濃度選擇為0、0.125、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL/100 mL。實驗時準確稱量0.9 g木糖、0.9 g大豆分離蛋白于50 mL離心管中,按照實驗設計加入不同濃度甘油溶液,用去離子水定容至15 mL,用0.1 mol/L NaOH溶液調節成膜液pH為11,于80 ℃加熱60 min,取出冷卻至50 ℃左右,手動將成膜液搖勻(上下搖勻10下),倒入平皿中(15 mL),在烘箱(30 ℃)下成膜。通過肉眼和手感觀察和評價膜的顏色和表觀特征,并記錄成膜時間。

1.2.6 美拉德反應產物吸光值和色差值的測定 用Model 680型酶標儀測定樣品溶液在450 nm處的吸光值,每個孔加樣品100 μL,每個樣品重復三次取平均值。取樣品5 mL于15 mL離心管中,用SC-80C型色差儀測定L*、a*和b*值,每個樣品測定三次取平均值。

1.2.7 膜水蒸氣透過率的測定 水蒸氣透過率的測定參考張曦[7]和李琦[8]的方法,用水蒸氣測定裝置測定膜的水蒸氣透過率。將膜密封于裝有5 g無水氯化鈣的裝置封口處,置于裝有飽和KBr溶液(相對濕度為80%)的密封干燥器內。在室溫條件下測定每個有機玻璃裝置在4 h內每隔40 min的增重,記錄七次測定的結果,用來表示經過膜進入測定裝置的水蒸氣的質量。WVP計算公式:WVP=(Δmd)/(ATΔP),式中:Δm為一定時間內WVP測定裝置的質量增加量(g);d為膜厚度(mm);A為膜有效測定面積(m2);T為測定時間間隔(h);ΔP為膜兩側的水蒸氣壓差(kPa)。本研究中膜的有效測定面積A值為m2,ΔP值為1.9377 kPa。

根據表2，檢驗值和標準值的均值不同，呈現出與男性相反的情形：F1檢驗值在緊元音和松元音中均略低于標準值，說明女性貴州學生總體較母語女性使用者開口度更小，因而舌位也較高，但兩者不具有統計學意義上的顯著性差異。

1.2.8 數據處理方法 數據的顯著性差異由Minitab軟件進行分析。對均數進行單因素方差分析(One way analysis of variance,One way ANOVA),進一步以Tukey多重比較進行檢驗,得到各組均數間的顯著性差異(p<0.05)。

表2 不同甘油濃度下大豆分離蛋白溶液成膜性Table 2 Film-forming property of SPI solutions at different glycerol concentrations

注:Gly(glycerol,甘油);大豆分離蛋白濃度為6 g/100 mL,溶液pH為11.0,置于80 ℃水浴中加熱60 min后取出,倒平皿(15 mL)于30 ℃烘箱中烘至成膜。2 結果與分析

2.1 不同pH和加熱溫度下大豆分離蛋白的凝膠性

如表1所示,加熱溫度為90 ℃時,pH6～pH11的大豆分離蛋白溶液均發生凝固;加熱溫度為70、80 ℃時,pH6～pH8的大豆分離蛋白溶液發生凝固,pH9～pH11的大豆分離蛋白溶液未發生凝固。

表1 大豆分離蛋白在不同溫度和不同pH條件下的凝膠性Table 1 Gelling property of soy protein isolate at different pH and heating temperatures

注:SPI:soy protein isolate,大豆分離蛋白,濃度為6 g/100 mL。在設定溫度下加熱觀察1 d,將裝有大豆分離蛋白溶液的離心管倒置,通過肉眼觀察蛋清蛋白是否凝固;“+”表示凝固,“-”表示未凝固。

2.2 不同甘油濃度下大豆分離蛋白的成膜性

由表2所示,當大豆分離蛋白濃度為6 g/100 mL,甘油濃度為2.5 mL/100 mL,溶液pH11.0的大豆分離蛋白成膜液于80 ℃加熱60 min后,所形成的大豆分離蛋白膜不粘皿,可以揭下完整的膜;當甘油濃度在0～2.0 mL/100 mL范圍內,形成的大豆分離蛋白膜硬脆、在皿上破裂,不能揭下完整的膜;當甘油濃度為3.0 mL/100 mL時,粘皿且無法形成可揭膜,因此大豆分離蛋白最佳成膜條件為:大豆分離蛋白濃度6 g/100 mL,甘油濃度為2.5 mL/100 mL。

圖1 不同甘油濃度下制備的大豆分離蛋白膜Fig.1 SPI films at the different COGs

2.3 不同pH和不同加熱溫度下大豆分離蛋白-兩種糖美拉德反應溶液凝膠性

如表3所示,根據大豆分離蛋白凝固性實驗可知,當pH6～pH9,大豆分離蛋白凝固,因此美拉德反應溶液的凝固性實驗條件選擇pH10～pH12,大豆分離蛋白-葡萄糖溶液和大豆分離蛋白-木糖溶液于80 ℃加熱60 min后均未發生凝固,因此進一步進行溶液吸光值和色差值的測定。

表3 大豆分離蛋白-糖溶液在不同pH 和加熱溫度下的凝膠性Table 3 Gelling property of SPI at different pH and heating time

注:SPI:soy protein isolate,大豆分離蛋白,Xyl:xylose,木糖,Glc:glucose,葡萄糖,在80 ℃下加熱觀察0～60 min,通過肉眼觀察大豆分離蛋白-糖反應溶液是否凝固。

2.4 大豆分離蛋白與葡萄糖、木糖美拉德反應產物色差值的變化

圖2、圖3是大豆分離蛋白與木糖/葡萄糖美拉德反應體系顏色隨加熱時間增加而變化的趨勢,如圖2所示,隨著加熱時間的增加,大豆分離蛋白-葡萄糖溶液和大豆分離蛋白-木糖溶液的L*值均呈下降趨勢，a*值和b*值均呈現上升趨勢;隨著溶液pH的增加,L*值下降幅度增大,a*值和b*值上升幅度增大,說明隨著加熱時間和pH的增加,溶液顏色向黃色和紅色方向偏移,顏色變暗,美拉德反應程度逐漸加深。大豆分離蛋白-木糖溶液L*值下降幅度、a*值和b*值上升幅度均大于大豆分離蛋白-葡萄糖溶液,由此可知,相同處理條件下,大豆分離蛋白與木糖美拉德反應速度大于大豆分離蛋白與葡萄糖反應速度,并且反應程度更深;由圖2、圖3所示還可知,溶液初始pH越大,L*值越小、a*值和b*值越大,說明pH影響溶液初始顏色,溶液顏色隨著初始pH的增大而向黃色和紅色偏移且變暗,當溶液初始pH12時,溶液顏色較深,對可食用膜外觀有一定影響。因此,雖然pH12的溶液美拉德反應程度最大,但考慮顏色對可食性膜感官特性的影響,不選擇pH12的條件。

圖2 大豆分離蛋白-木糖美拉德反應產物 在不同pH和加熱時間條件下的色差值變化Fig.2 Colour changes of SPI-Xyl solutions with different pH and heating time

圖3 大豆分離蛋白-葡萄糖美拉德反應產物 在不同pH和加熱時間條件下的色差值變化Fig.3 Colour changes of SPI-Glc solutions with different pH and heating time

程恒等人[9]在研究乳蛋白與乳糖美拉德反應程度時,測定體系的色差值,通過色差的變化來反映蛋白與糖美拉德反應進程,實驗結果表明隨著加熱時間的增加,乳蛋白-乳糖美拉德反應體系L*值逐漸減小,a*值和b*值逐漸增大,美拉德反應程度越深,L*、a*、b*值變化越明顯,這與本實驗結果一致。

2.5 大豆分離蛋白與葡萄糖、木糖美拉德反應產物吸光值的變化

表4是大豆分離蛋白與葡萄糖、木糖美拉德反應體系吸光值隨加熱時間增加而變化的趨勢,如表4所示,隨著加熱時間的增加,大豆分離蛋白與葡萄糖、木糖溶液在450 nm處的吸光值均呈現上升趨勢。反應體系pH為11和12時,大豆分離蛋白與木糖美拉德反應速率和反應程度均大于大豆分離蛋白與葡萄糖,結合溶液色差值的變化,發現大豆分離蛋白-葡萄糖體系美拉德反應程度不明顯,因此選擇大豆分離蛋白與木糖在80 ℃加熱60 min、pH11的條件下進行美拉德反應產物成膜條件的探究和膜的制備。

表4 大豆分離蛋白-葡萄糖、木糖美拉德反應體系在不同加熱時間下吸光值的變化Table 4 Absorbance changes of EWP-Glc/Xyl solutions at different heating time

注:SPI:soy protein isolate,大豆分離蛋白;Glc:glucose,葡萄糖;Xyl:xylose,木糖;其中木糖/葡萄糖和大豆分離蛋白的質量比(w/w)為1∶1,即100 mL溶液中含有木糖/葡萄糖和大豆分離蛋白的克數比例。同一行中標有不同字母的組別表示彼此間有顯著性差異(p<0.05)。2.6 不同甘油濃度下大豆分離蛋白-木糖溶液的成膜性

如表5所示,當大豆分離蛋白濃度為6 g/100 mL,甘油濃度在0.125～1.0 mL/100 mL范圍內,溶液pH11.0時,所形成的大豆分離蛋白-木糖膜不粘皿,可以揭下完整的膜;當甘油濃度為0和0.0625 mL/100 mL時,形成的大豆分離蛋白膜硬脆、在皿上破裂,不能揭下完整的膜;當甘油濃度在1.5～2.5 mL/100 mL范圍內,粘皿且無法形成可揭膜。

表5 不同甘油濃度下大豆分離蛋白-木糖成膜性Table 5 Film-forming property of SPI-Xyl solutions at different glycerol concentrations

注:Gly(glycerol,甘油);大豆分離蛋白濃度為6 g/100 mL,大豆分離蛋白與木糖質量比(w/w)為1∶1,即100 mL溶液中含有大豆分離蛋白和木糖的克數比例。

圖4 不同甘油濃度下大豆分離蛋白-木糖美拉德反應產物膜Fig.4 SPI-Xyl films at different glycerol concentrations

2.7 不同甘油濃度下大豆分離蛋白-木糖膜的水蒸氣透過率

如表6所示,通過膜水蒸氣透過率的測定可知,隨著甘油濃度的增大,大豆分離蛋白-木糖膜的水蒸氣透過率呈現上升趨勢,Kokoszka等人[10]研究甘油含量對大豆分離蛋白膜物理化學性質的影響,得出隨著甘油濃度的增加,大豆分離蛋白膜的水蒸氣透過率呈現上升趨勢。Ozdemir等人[11]研究乳清蛋白膜的物理化學特性,實驗結果表明乳清蛋白膜水蒸氣透過率的增加主要由甘油濃度引起,甘油濃度越高,乳清蛋白膜水蒸氣透過率越高。Karbowiak等人[12]研究甘油對乳清蛋白可食性膜吸水性的影響,實驗結果表明甘油有利于增加乳清蛋白膜的吸水能力。這與本實驗結果一致,因此選擇使大豆分離蛋白-木糖美拉德反應產物膜水蒸氣透過率低的條件下成膜,即大豆分離蛋白和木糖濃度均為6 g/100 mL,甘油濃度為0.125 mL/100 mL。

表6 不同甘油濃度下大豆分離蛋白-木糖膜水蒸氣透過率Table 6 WVP of SPI-Xyl films at different glycerol concentrations

注:Gly(glycerol,甘油),甘油濃度為0.125～0.1 mL/100 mL,大豆分離蛋白濃度為6 g/100 mL，同列中不同字母表示差異顯著。3 結論

本實驗以大豆分離蛋白、葡萄糖和木糖為主要原料,通過開展大豆分離蛋白和大豆分離蛋白-葡萄糖、木糖凝固性實驗、測定大豆分離蛋白-葡萄糖和大豆分離蛋白-木糖溶液色差值和吸光值來確定美拉德反應程度和條件,通過添加不同濃度甘油和表觀觀察,制備大豆分離蛋白及其美拉德反應產物膜,對于不同甘油濃度下均可成膜的樣品進行膜水蒸氣透過率的測定,選擇較優的成膜條件。實驗結果表明:當大豆分離蛋白和木糖濃度均為6 g/100 mL的條件下,大豆分離蛋白可以成膜的條件甘油濃度2.5 mL/100 mL、溶液pH11、80 ℃加熱60 min;大豆分離蛋白與木糖美拉德反應產物的成膜條件:甘油濃度0.125 mL/100 mL、溶液pH11、80 ℃加熱60 min;而大豆分離蛋白與葡萄糖在此條件下美拉德反應程度不明顯,因此未開展膜的制備。大豆分離蛋白膜因其具有良好的阻水性、隔氧性及生物可降解性等被廣泛研究,但是對于大豆分離蛋白美拉德反應產物膜的研究甚少,本實驗確定了大豆分離蛋白及大豆分離蛋白-木糖美拉德反應產物的成膜條件,為后續比較大豆分離蛋白及其美拉德反應產物膜的特性及可食用膜包裹實驗做了鋪墊。

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[7]張曦. 乳清蛋白糖基化及其成膜特性的研究[D]. 北京:中國農業大學,2010.

[8]李琦. 蛋清蛋白-木糖美拉德反應產物膜特性及其膜包裹對核桃仁脂質過氧化影響的研究[D]. 北京:中國農業大學,2011.

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[11]Ozdemir,J.D. Floros Optimization of edible whey protein films containing preservatives for mechanical and optical properties[J].Journal of Food Engineering,2008,84:116-123.

[12]Karbowiak,F. Debeaufort,D. Champion,A. Voilley Wetting properties at the surface of iota-carrageenan-based edible films[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2006,294:400-410.

Exploration on film-forming condition of soy protein isolate and associated Maillard reaction products

QIANG Wan-li1,JING Hao2,WANG Yu1,ZHANG Lian-hui1

(1.COFCO Nutrition and Health Research Institute,Beijing 102209,China;2.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

TheinfluencesofdifferentpH(10,11,12),temperatures(70,80,90 ℃)andglycerolconcentrations(0～3.0mL/100mL)onthefilm-formingpropertiesofsoyproteinisolate(SPI,6g/100mL),theMaillardreactionproductofSPIandglucose(w/w=1)andMaillardreactionproductofSPIandxylose(w/w=1)wereinvestigated.ThedegreeofMaillardreactionwasjudgedbydetectingthesolutions’LabvaluesandAbs.Thefilms’uncoveringproperties,colorsandapparentcharacteristicswereobservedandevaluatedbyeyesandtouching.WhentheconcentrationsofSPI,glucoseandxylosewereat6g/100mL,thefilm-formingconditionsofSPIandtheproductsofSPI-xylosewereasfollows:fortheSPI,theconcentrationofglycerolconcentrationsof2.5mL/100mL,pH11,temperatureof80 ℃andtimeof60min,andfortheproductofSPIandxylose,glycerolconcentrationsof0.125mL/100mL,pH11,temperatureof80 ℃andtimeof60min,theMaillardreactionbetweenSPIandglucosewasnotobviouslyobserved,soSPI-GlcMaillardreactionproducts’filmwerenotprepared.

soyproteinisolatefilm;Maillardreactionproducts;thefilm-formingcondition;WVP

2016-04-25

強婉麗(1990-)，女，碩士研究生，研究方向:蛋白膜制備與應用，E-mail:qiangwanli@cofco.com。

大宗食品品質改良蛋白配料制備關鍵技術研究與開發(國家高技術研究發展計劃(863計劃))。

TS201.1

A

1002-0306(2016)21-0054-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.002