pH和阿拉伯膠對大豆分離蛋白/大豆蛋白酶解產物乳化性質的影響

賈聰，華欲飛，陳業明，張彩猛，孔祥珍

(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122)

pH和阿拉伯膠對大豆分離蛋白/大豆蛋白酶解產物乳化性質的影響

賈聰，華欲飛，陳業明，張彩猛，孔祥珍*

(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122)

研究了pH和阿拉伯膠對大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)或低限度酶解改性產物的乳化性質的影響。結果表明：SPI酶解改性處理后制備的乳液顆粒粒徑和液滴間絮凝程度明顯降低；添加阿拉伯膠促進了SPI或大豆蛋白酶解產物(soy protein hydrolysate，SPH)在油水界面的吸附，SPH-阿拉伯膠復合物制備的乳液在pH4的條件下室溫放置14 d具有較好穩定性；添加阿拉伯膠前后，SPH制備的乳液黏度均低于SPI。

大豆分離蛋白；低限度酶解；阿拉伯膠；pH；乳液

大豆蛋白的乳化性質主要是作為濃縮乳液中的加工助劑，例如肉糜乳化劑，而作為乳化劑應用于稀的乳液中非常有限，并且由于大豆蛋白的豆腥味，或可能導致過敏，有一部分人并不喜歡含有大豆蛋白的食品[1-2]。酶解改性在食品體系中是改善蛋白功能性質的一種有效方法，酶解相比于化學處理是一種較為溫和的處理方法[3]。酶解會打破蛋白質的三級結構，降低蛋白質的分子量，加強肽段之間的相互作用力以及肽段與外圍環境的相互作用力，因此酶解產物的水解程度會影響氣水或油水界面性質。值得注意的是，較高的水解度(degree of hydrolysis, DH)會產生大量導致乳化性質下降的自由氨基酸和短鏈肽，相反的，較低的DH暴露的疏水性和親水性殘基會加強蛋白質兩親性特征，改善乳化性[4]。而大豆蛋白或酶解改性產物乳液的pH在等電點附近容易變得失穩，在酸性條件下較差的乳化穩定性限制了大豆蛋白在食品方面的應用。已有研究發現大豆分離蛋白(soy protein isolate，SPI)經過酶解-糖基化改性后界面張力下降，液滴粒徑降低，乳液表現出剪切變稀行為，放置3周后沒有乳析層出現[5]。另外，在蛋白體系中添加多糖，通過調節pH使兩者帶相反的電荷，促使蛋白和多糖通過靜電相互作用形成復合物，此復合物用以制備乳液也可以改善穩定性[6-8]。很明顯，后者的操作較為溫和。本實驗對SPI進行低限度酶解改性，研究pH和阿拉伯膠(gum arabic，GA)對SPI和大豆蛋白酶解產物(soy protein hydrolysate，SPH)乳化性質的影響，主要考察乳液液滴粒徑、絮凝程度、蛋白和多糖的吸附量、流變性質和乳析指數等指標。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

低溫脫脂豆粕：山東禹王集團；阿拉伯膠：Sinopharm化學試劑有限公司;堿性蛋白酶：諾維信(中國)生物技術有限公司；大豆油：無錫歐尚超市；AR級NaOH、HCl：國藥集團化學試劑。

1.2 實驗儀器

K9840自動凱氏定氮儀，濟南海能儀器有限公司；磁力攪拌器，上海弗魯克流體機械制造有限公司；Himac CR21GⅡ型冷凍離心機，日本HITACHI公司；LGJ-18型冷凍干燥機，北京四環科學儀器廠有限公司；UV-1500型紫外可見分光光度計，翱藝儀器(上海)有限公司；HH-601超級恒溫水浴箱，金壇市精達儀器制造廠；Mastersizer2000型激光粒度分析儀，英國馬爾文公司產品；FA25型高速剪切機，上海Fluko 設備有限公司；AH2010高壓均質機，上海ATS設備公司；壓控流變儀AR1000，英國TA設備公司。

1.3 實驗方法與步驟

1.3.1 SPI、SPH和阿拉伯膠儲存溶液的制備

SPI的提取采用堿溶酸沉的方法，蛋白質含量為94.58%；酶解產物的制備采用pH-state 方法，水解度為5.0%。將一定濃度的SPI、酶解產物和阿拉伯膠溶液10 000 g離心30 min，除去沉淀取上清，所得上清分別加0.2 g/L疊氮鈉，放入-4 ℃冰箱保存。

1.3.2 濁度分析

SPI或酶解產物溶液與阿拉伯膠溶液等體積混合，最終總生物大分子質量濃度為1 g/L。混合溶液逐漸加入0.01～2.0 mol/L的 HCl溶液，pH變化范圍2.0～7.0，期間記錄pH及相應的濁度值。濁度滴定曲線通過測定樣品在600 nm下的吸光度值得到。

1.3.3 乳液的制備

取一定量的SPI或酶解產物溶液分別和阿拉伯膠溶液混合，混合溶液中SPI或酶解產物和阿拉伯膠的質量濃度均為5 g/L,分別調節pH 3.0～5.0，添加大豆油，最終大豆油的質量濃度為100 g/L。用高速剪切機10 000 r/min剪切1 min，然后通過高壓均質機40 MPa下均質2次，得到最終乳液。

1.3.4 乳液粒度的測定

采用Mastersizer2000粒度分析儀測定乳狀液液滴的粒徑大小。乳液的相對折射率為1.107，大豆油和水的折射率分別為1.472和1.330。實驗采用d43，即體積平均直徑表征液滴粒度的大小。實驗中采用去離子水和10 g/L SDS作為分散劑。

(1)

式中：FI，乳液的絮凝率，%；d43和d43SDS，加入去離子水和SDS所測得的體積平均直徑，μm。

1.3.5 乳液的界面蛋白和多糖吸附率

蛋白質和多糖在油滴表面的吸附率的測定參照LIANG[9]等的方法測定并略有改動。新鮮制備的乳液在室溫條件下10 000 g離心60 min。經離心后，乳液分為上下層，用注射器吸出下部水相，經0.22 μm濾膜過濾后。采用Lowry法和苯酚硫酸法分別測定濾液中的蛋白質和多糖含量。

(2)

式中：AP,蛋白或多糖的吸附率，%；Ci，乳液中總蛋白質或總多糖濃度，g/L;Cs,未吸附的蛋白或多糖濃度,g/L。

1.3.6 乳液流變性質

采用MCR301流變儀測定乳液的流變性質，采用平行板夾具(PP50，直徑50 mm，間隙1 mm)，控制溫度25 ℃，剪切速率為0～200 s-1。

1.3.7 乳析指數

取新鮮乳液至樣品瓶(直徑1.8 cm，高度3.5 cm)，在室溫下放置，定期測定乳液的底部清層高度。

(3)

式中：CI，乳析指數，%；Ha,清層高度，cm；Ht，乳液的總高度，cm。

2 結果與討論

2.1 SPI/SPH-阿拉伯膠體系的濁度分析

從圖1看出在pH 5.0～7.0條件下，SPI/SPH-GA呈互溶狀態；當pH為4.0時，吸光度值略有增加，可以推測SPI/SPH與阿拉伯膠形成了可溶性的復合物[10]；隨著pH降低至3.0，SPI/SPH-GA體系的濁度較大，說明有不溶性復合物存在。酶解處理SPI后，最大濁度點向酸性pH偏移；SPI在pH 4.0～5.0及SPH在pH 3.0～4.0吸光度值顯著增加，這主要是由蛋白質的聚集引起的；添加阿拉伯膠后，SPI或SPH自身聚集受到了抑制，提高了在等電點附近的溶解性。

2.2 乳液粒徑及油滴表面的蛋白和阿拉伯膠吸附率

由表1可知，當去離子水為分散劑時，SPH穩定的乳液液滴粒徑明顯減小；SPH-GA乳液液滴粒徑在酸性條件下也遠小于SPI-GA乳液。當分散劑為10 g/LSDS時，乳液液滴間的絮凝被打破，測得的粒徑為真實液滴粒徑，發現在pH 3.0和pH 5.0條件下SPH乳液液滴粒徑大于SPI，pH 4.0條件下變化不明顯，這表明SPI聚集體仍具有較好的乳化性；SPH-GA在酸性條件下的液滴粒徑大于SPI-GA乳液，可推出SPH-GA乳液液滴間絮凝程度較低。

表1 SPI/SPH-GA乳液液滴粒徑(d43, 分散劑為水或SDS)、絮凝率(FI)及油水界面蛋白(AP1)和多糖 (AP2)的吸附率

在pH 3.0～5.0條件下，由于蛋白質疏水相互作用力及蛋白質和阿拉伯膠的靜電相互作用力增強，造成吸附在油滴表面的蛋白質和阿拉伯膠明顯增加[11]。與SPI乳液和SPI-GA乳液相比，SPH和SPH-GA乳液在pH 3.0～5.0下的蛋白質和多糖的吸附率降低，這可能是由于SPH分子間疏水相互作用力減弱，SPH與GA相互作用強度低于SPI與GA。

由表1還可以看出，SPH乳液的絮凝率明顯低于SPI乳液，這一方面可能是由于在pH 4.0～5.0條件下靜電斥力增強(圖1)，另一方面是酶解改性后分子結構發生變化降低了液滴間絮凝。添加大分子阿拉伯膠促進液滴絮凝，但SPH-GA乳液液滴的絮凝程度率仍遠小于SPI-GA乳液，原因可能是在酸性條件下SPH-GA乳液體系水相中存在一定量的阿拉伯膠分子，其長鏈結構造成的空間排阻抑制了油滴的絮凝。

2.3 乳液的流變性質

相比于pH 7.0，SPI和SPI-GA乳液黏度在pH 3.0～6.0下增加，原因可能有2個：一是在酸性條件下未吸附在油滴表面的SPI分子易形成聚集體或SPI與阿拉伯膠發生靜電相互作用形成聚集體增加乳液的黏度；二是乳液液滴之間的絮凝程度較大造成酸性條件下黏度的增加。而SPH和SPH-GA乳液在酸性條件下的黏度低于中性條件，這主要是因為乳液液滴絮凝程度低并且SPH或SPH-GA穩定的乳液粒徑較大(分散劑為10 g/L的SDS)，使得相同體積乳液中液滴數減少，所以造成在酸性條件下的黏度較低。對于同一pH條件下的乳液，阿拉伯膠添加后提高了乳液的黏度。從圖2可以明顯看到，添加阿拉伯膠前后SPH穩定的乳液黏度均低于SPI或SPI-GA乳液，黏度的降低說明乳液液滴之間的相互作用力減弱，酶解改性降低乳液液滴的絮凝。

2.4 乳析指數

由圖3可知，SPI乳液在pH 4.0～6.0和SPH乳液在pH 3.0～5.0下靜置1 d后均出現明顯分層，主要是因為在靠近SPI或SPH等電點處表面電荷減少，蛋白質分子易聚集(圖1)，導致乳液液滴間發生絮凝，突出表現為脂肪的上浮。添加阿拉伯膠后，SPI在pH 4.0～6.0條下的溶解性提高，并且在pH 4.0下形成可溶性復合物，根據DUCEL等人[12]報道,復合物相對于蛋白質本身來說具有更高的疏水性，提高其在油水界面吸附，形成較強的黏彈性膜；另外阿拉伯膠添加后液滴的流動性降低，故SPI-GA乳液比SPI乳液穩定性高，特別在pH 4.0下的乳析指數由45.71%減低至20%。阿拉伯膠明顯提高pH 4.0條件下SPH乳液的穩定性，室溫靜置14 d后乳析指數僅為5.71%，從圖1(B)可知SPH-GA在pH 4.0條件下形成了可溶性復合物，并且液滴絮凝率較低，黏度比pH 3.0和pH 5.0條件下偏高，這些均有利于SPH-GA乳液在pH 4.0條件下穩定；在pH 3.0條件下，雖然SPH-GA乳液的穩定性比SPH乳液有所提高，但效果明顯不如pH 4.0條件，這可能因為SPH-GA不溶性復合物吸附在油水界面，形成緊密厚實的界面膜，有利于乳液的穩定，但是水相中未吸附的SPH和阿拉伯膠也形成不溶性復合物，這對乳液的穩定性是不利的，這兩方面因素造成SPH-GA乳液在pH 3.0條件下穩定性提高不顯著；而在pH 5.0條件下SPH-GA乳液比SPH乳液變得更易失穩，推測原因是SPH在pH 5.0條件自身形成了可溶性聚集體，而較大體積聚集體在油滴表面形成空間位阻，使得SPH分子不能完全覆蓋在油滴表面[13]，油滴之間易發生聚結，并且在pH 5.0條件下SPH-GA乳液的黏度非常低，液滴的流動性較強更容易使得脂肪上浮，嚴重失穩。

圖2 SPI(A)、SPI-GA(B)、SPH(C)和SPH-GA(D)乳液在不同pH下黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.2 Shear-rate dependence of viscosity for emulsions stabilized by SPI(A), SPI-GA(B), SPH(C) and SPH-GA(D) under different pH

圖3 不同pH條件下SPI(A)、SPI-GA(B)、SPH(C)、SPH-GA(D)穩定的乳液的乳析指數Fig.3 Effects of storage time on the creaming index of emulsions stabilized by SPI(A)，SPI-GA(B)，SPH(C) and SPH-GA(D) under different pH

3 結論

阿拉伯膠的添加改善了SPI在pH 4.0～6.0條件下的乳化活性，促進SPI乳液液滴的絮凝，增加SPI乳液黏度，對在pH 4.0～6.0條件下的乳液穩定性有所改善；通過對SPI進行低限度酶解改性后制備的乳液液滴絮凝程度及乳液黏度明顯降低，但單獨的酶解產物穩定的乳液更易在pH在3.0～5.0失穩；pH 4.0條件下酶解產物與阿拉伯膠形成可溶性復合物能夠明顯提高乳液的穩定性，放置14天后乳析指數不到6%，并且SPH-GA乳液體系的黏度仍處于較低值。本實驗結論對大豆蛋白在食品方面的應用具有指導意義，特別是稀的酸性乳飲料。

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Effect of pH and arabic gum on emulsifying properties of SPI/hydrolysates

JIA Cong,HUA Yu-fei,CHEN Ye-ming,ZHANG Cai-meng,KONG Xiang-zhen*

(Food Science College，Jiangnan University, Wuxi 214122,China)

The effect of pH and arabic bum on emulsifying properties of soy protein isolate (SPI) / hydrolysates was investigated. The results showed that SPI modified by enzymatic hydrolysis decreased size of emulsion particle and flocculation among droplets. The addition of arabic bum promoted absorption of SPI or soy protein hydrolysate (SPH) at interface between oil and water. The emulsion stabilized by SPH- arabic bum complexes possessed better emulsifying stability at pH 4. The viscosity of SPH emulsion was smaller than that of SPI before or after arabic bum addition.

soy protein isolate (SPI)；limited enzymatic hydrolysis；arabic bum；pH；emulsifying

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201705005

碩士研究生(孔祥珍副教授為通訊作者,E-mail:xzkong@jiangnan.edu.cn)。

國家自然科學基金(31201380)

2016-11-11，改回日期：2016-12-14