影響乳清分離蛋白乳化特性的因素研究

易建華， 孫藝飛， 朱振寶

(陜西科技大學 食品與生物工程學院， 陜西 西安 710021)

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影響乳清分離蛋白乳化特性的因素研究

易建華， 孫藝飛， 朱振寶

(陜西科技大學 食品與生物工程學院， 陜西 西安 710021)

以乳清分離蛋白(WPI)與大豆油為原料，采用高壓均質技術制備水包油型(O/W)型乳液；探究了pH(2.0～10.0)、溫度(60 ℃～90 ℃)、離子強度(0～600 mM)等因素對WPI乳化性及乳化穩定性的影響.結果表明：pH對WPI乳化特性影響較大，在等電點(4.0～5.0)附近，WPI表現出最低的乳化性及乳化穩定性，pH遠離蛋白質等電點，WPI乳化性及乳化穩定性明顯提升；溫度影響WPI乳化特性，同時受pH作用，當pH 3.0時，WPI在80 ℃時乳化性較好，pH 7.0時，WPI在60 ℃時有較好的乳化性；低離子強度可提高WPI的乳化特性，而高離子強度則降低了WPI的乳化特性；中性條件下，一定程度的熱處理提高了WPI對離子強度的耐受力.

乳清分離蛋白； 乳化性； 乳化穩定性； 影響因素

0 引言

乳清分離蛋白(WPI)是利用現代生產工藝從牛奶中提取出來的蛋白質，它是一些小的、 緊密的球狀蛋白,其獨特的氨基酸序列和三維結構賦予它廣泛的功能特性[1].WPI具有高蛋白、低脂肪、低膽固醇的特點,有很高的營養價值和生物學效價,被營養學界譽為“蛋白質之王”[2].

在食品工業中，蛋白質因其具有良好的親水親油特性而被廣泛用作食品乳化劑.乳化性是蛋白質一個非常重要的功能特性，這個特性對于食品產品最終形成穩定的乳濁體系發揮重要作用[3].但食品乳濁液體系一般是由多元成分組成的復合體系，不僅有蛋白質等大分子物質，也有鹽離子(如鈉離子)等小分子物質，這些小分子具有極強的表面活性，對食品乳濁液的形成及后期的穩定性方面起著重要作用，它們在食品混合體系中通過與蛋白質的相互作用，對蛋白質的乳化特性產生重要影響[4].除此之外，蛋白質的氨基酸組成、分子大小及結構形態等固有的物理屬性及所處的環境情況(如溫度、 pH值、電離強度等)都會影響其乳化特性，因此對蛋白質乳化特性的影響因素的研究就顯得很有必要.本試驗分析了pH、溫度、離子強度等因素對WPI乳化性及乳化穩定性的影響，以期為WPI的進一步開發利用提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 主要材料與試劑

乳清分離蛋白,Davisc WPI95 ，WPI蛋白質含量為96.5% ，乳清分離蛋白中的主要蛋白成分為55%～61%β-LG 、19%～22%α-LG 、 6%～8%牛血清白蛋白，上海福諾食品有限公司；氯化鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、疊氮鈉、氫氧化鈉,分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；大豆油,金龍魚食品有限公司.

1.1.2 主要儀器

電子天平,BS323S 型，賽多利斯科學儀器北京有限公司；磁力攪拌器,84-1 型，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；精密pH計，PB-10 型，賽多利斯科學儀器北京有限公司；超細勻漿器,F6 / 10-10G 型，上海弗魯克流體機械制造有限公司；超高壓均質機,HP-4L 科研型，喜高精密流體機械有限公司；分光光度計,722型，上海第三分析儀器廠.

1.2 實驗方法

1.2.1 乳狀液的制備

[5,6]，略有改動.稱取0.5 g WPI，用5 mM pH 7.0 的磷酸緩沖液將其溶解于50 mL容量瓶中并定容，配制成1%的蛋白質溶液.乳液加入0.02% 的疊氮鈉防腐.室溫下磁力攪拌2 h ,置于4 ℃冰箱中冷藏過夜，后按照1∶3的體積加入一定量的大豆油，通過手持式超細勻漿機攪拌混合形成粗乳，然后在50 MPa 條件下高壓均質3次,得到乳化均勻的乳狀液.

1.2.2 乳化性及乳化穩定性的測定[7]

采用濁度法測定乳化性及乳化穩定性.用移液槍吸取100μL待測WPI溶液，加入20 mL0.1%SDS，用振蕩器振蕩30 s后于500 nm處測其吸光值A0，并于10 min后測其吸光值A10.乳化性用EAI表征，乳化穩定性用ESI表征[8].

(1)

式(1)中：DF為稀釋倍數，C為蛋白質濃度(g/mL)，φ為光路(1 cm)，θ為油體積分數(0.25).

(2)

式(2)中：A0為0 min的吸光值；A10為10 min后的吸光值；Δt為時間差，min.

1.2.3 pH對WPI乳化特性的影響

采用1.2.1方法制備蛋白質溶液.用0.1 M HCl 、0.1 M NaOH 溶液調節蛋白質溶液pH分別至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0.測定蛋白質EAI、ESI，探究pH對WPI乳化特性影響.

1.2.4 離子強度對WPI乳化特性的影響

分別配制pH 3.0、pH 7.0 1% WPI溶液，于蛋白質溶液緩慢加入0 、50 、100 、150 、200 、300 、400 、600 mM NaCl ，測定蛋白質EAI、ESI，研究離子強度對WPI乳化性影響.

1.2.5 溫度對WPI乳化特性的影響

按照1.2.1制備WPI乳液.乳液于60、65、70、75、80、85、90 ℃處理10 min，測定蛋白質EAI、ESI，研究溫度對WPI乳化特性影響.

1.2.6 加熱與離子強度復合處理對蛋白質乳化特性影響

采用1.2.4方法制備分別含0 、50 、100 、150 、200 、300 、400 、600 mM NaCl蛋白質溶液，放入4 ℃冰箱過夜，于65 ℃下加熱10 min，加入一定量的大豆油，制備蛋白質乳液，然后測其乳化性及乳化穩定性.

1.3 數據分析

所有實驗均重復3次，采用Origin 8.0對實驗數據進行統計分析.

2 結果與討論

2.1 pH對WPI乳化特性的影響

pH對WPI乳化性及乳化穩定性的影響如圖1所示.由圖1可以看出，WPI乳化性與乳化穩定性變化趨勢基本相似.pH 4.0時，WPI乳化性最低，這主要是由于WPI等電點在4.0附近，這時乳清分離蛋白的溶解度最小，因此，蛋白質形成乳狀液的能力下降.由圖1還可以看出，WPI在堿性條件下的乳化性及乳化穩定性較好，且隨pH升高，其乳化特性有明顯提高趨勢，這與鄭亞軍等[9]的研究一致.這可能是由于氫氧根離子的作用，使羧基數量增多，增加了分子間的靜電斥力，加厚了離散雙電層，使溶液界面膜增厚，同時也有利于膠束的形成，因此乳化性得以提高.此外，pH變化還影響了蛋白質親水親油的平衡及柔性，這些因素都會影響蛋白質的乳化特性[10].

圖1 pH對WPI乳化性及乳化穩定性影響(溫度25 ℃、0 mM NaCl)

2.2 熱處理對WPI乳化特性的影響

熱處理對WPI乳化性及乳化穩定性的影響如圖2所示.圖2表明，溫度對WPI乳化性及乳化穩定性的影響較大；且pH不同時，溫度對WPI乳化特性影響存在差異.由圖2(a)可以看出，pH 7.0時，WPI乳化性在60 ℃時達到最高，溫度繼續升高，乳化性漸差； 而pH 3.0時，WPI乳化性在80 ℃時最高，隨著溫度繼續升高，乳化性呈下降趨勢.圖2(a)同時表明，pH 7.0時，WPI乳化性明顯高于pH 3.0，這可能是由于pH 7.0時WPI溶解度高于pH 3.0的緣故.姚磊等[11]的研究也證實了該研究結果.

由圖2(b)可以看出，pH 7.0時，溫度對WPI乳化穩定性影響不明顯；而pH 3.0時，溫度對WPI乳化穩定性影響較大，且70 ℃時，WPI乳化穩定性達到最高，繼續升溫，乳化穩定性趨于降低.該研究結果說明，適度升溫有利于WPI變性，促使WPI分子內部更多的疏水基團露在分子表面，促進蛋白質與油滴發生疏水相互作用，從而表現出良好的乳化性和乳化穩定性[12].但溫度繼續升高，則蛋白質分子高度變性，分子扭結，導致乳化特性的降低[13].

(a)溫度對WPI乳化性影響

(b)溫度對WPI乳化穩定性影響圖2 溫度對WPI乳化特性影響(0 mM NaCl)

2.3 離子強度對WPI乳化特性的影響

離子強度對乳清分離蛋白的乳化性及乳化穩定性的影響如圖3所示.由圖3可以看出，離子強度對乳清分離蛋白乳化特性有不同程度的影響. pH 7.0時，0～100 mM NaCl，隨離子強度增大WPI乳化性明顯提升，且100 mM時NaCl乳化性最好；離子強度>100 mM NaCl，隨著離子強度的增加，WPI乳化性逐漸降低，并趨于穩定.pH 3.0時，離子強度對WPI乳化性影響趨勢與pH 7.0基本相同.這與Wan等[14]的研究結果一致.可見，較低濃度的氯化鈉溶液有利于增加乳清分離蛋白的乳化特性，這是因為適當的離子強度可促進WPI鹽溶性蛋白充分溶解，脂肪粒被包裹，從而提高其乳狀液的乳化活性.而較高的離子強度掩蔽蛋白質本身所帶的電荷，降低了靜電排斥作用，導致蛋白質在水中的溶解度減弱，從而降低了蛋白質的乳化性[15].

(a)離子強度對WPI乳化性影響

(b)離子強度對WPI乳化穩定性影響圖3 離子強度對WPI乳化特性影響(溫度25 ℃)

2.4 離子強度與加熱復合處理對WPI乳化特性的影響

蛋白質溶液65 ℃下處理10 min后，制備不同離子強度的WPI乳液，熱處理與離子強度復合作用對WPI乳化特性的影響如圖4所示.由圖4可以看出，熱處理與離子強度復合作用對WPI乳化性和乳化穩定性影響有所不同.與空白對照相比，蛋白質熱處理后，離子強度的增大具有降低蛋白質的乳化性趨勢，且受pH影響較小；同樣，pH 3.0時，蛋白質熱處理后，體系引入離子強度降低了蛋白質乳化穩定性；然而，pH 7.0時，熱處理總體提高了蛋白質對離子強度的耐受力，乳液穩定性有不同程度的提高，且50 mM NaCl的體系穩定性顯著提升.該研究表明，中性條件下，離子強度較低時，乳液穩定性主要受靜電排斥影響，而離子強度較高時，乳液穩定性主要受蛋白質空間排斥影響，加熱加速蛋白質巰基轉化為二硫鍵，增大了蛋白質空間位阻，從而提高了乳液穩定性.該研究結果與Tcholakova等[16]的研究基本一致.

(a)熱處理與離子強度相互作用對WPI乳化性影響

(b)熱處理與離子強度相互作用對WPI乳化穩定性影響圖4 熱處理與離子強度相互作用對WPI乳化特性影響(溫度65 ℃、熱處理時間10 min)

3 結論

pH是影響WPI乳化特性的重要因素之一.在等電點附近，WPI表現出最低的乳化性及乳化穩定性，pH遠離蛋白質等電點，WPI乳化性及乳化穩定性明顯提升；溫度影響WPI乳化特性，同時受pH作用，當pH 3.0時，WPI在80 ℃時乳化性較好， pH 7.0時，WPI在60 ℃時有較好的乳化性；低離子強度可提高WPI的乳化特性，而高離子強度則降低了WPI乳化特性；在中性條件下，一定程度的熱處理提高了WPI對離子強度的耐受力.

參考文獻

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【責任編輯：陳 佳】

Study on the factors influencing the emulsifying properties of whey protein isolates

YI Jian-hua， SUN Yi-fei， ZHU Zhen-bao

(School of Food and Biological Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China)

In this paper,whey protein isolates (WPI) and soybean oil were used to prepare oil-in-water (O/W) emulsions using high-pressure homogenization.The effects of pH (2.0～10.0),temperature (60 ℃～90 ℃) and ionic strength (0～600 mM) on the emulsification and emulsion stability of WPI were investigated.The results showed that pH greatly affected the emulsifying properties of WPI.The emulsification and emulsion stability of WPI were the lowest between pH 4.0 and 5.0,which was the isoelectric point(PI) of WPI.When the pH was away from the isoelectric point,the emulsification and emulsion stability were improved obviously.The temperature also affected the emulsifying properties of WPI,and at the same time,it was being affected by pH.At pH 3.0,the best temperature of the emulsification of WPI was 80 ℃,while it was 60 ℃ at pH 7.0.Lower ionic strength generally increased the emulsifying properties of WPI,whereas,higher ionic strength generally decreased those of WPI.In the neutral condition,the endurance of WPI to ionic strength was improved by heat treatment.

whey protein isolate; emulsification; emulsion stability; affecting factors

2017-01-21

國家自然科學基金項目(31671888)； 陜西科技大學博士科研啟動基金項目(2017BJ-21)

易建華(1971-)，女，河南信陽人，教授，博士，研究方向：油脂與蛋白質化學

2096-398X(2017)04-0112-05

TS202.3

A