超聲波處理對大豆分離蛋白凝膠流變性和凝膠形成的影響
2020-11-19 01:11:52曾慶華王振宇穆洪靜
食品工業科技 2020年21期
劉 冉,曾慶華,*,王振宇,程 霜,穆洪靜,梁 榮
(1.聊城大學農學院,山東聊城 252000; 2.哈爾濱工業大學化學與化工學院,黑龍江哈爾濱 150000; 3.山東省高唐藍山集團總公司,山東聊城 252000)
大豆分離蛋白(Soybean protein isolate,SPI)以其優良的加工性能、較高的營養價值和較低的成本在食品行業得到廣泛的應用[1-2]。SPI的主要成分是貯藏蛋白,分別為7S球蛋白(β-伴球蛋白)和11S球蛋白(大豆球蛋白),它們占總蛋白的65%～80%。SPI具有乳化性、溶解性、凝膠性、分散性和黏彈性等功能特性，使其在不同的食品中具有不同的應用形式[3]。SPI功能特性主要取決于其蛋白組成、結構、變性和聚集程度。蛋白凝膠特性可以將水分、脂肪、風味以及色素物質包裹在三維網絡結構中,對于食品品質和食品紋理的形成具有非常重要的作用。熱、酸、鹽、酶等方式均能誘導蛋白凝膠形成,但熱處理是食品加工中最常見、最基本的處理手段。SPI熱致凝膠形成是一個多步驟反應,首先需要加熱使多肽鏈展開暴露更多的作用位點,然后展開的蛋白質分子相互作用并發生聚集,最后聚集體凝聚形成網絡結構[4]。SPI凝膠能力和黏彈性能很大程度上取決于自發的相互作用,如氫鍵和共價鍵(二硫鍵),靜電和疏水相互作用[5]。目前,商業化生產的SPI仍然采用堿提酸沉+噴霧干燥的方式進行生產,致使蛋白發生一定程度的變性,溶解性下降,導致了SPI的凝膠特性變差。因此,如何改善商用SPI的凝膠特性是SPI加工與應用亟待解決的問題。
許多技術被用來修飾和改變大豆蛋白的結構和聚集性,從而改善其功能特性。超聲波技術是一種常見的物理技術,廣泛應用于輔助成分提取領域[6-7]。其操作特點是簡單、節能、省時和環保。高強度的超聲波技術是基于低頻振蕩產生的空化效應、機械效應和熱效應[8]。近年來,超聲波的研究重點轉移到利用超聲波對各種生物大分子物質進行改性和降解。超聲通過破壞非共價相互作用,甚至可以斷裂肽鍵,引起結構的變化,同時也會引起其功能特性的改變[9-10]。涂宗財等研究表明20 kHz 400 W超聲波處理使大豆分離蛋白平均粒徑減小,溶解性增加,表面疏水性增強,二級結構改變,可以促進大豆分離蛋白形成結構均勻、致密的TG改性凝膠[11]。Hu等研究發現20 kHz 400 W超聲處理促使鈣離子誘導的SPI形成結構更加致密均一的三維凝膠結構,并提高其凝膠持水性和凝膠強度[12]。Zhang等研究表明,高強度超聲波可以打開SPI空間結構,暴露更多的轉谷氨酰胺酶的作用位點,從而使轉谷氨酰胺酶誘導形成的凝膠強度更大[13]。
本研究目的在于將超聲波作為商用SPI改性的手段以提高其熱凝膠特性。研究采用不同功率的超聲波處理SPI分散液,首先測定超聲波對SPI分散液流變特性的影響,再通過動態溫度、時間和頻率掃描,監測SPI分散液熱凝膠形成的過程,分析超聲波對SPI凝膠形成和凝膠流變特性的影響。研究結果可為改善SPI凝膠特性和擴大其應用范圍提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 材料與儀器
SPI 高唐藍山基團有限公司提供。
DHR-1型旋轉流變儀 美國TA公司;JY92-Ⅱ型超聲波細胞粉碎機 寧波新藝超聲設備有限公司。
1.2 實驗方法
1.2.1 超聲波處理SPI分散液 參照胡昊[14]的方法,略作改動。準確稱取5 g SPI在100 mL燒杯中,加入蒸餾水配制成12 g/100 mL SPI分散液,在室溫下磁力攪拌2 h至充分溶解,并放置于4 ℃冰箱中備用。用直徑為0.636 cm的超聲波探頭深入大豆蛋白溶液表面1～2 cm來處理SPI分散液。使用0 W超聲功率的SPI分散液作為對照組,其余樣品分別用超聲功率(100、200、400、600、800 W)處理,超聲總時間為10 min。單次超聲處理時間為5 s,間隔3 s。
1.2.2 流變特性的試驗 將SPI分散液樣品放置在流變儀的平板上,平板間距設置為1.0 mm。用刮刀去除外板上多余的樣品,表面涂硅油,防止水分蒸發。樣品在測試前平衡5 min,以卸載試樣添加過程中的殘余應力,并保持恒溫。
1.2.2.1 頻率掃描試驗 參照胡昊[14]的方法,略作改動。選擇直徑40 mm平板夾具,應變設置為0.5%(處于線性黏彈區域內),頻率設置為1 Hz,初始溫度設置為20 ℃,對SPI樣品進行頻率掃描0.1～10 Hz,溫度設置為20 ℃。測G′、G″和tanδ隨頻率的變化。
1.2.2.2 剪切速率掃描試驗 參照胡昊[14]的方法,略作改動。選擇直徑40 mm,錐度1.998 °的錐板夾具進行SPI樣品剪切速率掃描。剪切速率測定范圍0.1～100 s-1,測定過程中黏度和剪切應力的變化。
1.2.2.3 凝膠形成模擬試驗 參照Peyrano等[15]的方法,略作改動。選擇直徑40 mm平板夾具,應變設置為0.5%(處于線性黏彈區域內),頻率設置為1 Hz,初始溫度設置為20 ℃,對SPI分散液進行溫度掃描和時間掃描,以監測凝膠形成全過程。凝膠形成試驗分三個階段進行:a.加熱階段:溫度以3 ℃/min速率從20 ℃上升至90 ℃;b.熱平衡階段:溫度為90 ℃保持20 min;(3)冷卻階段:溫度以3 ℃/min速率從90 ℃下降至20 ℃。測定G′、G″和tanδ隨溫度和時間的變化。測試結束后,立即對形成的凝膠進行頻率掃描試驗,方法如1.2.2.1。
1.3 數據處理
所有試驗均重復3次,結果表示為平均值±標準差。利用minitab 17.0軟件進行單因素方差分析。
2 結果與分析
2.1 超聲波處理對SPI分散液流變特性的影響
2.1.1 超聲波處理對SPI分散液黏彈性的影響 G′為儲能模量(彈性模量)，表示物質阻止變形的能力,表征材料彈性特征。G″為損耗模量(黏性模量)，表示物質阻止流動的能力,表征材料特征。G″/G′稱為損耗因子,用tanδ表示,表征材料是類似固體特征行為還是液體特征行為,如果tanδ等于0,材料突出固體彈性行為;tanδ等于1,材料突出液體黏性行為;當tanδ介于0～1之間,表明材料既有黏性成分,又有彈性成分,材料表現出黏彈性[16-17]。因此G′、G″和tanδ用以表示物質的黏彈性,反映材料結構特性。如圖1～圖3所示,對照組SPI分散液的起始模量G′和G″較大,且G′大于G″,使分散液表現為類固體的特征。這是因為商用的SPI由于其加工工藝如堿提酸沉和噴霧干燥的原因,導致蛋白發生了很大程度的變性,將其分散到水中時形成了不溶性聚集體或沉淀物。這些大而穩定的宏觀聚集物會被劇烈的機械或均質作用破壞形成小的聚集體[18]。超聲波由于空穴和剪切作用可以破壞并打散不溶性的聚集體,并將部分不溶性聚集體轉變成可溶性的聚集體。因此超聲波可以引起模量(G′和G″)減小和tanδ增大,改變了原有SPI分散液的黏彈結構,從而使其更接近于液體狀態。胡昊在研究高場強超聲波對商用SPI結構和功能特性影響時也有相似的結果,超聲處理會降低SPI分子或聚合物之間的相互作用,使SPI分散液接近類液體狀態[19]。
圖1 超聲波處理對SPI分散液G′的影響Fig.1 Effects of ultrasonic treatment on G′ of SPI dispersions
圖2 超聲波處理對SPI分散液G″的影響Fig.2 Effects of ultrasonic treatment on G″ of SPI dispersions
圖3 超聲波處理對SPI分散液tanδ的影響Fig.3 Effects of ultrasonic treatmenton tanδ of SPI dispersions
2.1.2 超聲波對SPI分散液黏度的影響 SPI分散液的黏度與剪切速率的關系如圖4所示。隨著剪切速率的增加,SPI凝膠的黏度均逐漸下降,表現出典型剪切變稀的非牛頓流體特征。田少君等研究指出,大豆蛋白溶液在低濃度下(<6%)表現為牛頓流體,在高濃度(>6%)下表現為非牛頓流體[20]。這是由于高濃度的蛋白顆粒隨流動方向逐漸定向,摩擦阻力減小;SPI顆粒也隨流動方向發生相應的形變;流動過程產生的剪切力會引起非共價鍵的斷裂,從而引起聚集體的解體[15]。與對照組相比,在相同剪切速率下,超聲波處理引起了SPI分散液表觀黏度的減小。這主要是超聲波減小了SPI顆粒的粒徑引起的。與超聲波對SPI分散液G′和G″的影響一致,表觀黏度并未隨超聲功率的增加而逐漸減小。與其他功率相比,400和600 W表觀黏度相對較大,可能由于400、600 W超聲處理可以引起SPI顆粒的重聚集,造成粒徑的增大,從而影響了黏度。
圖4 SPI分散液黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.4 Curves of viscosity of SPI gel with shear rate
2.2 超聲波對SPI熱凝膠化的影響
圖5 SPI分散液的熱凝膠曲線Fig.5 Thermal gelation curves of SPI注:對照組(A);100 W超聲處理組(B);200 W超聲處理組(C);400 W超聲處理組(D);600 W超聲處理組(E);800 W超聲處理組(F)。
2.2.1 超聲波對SPI熱致凝膠形成過程的影響 SPI熱致凝膠形成過程分為3步,第一步大豆蛋白變性去折疊;第二步變性的大豆蛋白聚集;第三步,大豆蛋白聚集體交聯形成網狀結構。因此SPI凝膠能力和黏彈性能很大程度都依賴于自發的相互作用,如氫鍵和共價鍵,靜電相互作用和疏水相互作用[21]。本研究采用小振幅振蕩掃描模擬SPI凝膠形成過程。圖5顯示SPI分散液的熱致凝膠形成曲線隨時間的變化,在加熱-平衡-冷卻的熱循環過程中,SPI樣品的G′和G″隨時間的變化趨勢基本一致,表現出先下降后升高的趨勢。加熱起始階段,SPI分散液受到外部應力的作用,黏彈結構遭到破壞,蛋白質-蛋白質和蛋白質-水之間的氫鍵也隨溫度升高發生斷裂,因此G′和G″隨溫度的升高而下降[22]。當溫度達到SPI變性溫度以后,SPI的高級結構遭到破壞,分子去折疊,內部疏水基團、巰基和二硫鍵逐漸暴露,分子結構變伸展,蛋白分子發生聚集,G′和G″開始增大。若G′增加速度大于G″,則出現G′和G″的交點,即凝膠點(PCO)出現,標志三維網絡結構開始建立[23]。隨后,蛋白分子繼續發生聚集并發生交聯,模量不斷增加,網絡結構不斷加強,當tanδ達到0.3(Pt0.3)時,預示凝膠已經形成了良好的網絡結構[24]。
表1 熱凝膠化的相關參數Table 1 Thermal gelation parameters
未經超聲處理的SPI對照組的凝膠曲線如圖5A顯示,熱處理階段G′和G″一直不斷減小,直到冷卻階段才開始增大,在冷卻溫度降至87.83±3.65 ℃時PCO出現,此時凝膠網絡結構才剛剛開始建立。在冷卻結束時,G′僅為17.80±1.38 Pa,凝膠強度較弱,tanδ為0.49±0.03未達到0.3,未能形成良好的網絡結構(表1)。商用SPI由于溶解性差,分散液中有部分不溶性聚集體存在,凝膠形成過程中疏水相互作用并未發揮優勢,主要由氫鍵參與了網絡結構的構建,導致其熱誘導形成的凝膠強度低,網絡結構差。因此商用SPI的凝膠性能比較差。100 W超聲處理組在整個熱循環過程中,G″基本上一直處于大于G′的狀態,凝膠未形成(圖5B)。100 W超聲處理明顯降低了SPI凝膠能力,這可能是由于100 W超聲處理后的SPI顆粒粒徑減小程度較大,導致蛋白顆粒之間空隙增加以及與水分子作用力增強,從而減弱了凝膠形成時所需的蛋白與蛋白之間的相互作用力,因此在熱循環過程未能實現蛋白顆粒的聚集和交聯。200、400和600 W超聲處理組具有相似凝膠形成曲線,且與對照組相比發生了很大的變化(圖5C、D、E)。一方面,超聲波促使凝膠點提前出現,加速了凝膠形成。200和600 W超聲組其PCO在熱平衡階段的初期就已經出現;特別是400 W超聲組SPI在進行熱循環之前就已經形成了微弱的凝膠結構,且在整個熱循環過程中G′始終大于G″。一般認為,SPI凝膠形成依靠各種相互作用力的共同作用的結果,但疏水相互作用和氫鍵起到了決定性的作用[25-26]。PCO過后,模量隨高溫處理時間延長快速增大,蛋白質在高溫下暴露足夠長的時間建立熱促進相互作用,從而產生了大量的疏水相互作用,這對于凝膠網絡結構的建立起到關鍵作用[27]。另一方面,超聲波促使SPI凝膠建立更加穩定的矩陣結構。200～600 W超聲處理組均能在冷卻階段或熱平衡階段達到Pt0.3,而未超聲處理的SPI卻始終未能達到Pt0.3。說明,超聲波處理后SPI聚集體可以發生更加有序地交聯,形成良好的矩陣結構。從圖5C、D、E中可知,在冷卻階段模量增加的速度比熱平衡階段還要快,是由于氫鍵作用的加強,幫助SPI凝膠建立更加穩定網絡結構,因此在冷卻階段結束時,與對照組相比具有更大的G′和G″,同時具有更小tanδ,即200～600 W超聲波促進SPI形成強度高、結構穩定的凝膠。800 W超聲處理組的凝膠曲線如圖5F顯示,在加熱階段和熱平衡階段G′小于G″,一直處于溶液狀態,直到冷卻溫度降至77.13±4.04 ℃時才達到PCO,冷卻結束時G′為5.24±0.63 Pa,tanδ為0.52±0.03,凝膠性能與對照組相比有所下降。800 W超聲處理降低了SPI的膠凝能力。這有可能是因為高功率的超聲波導致肽鍵的斷裂,造成SPI的降解,影響了蛋白質分子間的交聯,從而導致其凝膠能力的下降。
2.2.2 超聲波對SPI熱致凝膠黏彈性的影響 在頻率掃描過程中,樣品粒子之間化學鍵可以自發生成,也可以在外力作用下發生斷裂。化學鍵的生成或斷裂導致物質結構發生變化,從而影響流變性能[28]。SPI熱致凝膠G′、G″與頻率之間的關系如圖6、圖7所示。在0.1～10 Hz內,G′和G″隨頻率的增加而增加,對頻率具有一定的依賴性。超聲處理組與對照組的黏彈性顯示出明顯的差別。其中,200、400和600 W超聲處理組G′和G″都明顯高于對照組,顯示出較好的黏彈性,且400 W具有最大的G′和G″。tanδ可以反映凝膠的網絡性質,tanδ越小表示凝膠網絡結構越好,當tanδ等于0.3時,預示凝膠建立了良好的網絡結構。由圖8可知,400 W超聲處理組的SPI熱致凝膠的tanδ最小,且小于0.3,表明此條件下形成的凝膠結構最穩定。SPI熱致凝膠的頻率掃描試驗結果表明,適當功率的超聲預處理可以提高SPI熱致凝膠的黏彈性能,并能促進凝膠形成更加穩定的網絡結構。相反,低功率組的SPI分散液未能形成凝膠(G′
圖6 超聲處理對SPI熱致凝膠G′的影響Fig.6 G′ of formed gels from ultrasonic-treatedSPI dispersions with frequency
圖7 超聲處理對SPI熱致凝膠G″的影響Fig.7 G″ of formed gels from ultrasonic-treatedSPI dispersions with frequency
圖8 超聲處理對SPI熱致凝膠tanδ的影響Fig.8 Tanδ of formed gels from ultrasonic-treatedSPI dispersions with frequency
利用頻率掃描可以把蛋白凝膠分成三種類型:聚合型凝膠(纏繞型網絡)、化學型凝膠(共價交聯網絡)、物理型凝膠(非共價交聯網絡)[15]。聚合型凝膠是一類非常弱的凝膠,也被成為軟凝膠(soft gel),模量對頻率具有較高的依賴性,出現G′-G″交點[31]。化學型蛋白凝膠屬于強凝膠,具有永久性共價網絡結構,模量不依賴頻率或依賴性非常小[32]。物理型蛋白凝膠介于弱凝膠與強凝膠之間,儲能模量對頻率具有一定的依賴性,但不出現G′-G″交點[15]。SPI熱致凝膠在頻率掃描過程中,G′和G″隨頻率增加而增加,且G′一直高于G″,對頻率具有較大的依賴性,SPI熱致凝膠主要通過非共價鍵(疏水相互作用和氫鍵)進行交聯形成網狀結構,屬于物理型凝膠。雖然中功率超聲處理可以提高SPI熱致凝膠的黏彈性,降低tanδ,但tanδ始終大于0.1,仍屬于弱凝膠的范疇[33]。
3 結論
超聲波可以改變SPI分散液的流變特性,降低G′、G″和表觀黏度,其黏彈結構發生改變,使SPI分散液更接近于類液體的特性。400和600 W超聲處理可以引起部分蛋白顆粒的重聚集,從而使SPI分散液表現出微弱凝膠的狀態。超聲波對SPI熱致凝膠特性的影響結果表明,中功率超聲處理可以改變SPI黏彈結構,為凝膠形成提供更多的作用位點,從而加速凝膠形成,提高其凝膠強度和凝膠結構的穩定性。本研究說明一定強度的超聲處理可以改善蛋白質的凝膠特性,但需要限制超聲強度,低功率和高功率的作用下,蛋白質的凝膠特性可能會降低。超聲處理作為一種物理改性的手段,可以增強SPI的凝膠性能和改善膠凝能力。但如果僅僅依靠超聲波這一種手段,改善蛋白凝膠特性的效果是有限的,SPI凝膠仍未突破弱凝膠的范圍。為了進一步提高超聲波處理的效果,未來的研究應集中在利用超聲波技術與其他技術相結合的方式進行改性SPI,以期待獲得更強改善其功能特性的效果。
