水溶性硅素對大鯢皮明膠理化性質及乳化活性的影響

金文剛，呂浩，趙萍

1(陜西理工大學 生物科學與工程學院，陜西 漢中，723001)2(陜西理工大學,大鯢研究所，陜西 漢中，723001)

大鯢(Andriasdavidiauns)，俗稱“娃娃魚”，是世界上現存最大的兩棲動物，素有“活化石”之稱[1-2]。目前，大鯢人工養殖已在陜西漢中、湖南張家界、河南洛陽、貴州、四川、重慶等地實現了產業化，大鯢分割及深加工產品開發已經成為產業轉型發展的必然要求[3-7]。大鯢全身是寶，其皮膚、皮膚分泌物、肌肉、骨骼含有很多生物活性物質，具有較高的營養和藥用價值[8-10]。

明膠是一種通過膠原蛋白熱變性、部分水解獲得的高分子質量水溶性蛋白，被廣泛應用于改善食品結構、提高食品保水性和穩定性[11-12]。近年來，有關明膠改性的研究較多，如通過向明膠溶液引入多酚類物質[13]、糖醇類物質[14]以及通過糖基化、磷酸化等手段[15-16]，可以獲得特定性能的明膠衍生產物。大鯢皮膚厚實，膠質含量豐富，是膠原蛋白及明膠的潛在來源之一。前期研究表明[17-18]，大鯢皮明膠性能介于哺乳動物明膠和魚皮明膠，具有較好的界面性質，然而改性處理可提升明膠部分功能特性，進而拓展其在工業中的應用范圍[13-14]。

硅是維系人類健康重要的微量元素之一，甚至關系到人類起源和進化。水晶石經過1 700 ℃高溫煅燒、濃縮抽提后，可獲得水溶性硅素[19]。水溶性硅素在食品、化妝品領域已成為風靡東南亞的一款特殊功能產品，由于具有較強的滲透性、乳化性、抗氧化性和抗菌性能，硅素聚合物表面活性劑的研究越來越多[19-20]。研究表明，硅素在體內可與膠原蛋白發生作用，促進再生和穩定性，對于骨骼、皮膚發育具有重要影響[21-22]。然而，有關體外硅素與膠原蛋白、明膠之間的相互作用及其功能性質研究，尚未見相關報道。基于此，本研究向6.67%(質量分數)大鯢皮明膠溶液中，加入不同比例食品級硅素，探究含不同硅素的大鯢皮明膠pH值、色澤、凝膠強度、流變性、紅外光譜以及乳化活性的變化，為明膠-硅素功能性復合液相關應用開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗材料：大鯢皮明膠根據前期實驗室提取流程制備[13]，冷凍干燥成粉末(粗蛋白含量 89%，Bloom 值216 g)，-20 ℃低溫貯藏。

主要試劑：Umoplus食品級硅素濃縮液(含硅素9 000 mg/L)，日本大阪株式會社；十二烷基磺酸鈉和KBr，生工生物工程(上海)有限公司。

1.2 儀器與設備

MCR302型高級流變儀,奧地利安東帕公司；pHS-3C型精密pH計,上海雷磁儀器廠；NR145精密色差計 深圳三恩時科技有限公司；FA320413型電子天平，上海精科天美科學儀器有限公司；LGJ-10B型冷凍干燥機，北京四環科學儀器廠有限公司；CT3型質構儀,美國Brookfield公司；Avatar 360紅外光譜儀，美國尼高力公司；Evolution 201型紫外可見分光光度計,美國Thermo公司。

1.3 方法

1.3.1 含硅素的大鯢皮明膠復合液制備

精確吸取5 mL Umoplus 硅素濃縮液，稀釋100倍備用(按照使用說明)。精確稱取大鯢皮明膠，配成質量分數為6.67%的標準明膠溶液[12,14]，置于50 ℃恒溫磁力攪拌水浴鍋攪拌至完全溶解。將硅素稀釋溶液分別加入至大鯢皮明膠溶液中，繼續攪拌至體系完全混合均勻，制備得到含硅素稀釋液分別為0%(對照)、10%、30%和50%的大鯢皮明膠-硅素復合液，50 ℃恒溫磁力攪拌1 h，得到如圖1所示各組復合液。

圖1 不同硅素比例的大鯢皮明膠復合液外觀照片Fig.1 Photo of giant salamander skin gelatin incorporated with different level of silicon

1.3.2 復合液pH測定

各組樣品pH值采用精密 pH 計測定，使用前經過兩點校正后分別讀取，每個樣品平行測量 3 次，取平均值。

1.3.3 復合液色差測定

1.3.4 復合液凝膠強度測定

利用CT3質構儀壓縮模式，測定各組樣品的凝膠強度[13]。分別取各組樣品液15 mL，置于20 mL小玻璃瓶，4 ℃冷藏過夜。參數設置如下：選用TA5探頭，壓縮距離10 mm，觸發點負載5.0 g，測試前速度1.0 mm/s，測試后速度1.0 mm/s，數據頻率10個/s。凝膠強度定義為探頭壓縮至目標距離的最大負載,g[13]。每組樣品平行測定3次，取平均值。

1.3.5 復合液流變性測定

樣品液流變學特性采用MCR302高級流變儀測定。儀器開機后，經初始化，選取直徑40 mm錐板(2°)，取適量樣品液置于樣品臺上，設置測試溫度為25 ℃，在剪切速率范圍0～100 s-1進行表觀黏度測試。然后，在0.1～10 Hz頻率下進行頻率掃描，測定儲能模量和損耗模量的變化。

1.3.6 復合液紅外光譜測定

參考實驗室前期方法[13]，將各組樣品液冷凍干燥后，稱取少量樣品和 100 mg KBr 顆粒混合研磨、壓片。采用紅外光譜儀對凍干的各組樣品進行紅外光譜掃描，掃描范圍為 4 000～400 cm-1掃描 32 次。

1.3.7 復合液乳化活性測定

采用乳化活性指數(emulsifying activity index，EAI)和乳化穩定性指數(emulsifying stability index,ESI)為指標，評價各組樣品液的乳化活性，具體實驗方法和EAI和ESI計算公式參考實驗室前期文獻[17-18]。

1.4 數據統計分析

數據采用SPSS進行統計分析，結果以平均值±標準差(n≥3)表示，t檢驗進行差異顯著性分析。數據圖采用OriginPro 8.5進行繪制。

2 結果與分析

2.1 硅素比例對明膠溶液色差的影響

隨著硅素比例的增加，復合溶液色澤逐漸變為淡乳白色。利用校正的精密色差計對各組復合溶的亮度值L*，紅度值a*和黃度值b*進行測定，結果如表1所示。由表1可以看出，硅素添加量對明膠復合溶液色差值有一定的影響。大鯢皮明膠溶液中引入硅素后，L*值顯著上升(P<0.05)，a*值和b*值呈現下降趨勢，但是僅50%硅素的大鯢皮明膠組差異顯著(P<0.05)。在茶多酚改性大鯢明膠的過程中，也導致了色差值發生變化[13]，本研究中可能是由于硅素溶液自身色澤以及硅素與明膠相互作用造成，這與外觀照片結果基本一致。

2.2 硅素比例對明膠溶液pH值的影響

向6.67%(質量分數)大鯢皮明膠溶液中，加入不同比例的硅素溶液，復合溶液的pH值變化結果如圖2所示。

圖2 硅素比例對大鯢皮明膠溶液pH的影響Fig.2 Influence of silicon level on pH of giant salamander skin gelatin solution注：不同小寫字母代表各組間存在顯著差異(P<0.05)

由圖2可知，硅素對大鯢明膠溶液pH有一定影響。本試驗配制的6.67%(質量分數)大鯢皮明膠溶液pH值為5.86，為弱酸性溶液。加入不同比例的硅素溶液后，大鯢皮明膠溶液的pH值呈現升高的趨勢。添加10%、30%和50%(體積分數)硅素后，大鯢皮明膠溶液pH值分別為6.13，6.38和6.76。與未加硅素對照組(0%)相比，pH分別升高了4.61%，8.87%和15.36%(P<0.05)。究其原因可能是由于硅素溶液呈現弱酸性[20]，隨著添加比例的增加導致大鯢皮明膠溶液pH值升高。

表1 硅素比例對明膠復合液色差的影響Table 1 Color of composite liquids with different levels of silicon

2.3 硅素比例對明膠溶液凝膠強度的影響

向6.67%(質量分數)大鯢皮明膠溶液中，加入不同比例的硅素溶液后，利用質構儀獲得了復合溶液的圧縮曲線以及凝膠強度的變化，結果如圖3所示。

①-硅素比例0%，凝膠強度(142.70±12.10) g；②-硅素比例10%，凝膠強度(70.16±4.2) g；③-硅素比例30%，凝膠強度(37.85±2.31) g；④-硅素比例50%，凝膠強度(13.90±3.47) g圖3 硅素比例對大鯢皮明膠凝膠性質的影響Fig.3 Influence of silicon level on the gel properties of giant salamander skin gelatin solution

由圖3的壓縮負載-時間曲線可看出，硅素對大鯢皮明膠凝膠性質有較大的影響。隨著探頭壓縮的推進，負載逐漸增大直至凝膠破裂，將壓縮過程中正向最大負載定義為凝膠強度。由圖3可看出，6.67%(質量分數)大鯢皮明膠凝膠強度為142.70 g。加入10%、30%、50%不同比例(體積分數)硅素后，大鯢皮明膠凝膠強度分別下降了55.78%、74.25%和90.57%(P<0.05)。這可能是由于硅素的滲透及其與明膠功能基團發生相互作用，破壞了凝膠網絡所致[20]。

2.4 硅素比例對明膠溶液流變性的影響

向6.67%(質量分數)大鯢皮明膠溶液中，加入不同比例的硅素溶液后，利用流變儀研究了復合溶液的剪切流動性質、儲能模量和損耗模量的變化規律，結果如圖4所示。

A-表觀黏度; B-儲能模量; C-損耗模量圖4 硅素比例對大鯢皮明膠流變性的影響Fig.4 Influence of silicon level on the rheological properties of giant salamander skin gelatin

由圖4-A可知，隨著剪切速率從0.1 s-1增加到100 s-1，以及隨著硅素添加比例的增加，復合液表觀黏度呈現出下降趨勢，說明硅素的引入導致復合液流動性增強。各組復合液均呈現出了非牛頓流體的剪切稀變現象，是由于復合液中分子間的內摩擦力隨著剪切速率的增加而減少所致[23-24]。圖4-B和4-C動態流變頻率掃描結果顯示，大鯢皮明膠溶液引入不同比例硅素，對復合液儲能模量和損耗模量產生了較大影響，各組復合液整體呈現出儲能模量大于損耗模量。通常儲能模量占主導時，說明聚合物呈現出一定類似固體的彈性行為，其流動性相對較弱，屬于弱凝膠[24-25]。由圖4-B和4-C可看出，隨著向大鯢皮明膠溶液加入10%和30%硅素(體積分數)，復合液儲能模量和損耗模量明顯高于未添加組(0%)，而加入50%硅素后，儲能模量和損耗模量明顯低于未添加組和10%和30%復合液組。這說明加入10%和30%的硅素改善了大鯢皮明膠水凝膠的黏彈性質，而加入50%硅素會破壞大鯢皮明膠復合液水凝膠的黏彈性質。

2.5 硅素比例對明膠溶液紅外光譜特征的影響

圖5 硅素比例(體積分數)對大鯢皮明膠紅外光譜的影響Fig.5 Influence of silicon level on infrared spectra of giant salamander skin gelatin

表2 復合液紅外光譜特征吸收峰波數Table 2 Wavenumber of the complex liquids

2.6 硅素比例對明膠溶液乳化活性的影響

以乳化活性指數和乳化穩定性指數為指標，對含不同比例硅素的大鯢皮明膠溶液的乳化性質進行評價，結果如圖6所示。由圖6可以看出，大鯢皮明膠溶液(含硅素0%)的EAI和ESI分別為(11.06±0.22) m2/g和(66.05±3.11) min。當添加不同比例硅素后，大鯢皮明膠復合液的EAI和ESI值明顯增加(P<0.05)，且存在劑量-效應依賴關系。與未加硅素組相比，加入10%、30%和50%(體積分數)硅素的大鯢皮明膠復合液EAI值分別提高了22.15%、49.28%和127.85%；ESI值分別提高了18.76%、62.65%和109.95%。本研究通過向大鯢皮明膠中引入不同比例硅素，復合液的EAI和ESI值都分別得到明顯提高(P<0.05)，這說明二者結合可能發揮了一定的協同表面活性。究其原因，一方面是水產明膠作為一種生物分子聚合物具有較好的界面性質，表現出一定天然乳化劑的應用潛力[17,26-27]；另一方面是水溶性硅素本身也具有較強表面活性[19]，引入到大鯢明膠溶液后致使復合液的乳化活性指數和乳化穩定性得到了明顯提高。

A-乳化活性指數；B-乳化穩定指數圖6 硅素添加量對大鯢皮明膠乳化活性的影響Fig.6 Influence of silicon level on the emulsifying properties of giant salamander skin gelatin注：柱上方不同小寫字母代表組間存在顯著差異(P<0.05)

3 結論

添加不同比例硅素后，大鯢皮明膠溶液L*值和pH值顯著升高(P<0.05)，而凝膠強度顯著下降(P<0.05)。流變性分析表明，與未添加硅素相比，低劑量的硅素(10%～30%，體積分數)能提高大鯢皮明膠的儲能模量和損耗模量，顯示出較好的黏彈性質；而高劑量硅素會破壞大鯢皮明膠黏彈性質。引入不同比例硅素后大鯢皮明膠紅外光譜酰胺A帶、II帶向低波數方向移動，而I帶和 III帶向高波數方向偏移，可能是硅素與明膠氨基酸側鏈的氫鍵作用變化引起。大鯢皮明膠溶液加入不同比例硅素后，乳化活性指數和穩定性指數得到顯著提高(P<0.05)。因此，大鯢皮明膠引入低劑量硅素后，復合液具有較好的理化性質和乳化活性，可作為功能性表面活性劑用于食品乳液中。