超聲輔助糖基化改性卵白蛋白乳化性能的研究

閆雨潔，董明英，陶加明，杭方學

(廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004)

目前，有多種天然或改性蛋白質在食品配方中作為乳化劑或乳化穩定劑被用于制備納米乳液，其可以充當脂溶性營養物質的遞送系統，具有有效保護油的氧化、抑制精油的蒸發等作用[1-2]。卵白蛋白具有降壓、抗菌、抗氧化、調節免疫活性等極高的應用價值[3]。但由于自身結構以及在特殊的食品加工條件下會發生變性，導致OVA的乳化能力較差[4]。因此，研究合適的方法改善OVA的乳化性能有重要意義。

超聲波技術作為一種操作簡單、清潔無污染的處理手段，在食品加工領域應用越來越廣泛。它不僅可以加快反應速度，提高反應產率，還可以改善產物的功能特性[5-7]。文獻[8]研究發現，超聲輔助糖基化反應制備賴氨酸-木糖接枝物比傳統濕熱法產物得到了更高濃度的調味化合物。李素云等[9]研究了超聲和未超聲處理下的小麥蛋白與殼聚糖接枝物，發現在低超聲功率下制備的接枝物穩定性更高。文獻[10]研究了超聲處理獲得的接枝物的理化性質與結構變化對乳化性能提高的影響。目前對超聲輔助糖基化改性產物的功能性質研究較多，但在超聲輔助糖基化改性蛋白的乳化體系中，對乳液穩定性的影響和乳液穩定機理的研究相對較少。

本試驗在超聲波處理下，將卵白蛋白與木糖接枝在一起，并將其制備成乳液?？疾炝巳橐旱募铀贉y試穩定性、凍融穩定性、熱穩定性和鹽穩定性，并將其與傳統濕熱法進行了比較，揭示了通過超聲波改變構象的蛋白質與糖形成接枝物對乳液性能的影響。該研究將為以OVA為原料在食品配方中作為乳化劑提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

卵清蛋白(OVA，A5253，分子量為45 kDa)：Sigma公司；木糖(Xyl,分子量為150.13 Da)、鄰苯二甲醛、十二烷基硫酸鈉、β-巰基乙醇：分析純，麥克林化學試劑有限公司；大豆油：益海嘉里食品科技有限公司。

1.2 主要儀器

Scientz-IID超聲波細胞破碎儀 寧波新芝生物科技有限公司；Cenlee 18R冷凍離心機 湖南湘立科學儀器有限公司；IRTracer-100傅里葉紅外光譜儀 日本島津公司；Ultra-Turra T18高速剪切分散器 德國IKA公司；Malvern Nano ZS90激光粒度分析儀 英國Malvern公司；Olympus CKX41顯微鏡 日本奧林巴斯公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 超聲波輔助卵白蛋白糖基化產物的制備

超聲處理是通過超聲波細胞破碎儀將超聲探頭直接浸入溶液中進行的，超聲處理條件設置為500 W時具有脈沖模式(3 s打開和2 s關閉)。超聲波輔助卵白蛋白糖基化產物的制備是將OVA與木糖按照質量比為1∶3溶于0.1 mol/L，pH 8.0的磷酸鹽緩沖液中，配制濃度為80 mg/mL的溶液，攪拌直至完全溶解?；旌衔镌?5 ℃水浴中加熱120 min，其中包括在反應的初期持續20 min，將OVA與木糖的混合溶液進行超聲輔助水浴加熱，然后進行水浴加熱(非超聲處理)，可累積100 min。反應完成后，將溶液放置在冰水浴中直至溫度降低到室溫。最后將接枝物冷凍干燥并保存在4 ℃下以便進一步分析。此外，接枝物也采用傳統濕熱法制備。

1.3.2 糖基化程度(DG)的測定

采用過鄰苯二甲醛(OPA)法測定蛋白質的游離氨基含量，進而來計算DG。準確稱取40 mg鄰苯二甲醛溶解于1 mL的甲醇中，分別加入20% (W/V)的十二烷基硫酸鈉(SDS)2.5 mL、0.1 mol/L的硼砂25 mL和100 μL β-巰基乙醇，最后用蒸餾水定容至50 mL，此為OPA試劑，OPA試劑應現用現配。測定時取OPA試劑4 mL于試管中，分別注入200 μL適當稀釋的樣品液，混勻后于35 ℃反應2 min，然后在340 nm下測得樣品吸光值。以在OPA 試劑中加入200 μL蒸餾水作為空白樣，賴氨酸用作計算游離氨基含量的標準。通過下式計算原始OVA 和接枝物的DG：

DG/%=(C0-Ct)/C0×100。

式中：C0和Ct分別為原始OVA 和接枝物的游離氨基含量。

1.3.3 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)

通過FTIR分析接枝物的二級結構變化。在測量之前，將樣品與經高溫烘干的溴化鉀混合并壓成薄片，使用FTIR光譜在500～4000 cm-1波段進行掃描獲取光譜。

1.3.4 乳液活性(EAI)和乳化穩定性(ESI)的測定

乳液活性(EAI)和乳化穩定性(ESI)的測定根據比濁法稍作修改。將5 mL接枝物溶液和10 mL磷酸鹽緩沖液(pH 7.0，0.01 mol/L)混合并水合15 min。將5 mL大豆油添加到混合物中，并通過高速剪切分散器在10000 r/min均質2 min,然后立即用移液器從容器底部吸取50 μL的乳液添加到5.0 mL 0.1% SDS中，測量其在500 nm處的吸光度值，EAI和ESI按下式計算:

式中：A0和A10是0 min和10 min時在500 nm處測量的吸光度；N是稀釋因子(100)；C是蛋白質濃度，g/mL；φ是油體積分數(0.25)；L是比色皿的路徑長度(1 cm)。

1.3.5 乳液制備

將濃度為1%(W/V)的接枝物溶液和5%(V/V)的大豆油混合，并使用高速剪切分散器以10000 r/min將混合物預乳化2 min，制成粗乳液。之后使用超聲波細胞破碎儀將混合物處理15 min。超聲處理條件設置為400 W，具有脈沖模式(脈沖持續時間設置為2 s打開和2 s關閉)。乳化過程使用冰水浴，以避免溫度過高。

1.3.6 液滴尺寸測量

乳液制備后直接測定乳液樣品的粒徑。使用激光粒度分析儀在25 ℃下測量乳液的平均液滴尺寸。在測量之前，將樣品稀釋100倍，以避免多重散射效應。

1.3.7 乳液微結構

使用顯微鏡的10倍放大倍率研究乳液的微觀結構。將一小滴乳液滴在顯微鏡載玻片上，并蓋上蓋玻片觀察。

1.3.8 加速測試的穩定性分析

使用高溫下的加速試驗評估乳液的長期穩定性。將制備好的乳液密封在10 mL透明的旋蓋小瓶中，以最大程度地減少蒸發，然后將乳液儲存在設定為60 ℃的烘箱中。在不同的儲存時間，即0，3，5，7 d，將乳液取出進行粒度測量。

1.3.9 凍融穩定性分析

將制備好的乳液密封在10 mL透明的旋蓋小瓶中，立即將其放入溫度為-18 ℃的冰箱中24 h。冷凍后將樣品置于25 ℃的水浴中融化2 h以解凍。重復此凍融程序2次，并在每個循環后對乳液進行粒度測量和顯微鏡觀察。

1.3.10 對高溫和高鹽濃度的穩定性分析

為了研究乳液的耐鹽和耐溫性，制備NaCl濃度為0.2 mol/L的乳液，并在90 ℃的水浴中處理30 min，然后將樣品置于冰水中將其冷卻至室溫，將乳液取出進行粒度測量和顯微鏡觀察。

1.3.11 數據統計分析

所有試驗重復3次，結果表示為平均值±標準差。使用SPSS 26.0統計軟件對結果進行統計分析，采用單因素方差分析(ANOVA)和鄧肯多重范圍檢驗(Duncan＇s)來評估顯著性差異(p<0.05)，采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 接枝度(DG)分析

樣品的接枝度(DG)通常被用來作為反映美拉德反應進程的指標。DG的增加代表著游離氨基的減少。OVA、OVA-X接枝物和uOVA-X接枝物的DG值見表1。

表1 OVA、OVA-X接枝物和uOVA-X接枝物的DG值Table 1 DG values of OVA,OVA-X conjugates and uOVA-X conjugates

由表1可知，糖基化反應后，OVA-X的接枝度為18.19%，表明在加熱過程中OVA與糖之間發生了美拉德反應。蛋白質的游離氨基與糖的還原端羰基之間的縮合反應可降低蛋白質中游離氨基的含量[11]。DG表明糖成功地與OVA結合。而超聲處理后，接枝度增加為22.09%，表明超聲處理可以加快OVA與木糖之間的接枝反應。這是因為在超聲處理過程中，超聲空化過程中能夠為接枝反應提供更多能量[12]，這導致分子快速運動，從而使反應基團更接近，加速蛋白質和糖之間的糖基化。此外，超聲處理可能破壞蛋白質的三級和四級結構，從而導致蛋白質分子結構內部的游離氨基逐漸暴露于分子表面參與接枝反應[13]。

2.2 FTIR分析

蛋白質與糖發生反應，FTIR光譜中會出現新的譜帶，或者譜帶的吸收強度或位置會發生變化，可以用來分析蛋白質-碳水化合物系統。OVA、OVA-X接枝物和uOVA-X接枝物的FTIR光譜見圖1。

圖1 OVA、OVA-X接枝物和uOVA-X接枝物的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of OVA,OVA-X conjugates and uOVA-X conjugates

由圖1可知，與OVA相比，接枝物OVA-X、uOVA-X的峰值在3600～3000 cm-1變寬，并且吸收峰從3302 cm-1移至更高的吸收強度，這些變化是由于游離和鍵合的羥基和氨基基團能夠與蛋白質中肽鍵的羰基形成氫鍵[14]。OVA的酰胺II和酰胺III的譜帶分別在1543，1238 cm-1處觀察到，接枝物OVA-X、uOVA-X的吸收峰均移至更高波數，同時酰胺I、酰胺II譜帶的吸收強度降低，這歸因于在美拉德反應期間消耗了部分氨基，以上結果表明OVA和糖發生了接枝反應，改變了OVA的結構[15]。與OVA-X相比，uOVA-X紅外光譜的吸收峰位置和強度發生了細微變化，但紅外光譜顯示出相似的特征。

2.3 超聲改性接枝物的乳化性能

OVA、OVA-X接枝物和uOVA-X接枝物的乳化活性和乳化穩定性見圖2。

圖2 OVA、OVA-X接枝物和uOVA-X接枝物的乳化活性(EAI)與乳化穩定性(ESI)Fig.2 Emulsification activity (EAI)and emulsification stability (ESI)of OVA,OVA-X conjugates and uOVA-X conjugates注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

由圖2可知，OVA-糖接枝物的EAI和ESI均優于OVA。這是因為接枝物更具兩親性，能夠迅速擴散，吸附到油滴表面，形成大分子穩定層，增強乳狀液滴表面的空間排斥，從而阻止油滴的絮凝和聚集[16]。通過超聲處理獲得的OVA-糖接枝物的EAI和ESI比OVA-X顯著提高(P<0.05)，這與DG值一致。這些結果表明，超聲處理下的OVA糖基化反應可能是提高OVA 乳化性能的更有效方法。其EAI和ESI的改善可以從兩個方面進行解釋；一方面歸因于通過超聲處理，其蛋白質內部疏水基團更易與糖中的還原端羰基反應，從而達到新的疏水-親水平衡，這有利于乳液的形成和穩定。另一方面，超聲處理可能會由于與空化有關的效應而導致蛋白質在水中進一步延伸，分子結構的形態從緊密的球形結構轉變為松散，暴露出內部疏水基團。這些作用是通過暫時分散聚集體和破壞聚合物鏈中的共價鍵而引起大分子解聚，從而增加蛋白質分子的遷移率，更有利于其在油-水界面上的吸附和展開[17]。

2.4 加速測試對超聲改性接枝物的乳液穩定性的影響

在食品工業中，乳液需要具有一定的長期穩定性。因此，需要了解乳液在儲存過程中的物理穩定性。故通過在60 ℃下的加速試驗評估天然OVA、OVA-X和uOVA-X制備乳液的長期穩定性。乳液在60 ℃加速測試時的平均粒徑見圖3。

圖3 乳液在60 ℃加速測試時的平均粒徑Fig.3 The average particle size of emulsion at 60 ℃ acceleration test

由圖3可知，乳液OVA-X的平均粒徑增大。這是因為木糖的引入增加了乳液的平均粒徑。此外，在超聲處理下乳液 uOVA-X的平均粒徑隨之減小。這可能是由于超聲空化作用引起的強烈剪切力使乳液液滴破裂，變得更小。這有助于接枝物在水油界面的遷移和在油滴表面的吸收率，從而阻止了液滴重力分離和聚集。對于在儲存過程中乳液液滴尺寸的變化，天然OVA在儲存7 d后顯著增加(p<0.05)，這表明OVA制備的乳液穩定性較差。由OVA-X制備的乳液在儲存期的第5天和第7天觀察到乳液平均粒徑變化不明顯。相比之下，對于uOVA-X制備的乳液，乳液平均粒徑在第5天和第7天的變化幾乎可以忽略不計。結果表明，接枝物能夠提供足夠的乳液穩定性來對抗加速試驗，而增加超聲處理更有利于乳液穩定性的提升。這是因為在糖基化反應后，接枝物可以比天然蛋白在油滴周圍形成一個更厚的彈性粘膜并產生位阻，從而可以增強油滴之間的排斥性空間力，保護相鄰液滴免于絮凝和聚集[18]。而在超聲處理下，會導致更多蛋白質內部疏水基團的暴露，使其達到新的疏水-親水平衡，有利于乳液的穩定，從而增強了抗加速穩定性。

2.5 連續凍融對超聲改性接枝物的乳液穩定性的影響

近年來，對于類似蛋黃醬這一類冷凍儲存后在使用前解凍的乳液，其潛在的應用正在增加。然而大多數用天然蛋白制備的乳液在冷凍和融化后變得不穩定，甚至完全分解成油相和水相，限制了OVA在冷凍食品中的利用。因此，提高OVA乳液的凍融穩定性具有重要意義。循環凍融前后乳液的平均粒徑見圖4。

圖4 循環凍融前后乳液的平均粒徑Fig.4 The average particle size of emulsion before and after freeze-thaw cycles

由圖4可知，在凍融發生后，OVA制備的乳液的平均粒徑變化較大，而OVA-X和uOVA-X制備的乳液的平均粒徑變化較小，表明其對冷凍具有很大的耐受性。同時，在圖5中顯示了用OVA、OVA-X和uOVA-X制備的乳液的顯微鏡圖像，當第一次凍融發生后，由OVA制備的乳液具有許多明顯的多分散性大油滴和不規則形狀的聚集體。這是因為OVA制備的乳液的空間位阻不足以抵抗油滴之間的聚集，油滴之間的排斥力降低，OVA乳液的油滴發生絮凝。而OVA-X和uOVA-X制備的乳液的顯微鏡圖像幾乎沒有變化，仍表現出內部密集且均勻分布的小油滴。凍融循環后，OVA制備的乳液液滴發生了更嚴重的絮凝和聚結，同時生成了更大的油滴，這主要歸因于冷凍過程中冰晶的形成可以穿透被吸附的蛋白質層，從而促進油滴的絮凝[19]。另外，低溫條件可能改變了蛋白質的構象結構，從而可能導致膜層保護功能喪失[20]。而OVA-X制備的乳液在第二次凍融發生后似乎比OVA保持了更好的穩定性，因為除了出現多分散性的大液滴，乳液的絮凝和聚結并不明顯。由uOVA-X制備的乳液的顯微鏡圖像幾乎沒有變化。OVA-X制備的乳液在油滴表面上形成較厚的界面層，使冷凍時形成的晶體難以滲透并破壞油滴周圍的界面膜，從而防止了凍融循環后的聚結。而通過超聲制備的乳液可能由于其具有較高凈電荷的液滴，產生更強的靜電排斥力以減少聚集[21]。

圖5 乳液2次凍融循環前后的微觀結構Fig.5 The microstructure of emulsion before and after two freeze-thaw cycles

2.6 高溫和高鹽對超聲改性接枝物的乳液穩定性的影響

食品工業中通常采用熱處理技術來防止食品變質。之前有研究表明，由蛋白質制備的水包油乳液，本質上是熱力學不穩定的遞送系統，對高溫和高鹽濃度敏感，乳液體系易發生聚集、絮凝和相分離。這是由于高溫和高鹽濃度會導致OVA變性，從而導致疏水性氨基酸和二硫鍵基團暴露，通過疏水性相互作用和二硫鍵促進進一步的絮凝[22]。因此，有必要了解乳液在高溫和高鹽濃度情況下的物理穩定性。加熱前后乳液的平均粒徑見圖6。

由圖6可知，加熱30 min后，OVA制備的乳液的平均粒徑較OVA-X制備的乳液顯著增大，而uOVA-X制備的乳液的平均粒徑幾乎沒有變化。超聲處理進一步增加了乳液的耐高溫和高鹽濃度的穩定性。顯微鏡圖像進一步支持了OVA、OVA-X和uOVA-X三者制備的乳液穩定性的差異，見圖7。

圖6 加熱前后乳液的平均粒徑Fig.6 The average particle size of emulsion before and after thermal treatment

圖7 乳液加熱前后的微觀結構Fig.7 The microstructure of emulsion before and after thermal treatment

由圖7可知用OVA、OVA-X和uOVA-X制備的乳液的顯微鏡圖像，當鹽濃度為0.2 mol/L，在90 ℃條件下加熱30 min時，由OVA制備的乳液油滴發生了絮凝和聚結。而OVA-X和uOVA-X制備的乳液的顯微鏡圖像幾乎沒有變化，仍表現出內部密集且均勻分布的小液滴。結果表明，糖基化反應對高鹽高熱誘導聚集具有抑制作用。這是因為糖基化反應增加了空間位阻，從而降低了液滴之間的吸引力。試驗結果表明，當乳液為高溫高鹽體系，相對于天然OVA，OVA-X和uOVA-X制備的乳液表現出更好的穩定性，這為OVA-X和uOVA-X在食品工業中作為乳化劑進行熱巴氏滅菌提供了可能性。

3 結論

本試驗對OVA、OVA-X、uOVA-X制備的乳液穩定性進行了系統研究。經超聲處理的糖基化改性蛋白乳液具有更小的液滴尺寸以及更好的加速測試穩定性、凍融穩定性和耐高溫高鹽穩定性。初步明確了適當的超聲處理可以導致OVA的空間構象和分子結構發生變化，促進糖基化反應的進行，這有利于乳液穩定。此外，超聲處理通過暫時分散聚集體等行為阻止了乳液在不良條件下油滴的重力分離和聚集。因此，通過超聲波輔助糖基化反應提高OVA乳化性能是可行的，這為擴大OVA在食品工業中的應用提供了有用的信息。