超高壓處理優(yōu)化藜麥蛋白的乳化性能

乜世成，張 煒，田 格，王志娟，甘文梅，高 紅

（青海師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810008）

藜麥（ChenopodiumquinoaWilld.）別名南美藜、印第安麥、奎藜等，一年生雙子葉藜科植物[1–2]，因其具有豐富的營養(yǎng)成分而成為印加土著居民的主要食物之一[3–4]。Kozio?[5]的研究表明，藜麥谷物中的蛋白質(zhì)（簡稱藜麥蛋白）含量在13.8%～16.5%之間，平均含量為15%，含有10種人體必需的氨基酸。藜麥蛋白與牛乳酪蛋白的氨基酸模式相當[6]，并且藜麥不含麩質(zhì)，迄今沒有已知的過敏原[7]，因此在食品行業(yè)中，藜麥作為一種優(yōu)質(zhì)蛋白來源具有巨大的應(yīng)用潛能[8]。

乳化性和乳化穩(wěn)定性是蛋白質(zhì)的重要功能性質(zhì)之一，對食品的感官、風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)具有重要的影響。實驗表明：質(zhì)量分數(shù)為3%的蛋白乳液中，藜麥蛋白的平均乳化性指數(shù)為（2.10± 0.99）m2/g，遠小于牛血清蛋白的54.4 m2/g；藜麥蛋白的乳化穩(wěn)定性指數(shù)平均值為（38.43 ± 7.22） min，略小于牛血清蛋白的45 min。可以看出，藜麥蛋白具有很好的乳化穩(wěn)定性，但乳化能力較差[9–10]。為了充分挖掘這種優(yōu)質(zhì)蛋白的潛能，需要對藜麥蛋白進行改性，常用的蛋白改性方法有物理改性、化學(xué)改性、酶改性[11–13]。與傳統(tǒng)處理方法相比，超高壓處理（Ultra-high pressuretreatment,UHP）技術(shù)是一種更為優(yōu)越的處理方法，主要作用于相對較弱的非共價鍵，如氫鍵、疏水鍵和離子鍵，對食品的顏色、風(fēng)味、口味及質(zhì)地的影響都很小[14–15]。超高壓改性作為一種物理改性方法，具有加工成本低、安全性高、作用時間較短和營養(yǎng)損失較少等優(yōu)點。近年來，UHP技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)蛋白改性[16]，許多學(xué)者對改性后蛋白的理化特性進行了大量的研究。劉堅等[17]研究發(fā)現(xiàn)，鷹嘴豆超高壓處理后其分離蛋白的溶解性有不同程度的下降，而表面疏水性、乳化性和起泡性都顯著提高。

目前，關(guān)于改性藜麥蛋白的相關(guān)研究較少，為此本研究將利用UHP技術(shù)對藜麥蛋白進行改性，并分析UHP 對藜麥蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響。

1 實驗材料和方法

1.1 材料及試劑

藜麥種子購于青海卡約初禾生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司，十二烷基硫酸鈉（SDS）購于中國醫(yī)藥集團北京公司，大豆油購于益海嘉里糧油工業(yè)有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

實驗主要儀器和設(shè)備：HPP 600 MPa/5 L 超高壓食品處理裝置（包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司）、RCT加熱磁力攪拌器（IKA 儀器設(shè)備有限公司）、BSA224S-CW 電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）、VFD-2000冷凍干燥機（北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司）、T25數(shù)顯型均質(zhì)機（IKA 儀器設(shè)備有限公司）、DelsaMax PRO型激光粒度分析儀，X 射線粉末衍射儀（日本島津公司）及傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛公司）。

1.3 實驗方法

1.3.1制備藜麥蛋白樣品

選取飽滿的藜麥種子，粉碎，過60目篩，烘干，冷卻后脫脂，置于通風(fēng)櫥中24 h（揮發(fā)溶劑），得到脫脂藜麥粉，密封干燥后備用。稱取4.0 g 脫脂藜麥粉，加入復(fù)合酶（纖維素酶與糖化酶比例為4∶6）400 U/g 和100 mL 蒸餾水制成混合液。將酶解液的pH 值調(diào)至5.0，在50℃下酶解70 min，高溫滅酶活30 s，室溫冷卻后6 000 r /min 離心15 min，取上清液進一步分離、濃縮、干燥，得到藜麥蛋白粉。

1.3.2藜麥蛋白樣品的超高壓處理

將藜麥蛋白粉溶于水中配置質(zhì)量分數(shù)為0.4%的溶液，搖勻后裝入塑料小瓶內(nèi)，置于超高壓容器中。在室溫下進行超高壓處理，250 MPa 保壓6 min。將超高壓處理后的樣品置于4℃冰箱中備用。

1.3.3檢測藜麥蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性

優(yōu)化Jiang 等[18]的方法，向50 mL 藜麥蛋白溶液中加入12.5 mL 大豆油，以10 000 r/min 均質(zhì)2 min。吸取底部乳狀液0.05 mL，立即加入0.1%SDS溶液5 mL 充分搖勻。以0.1%SDS溶液為對照，檢測藜麥蛋白和SDS混合乳液在500 nm 處的吸光度A0；均質(zhì)藜麥蛋白和SDS混合乳液放置30 min 后，測定吸光度A1。乳化活力指數(shù)（aEAI，單位m2/g）和乳化穩(wěn)定指數(shù)（bESI，單位%）的計算公式分別為

式中：D為溶液的稀釋倍數(shù)，C為藜麥蛋白溶液的初始質(zhì)量分數(shù)，l為光程（1 cm），r為油相比例。

1.3.4單因素實驗分析

分析蛋白質(zhì)量分數(shù)、超高壓處理保壓壓力及保壓時間對藜麥蛋白的乳化活力指數(shù)和乳化穩(wěn)定指數(shù)的影響，從而得出藜麥蛋白乳化的最優(yōu)實驗條件。

（1）藜麥蛋白的質(zhì)量分數(shù)優(yōu)化：固定保壓壓力為250 MPa，保壓時間為6 min，檢測蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%時，蛋白質(zhì)量分數(shù)變化對超高壓處理藜麥蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響。

（2）超高壓處理保壓壓力優(yōu)化：固定蛋白質(zhì)量分數(shù)為0.4%，保壓時間為6 min，檢測保壓壓力分別為100、150、200、250 和300 MPa 時，保壓壓力變化對超高壓處理藜麥蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響。

（3）超高壓處理保壓時間優(yōu)化：固定蛋白質(zhì)量分數(shù)為0.4%，保壓壓力為250 MPa，檢測保壓時間分別為3、6、9、12和15 min 時，不同保壓時間對超高壓處理藜麥蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響。

1.3.5響應(yīng)面實驗設(shè)計

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6 響應(yīng)面分析軟件，根據(jù)Box-Behnken 實驗設(shè)計原理，以保壓壓力（p）250 MPa、保壓時間（t）6 min、蛋白質(zhì)量分數(shù)（M）0.4%為“0”水平進行三因素三水平的響應(yīng)面實驗設(shè)計，對各因素的實驗水平分別以–1、0、1進行編碼（見表1）。

表1 響應(yīng)面分析法的因素-水平表Table 1 Factors and levels of response surface method

1.3.6傅里葉紅外譜分析

應(yīng)用KBr 壓片法，通過Peakfit Version 軟件分析譜圖，采用Gauss峰形進行擬合后估算子峰的位置和數(shù)量，根據(jù)各子峰與二級結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，通過積分面積計算各二級結(jié)構(gòu)的相對含量[19]。

1.3.7粒徑分布

參考胡淼等[20]的方法進行粒度分析測定。

1.3.8X 射線衍射分析

采用銅靶Kα射線（40 kV、30 mV），記錄膜樣品2 θ為5°～ 80°范圍內(nèi)的X 射線衍射（XRD）強度，并分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)變化。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 單因素對藜麥蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

2.1.1蛋白質(zhì)量分數(shù)對藜麥蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

如圖1所示，隨著藜麥蛋白質(zhì)量分數(shù)增大，乳化活力指數(shù)（蛋白乳化性）逐漸增大，這是因為質(zhì)量分數(shù)增大時，在超高壓作用下，聚集的蛋白質(zhì)肽鏈結(jié)構(gòu)得以展開和擴散，蛋白質(zhì)被分解成更小的亞基，表面積隨之增大，蛋白質(zhì)內(nèi)部的兩性基團外露增多，蛋白質(zhì)的結(jié)合水外露也增多，而蛋白質(zhì)的水化作用與溶解度息息相關(guān)，此時水化作用增強有利于提高溶液的溶解度[21]。另外蛋白質(zhì)親水性和親油性的提高會促進蛋白質(zhì)之間相互作用，因此其乳化能力增強[22]。當質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，乳化活力指數(shù)最大可達109 m2/g。繼續(xù)提高蛋白質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，乳化性反而降低。這可能是由于在高濃度下，蛋白質(zhì)的擴散受到活化能屏障的阻礙[23]，從而使得溶液的溶解度降低，導(dǎo)致乳化能力下降。同時由圖1可見，隨著蛋白質(zhì)量分數(shù)的增大，乳化穩(wěn)定指數(shù)變化不顯著。因此，本研究中0.4%為最適蛋白質(zhì)量分數(shù)。

圖1 蛋白質(zhì)量分數(shù)對藜麥蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響Fig. 1 Effect of protein massfraction on the emulsifying property and emulsion stability of quinoa protein

2.1.2保壓壓力對藜麥蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

如圖2所示，伴隨著保壓壓力增大，藜麥蛋白的乳化活力指數(shù)先增大后減小，而乳化穩(wěn)定指數(shù)變化不明顯。保壓壓力為100～250 MPa 時，隨著保壓壓力增大，蛋白的乳化活力指數(shù)明顯變大，可能是由于外界高壓作用使得蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)受到破壞從而導(dǎo)致肽鏈緩慢伸展開來[24]，更多蛋白質(zhì)內(nèi)部的極性基團和非極性基團暴露出來，親水性和親油性提高，從而使其乳化能力提高。當保壓壓力為250 MPa時，乳化活力指數(shù)最大可達107 m2/g。研究表明，粒徑較小的乳液乳化性能更穩(wěn)定，超高壓處理可以改變?nèi)芤褐辛Ｗ拥牧剑沽綔p小，從而增加溶液的黏度[22]，表現(xiàn)為乳化能力增強。但繼續(xù)增大保壓壓力，之前吸附到油水界面上的蛋白質(zhì)在壓力的作用下會重新聚集而沉淀，表現(xiàn)為乳化性變?nèi)鮗25]。因此，本研究中250 MPa 為最適保壓壓力。

圖2 保壓壓力對藜麥蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of theholding pressure on the emulsifying property and emulsion stability of quinoa protein

2.1.3保壓時間對藜麥蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

如圖3所示，保壓時間在3～6 min 時，隨著保壓時間延長，藜麥蛋白的乳化活力指數(shù)逐漸增大；保壓時間為6 min 時，乳化活力指數(shù)達到最大（112 m2/g）；保壓時間超過6 min 時，乳化性顯著降低。隨著保壓時間延長，藜麥蛋白的乳化穩(wěn)定性變化不明顯。保壓時間是UHP對藜麥蛋白乳化性影響的重要因素之一，處理時間過短或者過長都不利于乳化性的優(yōu)化。保壓時間對乳化性的影響與壓力對其的影響類似，當保壓時間過長時，蛋白質(zhì)發(fā)生聚集，蛋白質(zhì)分子的伸展受到阻礙導(dǎo)致分子鏈向內(nèi)收縮，界面蛋白層的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而降低了蛋白質(zhì)在界面的吸附性和相互作用，表現(xiàn)為乳化性降低[26]。因此，本研究中6 min 為藜麥蛋白的最適保壓時間。

圖3 保壓時間對藜麥蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of holding pressure time on the emulsifying property and emulsion stability of quinoa protein

2.2 響應(yīng)面實驗結(jié)果與分析

2.2.1響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

根據(jù)表1所示的因素與水平進行響應(yīng)面實驗設(shè)計。由于單因素水平實驗中藜麥蛋白的乳化穩(wěn)定性未表現(xiàn)出顯著變化，故只以藜麥蛋白的乳化性作為響應(yīng)值進行Box-Behnken 中心組合實驗因素水平分析。共進行了17次三因素分析實驗，分析方案及實驗結(jié)果如表2所示。

2.2.2線性回歸模型及檢驗

運用Design-Expert 軟件對表2中的實驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸擬合后，得到乳化性與p、t及M3 個單因素之間的關(guān)系式

表2 響應(yīng)面分析方案及實驗結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surfacemethod

由式（3）可以看出，其各項系數(shù)的絕對值與因素對響應(yīng)值的影響程度成正比，式（3）中各項系數(shù)的正、負也反映了因素對響應(yīng)值影響的方向[27]。

對該模型進行顯著性檢驗及回歸模型系數(shù)顯著性結(jié)果分析，如表3所示，其中：上標“*”表示顯著性水平P＜0.05，上標“**”表示顯著性水平P＜ 0.01[28]。表3中模型的P值為0.0002，F(xiàn)值為25.61，說明該模型是極顯著的；模型的調(diào)整確定系數(shù)R2= 0.9705，故該模型可解釋97.05%響應(yīng)值的變化；校正決定系數(shù)伴隨矩陣R*2=0.9326，說明該模型的擬合程度較好，實驗誤差較小。因此，該模型可以用于設(shè)計范圍內(nèi)的預(yù)測。失擬項的F值為0.091，說明失擬項的純誤差不顯著。根據(jù)因素項的顯著性分析可知：M、p2、t2和M2表現(xiàn)為極顯著，p、t表現(xiàn)為顯著，說明保壓壓力、保壓時間及蛋白質(zhì)量分數(shù)與乳化性之間存在明顯的二次函數(shù)關(guān)系，影響乳化性因素的順序為蛋白質(zhì)量分數(shù)＞ 保壓壓力＞ 保壓時間。

表3 線性回歸分析結(jié)果Table 3 Results of linear regression analysis

2.2.3響應(yīng)面模型及最佳條件優(yōu)化

三維響應(yīng)曲面模型能夠更直觀地看出兩因素對因變量的影響，響應(yīng)面坡度越陡表明各交互因素對響應(yīng)值的影響越顯著[29]。如圖4所示，乳化性隨著蛋白質(zhì)量分數(shù)和保壓時間的變化發(fā)生較大變化，蛋白質(zhì)量分數(shù)越低，保壓時間越短，乳化性越高；同理，由蛋白質(zhì)量分數(shù)和保壓壓力的響應(yīng)曲面可見，蛋白質(zhì)量分數(shù)越低，保壓壓力越小，乳化性越高；由保壓時間和保壓壓力的響應(yīng)曲面可見，保壓時間越短，保壓壓力越小，乳化性越高。兩因素交互作用對響應(yīng)值的影響順序從大到小為蛋白質(zhì)量分數(shù)-保壓時間＞保壓時間-保壓壓力＞ 蛋白質(zhì)量分數(shù)-保壓壓力。

圖4 響應(yīng)面模型Fig.4 Response surface model

通過Design-Expert 8.0.6 軟件得到最佳的工藝優(yōu)化條件，即保壓壓力為235.54 MPa，保壓時間為5.18 min，蛋白質(zhì)量分數(shù)為0.34%，預(yù)測藜麥蛋白的最優(yōu)乳化指數(shù)為124.887 m2/g。為驗證本實驗的最佳工藝條件并結(jié)合實際需求，在保壓壓力為235 MPa、保壓時間為5.2 min、蛋白質(zhì)量分數(shù)為0.34%的實驗條件下做3次平行實驗，測得的乳化指數(shù)為119 m2/g。實驗結(jié)果比較接近預(yù)測值，說明該模型實驗優(yōu)化的工藝條件是可行的。

2.2.4傅里葉紅外分析

如圖5所示，傅里葉紅外光譜提供了蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶、酰胺Ⅲ帶信息以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的C—C鍵和C＝O鍵等振動信息[30]。另外，傅里葉變換紅外光譜中蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶（1 600～1 700 cm?1）頻率的遷移與蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。圖6是利用Peak fit 軟件對紅外圖譜進行二次積分得到的擬合圖譜，每條曲線積分時的取值區(qū)間不同。采用Peak fit 軟件對蛋白質(zhì)紅外光譜酰胺Ⅰ帶（1 600～1 700 cm?1）進行二階導(dǎo)數(shù)紅外去卷積光譜擬合，通過峰位歸屬確定二級結(jié)構(gòu)種類和相對含量，結(jié)果見表4。

圖5 藜麥蛋白改性前、后的紅外光譜分析Fig.5 Infrared spectrum analysisof quinoa protein beforeand after modification

圖6 藜麥蛋白改性前、后蛋白酰胺Ⅰ帶的擬合圖譜Fig.6 Protein amide Ⅰfitting map of quinoa protein before and after the modification

表4給出了藜麥蛋白中β-折疊、無規(guī)則卷曲、α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角4種二級結(jié)構(gòu)的含量。Choi 等[31]報道α-螺旋和β-折疊是比較有序的蛋白二級結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性，β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲是無序結(jié)構(gòu)。保壓壓力為250 MPa 時，改性后蛋白β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的含量顯著增加，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量也有所增加，而α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)含量均有所減少，蛋白分子的無序性增強，說明改性后蛋白的乳化性提高。

表4 藜麥蛋白改性前、后蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的含量Table 4 Secondary structure content of quinoa protein before and after modification

2.2.5粒度分布測定

由圖7可知，原蛋白乳化顆粒粒徑比改性后蛋白乳化顆粒粒徑大。本研究中原蛋白粒徑為684 nm，而改性后蛋白粒徑為528 nm，表明超高壓作用使藜麥蛋白乳化顆粒的粒徑減小。其主要原因可能是超高壓作用于蛋白質(zhì)大分子，導(dǎo)致分子間的結(jié)合形式發(fā)生變化，各種鍵的破壞和重組改變了其高級空間結(jié)構(gòu)[32]。由于蛋白質(zhì)與油脂發(fā)生乳化作用時，形成的乳化顆粒越小，蛋白質(zhì)的乳化性越好[33]，本研究中改性蛋白乳化顆粒的粒徑減小，因此其乳化性增強。

圖7 藜麥蛋白改性前、后的粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of quinoa protein before and after modification

2.2.6XRD分析

如圖8所示，XRD分析中蛋白質(zhì)的α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)的峰角分別在10°和20°附近[34]。本研究中，改性前、后藜麥蛋白在約10°附近的峰強度有明顯不同。原蛋白在11.12°處的峰強度是377，而改性后蛋白在11.00°處的峰強度是342，說明改性后蛋白α-螺旋結(jié)構(gòu)的含量有所降低，無序性增加，乳化性增強[35]。

圖8 藜麥蛋白改性前、后的XRD分析圖譜Fig.8 XRD patterns of quinoa protein before and after modification

3 結(jié) 論

探究了超高壓作用對藜麥蛋白乳化性能的影響，通過單因素實驗得出，乳化性隨著蛋白質(zhì)量分數(shù)、保壓壓力和保壓時間的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而乳化穩(wěn)定性變化不明顯。根據(jù)單因素實驗結(jié)果，采用響應(yīng)面法進行優(yōu)化，得到最佳的工藝條件，即保壓壓力為235.54 MPa，保壓時間為5.18 min，蛋白質(zhì)量分數(shù)為0.34%，在此條件下藜麥蛋白的最優(yōu)乳化指數(shù)為124.887 m2/g。為驗證本實驗的最佳工藝條件并結(jié)合實際需求，設(shè)定保壓壓力為235 MPa、保壓時間為5.2 min、蛋白質(zhì)量分數(shù)為0.34%，在此條件下測得乳化指數(shù)為119 m2/g，通過傅里葉紅外光譜、粒度儀、XRD等表征方法分析蛋白質(zhì)的表面性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，超高壓技術(shù)能夠有效改善藜麥蛋白的乳化性。