王浩宇, 張 舒, 馮玉超, 馬艷濤, 程曉雨, 王長遠,2
(黑龍江八一農墾大學1,大慶 163000)
(國家雜糧工程研究技術中心2,大慶 163000)
Pickering乳液是通過固體顆粒直接吸附在水油界面形成抵抗聚結的穩定乳液[1,2],為了提高Pickering乳液在食品應用中的兼容性,許多研究已經利用蛋白質基、淀粉基、以及蛋白質-多酚或者蛋白質-糖等復合顆粒來制備Pickering乳液,解決了無機顆粒在應用中的限制性[3]。兩親性以及多樣性是蛋白基制備Pickering乳液的關鍵因素,相比于其他食品基質,蛋白質還具有極高的營養價值[4]。豌豆蛋白、大米蛋白、大豆蛋白聚集體、玉米醇溶蛋白等植源性蛋白質和乳清蛋白、酪蛋白等動物源蛋白質已經被被廣泛的作為Pickering乳液穩定劑的原材料[5]。但是單一蛋白質吸附于乳液的界面膜較脆弱[6],目前,有報道顯示復合蛋白可以改善這一現象,李良等[7]研究發現,向大豆蛋白中添加乳清蛋白可以提高其乳液的乳化性能,并且降低了乳液的黏度和剪切力。徐鵬程等[8]發現植物源和動物源蛋白復合,氨基酸可互補,乳液的營養品質得到提升[9]。故雙蛋白體系對于制備Pickering乳液有很好的應用前景,且深入探究雙蛋白復合體系在食品中的應用具有重要的指導作用。
綠豆作為傳統的藥食兩用食品,蛋白質質量分數為20%~25%,富含人體必需氨基酸[10-12],是一種優質蛋白來源[13]。我國綠豆蛋白通常以副產物形式出現,未得到充分利用,造成了資源的浪費,與其他植物來源的蛋白相比,綠豆蛋白具有較好的乳化性和凝膠性[14],然而在Pickering乳液中使用較少。乳清蛋白的營養價值極高[15,16],同時具有良好的成膠性、溶解性、兩親性、成膜性等的功能特性。目前乳清蛋白可作為功能性成分,例如乳化劑、增稠劑、發泡劑、凝膠劑等應用于食品中[17]。除此之外,其在可食用膜、納米顆粒、Pickering乳液的開發和生產等方面具有廣闊應用前景[18]。
研究以綠豆為原料,通過pH循環法制備綠豆蛋白、乳清蛋白和雙蛋白納米顆粒,以大豆油為油相采用均質法制備出蛋白納米顆粒Pickering乳液,系統分析了單一蛋白納米顆粒乳液及其不同比例雙蛋白納米顆粒乳液的的微觀結構、理化性質及穩定性,達到了體系富含植物、動物蛋白營養,符合現代飲食安全、營養、健康的目的,旨在為綠豆開發新型深加工途徑提供參考,為蛋白基Pickering乳液體系的設計和開發提供更多的借鑒,同時也為功能活性物質的高效遞送、吸收提供了新思路。
山西小明綠豆,市售;乳清蛋白;大豆油,市售;鹽酸、氫氧化鈉和石油醚;透析袋;尼羅紅,阿拉丁;十二烷基硫酸鈉(SDS),試劑均為分析純。
LYOQUEST PLUS冷凍干燥機,FA25高速均質機,Mastersizer 3000馬爾文激光粒度分析儀,DHR-1流變儀,BX53光學顯微鏡,LSM 880激光共聚焦顯微鏡。
1.3.1 綠豆蛋白的提取
參照Du等[19]的方法采取堿溶酸沉的方法制備綠豆蛋白。收集蛋白,將所得到的蛋白質冷凍干燥,干燥后的蛋白質密封保存在-20 ℃條件下備用。
1.3.2 綠豆-乳清雙蛋白納米顆粒的制備
參照Wang等[20]將綠豆蛋白和乳清蛋白分散在去離子水中以獲得指定的綠豆蛋白/乳清蛋白質量比(1.0∶0.0、0.0∶1.0、1.0∶0.1、1.0∶0.2、1.0∶0.5、1.0∶1.0、1.0∶1.5、1.0∶2.0,綠豆蛋白/乳清蛋白;編號為1~8)保持綠豆蛋白質量濃度恒定為1 g/100 mL。用1 mol/L NaOH將混合物的調節至pH為12,攪拌4 h后用0.1 mol/L HCl滴定至pH為7,將蛋白質溶液離心30 min(5 000 r/min)以除去不溶組分,最后上清液用透析袋(截留分子質量為3 500 u)在4 ℃下相對去離子水進行透析過夜,以去除鹽分。上清液冷凍干燥保存-20 ℃條件下備用,實驗所使用制備乳液的蛋白質溶液均為現用現制的。將不同比例蛋白質納米顆粒記錄為L-N、R-N、LR-N3、LR-N4、LR-N5、LR-N6、LR-N7、LR-N8。
1.4.1 雙蛋白納米顆粒掃描電鏡的測定
冷凍干燥后的蛋白質納米顆粒用電鏡導電膠粘臺、離子濺射噴金處理,固定于樣品臺上,放入掃描電鏡后調節最佳拍攝視野及放大倍數進行拍照觀察。
1.4.2 十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)
采用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析樣品蛋白組成。
采用1.3節方法制備不同比例的雙蛋白納米顆粒溶液,以此分散液作為水相,大豆油作為油相,分散液與大豆油比例為8∶10混合,通過均質機在10 000 r/min下均質2 min,即可得到雙蛋白Pickering乳液[21],將制得的乳液在4 ℃下保存。記錄不同比例蛋白質納米顆粒所對應Pickering乳液為L-N-P、R-N-P、LR-N-P3、LR-N-P4、LR-N-P5、LR-N-P6、LR-N-P7、LR-N-P8。
1.5.1 Pickering乳液的外觀及微觀觀察
使用光學顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對乳液進行微觀形態的觀察,觀察油滴的聚集程度、分布狀態,使用手機拍攝乳液制備后的宏觀形態。
1.5.2 Pickering乳液的流變學特性
將乳液樣品置于流變儀平行板之間,間隙設為1 mm,剪切速率范圍設定為0.1~100.0 S-1記錄下剪切速率和表觀黏度的變化;乳液樣品的黏彈性同樣使用流變儀進行表征,模式選用0.1~10.0 Hz的頻率掃描,應變固定在0.5%,確保所有測量在線性黏彈性區域;應力掃描,掃描頻率為1.0 Hz,應力掃描范圍0.1~1 000.0 Pa;振幅掃描范圍在0.01%~10.00%,應力掃描范圍0.1~1 000.0 Pa;記錄下彈性模量(G′),黏性模量(G″),及其變化趨勢。所有的測量均在25 ℃下進行。
1.5.3 Pickering乳液的粒徑分布
采用馬爾文激光納米粒度儀測定雙蛋白納米顆粒及Pickering乳液的粒徑、分散系數。測定前用磷酸鹽緩沖液和質量分數1%的SDS液體對樣品進行適當的稀釋,并用試管振蕩器混勻。使用儀器對其測定。
1.5.4 Pickering乳液的乳化性及乳化穩定性
將乳液樣品500 μL加入到質量濃度1 mg/100 mL SDS溶液中,共10 mL。分別于0、30 min在500 nm處測量樣品的吸光度。乳化性(EAI)和乳化穩定性(ESI)使用公式計算:
式中:c為樣品質量濃度/g/mL;θ為乳液中油相的體積分數;N為稀釋倍數(100)。
1.6.1 儲藏穩定性
制備多份同樣新鮮制備的Pickering乳液,置于室溫下放置,每隔一段時間使用馬爾文粒度儀測定1次乳液的粒徑分布,不重復取用同一瓶乳液進行測定,且同時記錄乳析指數以及顯微鏡觀察。
1.6.2 pH穩定性
將制備好的雙蛋白納米Pickering乳液的pH分別調至范圍為3、7、9。用相應pH值的樣品進行顯微鏡觀察。
1.6.3 熱穩定性
將制備好的雙蛋白納米Pickering乳液,分別置于50、70、90 ℃下加熱30 min,冷卻至室溫后,使用顯微鏡進行觀察。
1.6.4 離子穩定性
將制備好的雙蛋白納米Pickering乳液取10 mL置于不同試管中,分別用100、400、800 mmol/L NaCl將乳液進行調節,靜置2 h后顯微鏡進行觀察。
實驗用新鮮制備的樣品進行,重復3次以上取平均值,報告數據用SPSS22.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA),Duncan檢驗樣本間差異的有統計學意義(P<0.05),圖形采用Origin和Excel軟件繪制。
通過掃描電鏡圖觀察到了凍干狀態下蛋白質納米顆粒的微觀結構(圖1a),L-N呈現出致密的球狀顆粒結構,R-N觀察到的是不規則的片層塊狀,隨著乳清蛋白比例的添加形成了新的規則的球形,且LR-N的球形表面越來越光滑,顆粒形貌越來越完整,但是顆粒聚集呈的粒徑分布幾乎無法分辨,皆為100~200 nm之間,結果表明,單一蛋白納米顆粒與雙蛋白納米顆粒是不同的微觀結構,即2種蛋白質的結構形成了一種新結構。

注:1為綠豆蛋白;2為乳清蛋白;3~8表示m綠豆蛋白∶m乳清蛋白分別為1.0∶0.1;1.0∶0.2;1.0∶0.5;1.0∶1.0;1.0∶1.5;1.0∶2.0。
采用SDS-PAGE對蛋白質的分子質量進行表征,如圖1b所示,L-N在17.6、20.6、28.4、38.9 ku處有特征亞基條帶,R-N亞基中主要包括14.9、45.1 ku的亞基條帶,與Wang等[22]報道的相似。與單一蛋白納米顆粒相比,雙蛋白納米顆粒呈現出的條帶包含兩者,而且出現了新增條帶,發生變化較明顯,說明出現蛋白質片段的降解和聚集,產生此現象可能是因為制備納米顆粒時,在堿性條件下導致蛋白的構象發生變化,之后在中性條件下重新折疊[23,24],當2種蛋白質復合后,部分蛋白質及其聚集體和小分子亞基相互作用以二硫鍵為主,或者在制備過程中蛋白質被分解產生的其他亞基結構。從圖1b可以發現,L-N的特征條帶較淺,在復合后20.6、38.9 ku條帶變深,隨著乳清蛋白增加,其條帶又逐漸變淺,推測原因可能是2個蛋白質結合部分蛋白展開,蛋白之間發生集合,因而初始LR-N在這2個條帶較綠豆蛋白深,這與Jirawat等[25]的研究結果一致;之后乳清蛋白增多與綠豆蛋白的結合可能性也增加,影響了蛋白質分子間的二硫鍵交聯,因而條帶變淺[26]。R-N在14.9 ku時,條帶顏色很深且很粗,推測是在制備時導致蛋白發生變性,從而破壞蛋白質中的二硫鍵或肽鍵等作用力,則分子質量更多地集中在低分子質量上。隨著乳清蛋白比例的增加,14.9 ku條帶顏色逐漸加重,可能是由于綠豆蛋白的與乳清蛋白的相結合而引起了電子的變化產生的。結果說明,實驗成功制備出納米顆粒且符合制備Pickering乳液的條件。
以蛋白質納米顆粒為乳化劑,在Pickering乳液體系中進行了研究。由圖2可見,乳液粒徑分布較均勻,可以觀察液滴外部有層物質包圍,判斷為蛋白質層,由此也可推測為水包油乳液。因此進一步采用激光共聚焦顯微鏡觀察,將乳液的蛋白相和油相分別用尼羅藍和尼羅紅染色[27],通過激光共聚焦顯微鏡觀察乳液的微觀結構并拍照,發現單一蛋白納米顆粒形成的Pickering乳液液滴較大且大小不均勻,而雙蛋白Pickering乳液,隨著乳清蛋白比例的增加,形成的液滴數量也逐漸增多,液滴逐漸變小且分散均勻。林瓊妮等[28]研究的雙蛋白復合乳液也表現出相同的結果。油相周圍包裹了較厚的蛋白吸附層,在球形油滴表面形成致密層,這可以作為天然的物理屏障,減少與氧化劑的相互作用,進而增加了乳液的物理穩定性。還可以發現蛋白質更傾向于吸附在水油界面,與顯微鏡觀察到的結果一致。結果表明,蛋白質納米顆??勺鳛槿榛瘎┪皆谒徒缑嫔闲纬煞€定的Pickering乳液。

注:第1列為樣品顯微鏡觀察,第2列為激光共聚焦顯微鏡中蛋白質染色觀察,第3列為激光共聚焦顯微鏡大豆油染色觀察;第4列為激光共聚焦顯微鏡中共同染色觀察,顯微鏡為放大40倍,激光共聚焦標尺=50 μm。
乳液的流變特性對乳液的儲藏和應用具有重要意義,因此利用流變儀來研究Pickering乳液的流變性以反映乳液的整體組成與流動行為之間的關系[29]。由圖3可以看出,隨著剪切速率的增加,不同樣品制備的乳液的表觀黏度逐漸變小,證明Pickering乳液具有剪切稀化現象,這是由于高速的剪切會使Pickering乳液結構發生改變,剪切速率克服布朗運動,使Pickering乳液液滴的排列更加有序,對流動的阻力更小[30],黏度下降。由此可判斷該Pickering乳液仍然具有典型的非牛頓流體特征,且乳清蛋白比例不會改變這種特征,但是會影響Pickering乳液的表觀黏度,具體變現為隨著蛋白比例的升高,乳液的表觀黏度也隨之增加,LR-N-P穩定的乳液黏度具有更明顯的剪切稀化行為,這可能是因為體系中相關液滴的去絮凝作用引起的[31]。

圖3 Pickering乳液的流變學圖
在頻率掃描中,整個掃描處于動態過程。由圖顯示,Pickering乳液在頻率0~10 Hz下,G′大于G″,說明乳液具有凝膠性質且在整個變化過程中,G′和G″之間沒有交叉點,說明Pickering乳液表現出以凝膠態為主的的流變性,結果表明,乳液對外界壓強有很強的抗性,這一結果與蛋白質分子間的強烈相互作用有關[32]。隨著乳清蛋白比例的增加,G′大幅度增加,說明Pickering乳液的凝膠網絡結構越來越緊密,這與Grasberger等[33]的結果一致。
為了確定Pickering乳液中的凝膠狀網絡結構,進一步表征了這些乳液的動態黏彈性,進行了振幅掃描和應力掃描,結果如圖3c和圖3d所示,所有Pickering乳液皆是G′大于G″,其黏彈性范圍近似為線性,在乳液中形成以彈性為主的凝膠狀網絡;在低應力作用下,乳液通過變形吸收外部能量保持形態穩定。當應力逐漸增大,乳液的凝膠網絡結構被破壞,流動性增強。結果表明,由蛋白質納米顆粒制備的Pickering乳液呈現出彈性為主的凝膠態,相比較單一蛋白納米顆粒制備的Pickering乳液,雙蛋白納米顆粒制備的穩定性更好。Pickering乳液所展現的這些流變學性質均可根據食品行業的不同實際需求而進行一定范圍內的運用。
由圖4可見,L-N和R-N粒徑分別為230.6、192.5 nm,當綠豆蛋白與乳清蛋白以一定比例混合后,LR-N粒徑隨著乳清蛋白比例增加逐漸增大,但依然為納米級粒子且比單一蛋白質納米顆粒的歷經的小。結果表明,2種蛋白分子發生相互作用,從而影響LR-N的微觀結構。隨著乳清蛋白含量的提高,LR-N粒徑范圍從119.8 nm逐漸增加到163.1 nm,且PDI值一直保持在一定范圍內,說明蛋白質納米顆粒具有良好的分散性,顆粒均一性最好,蛋白質納米顆粒有著可以作為Pickering穩定劑的特性。

圖4 蛋白質納米顆粒及其Pickering乳液的粒徑分析圖
L-N-P粒徑為2 365 nm,R-N-P粒徑為2 903 nm,隨著乳清蛋白比例的增加,乳液的平均粒徑不斷減小,最終下降了24.65%;可能的原因是相對于單一蛋白納米顆粒,雙蛋白納米顆??梢愿玫亟档退徒缑娴谋砻鎻埩34]。從PDI值可以得出,乳液的分散性較好。綜合分析,隨著乳清蛋白比例越高,可能會使油滴堆積更緊密,形成的蛋白質層可能強度越大,界面蛋白膜的保護使油滴在乳液中均勻分布,因而可能改善了蛋白與油脂及水分的結合能力,綜合分析,可能提高了體系的物理穩定性[35],與顯微鏡觀察到的結果一致。由此進一步證明蛋白質納米顆粒可以制備Pickering乳液且可以形成更穩定、更細小的乳液,而且雙蛋白可提升單一蛋白乳液的穩定性。
蛋白質因具又親水和親油的兩親結構而具有乳化作用[36]。乳化活性(EAI)和乳化穩定性(ESI)通常表示蛋白質的乳化特性。如圖5所示,雙蛋白Pickering乳液的EAI和ESI數值比單一蛋白Pickering乳液好,可能是因為乳清蛋白的加入使蛋白質分子間的靜電相互作用增強,更多的顆粒溶于水,能夠促進其在界面上的擴散和重排,有利于其與油滴結合,從而提高EAI與ESI[37];也可能是2種蛋白通過二硫鍵發生相互作用提升了復合蛋白的EAI值[38]。Pickering乳液的EAI和ESI隨乳清蛋白比例增加均呈現提升的趨勢,EAI和ESI均達到7.79 m2/g和93.65%??赡苁且驗椴粩嗟卦黾宇愃朴谌榛瘎┑娜榍宓鞍?油滴表面吸附的蛋白質增多,足以包埋油滴表面,使油滴表面形成的蛋白膜變厚,不易聚集成大顆粒,還可能是LR-N更容易吸附在乳液表面,復合物之間產生空間位阻作用,抑制了乳液液滴之間相互作用[39],故乳液的2種乳化特性不斷增強。

圖5 Pickering乳液的乳化活性及乳化穩定性
2.6.1 儲藏穩定性
儲藏穩定性是衡量乳液品質的一個重要指標之一,其與乳液儲藏過程中的微觀結構、乳液粒徑和乳析指數的變化有關。通過顯微鏡觀察、粒徑和乳析指數的變化探究Pickering乳液儲藏28 d的情況。由圖6可見,乳液在放置1 d時,液滴仍排布緊密,形狀規則,分布較均勻;而且乳液未出現乳析現象,因此并未對第1天的乳析指數測定。乳液在儲藏過程中,液滴逐漸趨向于分散,單一蛋白穩定的乳液出現液滴絮凝現象,粒徑增加明顯,分布均勻且稀疏,L-N-P的平均粒徑升高935 nm,R-N-P的平均粒徑增加到1 055 nm。乳液的乳析現象明顯,隨著時間的延長,分層逐漸增加;雙蛋白形成的乳液液滴較均勻,隨著時間的增加,粒徑也在逐漸增加,乳液在儲藏14~28 d時顯微鏡下狀態發生變化,乳液仍呈現出完整的液滴狀態,乳液穩定性欠佳。但是相較于單一蛋白,增長幅度較小,乳液分層現象也較緩;隨著乳清蛋白的增加,乳液的液滴越穩定,乳清蛋白比例越高,乳液的粒徑變化趨勢越小,乳析程度也逐漸變緩。這可能是因為蛋白納米顆粒包裹油滴,在液滴表面形成了多層吸附,并且能分散在連續相中,形成凝膠網絡,從而阻止了液滴的并聚,因此隨著乳清蛋白的增加,乳液的穩定效果更好,而雙蛋白乳液較單一蛋白乳液相比穩定性較好的原因可能是2個蛋白相互作用產生了更利于吸附水油界面的物質[40],乳析指數的變化可能還因為隨著蛋白質量的增加水相中存在的多余吸附的蛋白粒子而提高了水相的黏度,減緩了液滴的遷移,從而增強了乳液的穩定性。雙蛋白納米顆粒乳液較單一蛋白納米顆粒乳液的穩定性更好,且隨著乳清蛋白比例增加,穩定效果越顯著。

圖6 Pickering乳液儲藏穩定性
2.6.2 熱穩定性
為了觀察Pickering乳液的熱穩定性,應用了食品中使用的加工溫度[41]。不同溫度(50、70、90 ℃)處理的蛋白質乳液的熱穩定性如圖7所示,加熱后其仍可保持乳液結構。從外觀來看,所得乳液呈類固體凝膠狀,質地均一細膩,從微觀來看,乳液的液滴呈規則球狀,排列較緊密。在50、70 ℃時,乳液變化不顯著,單一蛋白納米顆粒乳液在90 ℃時,液滴增加,大小不均一,出現了不規則形狀,雙蛋白納米顆粒乳液隨著乳清蛋白質量增加,液滴逐漸均勻且穩定,可能是因為溫度較高時可能破壞了吸附在Pickering乳液水油界面的蛋白結構,乳滴在高溫下運動加快從而發生碰撞,導致乳滴發生形態改變,而雙蛋白納米顆粒乳液與單一蛋白納米顆粒乳液相比情況不明顯,可能由于雙蛋白納米顆粒層阻止了乳滴間的相互碰撞。結果表明,制得的蛋白基Pickering乳液對溫度有一定的耐受性,且雙蛋白納米顆粒乳液更加穩定。

圖7 Pickering乳液熱穩定性的顯微鏡圖(40×)
2.6.3 pH穩定性
由圖8可知,Pickering乳液在pH為3、7、9下的微觀狀態,沒有明顯的乳化、分離現象,表明乳液相對較穩定,當pH為9時液滴大小改變差異較大,可能是此時乳液發生輕微的并聚導致的,但乳液體系仍然穩定存在,當pH為3時,其液滴大小并沒有變化。單一蛋白納米顆粒乳液處于酸堿中都不穩定,液滴大小不均勻,有明顯區別,且綠豆蛋白乳液較乳清蛋白穩定性好;雙蛋白納米顆粒乳液隨著乳清蛋白的增加,液滴大小趨于一致,逐漸穩定,實驗還發現,所制備的蛋白納米乳液對酸的耐受性較堿性好,然而在食物系統和人類消化系統中,pH不超過2,因此制備的Pickering乳液對酸的耐受性可以擴大其應用。

圖8 Pickering乳液pH穩定性的顯微鏡圖(40×)
2.6.4 離子穩定性
食品中很多是由鹽類及其相關成分配制而成的,這些鹽類會影響輸送系統的穩定性和功能性能。因此,考察不同濃度的離子對Pickering乳液穩定性的影響。如圖9所示,在100、400、800 mmol/L鹽離子濃度條件下,乳液液滴尺寸均明顯減小,這可能是因為鹽離子的加入使乳液的水油密度發生了改變從而促進了納米顆粒的溶解,也可能是由于鹽離子的加入起到靜電屏蔽的作用,增加了蛋白顆粒的表面疏水性,從而小幅度地降低了乳液粒徑[42]。單一蛋白乳液表現最為明顯,雙蛋白乳液中,隨著乳清蛋白的增加,由最初的液滴分散形變逐漸變化為分布均勻,說明乳清蛋白的加入可以有效地減小鹽離子對于乳液體系帶來的不利影響,提高了乳液對離子強度的穩定性,即隨著乳清蛋白的增加,雙蛋白乳液的穩定性更高。

圖9 Pickering乳液離子穩定性的顯微鏡圖(40×)
研究表明,用單一蛋白納米顆粒穩定的Pickering乳液對環境變化比較敏感,而雙蛋白顆粒穩定的Pickering乳液穩定性較高,可以應對各種環境因素的變化,包括加熱、pH值和離子強度,且蛋白比例越高呈現出的效果越明顯。
以綠豆蛋白、乳清蛋白制備的的納米顆粒為基質,以大豆油為油相,制備了Pickering乳液,結果表明雙蛋白納米顆粒Pickering乳液的粒徑更小、穩定性更強,制備的Pickering乳液為水包油型,粒徑為1 000~2 500 nm。與單一蛋白納米顆粒穩定的Pickering乳液相比,雙蛋白納米顆粒制備的Pickering乳液具有更加優良的儲藏、熱、pH和離子穩定性。乳清蛋白在較高的質量分數范圍內,有助于提升雙蛋白Pickering乳液的穩定性。同時,相比傳統乳液中使用大量合成乳化劑成分所帶來的毒性,且獲得的Pickering乳液所有原材料均為食品級。研究結果對食品蛋白顆粒穩定Pickering乳液的制備及其在食品配方中的應用具有重要意義,在營養藥物輸送方面具有很大的潛力。