水浴法与微波法制备SPI-DX复合物乳化性质的对比研究

张 瑶,周麟依,赵城彬,林海晶,吴 非

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)



水浴法与微波法制备SPI-DX复合物乳化性质的对比研究

张 瑶,周麟依,赵城彬,林海晶,吴 非*

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

本文采用水浴法和微波法制备大豆蛋白-葡聚糖(SPI-DX)复合物,比较与分析了复合物功能特性和二级结构。采用OPA法测定复合物的接枝度,采用紫外分光光度法测定复合物的褐变程度。结果表明,微波法能够使更多的葡聚糖与SPI发生美拉德反应,降低复合物的褐变程度。由两种方法得到的SPI-DX复合物溶解性、乳化性都有所改善,传统水浴法较微波法对复合物溶解性、乳化性改善效果好。复合物的α-螺旋、β-转角以及无规卷曲的含量都降低,但β-折叠结构含量却增加,SPI与DX发生了葡聚糖糖化反应。

大豆蛋白,葡聚糖,微波,美拉德反应

葡聚糖是一种中性多糖,具有较好的水溶性和稳定性,在高浓度时因具有低粘度的特点而被广泛研究[1]。除此之外,葡聚糖不带电荷的特点也避免了静电作用的影响[2]。大豆蛋白因其具有丰富的营养价值以及功能特性成为广大学者的研究焦点。经研究发现,蛋白质与多糖之间的美拉德反应可以提高一些蛋白质的功能性质,如溶解性、乳化性、起泡性以及凝胶性质等[3],因此,采用美拉德反应是一种安全、高效、具有良好发展前景的蛋白质改性手段,与此同时,对其结构以及性质的研究也越来越深入。从较早的干热法,到后来的湿法[4-5],以及现如今各种物理手段、化学方法及酶法的发展,已经使得蛋白质-多糖领域取得更广阔的发展。Yan Liu等[6]研究了美拉德反应对豌豆分离蛋白与葡聚糖接枝物功能性质的改善。对于食品领域来说,化学法和生物法都会向食品中引入一些新的成分,因此,物理法对于要解决食品中的活性成分、维生素、营养成分和色泽等损害的益处就显得尤为显著[7]。其中微波法是通过分子振动传递能量,而且有加热迅速、均匀,这样便避免了物料逐渐升温的过程[8],这一点也正是微波技术在现今食品工业中越来越受到重视和应用的原因。其中管军军等[3]运用微波法合成大豆蛋白和糖的接枝物并对其产物的理化性质进行研究。目前,越来越多的学者致力于对美拉德反应的研究,而对水浴法和微波法的对比的研究却较少。对比两种方法制备接枝物的功能性质,可以采用改善效果更好的制备方法,有针对性的改善接枝物的某一特定功能特性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆分离蛋白(SPI) 哈高科食品有限责任公司;葡聚糖(DX) 国药集团化学试剂有限公司;蒸馏水 所用其他试剂均为分析纯。

G70D20CN1P-D2(S0)型格兰仕微波炉(700 W) 广东格兰仕微波生活电器制造有限公司;LGJ-10型冷冻冻干机 上海医用离心机厂;数显搅拌水浴锅 常州赛普实验仪器厂;紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;傅立叶红外光谱仪 美国Nexus仪器公司;室验室数显分散均质机 上海昂尼仪器仪表有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 SPI-DX复合物的制备 将大豆分离蛋白(SPI)与葡聚糖(DX)按质量比为1∶1的比例溶于蒸馏水中,配制蛋白质量分数为1%的混合物,在35 ℃磁力搅拌水浴锅中搅拌3 h,直至完全溶解,使其混合均匀,调节pH为7.0。将混合物于90 ℃水浴中热处理80 min得到SPI-DX复合物,将相同浓度的混合物于700 W微波功率下处理60 s得到SPI-DX复合物,用SPI-DX微波组表示。

1.2.2 接枝度测定 邻苯二甲醛(OPA)试剂的配制:准确称取40.00 mg的OPA溶解于1.00 mL甲醇中,再加入20%(w/w)的十二烷基硫酸钠(SDS)2.50 mL、硼砂溶液(0.10 mol/L)25.00 mL、β-巯基乙醇100.00 μL,然后用蒸馏水定容至50.00 mL,现配现用[9]。采用OPA法测定蛋白质中游离氨基的含量,计算出接枝度[10]。取样品200.00 μL分别加入4.00 mL OPA试剂,混合均匀后在35 ℃水浴锅中加热处理2 min,取出,用紫外分光光度计在340 nm处测定样品的吸光度A,每个样品测定三次。对照组用200.00 μL蒸馏水作空白,按下式计算接枝度。

式中,A0为SPI-DX复合物反应前测定的吸光度;A1为SPI-DX复合物反应后测定的吸光值。

1.2.3 褐变程度测定 将大豆蛋白与葡聚糖接枝物配制成质量分数为0.50%的溶液,在420 nm处测定其吸光度[11]。每个样品测定三次。

1.2.4 溶解性测定 参考郭玉珍等人[12]的方法,采用考马斯亮蓝法测定荞麦蛋白质的溶解度。

以牛血清蛋白浓度为1 mg/mL的浓度绘制标准曲线。用上清液中蛋白含量与总蛋白中蛋白含量的比值来表示蛋白质的溶解度。用0.90%的生理盐水100.00 mL溶解0.01 g样品,取1.00 mL样品溶液与4.00 mL考马斯亮蓝混合均匀,在紫外分光光度计595 nm处进行测定,计算蛋白质的含量。每个样品测定三次。

1.2.5 乳化性质的测定 参照 Pearce and Kinsella的方法稍加改动[13]。用5.00 mL pH7.00的磷酸缓冲液(0.10 mol/L)溶解0.10 g SPI-DX样品,充分搅拌使其混合均匀,然后取3.00 mL样品溶液与1.00 mL大豆油进行混合,用均质机以12000 r/min的速度均质1 min,然后立即用移液枪将从底部吸取出50.00 μL样品加入到5.00 mL 0.10%的十二烷基硫酸钠溶液中,于500 nm波长下测定样品的吸光度A。10 min后对该SPI-DX样品进行再次测定得A10。吸光度值A即为乳化活性。每个样品测定三次。吸光度A表示乳化活性(EAI);乳化稳定性(ESI)按下式计算:

式中,A0为0 min时的吸光度;A10为10 min时的吸光度。

1.2.6 傅里叶红外光谱 称取适量SPI-DX样品,加入一定量溴化钾,研磨成粉末后压成薄片,用傅立叶红外光谱仪测定波数范围4000～400 cm-1内的吸收光谱,设置分辨率为4 cm-1,波数精度为0.01 cm-1,扫描32次,环境温度25 ℃[14]。通过使用PeakFit4.12软件进行拟合分析得出SPI、SPI-DX组、SPI-DX水浴组与SPI-DX微波组中蛋白质的二级结构含量。

1.2.7 数据处理与统计分析 数据采用SPSS软件以及Origin8.5进行处理分析,所用实验数据均为测量三次所得平均值。

2 结果与分析

2.1 水浴法、微波法对SPI-DX复合物接枝度及褐变程度的影响

由图1可以看出,经水浴处理的SPI-DX复合物,其接枝度为43.49%,褐变程度为0.61,处理时间80 min;经微波处理的SPI-DX复合物的接枝度为42.71%,褐变程度为0.23,微波处理时间60 s。说明在接枝度相近的情况下,微波法比传统水浴加热法处理时间短,且褐变程度低,即降低了美拉德反应过程中高级产物类黑精的生成,所以微波法更有利于SPI-DX复合物在色泽上的评价。

图1 水浴法、微波法对SPI-DX复合物接枝度及褐变程度的影响Fig.1 The influence of SPI-DX conjugates’ grafting degree and browning by water bath and microwave methods注:a:水浴法,b:微波法。

2.2 水浴法、微波法对SPI-DX复合物溶解性的影响

从图2中可以看出,与SPI相比,SPI与DX混合的溶解度降低。这可能是因为未反应的葡聚糖与大豆蛋白互相竞争吸收水分子,从而降低了大豆蛋白的溶解度,这与Bei Zhang[7]等人在研究荞麦分离蛋白-葡聚糖共价复合物的结果相符合。经过水浴和微波处理的SPI-DX复合物溶解度都有所增加,尤其SPI-DX水浴组的溶解度增加的幅度显著(p<0.05),比SPI对照组增加了2.29倍,而SPI-DX微波组比SPI对照组溶解性增加了1.23倍。经水浴和微波处理的SPI-DX复合物溶解性增加的主要原因是糖链与蛋白相结合,而大量的亲水性羟基的增加使得SPI的空间位阻和静电排斥作用得以加大,使得接枝物在高温下不易发生聚集,从而提高溶解性[15]。微波处理SPI-DX溶解性比水浴处理SPI-DX溶解性小,说明短时的微波效果没有长时间的水浴效果好,但经微波处理的样品溶解性也都得到了很好的改善,在一定程度上减少了水浴法所用的时间。

表1 SPI-DX复合物的二级结构含量

Table 1 The secondary structure content of SPI-DX conjugates

蛋白样品α-螺旋(%)β-折叠(%)β-转角(%)无规则卷曲(%)SPI2801c3265a2544b1390cSPI与DX混合2867c3047a2624b1459c水浴处理SPI-DX2433b5132b1719a716a微波处理SPI-DX1067a5909c1818a1206b

图2 水浴法、微波法对SPI-DX复合物溶解性的影响Fig.2 The influence of SPI-DX conjugates’ solubility by water bath and microwave methods注:a:SPI,b:SPI与DX混合,c:水浴处理SPI-DX,d:微波处理SPI-DX，图3、图4同。

注：标注不同字母差异显著(p<0.05)。2.3 水浴法、微波法对SPI-DX复合物乳化性的影响

如图3所示,与SPI相比,SPI-DX混合组乳化性质没有明显的变化,其乳化活性及乳化稳定性增加的幅度也很小,这与傅里叶红外SPI-DX混合组中蛋白质二级结构含量变化相符合。

与SPI对照组相比,经水浴法和微波法处理后的SPI-DX复合物乳化活性和乳化稳定性都明显提高,这说明SPI与DX发生的美拉德反应可以改善SPI的乳化性,这可能是由于SPI与DX形成了大的共价复合物并吸附在油水界面上,形成一定的空间位阻效应,使液滴间的聚集作用减弱,从而增加了SPI-DX的乳化活性,这与Li[16]等的研究一致。此外,SPI-DX水浴组的乳化活性和乳化稳定性增加程度比SPI-DX微波组显著,这可能是由于水浴加热的时间比微波处理的时间长所导致的。

图3 水浴法、微波法对SPI-DX复合物乳化性的影响Fig.3 The influence of SPI-DX conjugates’ emulsification by water bath and microwave methods

2.4 傅里叶红外光谱分析

用傅里叶红外光谱对蛋白质中二级结构含量进行分析。1610～1640、1670～1680 cm-1范围内是β-折叠结构;1650～1660 cm-1范围是α-螺旋结构;1660～1700 cm-1范围是β-转角结构;1640～1650 cm-1范围是无规则卷曲结构[17]。由表1中可以看出,SPI和SPI与DX混合两组中的二级结构主要以β-折叠、α-螺旋及β-折叠为主,SPI经糖化反应后,两组复合物的α-螺旋以及β-转角含量降低得都比较显著(p<0.05),而无规卷曲的含量也有下降趋势,但β-折叠结构含量却明显增加。混合物中各二级含量的变化不是很明显,说明SPI与DX混合对蛋白质二级结构没有产生影响。大豆蛋白中α-螺旋主要在分子链内部,α-螺旋结构含量的减少说明蛋白质分子间氢键被破坏,使得蛋白中的游离氨基与糖发生接枝反应。水浴处理SPI-DX中只有α-螺旋结构的含量高于微波处理SPI-DX,说明微波处理的SPI-DX中更多的氢键被破坏,并与葡聚糖发生糖化反应,这也与先前两种反应的接枝度相对应。因此推测α-螺旋结构可能与SPI-DX复合物的溶解性及乳化性相关,而其他的二级结构可能与起泡性有关。而β-折叠结构含量增加则印证发生了糖基化反应,这是因为蛋白质的结构中引入了多糖的羟基,而多糖链的空间效应使得蛋白结构由无序变为有序结构,进而改变其功能性质,因此β-折叠结构含量增加,而无规则卷曲结构的含量减少。这与张楠[18]对大豆蛋白-乳糖复合物结构的研究结果一致。

图4 水浴法、微波法对SPI-DX复合物傅里叶红外光谱的影响Fig.4 The influence of SPI-DX conjugates’ FTIR by water bath and microwave methods

3 结论

要达到水浴法处理SPI-DX复合物的接枝度,微波法处理所用时间更短,微波法降低了SPI-DX复合物的褐变程度。水浴法与微波法处理均能改善复合物的乳化性质和溶解性。水浴法处理SPI-DX复合物溶解性及乳化性大于微波法。糖化后的蛋白质二级结构含量发生改变证明美拉德反应的发生。

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Research of the comparison of emulsification properties of SPI-DX complexes prepared by water bath and microwave methods

ZHANG Yao,ZHOU Lin-yi,ZHAO Cheng-bin,LIN Hai-jing,WU Fei*

(College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

InordertoimprovetheemulsifyingpropertiesofSPI-DXcomplexespreparedbywaterbathandmicrowavemethods.ThegraftdegreeofthecompositesandbrowningdegreeweredeterminedbyOPAandUVspectrophotometerat420nm,thenthefunctionalpropertiesandsecondarystructureoftheconjugatespreparedintwowayswerecompared.TheresultsshowedthatmicrowavemethodcanmakemoredextranhaveMaillardreactionwithSPIwhilereducingthecomplex’sbrowningdegree.TheSPI-DXconjugatesobtainedfromthetwomethodswereimprovedinsolubility,emulsification,theeffecttosolubilityintraditionalwaterbathmethodwasbetterthanmicrowavemethod,andtheemulsifyingpropertyofwaterbathmethodalsohigherthanthatofmicrowaveway.Fouriertransforminfraredspectroscopyshowedthatthetwoconjugates’contentofα-helix,β-turnandrandomcoilweredecreased,butthecontentofβ-sheetwasincreased.

SPI;Dextran;microwave;Maillardreaction

2016-04-27

张瑶(1992-)，女，硕士，研究方向：粮食、油脂及植物蛋白工程，E-mail:190530131@qq.com。

*通讯作者:吴非(1968-),女，博士，教授，研究方向：农产品精深加工，E-mail:18745709722@163.com。

黑龙江省科技攻关项目(GC13B213)。

TS201.2

A

1002-0306(2016)19-0123-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.015