張 瑤,周麟依,趙城彬,林海晶,吳 非

(東北農業(yè)大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

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水浴法與微波法制備SPI-DX復合物乳化性質的對比研究

張 瑤,周麟依,趙城彬,林海晶,吳 非*

(東北農業(yè)大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

本文采用水浴法和微波法制備大豆蛋白-葡聚糖(SPI-DX)復合物,比較與分析了復合物功能特性和二級結構。采用OPA法測定復合物的接枝度,采用紫外分光光度法測定復合物的褐變程度。結果表明,微波法能夠使更多的葡聚糖與SPI發(fā)生美拉德反應,降低復合物的褐變程度。由兩種方法得到的SPI-DX復合物溶解性、乳化性都有所改善,傳統(tǒng)水浴法較微波法對復合物溶解性、乳化性改善效果好。復合物的α-螺旋、β-轉角以及無規(guī)卷曲的含量都降低,但β-折疊結構含量卻增加,SPI與DX發(fā)生了葡聚糖糖化反應。

大豆蛋白,葡聚糖,微波,美拉德反應

葡聚糖是一種中性多糖,具有較好的水溶性和穩(wěn)定性,在高濃度時因具有低粘度的特點而被廣泛研究[1]。除此之外,葡聚糖不帶電荷的特點也避免了靜電作用的影響[2]。大豆蛋白因其具有豐富的營養(yǎng)價值以及功能特性成為廣大學者的研究焦點。經研究發(fā)現(xiàn),蛋白質與多糖之間的美拉德反應可以提高一些蛋白質的功能性質,如溶解性、乳化性、起泡性以及凝膠性質等[3],因此,采用美拉德反應是一種安全、高效、具有良好發(fā)展前景的蛋白質改性手段,與此同時,對其結構以及性質的研究也越來越深入。從較早的干熱法,到后來的濕法[4-5],以及現(xiàn)如今各種物理手段、化學方法及酶法的發(fā)展,已經使得蛋白質-多糖領域取得更廣闊的發(fā)展。Yan Liu等[6]研究了美拉德反應對豌豆分離蛋白與葡聚糖接枝物功能性質的改善。對于食品領域來說,化學法和生物法都會向食品中引入一些新的成分,因此,物理法對于要解決食品中的活性成分、維生素、營養(yǎng)成分和色澤等損害的益處就顯得尤為顯著[7]。其中微波法是通過分子振動傳遞能量,而且有加熱迅速、均勻,這樣便避免了物料逐漸升溫的過程[8],這一點也正是微波技術在現(xiàn)今食品工業(yè)中越來越受到重視和應用的原因。其中管軍軍等[3]運用微波法合成大豆蛋白和糖的接枝物并對其產物的理化性質進行研究。目前,越來越多的學者致力于對美拉德反應的研究,而對水浴法和微波法的對比的研究卻較少。對比兩種方法制備接枝物的功能性質,可以采用改善效果更好的制備方法,有針對性的改善接枝物的某一特定功能特性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白(SPI) 哈高科食品有限責任公司;葡聚糖(DX) 國藥集團化學試劑有限公司;蒸餾水 所用其他試劑均為分析純。

G70D20CN1P-D2(S0)型格蘭仕微波爐(700 W) 廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司;LGJ-10型冷凍凍干機 上海醫(yī)用離心機廠;數(shù)顯攪拌水浴鍋 常州賽普實驗儀器廠;紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;傅立葉紅外光譜儀 美國Nexus儀器公司;室驗室數(shù)顯分散均質機 上海昂尼儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 SPI-DX復合物的制備 將大豆分離蛋白(SPI)與葡聚糖(DX)按質量比為1∶1的比例溶于蒸餾水中,配制蛋白質量分數(shù)為1%的混合物,在35 ℃磁力攪拌水浴鍋中攪拌3 h,直至完全溶解,使其混合均勻,調節(jié)pH為7.0。將混合物于90 ℃水浴中熱處理80 min得到SPI-DX復合物,將相同濃度的混合物于700 W微波功率下處理60 s得到SPI-DX復合物,用SPI-DX微波組表示。

1.2.2 接枝度測定 鄰苯二甲醛(OPA)試劑的配制:準確稱取40.00 mg的OPA溶解于1.00 mL甲醇中,再加入20%(w/w)的十二烷基硫酸鈉(SDS)2.50 mL、硼砂溶液(0.10 mol/L)25.00 mL、β-巰基乙醇100.00 μL,然后用蒸餾水定容至50.00 mL,現(xiàn)配現(xiàn)用[9]。采用OPA法測定蛋白質中游離氨基的含量,計算出接枝度[10]。取樣品200.00 μL分別加入4.00 mL OPA試劑,混合均勻后在35 ℃水浴鍋中加熱處理2 min,取出,用紫外分光光度計在340 nm處測定樣品的吸光度A,每個樣品測定三次。對照組用200.00 μL蒸餾水作空白,按下式計算接枝度。

式中,A0為SPI-DX復合物反應前測定的吸光度;A1為SPI-DX復合物反應后測定的吸光值。

1.2.3 褐變程度測定 將大豆蛋白與葡聚糖接枝物配制成質量分數(shù)為0.50%的溶液,在420 nm處測定其吸光度[11]。每個樣品測定三次。

1.2.4 溶解性測定 參考郭玉珍等人[12]的方法,采用考馬斯亮藍法測定蕎麥蛋白質的溶解度。

以牛血清蛋白濃度為1 mg/mL的濃度繪制標準曲線。用上清液中蛋白含量與總蛋白中蛋白含量的比值來表示蛋白質的溶解度。用0.90%的生理鹽水100.00 mL溶解0.01 g樣品,取1.00 mL樣品溶液與4.00 mL考馬斯亮藍混合均勻,在紫外分光光度計595 nm處進行測定,計算蛋白質的含量。每個樣品測定三次。

1.2.5 乳化性質的測定 參照 Pearce and Kinsella的方法稍加改動[13]。用5.00 mL pH7.00的磷酸緩沖液(0.10 mol/L)溶解0.10 g SPI-DX樣品,充分攪拌使其混合均勻,然后取3.00 mL樣品溶液與1.00 mL大豆油進行混合,用均質機以12000 r/min的速度均質1 min,然后立即用移液槍將從底部吸取出50.00 μL樣品加入到5.00 mL 0.10%的十二烷基硫酸鈉溶液中,于500 nm波長下測定樣品的吸光度A。10 min后對該SPI-DX樣品進行再次測定得A10。吸光度值A即為乳化活性。每個樣品測定三次。吸光度A表示乳化活性(EAI);乳化穩(wěn)定性(ESI)按下式計算:

式中,A0為0 min時的吸光度;A10為10 min時的吸光度。

1.2.6 傅里葉紅外光譜 稱取適量SPI-DX樣品,加入一定量溴化鉀,研磨成粉末后壓成薄片,用傅立葉紅外光譜儀測定波數(shù)范圍4000～400 cm-1內的吸收光譜,設置分辨率為4 cm-1,波數(shù)精度為0.01 cm-1,掃描32次,環(huán)境溫度25 ℃[14]。通過使用PeakFit4.12軟件進行擬合分析得出SPI、SPI-DX組、SPI-DX水浴組與SPI-DX微波組中蛋白質的二級結構含量。

1.2.7 數(shù)據處理與統(tǒng)計分析 數(shù)據采用SPSS軟件以及Origin8.5進行處理分析,所用實驗數(shù)據均為測量三次所得平均值。

2 結果與分析

2.1 水浴法、微波法對SPI-DX復合物接枝度及褐變程度的影響

由圖1可以看出,經水浴處理的SPI-DX復合物,其接枝度為43.49%,褐變程度為0.61,處理時間80 min;經微波處理的SPI-DX復合物的接枝度為42.71%,褐變程度為0.23,微波處理時間60 s。說明在接枝度相近的情況下,微波法比傳統(tǒng)水浴加熱法處理時間短,且褐變程度低,即降低了美拉德反應過程中高級產物類黑精的生成,所以微波法更有利于SPI-DX復合物在色澤上的評價。

圖1 水浴法、微波法對SPI-DX復合物接枝度及褐變程度的影響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、微波法對SPI-DX復合物溶解性的影響

從圖2中可以看出,與SPI相比,SPI與DX混合的溶解度降低。這可能是因為未反應的葡聚糖與大豆蛋白互相競爭吸收水分子,從而降低了大豆蛋白的溶解度,這與Bei Zhang[7]等人在研究蕎麥分離蛋白-葡聚糖共價復合物的結果相符合。經過水浴和微波處理的SPI-DX復合物溶解度都有所增加,尤其SPI-DX水浴組的溶解度增加的幅度顯著(p<0.05),比SPI對照組增加了2.29倍,而SPI-DX微波組比SPI對照組溶解性增加了1.23倍。經水浴和微波處理的SPI-DX復合物溶解性增加的主要原因是糖鏈與蛋白相結合,而大量的親水性羥基的增加使得SPI的空間位阻和靜電排斥作用得以加大,使得接枝物在高溫下不易發(fā)生聚集,從而提高溶解性[15]。微波處理SPI-DX溶解性比水浴處理SPI-DX溶解性小,說明短時的微波效果沒有長時間的水浴效果好,但經微波處理的樣品溶解性也都得到了很好的改善,在一定程度上減少了水浴法所用的時間。

表1 SPI-DX復合物的二級結構含量

Table 1 The secondary structure content of SPI-DX conjugates

蛋白樣品α-螺旋(%)β-折疊(%)β-轉角(%)無規(guī)則卷曲(%)SPI2801c3265a2544b1390cSPI與DX混合2867c3047a2624b1459c水浴處理SPI-DX2433b5132b1719a716a微波處理SPI-DX1067a5909c1818a1206b

圖2 水浴法、微波法對SPI-DX復合物溶解性的影響Fig.2 The influence of SPI-DX conjugates’ solubility by water bath and microwave methods注:a:SPI,b:SPI與DX混合,c:水浴處理SPI-DX,d:微波處理SPI-DX，圖3、圖4同。

注：標注不同字母差異顯著(p<0.05)。2.3 水浴法、微波法對SPI-DX復合物乳化性的影響

如圖3所示,與SPI相比,SPI-DX混合組乳化性質沒有明顯的變化,其乳化活性及乳化穩(wěn)定性增加的幅度也很小,這與傅里葉紅外SPI-DX混合組中蛋白質二級結構含量變化相符合。

與SPI對照組相比,經水浴法和微波法處理后的SPI-DX復合物乳化活性和乳化穩(wěn)定性都明顯提高,這說明SPI與DX發(fā)生的美拉德反應可以改善SPI的乳化性,這可能是由于SPI與DX形成了大的共價復合物并吸附在油水界面上,形成一定的空間位阻效應,使液滴間的聚集作用減弱,從而增加了SPI-DX的乳化活性,這與Li[16]等的研究一致。此外,SPI-DX水浴組的乳化活性和乳化穩(wěn)定性增加程度比SPI-DX微波組顯著,這可能是由于水浴加熱的時間比微波處理的時間長所導致的。

圖3 水浴法、微波法對SPI-DX復合物乳化性的影響Fig.3 The influence of SPI-DX conjugates’ emulsification by water bath and microwave methods

2.4 傅里葉紅外光譜分析

用傅里葉紅外光譜對蛋白質中二級結構含量進行分析。1610～1640、1670～1680 cm-1范圍內是β-折疊結構;1650～1660 cm-1范圍是α-螺旋結構;1660～1700 cm-1范圍是β-轉角結構;1640～1650 cm-1范圍是無規(guī)則卷曲結構[17]。由表1中可以看出,SPI和SPI與DX混合兩組中的二級結構主要以β-折疊、α-螺旋及β-折疊為主,SPI經糖化反應后,兩組復合物的α-螺旋以及β-轉角含量降低得都比較顯著(p<0.05),而無規(guī)卷曲的含量也有下降趨勢,但β-折疊結構含量卻明顯增加?；旌衔镏懈鞫壓康淖兓皇呛苊黠@,說明SPI與DX混合對蛋白質二級結構沒有產生影響。大豆蛋白中α-螺旋主要在分子鏈內部,α-螺旋結構含量的減少說明蛋白質分子間氫鍵被破壞,使得蛋白中的游離氨基與糖發(fā)生接枝反應。水浴處理SPI-DX中只有α-螺旋結構的含量高于微波處理SPI-DX,說明微波處理的SPI-DX中更多的氫鍵被破壞,并與葡聚糖發(fā)生糖化反應,這也與先前兩種反應的接枝度相對應。因此推測α-螺旋結構可能與SPI-DX復合物的溶解性及乳化性相關,而其他的二級結構可能與起泡性有關。而β-折疊結構含量增加則印證發(fā)生了糖基化反應,這是因為蛋白質的結構中引入了多糖的羥基,而多糖鏈的空間效應使得蛋白結構由無序變?yōu)橛行蚪Y構,進而改變其功能性質,因此β-折疊結構含量增加,而無規(guī)則卷曲結構的含量減少。這與張楠[18]對大豆蛋白-乳糖復合物結構的研究結果一致。

圖4 水浴法、微波法對SPI-DX復合物傅里葉紅外光譜的影響Fig.4 The influence of SPI-DX conjugates’ FTIR by water bath and microwave methods

3 結論

要達到水浴法處理SPI-DX復合物的接枝度,微波法處理所用時間更短,微波法降低了SPI-DX復合物的褐變程度。水浴法與微波法處理均能改善復合物的乳化性質和溶解性。水浴法處理SPI-DX復合物溶解性及乳化性大于微波法。糖化后的蛋白質二級結構含量發(fā)生改變證明美拉德反應的發(fā)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

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

*通訊作者:吳非(1968-),女，博士，教授，研究方向：農產品精深加工，E-mail:18745709722@163.com。

黑龍江省科技攻關項目(GC13B213)。

TS201.2

A

1002-0306(2016)19-0123-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.015