張少敏,錢楊鵬,劉慧燕,沈會(huì)平,余 權(quán),崔 春,*,董可明

(1.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院食品工程系,廣東佛山 528216; 2.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640; 3.廣東巍微生物科技有限公司,廣東廣州 511400)

底物濃度對(duì)酸性蛋白酶水解面筋流變特性的影響

張少敏1,錢楊鵬2,劉慧燕1,沈會(huì)平1,余 權(quán)1,崔 春2,*,董可明3

(1.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院食品工程系,廣東佛山 528216; 2.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640; 3.廣東巍微生物科技有限公司,廣東廣州 511400)

本文較系統(tǒng)地研究了PR23酸性蛋白酶催化不同濃度小麥面筋蛋白水解過(guò)程中酶解產(chǎn)物的表觀現(xiàn)象、表觀粘度、剪切應(yīng)力和流變特性。研究結(jié)果表明:酶解體系中小麥面筋的濃度越高,反應(yīng)液的pH上升越多,水分活度下降幅度越大。在整個(gè)酶解反應(yīng)過(guò)程中,低底物濃度(8%～32%)酶解產(chǎn)物的表觀粘度和剪切應(yīng)力均會(huì)隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升高后降低趨勢(shì);高底物濃度(40%)酶解產(chǎn)物的表觀粘度和剪切應(yīng)力均隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)。Ostwald-de waele模型可以很好的擬合酸性蛋白酶催化不同固形物濃度小麥面筋蛋白酶解產(chǎn)物。

小麥面筋蛋白,固形物濃度,流變特性

谷朊粉,又名小麥面筋蛋白,是小麥加工所產(chǎn)生的副產(chǎn)品,具有蛋白質(zhì)含量高、脂肪含量低等特點(diǎn),是我國(guó)大宗食物蛋白資源之一[1]。由于小麥面筋蛋白中含有大量的谷氨酰胺,脯氨酸和其他非極性氨基酸,這會(huì)導(dǎo)致面筋蛋白結(jié)構(gòu)中疏水區(qū)較多,在水中分散性差,嚴(yán)重阻礙其功能性的發(fā)揮,限制了小麥面筋在食品領(lǐng)域的應(yīng)用[2-3]。以小麥面筋蛋白為原料,通過(guò)控制酶解技術(shù)可制備呈味基料、功能性肽和改性面筋蛋白等系列高附加值產(chǎn)品,是小麥面筋蛋白精深加工的重要途徑之一。蛋白質(zhì)酶法水解具有反應(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)、不損害原料中的其他營(yíng)養(yǎng)成分等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于小麥面筋蛋白高值化利用[4]。目前工業(yè)化的面筋蛋白酶解體系中小麥面筋蛋白的常規(guī)濃度一般控制在10%～20%的狹小范圍。然而,近年來(lái)蛋白質(zhì)“常濃”酶解技術(shù)的缺點(diǎn)日益突出,如單位設(shè)備的生產(chǎn)效率低、濃縮能耗高、水消耗量大、人工成本高等。高濃度底物酶解或高濃酶解技術(shù)是針對(duì)“常濃”酶解技術(shù)不足而提出的新技術(shù),屬于綠色生產(chǎn)技術(shù)。相對(duì)于“常濃”體系而言,高底物濃度酶解具有許多優(yōu)點(diǎn):顯著提高了生產(chǎn)設(shè)備利用率,提升了單位設(shè)備的產(chǎn)能;單位產(chǎn)品產(chǎn)生廢水更少,廢水治理成本低;酶解產(chǎn)物的濃縮、干燥所耗能量更低[5-6]。

隨著底物蛋白濃度的提高,酶解體系傳熱、傳質(zhì)和傳動(dòng)特性發(fā)生顯著變化,因此闡明高濃酶解體系的流變特性具有重要意義。本文以小麥面筋蛋白為原料,系統(tǒng)研究了不同底物濃度對(duì)酸性蛋白酶水解面筋蛋白酶解產(chǎn)物流變特性的影響,以期為小麥面筋蛋白高濃酶解的產(chǎn)業(yè)化奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

樣品及試劑 安徽省碧綠春生物科技有限公司;小麥面筋蛋白、裕立寶PR23酸性蛋白酶(活力為10萬(wàn)U/g)均為食品級(jí);濃鹽酸、濃硫酸、氫氧化鈉、苯酚、石油醚、溴甲酚綠、甲基紅、硫酸鉀、硒粉、硼酸、硫酸銅、葡萄糖等添加劑均為分析純。

SHA-C水浴恒溫振蕩器 江蘇省金壇市恒農(nóng)儀器廠;KDN-103F微量凱式定氮儀、HYP-308八孔消化爐 上海纖檢儀器有限公司;GL-21M高速冷凍離心機(jī) 湘儀離心機(jī)儀器有限公司;PHS-3E數(shù)顯pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;UV-2100紫外可見分光光度計(jì) 上海優(yōu)尼科儀器有限公司;Haaka MARSⅢ流變儀 德國(guó)Thermo Fisher公司;EL204精密電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;AquaLab Series 4Te水分活度儀 美國(guó)Decagon公司;SZC-C脂肪測(cè)定儀 上海纖檢儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 小麥面筋蛋白酶解物的制備 將小麥面筋蛋白按8∶92、16∶84、24∶76、32∶68、40∶60(w/w)溶于預(yù)先調(diào)好的酸溶液中,置于恒溫水浴鍋中振蕩預(yù)熱,待溫度達(dá)到50 ℃和pH達(dá)到3.0,添加小麥面筋蛋白重量0.2%的酸性蛋白酶,水浴振蕩,將振蕩速率控制在100～120 r/min,恒溫酶解。在6、12、18、24、30、36 h分別取樣,然后置于沸水浴中滅酶15 min,再將酶解物置于-18 ℃的冷柜中冷凍保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 小麥面筋蛋白基本成分的測(cè)定 蛋白含量的測(cè)定:參照GB/T5511-1985,小麥面筋蛋白的換算系數(shù)為5.7。水分含量的測(cè)定:參照GB/T5009.3-1985。粗脂肪含量的測(cè)定:參照GB/T5490-1985。灰分的測(cè)定:參照GB/T5009.4-1985。多糖含量測(cè)定:采用苯酚-硫酸法測(cè)定原料中多糖含量[7]。

1.2.3 流變特性的測(cè)定 參考龍肇[8]的方法。準(zhǔn)確移取1 mL樣品于流變儀平臺(tái)上,使用轉(zhuǎn)子的型號(hào)為P35Til Polished,設(shè)定測(cè)試參數(shù)分別為:測(cè)量溫度為(25±1) ℃,板間距為1 mm,剪切速率于120 s內(nèi)由0升至60 s-1,線性選取80個(gè)參考點(diǎn)考察粘度和剪切應(yīng)力與剪切速率變化的關(guān)系。使用軟件Rheowin Data Manager software Version 4.30對(duì)表觀粘度,剪切應(yīng)力和剪切速率間的曲線進(jìn)行分析。

粘度模型:η=K×γn-1

剪切模型:τ=K×γn

模型中η為表觀粘度,τ為剪切應(yīng)力,K為稠度系數(shù),γ為剪切速率,n為流動(dòng)指數(shù)。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為三個(gè)平行樣的測(cè)定結(jié)果,結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差,使用SPSS 21.0和Excel 2007軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥面筋的基本化學(xué)組成

小麥面筋中粗蛋白含量為80.2%±1.21%,多糖含量為6.1%±0.25%,粗脂肪含量為1.9%±0.32%,灰分含量為2.2%±0.43%。不同固形物濃度條件下的酶解體系如表1所示。

表1 不同濃度小麥面筋溶液的化學(xué)組成(%)

2.2 不同固形物濃度對(duì)酶解過(guò)程中pH的影響

不同固形物濃度對(duì)酶解過(guò)程pH的影響如圖1a和圖1b所示,在酸性酶酶解過(guò)程中,在酶解反應(yīng)最初的6 h內(nèi),固形物濃度為8%樣品的pH上升到4.0左右,而其他4組樣品則上升到4.2左右。即固形物濃度高的樣品上升速度更快。到反應(yīng)中后期,pH依然維持上升的趨勢(shì),但上升速度放緩,各固形物濃度樣品的pH的變化速率比較接近,8%固形物濃度的樣品的速率稍快,截至反應(yīng)36 h,pH又上升了0.33,而其他四個(gè)固形物濃度的pH上升幅度在0.2～0.25的范圍內(nèi),在整個(gè)酶解反應(yīng)過(guò)程中,小麥面筋蛋白溶液的pH隨酶解液固形物濃度的提高而呈上升趨勢(shì)。

圖1 酸性蛋白酶催化小麥面筋蛋白酶解過(guò)程中pH(a)和水分活度(b)的變化Fig.1 Changes of pH and water activity in PR23 catalyzed gluten hydrolysis

在酸性蛋白酶水解過(guò)程中,固形物濃度越高的樣品,水分活度越低,且水分活度下降越快,固形物濃度為40%的樣品的水分活度從0.9794下降為0.9619,下降幅度接近2%,是固形物濃度為8%的小麥面筋蛋白酶解樣品水分活度下降幅度的6倍。各固形物濃度的樣品水分活度的大小始終為40%>32%>24%>16%>8%。

小麥面筋蛋白溶解性較差,酶解過(guò)程中蛋白質(zhì)分子經(jīng)蛋白酶的作用形成的可溶性多肽和游離氨基酸等小分子物質(zhì)溶入酶解體系中,降低水分的自由度[9]。水解36 h后,8%酶解體系中82.5%的小麥面筋蛋白溶于水中;16%體系中75.2%的小麥面筋蛋白溶于水中;24%體系中72.4%的小麥面筋蛋白溶于水中;32%體系中68.3%的的小麥面筋蛋白溶于水中;40%體系中65.3%的小麥面筋蛋白溶于水中。固形物濃度越高的樣品,水分活度越低可能是因?yàn)楸旧眢w系中含有的水較少,另一方面,溶出的小分子物質(zhì)更多導(dǎo)致水分活度下降更為明顯。

2.3 不同固形物濃度對(duì)酶解體系表觀現(xiàn)象的影響

圖2所示為不同固形物濃度在酶解過(guò)程中對(duì)酶解液表觀現(xiàn)象的影響。Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ分別為固形物濃度為8%,16%和32%的樣品在反應(yīng)6、12、18、24、30、36 h時(shí)溶解液靜置5 min后的照片,由于固形物濃度24%與16%的酶解樣品表觀現(xiàn)象相似;固形物濃度40%與32%的酶解樣品的表觀現(xiàn)象相似,故并未列出。Ⅳ,Ⅴ和Ⅵ為8%,16%,24%,32%和40%固形物濃度在6、12、36 h時(shí)溶液靜置5 min后的照片。

由圖2可知,8%的樣品在整個(gè)酶解反應(yīng)過(guò)程中,均有明顯的分層現(xiàn)象,且上層液基本保持澄清透明的狀態(tài),16%的樣品隨著酶解反應(yīng)的進(jìn)行,上層清液含量不斷下降,至反應(yīng)第36 h時(shí)不再有明顯分層現(xiàn)象。32%的樣品則在整個(gè)過(guò)程中始終保持為均勻分散狀態(tài)。濃度24%的樣品在6 h時(shí)還有明顯分層現(xiàn)象,但當(dāng)酶解反應(yīng)進(jìn)行到12 h時(shí)即不再出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖2 酸性酶酶解體系在酶解過(guò)程中表觀現(xiàn)象的變化Fig.2 Changes of apparent phenomenon in PR23 hydrolysis system

在酶解反應(yīng)過(guò)程中,原本出現(xiàn)分層的樣品,隨著時(shí)間的推移,上層清液的量不斷減少,直至不再出現(xiàn)分層,或者開始逐漸變渾濁,這可能是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行,蛋白酶分解面筋蛋白,不斷產(chǎn)生親水性物質(zhì)與水分子結(jié)合,導(dǎo)致靜置后分層現(xiàn)象不再明顯。這表明高濃酶解有利于提高小麥面筋蛋白的分散性能,這與王章存等人的研究結(jié)果相似[10]。

2.4 不同固形物濃度對(duì)表觀粘度和剪切應(yīng)力的影響

水在酶解體系中既是反應(yīng)介質(zhì),更是運(yùn)輸介質(zhì)和潤(rùn)滑劑。在固形物濃度偏低時(shí),水分含量比較高,水的運(yùn)輸和潤(rùn)滑功能顯現(xiàn)不明顯,當(dāng)固形物含量上升后,水分更多的吸附在底物上,有效水含量越少,造成酶解物粘度越高,就會(huì)造成嚴(yán)重的傳質(zhì)困難。當(dāng)粘度升高時(shí),物料更難混勻,攪拌則需要做更多功。本實(shí)驗(yàn)中,以10為底數(shù)對(duì)剪切速率為2 s-1時(shí)的粘度和剪切應(yīng)力求對(duì)數(shù),以該值為Y軸建立坐標(biāo)系,所得不同固形物濃度在酶解過(guò)程粘度和剪切應(yīng)力的變化如圖3a和圖3b所示。

圖3 酸性酶水解小麥面筋過(guò)程中表觀粘度(a)和剪切應(yīng)力(b)的變化Fig.3 Changes of apparent viscosity and sheer stress in PR23 catalyzed gluten hydrolysis

在酸性酶酶解體系中,固形物濃度8%,16%,24%和32%的酶解樣品的表觀粘度大致呈先上升后下降的趨勢(shì),固形物濃度40%的酶解樣品在整個(gè)酶解過(guò)程中均呈下降趨勢(shì);剪切應(yīng)力的結(jié)果同表觀粘度的結(jié)果相似。在整個(gè)酶解反應(yīng)過(guò)程中,面筋蛋白酶解體系中各固形物濃度的表觀粘度和剪切應(yīng)力的大小始終保持40%>32%>24%>16%>8%。固形物濃度不同,樣品前期的表觀粘度和剪切應(yīng)力上升的時(shí)間段也有區(qū)別,固形物含量8%和16%的樣品的上升時(shí)間一直持續(xù)到反應(yīng)第24 h,24%和32%的樣品在酶解反應(yīng)開始12 h后粘度和剪切應(yīng)力開始下降,而40%的樣品則從反應(yīng)6 h后就開始下降。截至反應(yīng)36 h,8%、16%，24%和32%的樣品的粘度和剪切應(yīng)力均高于反應(yīng)6 h時(shí)的數(shù)值。而對(duì)固形物含量40%酶解體系而言,在反應(yīng)36 h后,其粘度和剪切應(yīng)力均低于比反應(yīng)6 h時(shí)的數(shù)值。

表2 固形物濃度對(duì)酸性酶酶解體系Ostwald-de waele模型各參數(shù)的影響

2.5 不同固形物濃度對(duì)酶解體系流變特性的影響

非牛頓流體是指剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體,其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率之間的關(guān)系可通過(guò)冪律函數(shù)來(lái)表示,即Ostwald-de waele模型。其中K為稠度系數(shù)(flow consistency index),n為流動(dòng)指數(shù)(flow behaviour index)。

固形物濃度對(duì)酸性酶酶解體系Ostwald-de waele模型各參數(shù)的影響如表2所示,由表可以看出,樣品的流動(dòng)特性指數(shù)n均小于1,說(shuō)明酶解體系是非牛頓流體中的假塑性流體,具有剪切變稀的性質(zhì)[11-12]。伴隨固形物濃度的提升和酶解時(shí)間的延長(zhǎng)流動(dòng)指數(shù)n均呈不斷下降的趨勢(shì),這說(shuō)明提升固形物濃度和酶解反應(yīng)時(shí)間能夠使剪切變稀特征更加明顯。稠度系數(shù)(K)是表征樣品粘稠度的指標(biāo),由表2可知,當(dāng)固形物濃度提升,稠度系數(shù)也在上漲,說(shuō)明樣品的粘稠度隨著固形物濃度的提升而增加,當(dāng)酶解時(shí)間增長(zhǎng)時(shí),酶解液的稠度系數(shù)則發(fā)生下降。不同固形物濃度下，不同酶解時(shí)間制備的面筋蛋白酶解液的Ostwald-de waele模型擬合相關(guān)性系數(shù)(R2)>0.9，說(shuō)明該模型可以很好的擬合酸性酶酶解面筋蛋白體系。

3 結(jié)論

不同固形物濃度條件下的面筋蛋白酶解物的水分活度有顯著區(qū)別,隨著固形物濃度的提升和酶解時(shí)間的延長(zhǎng)水分活度有下降的趨勢(shì),且隨著固形物濃度的升高,水分活度下降幅度越大,下降速度越快。

不同固形物濃度條件下酸性酶酶解物的粘度和剪切應(yīng)力均會(huì)隨著固形物濃度的提升而提升,但隨著酶解反應(yīng)的進(jìn)行,8%,16%,24%和32%酶解樣品呈先增加后再降低的趨勢(shì),40%酶解樣品在整個(gè)酶解過(guò)程中呈下降趨勢(shì)。

Ostwald-de waele模型可以很好的擬合酸性蛋白酶催化不同固形物濃度小麥面筋蛋白酶解產(chǎn)物。

[1]王亞平,安艷霞. 小麥面筋蛋白組成、結(jié)構(gòu)和功能特性[J]. 糧食與油脂,2011(1):1-4.

[2]張海華,周惠明.小麥面筋蛋白結(jié)構(gòu)及其改性研究[J].糧食與油脂,2010(9):1-3.

[3]彭海萍,王蘭. 小麥面筋蛋白在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 西部糧油科技,2002,27(2):32-33.

[4]Cui C,Hu Q,Ren J,et al. The effect of lactic acid bacteria fermentation on the antioxidant activity of wheat gluten pancreatin hydrolysates[J]. International Journal of Food Science & Technology,2014,49(4):1048-1054.

[5]Hardt N A,Goot A J V D,Boom R M. Influence of high solid concentrations on enzymatic wheat gluten hydrolysis and resulting functional properties[J]. Journal of Cereal Science,2013,57(3):531-536.

[6]Hardt N A,Janssen A E M,Boom R M,et al. Factors impeding enzymatic wheat gluten hydrolysis at high solid concentrations[J]. Biotechnology & Bioengineering,2014,111(7):1304-1312.

[7]大連輕工業(yè)學(xué)院等八大院校. 食品分析[M]. 北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1994:177-180.

[8]龍肇. 蛋白質(zhì)/多糖交互作用對(duì)高乳脂乳濁液穩(wěn)定性的影響及作用機(jī)理研究[D]. 廣州:華南理工大學(xué),2014.

[9]Hansson T,Andersson M,Wehtje E,et al. Influence of wateractivity on the competition betweenβ-glycosidase-catalysed transglycosylation and hydrolysis in aqueous hexanol[J]. Enzyme & Microbial Technology,2001,29(9):527-534.

[10]王章存,陸杰,李樂(lè)靜,等. 谷朊粉的有限酶解對(duì)其分散性及膠黏性的影響[J]. 食品工業(yè)科技,2012(5):119-122.

[11]Bae H O,Kang K,Lee J,et al. Regularity for Ostwald-de Waele type shear thickening fluids[J]. Nonlinear Differential Equations & Applications Nodea,2015,22(1):1-19.

[12]Vajravelu K,Prasad K V,Datti P S,et al. Convective flow,heat and mass transfer of Ostwald-de Waele fluid over a vertical stretching sheet[J]. Journal of King Saud University,2017,29(1):57-67.

Effects of solid concentrations on rheological property of wheat gluten protein hydrolyzed by acid protease

ZHANG Shao-min1,QIAN Yang-peng2,LIU Hui-yan1,SHEN Hui-ping1, YU Quan1,CUI Chun2,*,DONG Ke-ming3

(1.Department of Food Engineering,Guangdong Polytechnic of Environmental Protection Engineering,Foshan 528216,China; 2.College of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China; 3.Guangdong WeiWei Biotechnology Limited Corporation,Guangzhou 511400,China)

Apparent viscosity,shear stress and rheological properties of wheat gluten hydrolysates catalyzed by PR23,an acid protease,at different solid concentration were studied. Results showed that the increased solid concentrations of Glutenhydrolysates resulted in higher pH and lower water acitivity. Apparent viscosity and shear stress of wheat hydrolysates increased after 12 h of hydrolysis,and then decreased for solid concentration of 8%,16%,24% and 32%. The apparent viscosity and shear stress decreased with the reaction time for solid concentration of 40% during the whole hydrolysis process. Ostwald-de waele model can fit the wheat protein hydrolysis process for all solid concentration.

wheat gluten;solid concentration;rheological property

2016-10-21

張少敏(1987-)，女，碩士研究生，講師，研究方向：食品生物技術(shù)，E-mail:cherryzhang1987@163.com。

*通訊作者:崔春(1978-)，男，博士，教授，研究方向：食品生物技術(shù)，E-mail:CuiChun@scut.edu.cn。

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201604020067)；廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院院長(zhǎng)基金(KY201401003)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)09-0066-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.09.004