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(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030;2.北京三元食品股份有限公司,北京 100163)

預(yù)熱處理對(duì)乳清分離蛋白水包油乳狀液特性和物理穩(wěn)定性的影響

王超1,蔡浚澤2,劉騫1,曹傳愛1,孔保華1,夏秀芳1,*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030;2.北京三元食品股份有限公司,北京 100163)

本實(shí)驗(yàn)主要研究了加熱預(yù)處理(90 ℃,5 min)對(duì)乳清分離蛋白作為穩(wěn)定劑所制備的菜籽油水包油型乳狀液的特性和物理穩(wěn)定性的影響。測(cè)定了乳狀液在儲(chǔ)藏期間的ζ-電勢(shì)、粒徑、絮凝指數(shù)、分層指數(shù)、流變特性和乳狀液中蛋白質(zhì)分配系數(shù)的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明,與天然乳清分離蛋白相比,經(jīng)過預(yù)熱處理的乳清分離蛋白能夠顯著降低乳狀液在整個(gè)儲(chǔ)藏期間(0～14 d)的物理穩(wěn)定性(p<0.05),具體表現(xiàn)為較低的ζ-電勢(shì)(p<0.05),以及較高的粒徑、絮凝指數(shù)、分層指數(shù)和粘度(p<0.05)。與此同時(shí),加熱處理導(dǎo)致的乳清分離蛋白變性和聚集,能夠顯著增加其在乳狀液界面蛋白膜表面的分布(p<0.05),從而驗(yàn)證了上述乳狀液物理穩(wěn)定性的結(jié)果。上述結(jié)果表明,加熱預(yù)處理顯著降低了整個(gè)乳狀液在儲(chǔ)藏期間的物理穩(wěn)定性,為乳清分離蛋白在乳狀液中的合理應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

乳清分離蛋白,預(yù)熱處理,水包油型乳狀液,物理穩(wěn)定性,分配系數(shù)

乳化體系是由互不相容的兩相(一般為油和水),其中一種以液滴的形式分散于另一相中,并且加入了小分子的表面活性劑(例如吐溫-20)或大分子(蛋白質(zhì))作為穩(wěn)定劑的一種復(fù)雜的混合體系,其中含有大量的乳狀液滴。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,乳狀液滴是非自發(fā)形成的,因此,乳化體系通常是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,它們常常會(huì)發(fā)生絮凝、聚結(jié)或乳狀液的分層[1]。溫度、pH、離子強(qiáng)度、蛋白質(zhì)濃度、蛋白質(zhì)/油、油相的體積分?jǐn)?shù)等是影響乳狀液物理穩(wěn)定性的主要因素。最常用的提高穩(wěn)定性的辦法是使用具有表面活性的乳化劑。乳化劑能夠吸附在油水界面,可以促進(jìn)液滴形成且通過降低界面張力使其穩(wěn)定,同時(shí)還能夠在液滴之間產(chǎn)生排斥力而防止其聚集[2]。目前在食品工業(yè)中,常用的乳化劑有單甘酯、大豆磷脂及其衍生物、蔗糖酯、山梨醇酯及丙二醇這五大類[3]。而蛋白質(zhì)具有兩親性(同時(shí)具有極性和非極性基團(tuán)),不僅能夠產(chǎn)生乳化作用,迅速吸附到油滴表面上且在油滴周圍形成保護(hù)膜防止油滴的結(jié)合[4],穩(wěn)定新形成的O/W(水包油)乳狀液,還能在一定程度上穩(wěn)定和改善乳化性能,因此作為食品乳化劑應(yīng)用日益廣泛。而蛋白質(zhì)與界面之間的疏水作用是使蛋白質(zhì)能夠吸附于界面的主要作用,因此,具有較高疏水性的蛋白質(zhì)分子有更好的乳化作用[5]。已有的研究包括大豆分離蛋白[6-7]、酪蛋白[8-9]、麥醇溶蛋白[10-11]、乳清蛋白[12-13]等。

乳清蛋白作為乳酪等乳制品的副產(chǎn)物,來源廣泛,價(jià)格低廉,具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及諸多功能特性,比如溶解性、攪打起泡性、成膜性、凝膠性等[14-15]。此外,還具有突出的乳化特性。乳清分離蛋白是通過選擇性離子交換技術(shù)或膜分離處理產(chǎn)生的一種市場(chǎng)上出售的主要的乳清蛋白產(chǎn)品,與乳清濃縮蛋白(30%～70%)相比含有較高的蛋白含量(90%～95%)[16]。熱處理是食品加工過程中最常用的處理手段之一,會(huì)對(duì)球蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及功能特性產(chǎn)生影響。熱處理會(huì)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)界面疏水性和靈活性的改變,不僅會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)的聚集產(chǎn)生影響,還會(huì)影響蛋白質(zhì)在油水界面的界面活性。而乳清蛋白在熱處理過程中極易變性從而導(dǎo)致部分蛋白變性聚集,而影響其功能特性[17],乳清分離蛋白的熱不穩(wěn)定性限制了其在食品加工過程中的應(yīng)用。乳清蛋白的熱敏感性與其結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。乳清蛋白包括β-乳球蛋白(β-Lg)、α-乳清蛋白(α-La)、牛血清蛋白(BSA)及免疫球蛋白[18],這幾種蛋白均為緊密的球狀蛋白,具有由二硫鍵結(jié)合在一起的明確的三維結(jié)構(gòu),其中,β-Lg和α-La含量較高[8]。β-Lg在乳清蛋白的聚集中起到重要的作用。Mulvihill[19]等人的研究表明,在聚集過程中,β-Lg發(fā)生了球狀結(jié)構(gòu)的展開及蛋白分子不可逆的形成蛋白復(fù)合物的兩個(gè)階段的變化。而α-La的分子內(nèi)部不含游離巰基,因此對(duì)熱處理相對(duì)穩(wěn)定。牛血清蛋白(BSA)分子內(nèi)部含有一個(gè)游離-SH基團(tuán)和17個(gè)二硫鍵,是乳清蛋白中對(duì)熱最敏感的蛋白質(zhì)[20]。關(guān)于預(yù)熱處理蛋白質(zhì)對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響已經(jīng)進(jìn)行了諸多研究,但蛋白質(zhì)預(yù)熱處理對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響在文獻(xiàn)中經(jīng)常是矛盾的。Cui[21]等人對(duì)高濃度的大豆蛋白預(yù)熱處理后,制備的乳狀液有較小的粒徑和較高的表面載荷。而Millqvist-Fureby[16]等人的研究結(jié)果顯示乳清濃縮蛋白(WPC)穩(wěn)定的乳液的液滴大小隨著預(yù)熱條件(在60～90 ℃下熱處理達(dá)1000 s)而增加,并且導(dǎo)致乳液失穩(wěn)。

本實(shí)驗(yàn)主要研究加熱預(yù)處理(90 ℃,5 min)是否對(duì)乳清分離蛋白作為穩(wěn)定劑所制備的菜籽油水包油型乳狀液的特性和物理穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,分析探討整個(gè)乳狀液在儲(chǔ)藏期間的ζ-電勢(shì)、粒徑、絮凝指數(shù)、分層指數(shù)、流變特性和乳狀液中蛋白質(zhì)分配系數(shù)的變化趨勢(shì),為乳清分離蛋白在復(fù)雜的乳狀液體系中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

乳清分離蛋白(WPI,蛋白含量95%) 北京銀河路商貿(mào)有限責(zé)任公司;菜籽油 當(dāng)?shù)爻?疊氮鈉、十二烷基磺酸鈉硫酸(SDS)等均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

1.2儀器與設(shè)備

AL-104型精密電子天平、FE20K型pH計(jì) 上海梅特勒-托利多儀器設(shè)備有限公司;AM-1磁力攪拌器 北京鼎昊源實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;DK-8B 型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;T18勻漿機(jī) 德國(guó)IKA公司;FPG12805型高壓均質(zhì)機(jī) 英國(guó)斯坦斯特德流體動(dòng)力有限公司;Malvern Nano ZS型動(dòng)態(tài)光散射儀、Malvern 2000型激光粒度儀 英國(guó)馬爾文公司;Allegra 64R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特有限公司;DHR-1動(dòng)態(tài)剪切流變儀 美國(guó)TA公司。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

乳狀液的制備:稱取一定量的乳清分離蛋白(Whey protein isolate,WPI)粉末分散于去離子水中,于室溫下用磁力攪拌器至少攪拌1 h使其充分溶解,配制成4%的蛋白分散液,同時(shí)加入0.01%的疊氮鈉作為抑菌劑。將該WPI分散液等體積分成兩份,其中一份于90 ℃水浴中加熱5 min,拿出后迅速冷卻到室溫,表示為預(yù)加熱乳清分離蛋白(Pre-heated whey protein isolate,H-WPI)。取這兩種處理的蛋白分散液90 mL分別與10 mL的菜籽油混合,用勻漿機(jī)于13500 r/min勻漿2 min,得到粗乳狀液。將得到的粗乳狀液在40 MPa下進(jìn)行高壓均質(zhì),制備穩(wěn)定的乳狀液。用HCl或NaOH調(diào)節(jié)乳狀液的pH到7.0。將制備的乳狀液在4 ℃分別儲(chǔ)藏0(新鮮乳狀液)、1、4、7、10、14 d,進(jìn)行測(cè)量。

1.4乳狀液測(cè)定指標(biāo)

1.4.1 ζ-電勢(shì) 乳狀液的ζ-電位是通過測(cè)量粒子在電場(chǎng)中移動(dòng)的方向和速度得到的。為了避免多重散射效應(yīng),將均質(zhì)后的乳狀液用去離子水稀釋到油相體積的0.001%(v/v),將稀釋后的乳狀液置于折疊的毛細(xì)管中,用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)量。

1.4.2 粒徑 新鮮乳狀液滴和儲(chǔ)藏一定時(shí)間的乳狀液滴的粒徑大小用粒度分布儀來測(cè)量,樣品用去離子水或1%(w/v)SDS溶液進(jìn)行稀釋。將樣品的遮蔽度稀釋到10%和20%之間。液滴大小用體積分?jǐn)?shù)平均粒徑(d4,3)表示。

1.4.3 分層指數(shù)(CI) 取25 mL乳狀液置于帶刻度的具塞玻璃管中,在室溫條件下儲(chǔ)藏0、1、4、7、10、14 d(垂直狀態(tài)),乳狀液在儲(chǔ)藏期間會(huì)發(fā)生分層現(xiàn)象,上層為不透明的乳化層,下層為血清層。記錄不同儲(chǔ)藏時(shí)間血清層的高度(HS)和乳狀液的總高度(Ht)。乳狀液的分層指數(shù)計(jì)算公式如下:

分層指數(shù)為乳狀液中粒子聚集的非直接指標(biāo),粒子聚集越多,粒徑越大,乳狀液發(fā)生分層越快,分層指數(shù)越大。

1.4.4 絮凝指數(shù)(FI)新鮮或儲(chǔ)藏一定時(shí)間乳狀液滴的絮凝指數(shù)用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

FI=[(d4,3-water)/(d4,3-1% SDS)-1.0]×100

式中:d4,3-water表示水作為分散劑的乳狀液滴的d4,3,d4,3-water表示1% SDS作為分散劑的乳狀液滴的d4,3。

在1.4.2中分別用去離子水和1%(w/v)SDS溶液稀釋乳狀液滴并對(duì)其平均粒徑(d4,3)進(jìn)行測(cè)量。SDS是一種陰離子表面活性劑,能夠吸附在液滴表面,通常,在衍射分析期間,如存在SDS,SDS分子會(huì)置換吸附于油/水界面蛋白質(zhì)并且誘導(dǎo)其與液滴之間的靜電排斥作用,從而破壞原始的液滴聚集體[22]。因此,SDS能夠降低橋接油滴的程度,但如果液滴聚結(jié),則不會(huì)破壞聚集。當(dāng)不存在SDS分子時(shí),盡管稀釋和攪拌可能破壞任何弱絮凝的液滴,但不會(huì)破壞強(qiáng)絮凝的液滴,因此該方法能夠用來評(píng)價(jià)由于橋接機(jī)制形成的絮狀物的穩(wěn)定性[23]。

1.4.5 流變特性 本實(shí)驗(yàn)采用具有平行板的DHR-1 動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)定新鮮乳狀液和儲(chǔ)藏14 d的乳狀液的流變特性,測(cè)量溫度為25 ℃,平板直徑為40 mm,間隙為0.5 mm。剪切流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中剪切速率由0.01 s-1到10 s-1。

1.4.6 乳化劑在水相及界面的分布 為了測(cè)定新鮮乳狀液和儲(chǔ)藏14 d的乳狀液中蛋白含量在各相的分布情況,取1 mL乳狀液置于1.5 mL的離心管中,于25 ℃ 15000×g條件下離心45 min,用注射器小心吸取下層清液在相同條件下再次離心,小心吸取下層清液,并合并多個(gè)離心中的清液,合并后的清液過0.22 μm濾膜,使用Lowry’s[24]的方法測(cè)定濾液的蛋白含量。

參考Hunag[25]等人的方法計(jì)算蛋白在兩相中的分配系數(shù),公式如下:

式中:Vw表示水的體積(mL);Vl表示油的體積(mL);Wt表示總蛋白含量(mg/mL);Ww表示水相中的蛋白含量(mg/mL);計(jì)算時(shí)所用油的密度(g/mL)為0.922;水相中的蛋白含量占總蛋白含量的比例為(Ww/Wt);界面上吸附的蛋白含量所占的比例等于總的蛋白含量與水相中蛋白含量之差。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次,結(jié)果表示為平均數(shù)±SD。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Statistix 8.1(分析軟件,St Paul,MN)軟件包中Linear Models程序進(jìn)行,差異顯著性(p<0.05)分析使用Tukey HSD程序。采用sigmaplot11.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1ζ-電勢(shì)的變化

食品中許多具有表面活性的物質(zhì)一般都具有帶電性,例如一些蛋白質(zhì)分子、磷脂分子以及表面活性劑等物質(zhì)。當(dāng)這些具有表面活性的物質(zhì)附著在水包油型乳狀液的油-水界面膜上的時(shí)候,使得油滴表面的界面膜也具有一定的帶電性。水包油乳狀液通常通過帶相似電荷油滴之間的靜電排斥來穩(wěn)定,帶相似電荷的乳狀液滴之間的排斥性靜電相互作用阻止了液滴的彼此靠近。Yi[26]等人的研究表明ζ-電勢(shì)的絕對(duì)值越高,乳狀液物理穩(wěn)定性越高,即乳狀液在貯藏期間可以抵抗聚集和絮凝的能力越強(qiáng),因此ζ-電勢(shì)可以用作靜電排斥力的量度,可以作為一個(gè)重要的指標(biāo)來評(píng)價(jià)乳狀液的穩(wěn)定程度。

WPI及H-WPI穩(wěn)定的乳狀液的ζ-電勢(shì)隨儲(chǔ)藏時(shí)間的變化如圖1所示。由圖可知,在中性條件下,兩種乳狀液的電勢(shì)為負(fù)值,說明乳液上的靜電電荷為負(fù),表明帶負(fù)電荷(陰離子)的蛋白質(zhì)分子吸附到油滴表面上,而且ζ-電勢(shì)的絕對(duì)值均隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,WPI涂覆的液滴和H-WPI穩(wěn)定的液滴的電位分別從第0 d的-40.6 mV、-36.0 mV變?yōu)榈?4 d的-30.2 mV和-25.3 mV(p<0.05),這一結(jié)果表明,隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加,乳狀液的穩(wěn)定性呈逐漸下降的趨勢(shì)。而且在同一儲(chǔ)藏時(shí)間H-WPI所制備的乳狀液相對(duì)于WPI穩(wěn)定的體系有較小的ζ-電勢(shì),說明H-WPI穩(wěn)定的乳狀液的穩(wěn)定性較差。可能的原因是均質(zhì)后蛋白質(zhì)產(chǎn)生的液滴間的排斥相互作用(例如空間位阻和靜電相互作用)對(duì)于穩(wěn)定乳狀液發(fā)揮重要的作用[27]。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)WPI蛋白分散液進(jìn)行90 ℃預(yù)處理,這個(gè)溫度高于β-Lg的變性溫度,暴露球狀蛋白內(nèi)部的疏水性氨基酸殘基,導(dǎo)致其表面疏水性和吸附的β-Lg分子的靈活性增加,同時(shí),暴露的非極性基團(tuán)或巰基基團(tuán)通過疏水吸引和硫醇-二硫化物交換反應(yīng)增加蛋白分子間相互作用,從而產(chǎn)生聚集,降低了乳狀液的穩(wěn)定性,表現(xiàn)為ζ-電勢(shì)有所下降[28]。

圖1 儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)乳狀液粒子ζ-電位的影響Fig.1 Effect of storage time on zeta potential of emulsion注:不同字母表示同種處理不同時(shí)間的數(shù)據(jù)有顯著性差異(p<0.05),圖2～圖4同。

2.2粒徑的變化

圖2表示乳狀液的粒徑隨儲(chǔ)藏時(shí)間的變化情況,從圖中可以看出,乳狀液的粒徑隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)顯著增加(p<0.05)。WPI經(jīng)加熱處理后,乳狀液液滴粒徑增大。這是由于加熱導(dǎo)致了大多數(shù)球蛋白,如β-Lg結(jié)構(gòu)和功能特性的變化。變性能夠影響蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)特別是與蛋白質(zhì)的打開及聚集有關(guān)。熱誘導(dǎo)的變性程度取決于加熱持續(xù)時(shí)間和加熱溫度[29]。β-Lg的變性溫度約為70 ℃,而α-La的約為60 ℃[30]。Ruffin[29]等人探究了不同的預(yù)熱溫度和時(shí)間對(duì)于WPI變性程度的影響,結(jié)果表明,70 ℃預(yù)熱5 min僅有12.2%變性。而80 ℃預(yù)熱30 min蛋白完全變性。

圖2 儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)乳狀液粒子粒徑的影響Fig.2 Effect of storage time on droplet size of emulsion

Ruffin[29]等人在對(duì)WPI進(jìn)行80 ℃預(yù)熱3 min條件下制備的乳狀液與天然乳清蛋白制備的乳狀液的液滴粒徑要小。這與蛋白質(zhì)的成分及變性條件相關(guān)。在強(qiáng)預(yù)熱條件(即80 ℃,30 min)下,WPI完全變性,因此乳清蛋白完全展開。Vassilios[18]等人研究稱展開的乳清蛋白能夠在油相周圍重新排列,形成更緊密的界面膜從而減少液滴絮凝。此外,更多的蛋白展開增加了分子的靈活性,從而影響界面吸附蛋白質(zhì)層的行為及液滴之間的空間相互作用,從而增強(qiáng)了乳狀液的穩(wěn)定性。

而本實(shí)驗(yàn)中蛋白經(jīng)過加熱預(yù)處理后制備的乳狀液粒徑增大可能是因?yàn)樵谠撎幚項(xiàng)l件下(90 ℃,5 min),暴露了先前隱藏的疏水性基團(tuán)從而形成大分子量的聚集,不能夠有效的覆蓋到油滴表面,使粒徑增大,從而使乳狀液的穩(wěn)定性降低。此外,存在于血清相中的非吸附的蛋白質(zhì)與吸附在界面上的蛋白之間的相互作用也會(huì)引起脂肪滴的聚集,增大粒徑[18]。

2.3分層指數(shù)(CI)的變化

由于乳狀液中分散相和連續(xù)相之間存在質(zhì)量密度差,而且O/W乳狀液中油相的密度低于水相的密度,因此油滴往往向上移動(dòng),乳狀液發(fā)生分層現(xiàn)象。而CI表示乳狀液滴在一段時(shí)間內(nèi)其對(duì)抗重力分離的穩(wěn)定性[31]。此外,CI能夠提供關(guān)于乳狀液滴聚集程度的間接信息[32],CI值越小,乳狀液越穩(wěn)定。儲(chǔ)藏期間乳狀液在0～14 d的分層情況變化如圖3所示。由圖可以觀察到:新鮮制備的乳狀液未發(fā)生分層現(xiàn)象,所有樣品在儲(chǔ)藏期間在視覺上沒有觀察到明顯的分層現(xiàn)象,但是乳狀液樣品的分層指數(shù)隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大,WPI制備的乳狀液,CI從0增大到6%,相同儲(chǔ)藏時(shí)間,經(jīng)過加熱預(yù)處理后制備的乳狀液分層指數(shù)更大,在第14 d達(dá)到最大7%,說明高溫度的預(yù)熱處理會(huì)對(duì)乳狀液的物理穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

圖3 儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)乳狀液粒子分層指數(shù)的影響Fig.3 Effect of storage time on creaming index of emulsion

Shao[33]等人的研究表明乳狀液滴的分層現(xiàn)象不僅與乳狀液滴的絮凝狀態(tài)有關(guān),而且取決于分離或絮凝的液滴間的相互吸引作用。由于加熱導(dǎo)致蛋白質(zhì)的變性,增加了其表面疏水性。結(jié)合上文分析,分散相的液滴粒徑大小對(duì)分層指數(shù)具有顯著影響;隨著液滴粒徑增大,乳狀液分層變慢,乳狀液更不穩(wěn)定,反之亦然。此外,乳狀液的分層行為與界面膜的厚度有關(guān),如果蛋白質(zhì)在表面上的吸附快于打開,則會(huì)形成更厚的界面膜。然而,由于此時(shí)WPI(90 ℃,5 min)已經(jīng)大部分變性,所以吸附比打開慢,因此會(huì)形成更薄的膜,從而降低了乳狀液的物理穩(wěn)定性。

2.4絮凝指數(shù)(FI)的變化

絮凝會(huì)導(dǎo)致液滴粒徑的增大從而產(chǎn)生分層現(xiàn)象,此外,由于液滴彼此靠近而導(dǎo)致聚結(jié),因此,絮凝會(huì)對(duì)乳狀液的物理穩(wěn)定性產(chǎn)生有害的影響[34]。絮凝指數(shù)也是用來衡量乳狀液穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)。可以通過測(cè)量液滴粒徑來確定乳狀液中是否存在絮凝。1% SDS可能破壞油滴的絮凝。因此用1% SDS作為分散劑得到d4,3反映了單個(gè)油滴的大小。當(dāng)乳狀液沒有發(fā)生絮凝時(shí),液滴使用雙蒸水和1.0%(w/v)SDS分別作為分散劑所測(cè)得液滴粒徑大小不會(huì)發(fā)生改變;但是如果乳狀液中存在絮凝,液滴分散于1.0%(w/v)SDS中所得的粒徑相比于分散于雙蒸水中的將會(huì)減小[35]。Shao[33]等人的研究表明,對(duì)大豆蛋白進(jìn)行熱預(yù)處理(95 ℃,15 min)測(cè)得的d4,3(分散于1% SDS中)值與未加熱的蛋白質(zhì)相比顯著降低(p<0.05)。

儲(chǔ)藏期間乳狀液在0～14 d的絮凝情況變化如圖4所示,在本實(shí)驗(yàn)中WPI制備的乳狀液絮凝指數(shù)隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì),在第0 d絮凝指數(shù)較低,說明新鮮乳狀液未有絮凝形成,及此時(shí)液滴間的靜電排斥力對(duì)于穩(wěn)定乳狀液起到了關(guān)鍵作用。在第14 d達(dá)到了最大值,說明兩種乳狀液在儲(chǔ)藏期間均發(fā)生絮凝且絮凝程度逐漸增大。而H-WPI制備的乳狀液絮凝指數(shù)與WPI制備的乳狀液比顯著升高,這是由于與熱處理導(dǎo)致WPI變性、聚集,有利于液滴間的相互吸引作用,從而反應(yīng)了乳狀液穩(wěn)定性的降低。熱誘導(dǎo)引起絮凝的程度取決于諸多因素,如熱處理時(shí)間及溫度和未吸附的蛋白質(zhì)濃度。形成的絮凝物通過吸附到不同液滴表面的蛋白質(zhì)之間的疏水相互作用和共價(jià)二硫鍵結(jié)合在一起,WPI經(jīng)過高溫加熱后暴露了更多的疏水作用基團(tuán),從而加劇了絮凝的形成。

圖4 儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)乳狀液粒子絮凝指數(shù)的影響Fig.4 Effect of storage time on flocculation index of emulsion

2.5乳狀液流變學(xué)特性

通過對(duì)乳狀液的流變特性的測(cè)量可以得到有關(guān)于乳狀液物理穩(wěn)定性,液滴粒徑大小及分布的信息。乳狀液的流變行為主要由幾個(gè)因素控制,如連續(xù)相的流變學(xué)性質(zhì)、平均粒度及粒度分布、內(nèi)部粘度、液滴濃度和粒子-粒子相互作用的性質(zhì)[36]。圖5表示乳狀液的流變特性在第0 d和第14 d的變化情況,在剪切速率為0.01～1 s-1的變化范圍內(nèi),所有樣品的粘度均隨著剪切速率的增大而減小,最后趨于0,這是由于增加的剪切速率破壞了聚集的液滴從而導(dǎo)致了粘度的降低。WPI經(jīng)加熱處理后,乳狀液的粘度顯著增大,WPI穩(wěn)定的乳狀液,第14 d的粘度值相對(duì)于第0 d的有所增大,但差異并不顯著;而H-WPI穩(wěn)定的乳狀液也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象,其穩(wěn)定的乳狀液在儲(chǔ)藏14 d后,兩組樣品的粘度達(dá)到了最大值。這說明隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加,乳狀液滴粘度增大,這也與前文所述的乳狀液滴在儲(chǔ)藏期間粒徑增大,表面電荷減小,液滴發(fā)生聚集、絮凝,穩(wěn)定性降低一致。Taherian[37]等人的研究也表明,乳狀液在儲(chǔ)藏期間粘度的增加與液滴的絮凝有關(guān),Peng[38]等人通過對(duì)豌豆蛋白進(jìn)行熱預(yù)處理(90 ℃,30 min),也得到了類似的結(jié)論。

圖5 剪切速率對(duì)乳狀液粒子粘度的影響Fig.5 Effect of shear rate on the viscosity of emulsion

2.6乳化劑在油水界面的分布

表1為乳狀液在儲(chǔ)藏14 d后WPI及H-WPI在水相及與油水界面的分布情況。由表1可知,WPI在水相中的含量較H-WPI高,兩者差異顯著(p<0.05)。H-WPI在油水界面的分配系數(shù)為3.17,高于WPI的分配系,這說明加熱處理WPI有利于乳化劑在油相的分布。這是由于加熱預(yù)處理導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生變性或聚集,能夠使原本位于球蛋白內(nèi)部的疏水性基團(tuán)暴露出來,增加WPI蛋白的界面疏水性,因此,水相中蛋白含量減少,從而有利于蛋白質(zhì)吸附到界面上。Peng[38]等人對(duì)用熱預(yù)處理(90 ℃,30 min)的豌豆蛋白穩(wěn)定的乳狀液進(jìn)行,表明在相同的濃度,經(jīng)過加熱預(yù)處理的乳狀液的蛋白吸附量要高于加熱的乳狀液,這也與Li[39]等人關(guān)于預(yù)加熱的大豆蛋白乳狀液吸附蛋白的百分比高于未加熱的蛋白乳狀液這一結(jié)果一致。此外,蛋白質(zhì)在油水界面的吸附特性還與蛋白的靈活性和疏水性有關(guān)。H-WPI相對(duì)于WPI增加了蛋白分子的靈活性和界面疏水性,因此H-WPI比WPI更易吸附在界面上,從而使分配系數(shù)增大[39]。

表1 不同處理?xiàng)l件下乳化劑在水相中的分布情況
Table 1 Partitioning of emulsifier in the aqueoussolution under different treatment conditions

處理?xiàng)l件水相中蛋白質(zhì)(%)分配系數(shù)(油相/水相)WPI80.90±1.31A2.13H-WPI73.96±1.04B3.17

注：大寫字母不同表示同列中差異顯著(p<0.05),數(shù)值表示為均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)加熱預(yù)處理(90 ℃,5 min)是否能夠?qū)θ榍宸蛛x蛋白作為穩(wěn)定劑所制備的菜籽油水包油型乳狀液的特性和物理穩(wěn)定性產(chǎn)生影響進(jìn)行了深入探討。通過乳狀液在儲(chǔ)藏期間(0～14 d)的ζ-電勢(shì)、粒徑、絮凝指數(shù)、分層指數(shù)、流變特性的測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)過預(yù)熱處理的乳清分離蛋白能夠顯著降低乳狀液在整個(gè)儲(chǔ)藏期間的物理穩(wěn)定性。另外,乳清分離蛋白在油水界面中的分布情況直接驗(yàn)證了預(yù)加熱處理不利于促進(jìn)乳狀液物理穩(wěn)定性的結(jié)果。因此,本實(shí)驗(yàn)為乳清分離蛋白在乳狀液中的合理應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

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Influenceofheatpretreatmentonthecharacteristicsandphysicalstabilityofwheyproteinisolate-stabilizedrapeseedoil-in-wateremulsions

WANGChao1,CAIJun-ze2,LIUQian1,CAOChuan-ai1,KONGBao-hua1,XIAXiu-fang1，*

(1.College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Beijing Sanyuan Foods Co.,Ltd.,Beijing 100163,China)

The effect of thermal pretreatment(90 ℃,5 min)on the properties and physical stability of rapeseed oil-in-water emulsion of prepared by using whey protein isolate as stabilizer were investigated. The changes trend of ζ-potential,particle size,flocculation index,creaming index,rheological property and the partition coefficient of protein in the emulsion during storage were measured. The results showed that the heat pretreatment whey protein isolate could significantly reduce the physical stability of the emulsion during storage(0～14 days)compared with the natural whey protein isolate(p<0.05),and the specific performance of lower ζ-potential(p<0.05),and higher particle size,flocculation index,creaming index and viscosity(p<0.05). At the same time,the denaturation and aggregation of whey protein isolate caused by preheating treatment could significantly increase the distribution of the protein on the surface of the emulsion membrane(p<0.05),thus confirming the physical stability of the emulsions. The results indicated that the thermal pretreatment significantly reduced the physical stability of the whole emulsion during storage and laid a theoretical foundation for the rational application of whey protein isolate in the emulsion.

whey protein isolate;heat pretreatment;oil-in-water emulsion;physical stability;percentage of adsorbed proteins

TS201.1

A

1002-0306(2017)19-0021-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.19.004

2017-04-14

王超(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：畜產(chǎn)品加工，E-mail:WJMwangjiamuWJM@163.com。

*通訊作者:夏秀芳(1973-)，女，博士，教授，研究方向：畜產(chǎn)品加工，E-mail:xxfang524@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (31671788)；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)“學(xué)術(shù)骨干”項(xiàng)目(16XG18)。