曾維順， 陳捷騰， 李贇雪， 劉世永， 陳 浩,*

(1.山東大學(威海) 海洋學院， 山東 威海 264209； 2.威海海洋職業(yè)學院 食品工程系， 山東 威海 264300)

氧化淀粉是天然淀粉與氧化劑在一定的pH值、溫度、時間、催化劑等條件下產生的一種淀粉衍生物[1]，它可以有效降低淀粉糊化溫度與黏度且透明性高穩(wěn)定性好[2]，在高濃度下是一種優(yōu)良的低黏度增稠劑[3]。明膠是一種復雜的蛋白質共混物，廣泛應用于膠凝劑、穩(wěn)定劑、乳化劑、增稠劑中[4-5]。蛋白-多糖復合物的制備及其性能的研究早在20世紀80年代就開始興起，研究發(fā)現兩者共價交聯復合物比其前體物質具有更加優(yōu)越的性能(乳化性、起泡性、熱穩(wěn)定性等)[6]，蛋白質與多糖在干熱條件下就能發(fā)生共價交聯反應，而交聯的程度取決于反應的溫度、時間和pH值等。Zhang等[7]在高溫(90～140 ℃)、短時(2 h)條件下制備的大豆分離蛋白和麥芽糊精共價復合物具有良好的乳化性能，相較于傳統(tǒng)的低溫(小于50 ℃)、長時間(大于24 h)制備更為簡單省時。Zhu等[8]采用干熱法制備基于乳清蛋白和葡聚糖的蛋白-多糖復合物，發(fā)現在弱酸性條件下制備的復合物展現出更為優(yōu)越的乳化性。

研究選取氧化淀粉和明膠作為實驗材料，在前人研究基礎上采用Box-Behnken設計進行多因素多水平分析，綜合分析反應時間、溫度以及pH值對復合物乳化穩(wěn)定性的影響，最終通過數學分析優(yōu)化制備方案，并驗證方案的正確性，為后續(xù)進一步開發(fā)利用氧化淀粉- 明膠復合物乳化劑提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

明膠(bloom值250 g)，越南Vinhwellness公司；氧化淀粉(P450)，嘉吉亞太食品系統(tǒng)(北京)有限公司；溴化鉀(分析純)，天津市巴斯夫化工有限公司；大豆植物油(食品級)，山東魯花集團有限公司。

1.2 儀器與設備

CP224C型電子天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司；RH-KT/C型磁力攪拌器，艾卡(廣州)儀器設備公司；B-260型恒溫水浴鍋，上海亞榮生化儀器廠；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；T6型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限公司；5810R型臺式低溫離心機，德國Eppendorf公司。

1.3 實驗方法

1.3.1氧化淀粉-明膠共價復合物的制備

參照文獻[9-10]，將氧化淀粉與明膠以質量比1∶1混合均勻，用蒸餾水溶解調至0.06 g/mL，再用0.1 mol/L的HCl溶液調節(jié)pH值，然后進行冷凍干燥。干燥后的樣品研磨后放置于干燥器內，在干燥器底部放置飽和的KBr溶液，保持相對濕度79%，密封干燥器放入烘箱中進行干熱處理。

1.3.2Box-Behnken響應面試驗設計

參照文獻[11]，根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理，選取pH值(A)、反應溫度(B)、反應時間(C)為考察對象，以乳化穩(wěn)定性為響應值，采用三因素三水平響應面分析法確定最佳工藝條件。響應面試驗因素水平見表1。

表1 響應面分析因素水平

1.3.3乳化穩(wěn)定性測定

以復合物乳化穩(wěn)定性(emulsion stability, ES)為指標，評定其乳化性能[12]：將0.2 g氧化淀粉- 明膠共價復合物加入到4 mL蒸餾水中，磁力攪拌至充分溶解后，加入4 mL大豆油，剪切均質(16 000 r/min, 5 min)獲得均一乳液。將乳液室溫放置10 min后，置于60 ℃水浴鍋加熱30 min，最后放入離心機中進行離心處理(3 000 r/min，15 min)。乳化穩(wěn)定性計算見式(1)。

(1)

式(1)中：V0為離心管中全部溶液體積,mL；V1為離心后乳液體積,mL。

1.3.4紫外可見光譜驗證

以磷酸鹽緩沖溶液(pH值7.0，濃度0.01 mol/L)作為空白對照校正吸光度，在該濃度磷酸緩沖液條件下制備蛋白質質量濃度為1 mg/mL的樣品溶液，并在紫外分光光度計中測定樣品在200～400 nm紫外吸收光譜[13]。

1.4 數據處理

采用SPSS 19和Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面試驗設計和數據分析。

2 結果與分析

2.1 響應面試驗結果

采用三因素三水平的響應面試驗進行條件優(yōu)化，以乳化穩(wěn)定性為響應值設計共17個實驗點，結果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計與結果

通過Design-Expert 8.0.6軟件處理，得到pH值、反應溫度及反應時間對共價復合物乳化穩(wěn)定性的二次多項式回歸方程，見式(2)：

Y=+60.40-0.21A+1.07B-0.44C+0.28AB+
0.66AC+0.46B-1.92A2-0.58B2-1.10C2。

(2)

利用Design-Expert 8.0.6軟件對響應面試驗結果進行多元回歸擬合[14]和統(tǒng)計分析，得到二次模型回歸統(tǒng)計分析表(表3)。從表3中可以看出，模型項P值為0.001 2，小于0.01，說明該模型極具顯著性，同時該模型的決定系數R2=0.946 3,說明該模型的可靠度高。另外失擬項P值為0.050 4,大于0.05,對模型是有利的,無失擬因素存在[15]。對自變量的顯著性結果檢驗表明，一次項B,二次項A2、C2是極顯著的模型因素，AC是顯著的模型因素，說明試驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系，二次項對響應值也有很大的影響[16]。另外F值表示各因素對響應值的影響程度，從表3中可看出各單因素對乳化穩(wěn)定性的影響由大到小依次為反應溫度、反應時間、pH值。

圖1 pH值和反應溫度交互作用對乳化穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effects of interaction between pH and temperature on emulsion stability

參數離差平方和自由度均方F值P值顯著性Model37.9494.2213.710.0012極顯著A0.3710.371.200.3090B9.1619.1629.800.0009極顯著C 1.5311.534.980.0608AB0.3210.321.060.3381AC1.7711.775.750.0475顯著BC0.8610.862.810.1374A215.44115.4450.230.0002極顯著B21.3911.394.530.0709C25.1415.1416.720.0046極顯著殘差2.1570.31失擬項1.7930.606.560.0504不顯著純誤差0.3640.091總離差40.0916

F值為F檢驗統(tǒng)計量。P值為顯著性檢驗結果可信程度的遞減指標，當P<0.05表示模型或所考察因素影響顯著，P<0.01表示影響極顯著，P>0.1表示影響不顯著。

通過繪制響應面曲線對各個因素的交互影響作用進行更為直觀的可視化分析。在響應面圖中，響應面越陡峭表明該實驗因素對結果的改變越敏感。而在等高線圖中，等高線頂點和附近區(qū)域為響應面最佳水平范圍，等高線圍成的橢圓越橢表示實驗因素之間的作用越明顯；反之曲線坡度越緩或等高線越近圓形，說明交互作用不明顯[17]。

隨著反應溫度的升高，復合物的乳化穩(wěn)定性逐步升高，這可能和氧化淀粉與明膠的共價交聯程度有關，見圖1。在一定范圍內反應溫度越高，反應越迅速；其他條件不變的情況下氧化淀粉與明膠的交聯程度越大，復合物的占比越多，乳化性能越高[18]。而隨著pH值的升高，復合物的乳化性能先升高后降低，可能的原因是低pH值時，蛋白質在等電點附近發(fā)生沉淀，導致明膠與氧化淀粉交聯不充分；而在較高pH值，蛋白質的電離能力弱，與陰離子多糖的靜電吸引力弱，也導致了共價交聯的不充分。從圖1可以看出復合物的乳化穩(wěn)定性對溫度的改變更為敏感。

pH值和反應時間的等高線形狀較扁，實驗因素之間的交互作用明顯，乳化穩(wěn)定性隨反應時間延長持續(xù)升高至最佳水平，之后不斷減小(見圖2)。

圖2 pH值和反應時間交互作用對乳化穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effects of interaction between pH and reaction time on emulsion stability

圖3 反應溫度和反應時間交互作用對乳化穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effects of interaction between temperature and reaction time on emulsion stability

反應時間和反應溫度的響應面和等高線見圖3。由圖3可以看出反應時間保持在3 h不變時，乳化穩(wěn)定性隨反應溫度的增加而增大，直至最佳水平。等高線形狀呈橢圓形，說明反應時間與反應溫度交互作用明顯。

2.2 實驗條件優(yōu)化與驗證結果

經Design-Expert 8.0.6軟件分析，得到優(yōu)化實驗條件為pH值5.01、反應溫度104.67 ℃、反應時間3.00 h，在此條件下，復合物乳化穩(wěn)定性的理論值為60.90%。

考慮到實際可操作性，將優(yōu)化實驗條件定為pH值5.00、反應溫度104.70 ℃、反應時間3.00 h，用此方案進行驗證，得到復合物乳化穩(wěn)定性均值為60.90%，與理論值相當。再通過SPSS 19對單個樣本進行檢驗，結果顯示在置信因數為95%的情況下存在顯著性差異，表明該數學模型對優(yōu)化氧化淀粉- 明膠復合物的乳化穩(wěn)定性是有效的。

2.3 紫外可見光譜驗證結果

復合物紫光譜2個最大吸收峰分別在230 nm和280 nm處，而混合物僅在230 nm左右有一個吸收峰(見圖4)。230 nm處特征峰主要表征肽鍵變化，而280 nm處主要是生色團結構形成的吸收[19]。另外復合物在230 nm和280 nm處的最大吸收峰也表明席夫堿的形成[20]，可以證明氧化淀粉- 明膠復合物是美拉德反應產物。

圖4 氧化淀粉- 明膠復合物與混合物紫外光譜Fig.4 Ultraviolet spectrum of oxidized starch-gelatin compound and mixtures

3 結 論

1)本研究的實驗模型擬合度好，能夠正確反映pH值、反應溫度以及反應時間對復合物乳化穩(wěn)定性的影響。其中反應溫度是影響復合物乳化穩(wěn)定性的極顯著因素，在一定范圍內升高反應溫度能夠加快蛋白質與多糖的共價交聯，使共價復合產物的比例增加，從而提升整體的乳化穩(wěn)定性。另外pH值和反應時間也是影響交聯程度的重要因素。

2)根據實際情況和實驗操作的可行性，制備氧化淀粉- 明膠復合物的優(yōu)化條件為pH值5.00、反應溫度104.70 ℃、反應時間3.00 h，在此條件下制備的復合物乳化穩(wěn)定性為60.90%，符合理論值。但將氧化淀粉- 明膠復合物作為乳化劑添加到食品中的可行性仍需要進一步考核和研究。