程云輝 趙紅清 張麗琍 杜葳萱 焦 葉

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)與食品工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 安徽燕之坊食品有限公司，安徽 合肥 230000；3. 四川得意綠色食品集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000)

大米蛋白質(zhì)氨基酸組成配比合理，可與牛乳、雞蛋、牛肉相媲美，并且大米蛋白質(zhì)屬于低抗原性蛋白質(zhì)，很適合作為生產(chǎn)嬰幼兒食品的原料、化妝品和藥物佐劑[1-3]。但是，大米蛋白質(zhì)在中性條件下溶解度僅為3%～8%，而溶解度是蛋白質(zhì)在工業(yè)應(yīng)用中最為重要的性質(zhì)之一，其不僅是功能性質(zhì)的基本指標(biāo)，而且還會(huì)影響其他功能性質(zhì)[4]，因此大米蛋白質(zhì)在食品領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用大為受限。目前，這一優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)資源大多被當(dāng)作飼料廉價(jià)處理，并未得到充分開發(fā)利用。因此，改善大米蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)對(duì)于拓展其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是十分必要的[3, 5]。

食品蛋白質(zhì)的改性方法主要包括物理法、化學(xué)法和酶法[6]?；瘜W(xué)法雖然效果顯著，但對(duì)蛋白質(zhì)原有營(yíng)養(yǎng)功效的破壞、有害毒理效應(yīng)的產(chǎn)生和化學(xué)試劑毒性及殘留等問(wèn)題在一定程度上限制了其應(yīng)用。酶催化水解改性雖然反應(yīng)條件溫和、有害副產(chǎn)物少，但是低水解度改性效果不理想、高水解度改性產(chǎn)生苦味肽也使得蛋白質(zhì)產(chǎn)品的食用價(jià)值下降。物理法改性因無(wú)毒副作用、對(duì)蛋白質(zhì)自身營(yíng)養(yǎng)性能影響較小、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞，但物理法對(duì)大米蛋白質(zhì)改性效果還有待進(jìn)一步研究[7]。

研究擬采用3種物理方法，即熱處理、高壓微射流處理以及冷凍與研磨組合處理對(duì)大米蛋白質(zhì)進(jìn)行改性，并通過(guò)溶解性、乳化性和起泡性的變化來(lái)考察物理改性對(duì)大米蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

大米：金健米業(yè)股份有限公司；

大豆油：中糧集團(tuán)有限公司；

2,4,6-三硝基苯磺酸(2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS)：美國(guó)Sigma公司；

十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate，SDS)：美國(guó)Fluka公司；

其他化學(xué)試劑：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

高剪切乳化均質(zhì)器：LR型，無(wú)錫市群光化工設(shè)備有限公司；

微射流均質(zhì)機(jī)：M-110EH-30型，加拿大Microfluidizer公司；

膠體磨：JTM50ABK型，沈陽(yáng)新光粉碎機(jī)廠；

離心機(jī)：TDL-36C型，上海安亭科學(xué)儀器廠；

冷凍干燥機(jī)：FD-1型，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

pH計(jì)：DELTA 320型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

定時(shí)電動(dòng)攪拌器：JJ-1型，江蘇省金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH型，江蘇省金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9036A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

超低溫冰箱：MDF-382E型，日本三洋電機(jī)生物醫(yī)學(xué)有限公司；

高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：FW100型，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 制備大米蛋白質(zhì) 大米粉碎過(guò)120目篩，將大米粉分散于0.05 mol/L氫氧化鈉溶液中(10 g/100 mL)，室溫下攪拌2 h，3 500 r/min離心30 min，上清液用1 mol/L的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH至4.8，3 500 r/min離心30 min，沉淀用去離子水洗滌3次后冷凍干燥備用。自制的大米蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)含量為88.4%(濕基)。

1.2.2 熱處理大米蛋白質(zhì) 將大米蛋白質(zhì)分散于去離子水中(2 g/100 mL)，分別于80，100，120，140，160，180，200 ℃下在反應(yīng)釜中熱處理2 h，取出立即冷卻至室溫，冷凍干燥備用。

1.2.3 高壓微射流處理大米蛋白質(zhì) 將大米蛋白質(zhì)分散于去離子水中(2 g/100 mL)，用膠體磨均質(zhì)處理，分別于80，100，120，140 MPa的高壓微射流壓力下處理3次，冷凍干燥備用。

1.2.4 冷凍研磨組合處理大米蛋白質(zhì) 將大米蛋白質(zhì)分散于去離子水中(2 g/100 mL)，用2 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH至12.5，放置到超低溫冰箱中，分別于-20，-40，-60 ℃下冷凍24 h，再經(jīng)粉碎處理后，用1 mol/L 的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH至7.5，離心取上清液冷凍干燥備用。

1.2.5 蛋白質(zhì)含量的測(cè)定 采用凱氏定氮法，按GB 50095—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》執(zhí)行，氮換算為蛋白質(zhì)的系數(shù)為5.95。

1.2.6 溶解度測(cè)定 將0.5 g樣品分散于25 mL pH 8.0的磷酸鹽緩沖溶液中，室溫?cái)嚢? h，3 500 r/min離心30 min，按式(1)計(jì)算溶解度。

S=m1/m2×100%，

(1)

式中：

S——溶解度，%；

m1——上清液中蛋白質(zhì)含量，g；

m2——樣品中總蛋白質(zhì)含量，g。

1.2.7 乳化性與乳化穩(wěn)定性測(cè)定 采用濁度法[8]，并略作修改。將樣品分散于pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液中(2 g/100 mL)，按m樣品液∶m大豆油=3∶1加入大豆油，攪拌后將樣品在高速分散器中以10 000 r/min分散30 s，制成均勻的乳濁液。在乳濁液靜置0，10 min后分別取50 μL 加入5 mL SDS溶液中，振蕩混勻后于500 nm處檢測(cè)吸收值A(chǔ)0、A10。乳化性由均質(zhì)后0 min立即測(cè)定的吸光值表示，按式(2)計(jì)算乳化穩(wěn)定性。

(2)

式中：

SE——乳化穩(wěn)定性，min；

A0——均質(zhì)結(jié)束后立即測(cè)定得到的吸光值；

A10——樣品靜置10 min后測(cè)定的吸光值；

Δt——間隔時(shí)間(即10 min)，min。

1.2.8 起泡性與起泡穩(wěn)定性測(cè)定 將樣品分散于pH 7.0的磷酸鹽緩沖溶液中(2 g/100 mL)，攪拌均勻后取50 mL 該樣品于量筒中，室溫下用高速均質(zhì)機(jī)分散40 s(10 000 r/min)，均質(zhì)后于0，30 min后分別記錄泡沫體積V0和V30。起泡性與起泡穩(wěn)定性分別按式(3)和(4)計(jì)算：

AF=V0/50×100%，

(3)

式中：

AF——起泡性，%；

V0——均質(zhì)結(jié)束后立即測(cè)定得到的泡沫體積，mL。

SF=V30/V0×100%，

(4)

式中：

SF——起泡穩(wěn)定性，%；

V0——均質(zhì)結(jié)束后立即測(cè)定得到的泡沫體積，mL；

V30——樣品靜置30 min之后泡沫的體積，mL。

1.2.9 數(shù)據(jù)處理 每次試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS(version 19.0 for Windows)和Origin Pro 2016進(jìn)行分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理對(duì)大米蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的影響

由圖1可知，大米蛋白質(zhì)的溶解度隨熱處理溫度的升高而增加，當(dāng)溫度為200 ℃時(shí)大米蛋白質(zhì)的溶解度達(dá)到最高值17.4%，是原大米蛋白質(zhì)的4.0倍，可能是堿溶性蛋白含量降低所導(dǎo)致的[9]。但熱處理的溫度過(guò)高會(huì)使大米蛋白質(zhì)顏色變黃，略有焦糊味，呂玉翠[10]研究發(fā)現(xiàn)大豆?jié)饪s蛋白乳在高溫?zé)崽幚砗蟪霈F(xiàn)由美拉德反應(yīng)引發(fā)的褐變，與試驗(yàn)熱處理大米蛋白質(zhì)的顏色變化相符。同時(shí)，高溫可能會(huì)產(chǎn)生有害的雜環(huán)類化合物[11]，影響大米蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

圖1 不同溫度的熱處理對(duì)大米蛋白質(zhì)溶解度的影響

由圖2可知，大米蛋白質(zhì)的乳化性隨熱處理溫度的升高逐漸增加，而乳化穩(wěn)定性則隨熱處理溫度的升高而降低。當(dāng)溫度為200 ℃時(shí)，大米蛋白質(zhì)的乳化性最大，是原大米蛋白質(zhì)的3.2倍，可能是熱處理導(dǎo)致大米蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，蛋白質(zhì)肽鏈松散，原不溶聚集體經(jīng)解聚或與其他蛋白亞基/聚集體重新形成可溶性聚集體的結(jié)果[12]，從而導(dǎo)致大米蛋白質(zhì)的乳化性增強(qiáng)。在測(cè)定乳化穩(wěn)定性時(shí)，蛋白質(zhì)溶解度較低，溶液中被乳化的油滴少，靜置后則只有少量油滴析出，從而可能表現(xiàn)出乳化穩(wěn)定性高[13]。

圖2 不同溫度的熱處理對(duì)大米蛋白質(zhì)乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，大米蛋白質(zhì)的起泡性隨熱處理溫度的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)溫度為120 ℃ 時(shí)，大米蛋白質(zhì)的起泡性達(dá)到最高值151.4%，是原大米蛋白質(zhì)的1.9倍。大米蛋白質(zhì)起泡性穩(wěn)定性和起泡性呈相反的變化趨勢(shì)，當(dāng)溫度為120 ℃時(shí)，大米蛋白質(zhì)的起泡穩(wěn)定性達(dá)到最低值39.6%。起泡性與蛋白質(zhì)降低界面張力的能力、分子結(jié)構(gòu)的柔韌性以及兩親性、電荷分布等多種界面性質(zhì)相關(guān)，提高可溶性蛋白比例可能有利于蛋白質(zhì)泡沫的形成，但是蛋白質(zhì)在溶液中的構(gòu)象也會(huì)影響其起泡性[14]。而起泡穩(wěn)定性對(duì)于蛋白質(zhì)的要求與起泡性不盡相同，需要蛋白質(zhì)能夠形成具有一定厚度、黏度和強(qiáng)度的液膜[15]，因此與起泡性表現(xiàn)出了不一樣的變化趨勢(shì)。

圖3 不同溫度的熱處理對(duì)大米蛋白質(zhì)起泡性及起泡穩(wěn)定性的影響

2.2 高壓微射流處理對(duì)大米蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的影響

由圖4可知，高壓微射流處理能夠提高大米蛋白質(zhì)的溶解度，當(dāng)壓力為100 MPa時(shí)，溶解度為9.5%，是原大米蛋白質(zhì)溶解性的2倍，可能是因?yàn)楦邏鹤饔孟?，大米蛋白質(zhì)分子發(fā)生解聚和伸展，一方面增大了蛋白質(zhì)與水的接觸面積，另一方面蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，蛋白質(zhì)分子表面電荷發(fā)生改變，水化作用增強(qiáng)，從而溶解度得以提高[16]。Fan等[17-18]研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高壓微射流處理顯著提高了食用燕窩內(nèi)水不溶蛋白質(zhì)的溶解度，并認(rèn)為這可能是由于動(dòng)態(tài)高壓微射流處理的強(qiáng)烈剪切力、湍流力和空化作用引起的。

圖4 不同壓力的高壓微射流處理對(duì)大米蛋白質(zhì)溶解度的影響

由圖5可知，大米蛋白質(zhì)經(jīng)高壓微射流處理后，乳化性提高。當(dāng)高壓微射流壓力為80 MPa時(shí)，乳化性最大值可達(dá)0.766，是原大米蛋白質(zhì)的3.4倍。大米蛋白質(zhì)的乳化穩(wěn)定性隨高壓微射流壓力的提高逐漸降低，當(dāng)壓力為140 MPa時(shí)，大米蛋白質(zhì)的乳化穩(wěn)定性最小值為10.8 min。邢貝貝等[19]采用高壓微射流處理(35，70，105，140 MPa)對(duì)天然大米谷蛋白進(jìn)行酸法熱處理制備纖維化熱聚集體，乳化活性指數(shù)及乳化穩(wěn)定性指數(shù)呈先上升后下降的趨勢(shì)，在70 MPa時(shí)達(dá)到最大。

圖5 不同壓力的高壓微射流處理對(duì)大米蛋白質(zhì)乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響

由圖6可知，大米蛋白質(zhì)經(jīng)高壓微射流處理后，起泡性提高，但起泡穩(wěn)定性降低，當(dāng)高壓微射流壓力為80 MPa 時(shí)，起泡性最大可達(dá)136%，是原大米蛋白質(zhì)起泡性的1.7倍。Hu等[20]發(fā)現(xiàn)適度的動(dòng)態(tài)高壓微流化處理可以減小馬鈴薯分離蛋白—?dú)ぞ厶菑?fù)合物的粒徑，增加表面電荷，改善馬鈴薯分離蛋白的溶解度及乳化和起泡性能。

圖6 不同壓力的高壓微射流處理對(duì)大米蛋白質(zhì)起泡性及起泡穩(wěn)定性的影響

2.3 冷凍研磨組合處理對(duì)大米蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的影響

由圖7可知，大米蛋白質(zhì)經(jīng)冷凍研磨組合處理后溶解性顯著提高。隨著溫度的降低，大米蛋白質(zhì)的溶解性逐漸增加。當(dāng)冷凍溫度為-60 ℃時(shí)，大米蛋白質(zhì)的溶解度為34.3%，是原大米蛋白質(zhì)溶解性的7.8倍。冷凍過(guò)程中產(chǎn)生的冰晶體可能使蛋白質(zhì)中水溶性亞基增加，從而使大米蛋白質(zhì)的溶解性提高[21]。

圖7 不同溫度冷凍研磨組合處理對(duì)大米蛋白質(zhì)溶解度的影響

不同溫度冷凍研磨組合處理對(duì)大米蛋白質(zhì)乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響如圖8所示。大米蛋白質(zhì)經(jīng)冷凍研磨組合處理后，其乳化性顯著提高，當(dāng)冷凍溫度為-60 ℃時(shí)，大米蛋白質(zhì)的乳化性最高可達(dá)0.959，是原大米蛋白質(zhì)乳化性的4.2倍，而乳化穩(wěn)定性隨冷凍溫度的降低逐漸減小。Wang等[22]的研究也發(fā)現(xiàn)-20 ℃冷凍處理后大米蛋白質(zhì)乳化性顯著提高。

圖8 不同溫度冷凍研磨組合處理對(duì)大米蛋白質(zhì)乳化性及乳化穩(wěn)定的影響

不同溫度冷凍處理對(duì)大米蛋白質(zhì)起泡性及起泡穩(wěn)定性的影響如圖9所示。經(jīng)冷凍研磨組合處理后，大米蛋白質(zhì)的起泡性隨處理溫度的降低逐漸升高，當(dāng)冷凍溫度為-60 ℃時(shí)，大米蛋白質(zhì)的起泡性達(dá)到180%，是原大米蛋白質(zhì)的2.3倍，而大米蛋白質(zhì)的起泡穩(wěn)定性則減小。在冷凍研磨組合處理中，起泡性與蛋白質(zhì)溶解度變化趨勢(shì)一致，與其密切相關(guān)[23-24]。

圖9 不同溫度冷凍研磨組合處理對(duì)大米蛋白質(zhì)乳化性及乳化穩(wěn)定的影響

3 結(jié)論

在對(duì)大米蛋白質(zhì)進(jìn)行熱處理、高壓微射流處理及冷凍研磨組合處理后，其溶解度、乳化性和起泡性均有所改善，但乳化穩(wěn)定性與起泡穩(wěn)定性則有所降低。大米蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能性質(zhì)受諸多因素影響，物理改性手段的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究和探索。同時(shí)，物理法改性雖然具有對(duì)蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值影響較小以及費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的改善，尤其是溶解度，仍不及化學(xué)法和酶法。將物理改性手段與其他方法相結(jié)合，探究適宜工業(yè)生產(chǎn)的改性工藝，是拓展大米蛋白質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域的研究方向。