蘇 丹,楊 楊,范 婧,邊 鑫,王 冰,劉琳琳,張鐵男,馬春敏,張 娜
(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150028)
大米是許多國家的主食,占世界糧食能源供應(yīng)的20%[1],碎米是指在快速干燥、過度干燥等過程產(chǎn)生裂紋,從而導(dǎo)致研磨過程中破碎了的米粒,其長度尺寸小于全谷物的?[2]。與精米或二等精米相比,碎米的價(jià)格更為低廉[3]。碎米中約含有8%~10%的蛋白質(zhì),米蛋白營養(yǎng)價(jià)值豐富,其賴氨酸含量為3%~4%,是谷物蛋白質(zhì)中含量最高的蛋白質(zhì)之一[2]。大米也因低致敏性的特點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注。碎米蛋白在食品加工(如米豆腐)中最重要的功能特性之一是其加熱時(shí)的凝膠特性,這顯著影響產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)和感官特性。然而,天然碎米蛋白的膠凝性能非常差,并且通常易受加工條件的影響。因此,為了提高碎米蛋白在食品加工中的應(yīng)用,有必要改善其凝膠特性。據(jù)報(bào)道,與其他成分(如脂肪、淀粉、多糖、水膠體和其他非蛋白質(zhì)添加劑)的相互作用是提高蛋白質(zhì)凝膠特性的有效方法[4]。海藻酸鈉(SA)是一種由α-L-葡萄糖醛酸和β-D-甘露糖醛酸通過隨機(jī)排列連接而成的高分子多糖[5],常被用于制備食品凝膠,而廣泛應(yīng)用于食品和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[6]。Ca2+與SA 的α-L-古洛糖醛酸鈉(G 塊)交聯(lián)形成“蛋盒”結(jié)構(gòu),從而形成凝膠網(wǎng)絡(luò)[7?8]。Sun 等[9]也提出通過離子交聯(lián)海藻酸鈉可形成力學(xué)性能較高的水凝膠。
水凝膠是一類具有三維親水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料,由親水性的交聯(lián)聚合物鏈制成[10]。有研究提出,具有較高力學(xué)性能的食品級(jí)硬水凝膠更適于應(yīng)對(duì)人造肉制品、可食用包裝膜的挑戰(zhàn),并具有延長胃駐留藥物的潛力[11?12]。因此,為拓展水凝膠在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用,關(guān)于增強(qiáng)水凝膠力學(xué)性能的方法研究具有較大意義。近年來,互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)水凝膠作為增強(qiáng)生物聚合物凝膠的力學(xué)性能的新手段引起了研究者的廣泛關(guān)注。IPN 是由兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成的聚合物,這些網(wǎng)絡(luò)在分子尺度上至少部分交錯(cuò),但彼此之間不共價(jià)鍵合[13?14]。可食用的IPN 水凝膠通常使用天然多糖和/或蛋白質(zhì)制備。Wen 等[15]采用酶和離子交聯(lián)的方法制備了明膠-海藻酸鹽互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)結(jié)構(gòu)的新型生物聚合物水凝膠,利用流變和力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)IPN 水凝膠的力學(xué)性能有顯著提高。Wang 等[16]通過熱處理和漆酶誘導(dǎo)制備了米谷蛋白-甜菜果膠形成復(fù)合凝膠,發(fā)現(xiàn)IPN 水凝膠比單純的米谷蛋白具有更高的的流變性、結(jié)構(gòu)性能和保水能力。因此,與單一材料水凝膠相比,復(fù)合材料制備的IPN 水凝膠表現(xiàn)出更高的凝膠強(qiáng)度和物理穩(wěn)定性[14]。
因此,在本研究中,Ca2+離子交聯(lián)SA 網(wǎng)絡(luò)被用作IPN 水凝膠中的剛性網(wǎng)絡(luò),將碎米蛋白進(jìn)行熱處理,蛋白熱聚集形成柔性網(wǎng)絡(luò),以增強(qiáng)力學(xué)性能。通過熱處理和離子交聯(lián)法制備具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高機(jī)械強(qiáng)度RP-SA IPN 水凝膠,考察了RP 濃度對(duì)水凝膠質(zhì)構(gòu)性能、流變性能、溶脹性能等特性的影響。以期為后續(xù)更多的高力學(xué)性能食品級(jí)水凝膠制備及應(yīng)用開發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。
碎米 黑龍江省五常金禾米業(yè)有限公司;海藻酸鈉、氯化鈣 食品級(jí),河南糖柜食品有限公司(中國河南);其他試劑均為分析純。
JA2003N 電子分析天平 上海佑科儀器儀表有限公司;HH-4D 數(shù)顯恒溫水浴鍋 上海力辰邦西儀器科技有限公司;SHA-GS 雙功能水浴恒溫振蕩器杭州旌斐儀器科技有限公司;H-PTD20 流變儀 奧地利安東帕有限公司;NMI20 核磁共振成像儀 上海紐曼電子科技有限公司;SCIENTZ-12N 冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;IsensoTA new pluse 質(zhì)構(gòu)儀 上海瑞芬國際貿(mào)易有限公司;JXFM110錘式旋風(fēng)磨 上海嘉定糧油儀器有限公司;CM-700D 色差儀 日本柯尼卡美能達(dá)。
1.2.1 碎米蛋白的提取 參考趙卿宇等[17]的方法,并稍作修改。將碎米進(jìn)行打磨粉碎,過80 目篩,得到碎米粉。將所得碎米粉以1:4(g/mL)的料液比加入正己烷,室溫下以170 r/min 振蕩4 h,靜置1 h,除去上清液,風(fēng)干后得到脫脂米粉。
取一定量的脫脂米粉,以1:10(g/mL)的料液比添加蒸餾水,攪拌2 h,于4000 r/min 下離心15 min,收集沉淀,重復(fù)上述操作1 次。將收集的上清液用2 mol/L HCl 調(diào)至pH4.6,靜置沉淀1 h 后,于4000 r/min下離心15 min,蒸餾水清洗沉淀3 遍,調(diào)至pH7.0,將所得碎米蛋白沉淀冷凍干燥,備用。
1.2.2 米蛋白-海藻酸鈉IPN 水凝膠的制備 參考Niu 等[8]的方法制備水凝膠,并稍作修改。將一定量的碎米蛋白粉溶于去離子水中,pH 調(diào)節(jié)至9.0,攪拌過夜,以確保蛋白質(zhì)完全溶解,從而獲得80、100、120、140、160 mg/mL 的米蛋白儲(chǔ)備溶液。取10 mL 相應(yīng)的米蛋白溶液于50 mL 燒杯中,隨后加入一定量的海藻酸鈉粉末,于50 ℃下攪拌溶解,使得最終獲得的混合溶液中海藻酸鈉最終濃度為15 mg/mL。將混合溶液于90 ℃加熱30 min,將等體積10 mL的氯化鈣溶液(1%(w/v))加入到熱處理后的溶膠中,170 r/min 室溫振蕩4 h,用去離子水洗去未交聯(lián)的鈣離子,制備的水凝膠在4 ℃的冰箱中保存24 h,以便進(jìn)一步測(cè)定。
1.2.3 色差的測(cè)定 水凝膠的色差參考Niu 等[18]的方法進(jìn)行測(cè)定。使用色差儀對(duì)制備的水凝膠進(jìn)行拍照測(cè)定,記錄L*(亮度)、a*(紅色)和b*(黃色),根據(jù)以下公式計(jì)算水凝膠的白度。
1.2.4 凝膠硬度的測(cè)定 水凝膠的凝膠硬度參考Wu 等[19]的方法測(cè)定。使用P0.5 探頭,壓縮比為50%,測(cè)前、測(cè)試及測(cè)后速率均為1.0 mm/s,觸發(fā)力5.0 g,兩次測(cè)定時(shí)間間隔為3 s,每個(gè)處理組重復(fù)3 次。
1.2.5 流變特性的測(cè)定 水凝膠的動(dòng)態(tài)流變特性測(cè)定參考Zhong 等[20]的方法。使用型號(hào)為PP50 的平板進(jìn)行測(cè)量,將水凝膠放置在流變儀板之間,首先進(jìn)行應(yīng)變相關(guān)測(cè)量以獲得RP-SA IPN 水凝膠的線性粘彈性區(qū)域。應(yīng)變相關(guān)測(cè)量后,進(jìn)行頻率相關(guān)測(cè)量。然后在小的恒定應(yīng)變(1.0%)下測(cè)量動(dòng)態(tài)流變特性,該應(yīng)變?cè)谒袠悠返木€性區(qū)域內(nèi),在25 ℃下進(jìn)行了從0.1~10 Hz 的動(dòng)態(tài)頻率掃描,將儲(chǔ)能模量(G')和損耗模量(G'')記錄為頻率的函數(shù)。
1.2.6 溶脹性的測(cè)定 參照任艷艷[21]的方法對(duì)凍干后的水凝膠樣品溶脹性進(jìn)行測(cè)定。溶脹試驗(yàn)在25 ℃下進(jìn)行,將每個(gè)已知重量的凍干樣品浸在去離子水中,直到達(dá)到絕對(duì)水合作用。每次取樣時(shí),取出凝膠樣品,吸附表面液后記錄。溶脹率(swelling ratio,SR)的計(jì)算公式如下:
式中:m2水凝膠冷凍干燥切塊后的重量,g;m1水凝膠浸泡后并吸干表面多余液體后的重量,g。
1.2.7 低場核磁(LF-NMR)的測(cè)定 水凝膠水分分布的測(cè)定參考余永名等[22]的方法。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖序列進(jìn)行自旋-自旋弛豫時(shí)間(T2)的測(cè)定,將制備好的水凝膠裝入核磁測(cè)試管中,置于永久磁場射頻線圈的中心進(jìn)行核磁分析。并進(jìn)行磁共振成像,偽彩圖分析,樣品的顏色從藍(lán)色到黃色再到紅色代表水分含量的逐步遞增。
每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次,使用Origin 2018 軟件進(jìn)行分析和繪圖。采用SPSS 20 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,以P<0.05 為顯著性差異,結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(D)表示。
研究碎米蛋白的濃度分別為80、100、120、140、160 mg/mL 的條件下,RP-SA IPN 水凝膠的宏觀形成。由圖1 可以看出,在碎米蛋白濃度為80 mg/mL時(shí)RP-SA IPN 水凝膠表面不均勻,但隨著碎米的蛋白濃度的增加,凝膠表面變得平滑,160 mg/mL 濃度下的RP-SA IPN 水凝膠質(zhì)地更為堅(jiān)硬且具有彈性。這是由于隨著米蛋白濃度的增加,參與反應(yīng)的物質(zhì)會(huì)越來越多,因此形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也會(huì)增加,凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得致密,這些說明了水凝膠的外觀形態(tài)的差異。
圖1 不同碎米蛋白濃度下的RP-SA IPN 水凝膠的凝膠形態(tài)Fig.1 Gel morphology of RP-SA IPN hydrogels at different broken rice protein concentrations
顏色是決定產(chǎn)品應(yīng)用和消費(fèi)者可接受性的重要因素,也是解釋凝膠形態(tài)的重要參數(shù),因此,考察了RP-SA IPN 水凝膠樣品的L*、a*、b*和白度值。其中,L*一般指明度指數(shù),a*和b*決定樣品顏色的色調(diào)和飽和度,白度值與光在水凝膠中的散色有關(guān),RPSA IPN 水凝膠的白度值主要取決于凝膠網(wǎng)絡(luò)中蛋白和/或聚合程度以及其表面的光學(xué)特性[22]。
RP-SA IPN 水凝膠的白度呈現(xiàn)在圖2B 中,米谷蛋白濃度為160 mg/mL 時(shí)的RP-SA IPN 水凝白度最高為76.45,米谷蛋白的加入對(duì)RP-SA IPN 水凝膠的外觀形態(tài)雖然有一定的影響,但影響較弱,隨著RP 濃度的逐漸增高,白度變化幅度較小,但蛋白濃度為160 mg/mL 時(shí)的水凝膠白度值較80 mg/mL 濃度下的水凝膠白度值有較顯著的提高(P<0.05)。一方面,這可能是高濃度的碎米蛋白溶液在堿性環(huán)境與加熱條件下呈現(xiàn)乳白色導(dǎo)致的。另一方面,水凝膠白度變化主要與水凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)和鍵的形成有關(guān),在協(xié)同作用條件下水凝膠形成致密結(jié)構(gòu)[23]。在聚合物鏈之間形成大量的接合區(qū),這可能會(huì)產(chǎn)生散射光的晶體區(qū)域[24]。但當(dāng)凝膠網(wǎng)絡(luò)形成較少的交聯(lián)和較少的填充系統(tǒng)時(shí),光散射能力降低[23]。因此,高濃度碎米蛋白的RP-SA IPN 水凝膠的凝膠網(wǎng)絡(luò)更加致密,能反射更多的光從而使得白度增加,這也與Kang 等[25]的研究結(jié)果相似。
圖2 不同碎米蛋白濃度對(duì)RP-SA IPN 水凝膠色差的影響Fig.2 Effect of different broken rice protein concentrations on chromat difference of RP-SA IPN hydrogels
水凝膠的凝膠硬度是用來衡量水凝膠力學(xué)性能的常用手段,它表示完成形變所需要的力的大小。由圖3 可以看出,米蛋白濃度可顯著影響RP-SA IPN 水凝膠的凝膠硬度(P<0.05)。Ca2+離子交聯(lián)SA 形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)被用作IPN 水凝膠中的剛性網(wǎng)絡(luò),碎米蛋白在熱處理后,蛋白發(fā)生熱聚集而形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)作為柔性網(wǎng)絡(luò),從而增強(qiáng)了水凝膠的凝膠強(qiáng)度,因此,在80 mg/mL 的碎米蛋白濃度下就有較大的凝膠硬度(958.48 gf)。隨著碎米蛋白的濃度的增大,水凝膠的硬度也逐漸增加,并在140 mg/mL 的碎米蛋白濃度后,水凝膠的硬度增加趨勢(shì)變得較為平緩。這可能是由于含高濃度蛋白的混合溶液中分子間碰撞交聯(lián)的幾率逐漸增加,發(fā)生了更多的互連,形成了更多的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)和更精細(xì)的結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性更強(qiáng),凝膠硬度更大[26]。另一個(gè)可能的原因是隨著碎米蛋白的增加,碎米蛋白和海藻酸鈉之間的靜電相互作用增加,導(dǎo)致耦合網(wǎng)絡(luò)的密度增加,從而使RG-IPN 水凝膠凝膠硬度增大,力學(xué)性能增強(qiáng)[27]。
圖3 不同碎米蛋白濃度對(duì)RP-SA IPN 水凝膠凝膠硬度的影響Fig.3 Effect of different broken rice protein concentrations on gel hardness of RP-SA IPN hydrogels
在現(xiàn)有水凝膠的研究中,動(dòng)態(tài)流變學(xué)數(shù)據(jù)可以作為評(píng)估凝膠化以及凝膠形成的能力之一,反映了復(fù)合水凝膠的相關(guān)理化性質(zhì)[28],因此,通過對(duì)RP-SA IPN 水凝膠流變學(xué)行為的研究分析,確定其有著廣泛的應(yīng)用前景。系統(tǒng)中大分子的結(jié)構(gòu)形成可以通過動(dòng)態(tài)測(cè)量確定粘彈性來解釋,其中彈性由儲(chǔ)能模量G'表示,而粘性由損耗模量G"解釋[29]。在圖4 所示的G',G"與頻率的關(guān)系中,隨著頻率的增加,大多數(shù)水凝膠的模量值增加。在整個(gè)頻率范圍內(nèi),所有水凝膠的G'值都是G"值的3~5 倍,表明所有水凝膠都具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和良好的粘彈性,RP-SA IPN 水凝膠的儲(chǔ)存模量(G')和損耗模量(G")與頻率的關(guān)系也表明了水凝膠具有固體狀特征[30]。水凝膠中連接區(qū)的結(jié)構(gòu)和數(shù)量是水凝膠力學(xué)性能的決定因素,RP-SA IPN 水凝膠的連接區(qū)由米蛋白凝膠鏈和海藻酸鈉凝膠鏈形成,隨著碎米蛋白濃度的增加,水凝膠結(jié)構(gòu)中米蛋白凝膠鏈的增多,儲(chǔ)能模量G′的平衡值從3488.8 增加到5511.2 Pa,水凝膠的力學(xué)性能不斷提高。這也意味著可以通過改變米蛋白的濃度來調(diào)節(jié)水凝膠的流變特性,以獲得更多基于米蛋白的水凝膠。
圖4 不同碎米蛋白濃度對(duì)RP-SA IPN 水凝膠的儲(chǔ)存模量G'(A)和損失模量G"(B)的影響Fig.4 Effect of different broken rice protein concentrations on the storage modulus G' (A) and loss modulus G" (B) of the RPSA IPN hydrogels
水凝膠的溶脹特性對(duì)于水凝膠的應(yīng)用有著重要的意義[31],溶脹率可以揭示凝膠體系中聚合物-聚合物和聚合物-溶劑的相互作用,反映IPN 水凝膠的力學(xué)性能。水凝膠的溶脹能力與凝膠網(wǎng)絡(luò)中的交聯(lián)程度和水凝膠的力學(xué)性能成反比。圖5 描述了不同碎米蛋白濃度對(duì)RP-SA IPN 水凝膠溶脹率的影響。從圖中可以看出,大部分RP-SA IPN 水凝膠在180 min后,溶脹率基本保持不變,水凝膠達(dá)到溶脹平衡;前60 min 內(nèi)水凝膠的吸水速率很快,并且隨著RP-SA IPN 水凝膠體系中碎米蛋白濃度的增加,溶脹率從約11.51 下降到約3.64,下降了約3 倍多。與低濃度碎米蛋白的RP-SA IPN 水凝膠相比,高蛋白濃度的IPN 水凝膠的溶脹率一般較低,這是由于凝膠體系中蛋白濃度的增加,疏水基團(tuán)與親水基團(tuán)的比例較高,熱處理蛋白發(fā)生熱聚集后,在凝膠體系中構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)越多,水凝膠的結(jié)構(gòu)越緊湊,水分子穿透的自由體積越小,膨脹速率越低[32],這也是力學(xué)性能增加的原因。
圖5 不同碎米蛋白濃度對(duì)RP-SA IPN 水凝膠的溶脹性的影響Fig.5 Effects of different broken rice protein concentrations on swelling properties of RP-SA IPN hydrogels
低場核磁LF-NMR 主要通過橫向弛豫時(shí)間來反映水凝膠中不同狀態(tài)水分的遷移規(guī)律。橫向馳豫時(shí)間分布圖中橫坐標(biāo)為橫向馳豫時(shí)間,可以表征水凝膠中水的流動(dòng)性,縱坐標(biāo)是信號(hào)強(qiáng)度(質(zhì)子密度),表示對(duì)應(yīng)馳豫時(shí)間下的水分含量。橫向弛豫時(shí)間中1~10 ms 為T2b,代表了凝膠中的強(qiáng)結(jié)合水;10~100 ms為T21,代表了凝膠中的弱結(jié)合水;100~1000 ms 為T22,代表了凝膠中的不易流動(dòng)水;1000~10000 ms為T23,代表了凝膠中的自由水[32]。由圖6 可見,在1~10000 ms 的弛豫時(shí)間內(nèi)不同碎米蛋白濃度的水凝膠中水分分布的變化有3 個(gè)峰,分別代表強(qiáng)結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水,可以看出提高RP-SA IPN 水凝膠中碎米蛋白濃度后,水凝膠的馳豫時(shí)間變短,說明凝膠體系中的結(jié)合水碎米蛋白或海藻酸鈉基團(tuán)結(jié)合緊密,水分受到的束縛程度增強(qiáng),凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更緊密[33]。一般而言,凝膠的馳豫時(shí)間與水分子受到的束縛程度成反比,水的自由度越高,則測(cè)定時(shí)馳豫時(shí)間越長。而弛豫時(shí)間T2越短,水與底物結(jié)合越緊密,保水性越好;弛豫時(shí)間T2越長,水與底物的結(jié)合越松散,水分子越自由,保水性也越差[34?35]。
圖6 不同濃度碎米蛋白對(duì)RP-SA IPN 水凝膠低場核磁共振弛豫時(shí)間(T2)分布的影響Fig.6 Effect of different concentrations of broken rice protein on the distribution of low-field NMR relaxation times (T2) of the RP-SA IPN hydrogels
由圖7 可以看出碎米蛋白的濃度為80 mg/mL時(shí),形成的凝膠其水分分布不均勻,局部顏色很亮(偽彩圖中越紅),在米蛋白濃度較低時(shí),熱處理形成的蛋白凝膠,凝膠網(wǎng)絡(luò)較松散,在體系內(nèi)無法相互纏繞,僅起到填充作用,從而導(dǎo)致形成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較松散,致使水的流動(dòng)性更強(qiáng),水分分布不均勻。而隨著IPN 水凝膠中碎米蛋白濃度增加,偽彩圖中紅色區(qū)域逐漸減少,說明水分分布較為均勻,水的流動(dòng)性降低,凝膠網(wǎng)絡(luò)較為致密[25]。
圖7 不同濃度碎米蛋白的RP-SA IPN 水凝膠水分分布的偽彩圖Fig.7 Pseud-plot of water distribution of RP-SA IPN hydrogels at different concentrations of broken rice protein
通過對(duì)RP-SA IPN 水凝膠的制備及性能研究,碎米蛋白濃度的改變對(duì)于水凝膠外在色度的影響較小,這對(duì)于它在食品中的應(yīng)用而言,少了形態(tài)色度的限制。碎米蛋白濃度的增加可以改善水凝膠的外觀形態(tài),使制備的水凝膠外表更加平滑,并且顯著提高了RP-SA IPN 水凝膠的儲(chǔ)能模量和損耗模量,改善了水凝膠的質(zhì)構(gòu)性能,促進(jìn)自由水向不易流動(dòng)水的轉(zhuǎn)變。在米蛋白濃度為140 mg/mL 時(shí),彈性模量和凝膠強(qiáng)度的增長趨勢(shì)較為平緩,米蛋白濃度為160 mg/mL時(shí),流變性能和質(zhì)構(gòu)性能最佳。此外,在較低蛋白濃度下的RP-SA IPN 水凝膠具有較高的溶脹率,但其保水性也較差,隨著蛋白濃度的提高,水凝膠的溶脹率降低,保水性提高,水分分布也較為均勻。綜上所述,改變碎米蛋白濃度對(duì)IPN 水凝膠特性有著積極作用,而由于RP-SA IPN 水凝膠具有優(yōu)良的力學(xué)性能和溶脹性能,所形成的水凝膠對(duì)食品工業(yè)具有非常重要的意義,它可以為碎米蛋白凝膠在具有更高要求的新型食品應(yīng)用中提供一定的理論基礎(chǔ)。