王一丹，孫燁，羅水忠

（合肥工業(yè)大學食品與生物工程學院，安徽 合肥 230009）

芝麻蛋白的氨基酸種類和含量十分豐富，且含硫氨基酸含量較高，有利于人體消化和吸收。榨油后的芝麻粕是一種優(yōu)良的植物蛋白資源。開展芝麻粕中芝麻蛋白的研究，不僅有利于芝麻粕的加工應用，而且有助于提高添加芝麻蛋白食品的營養(yǎng)價值[1-2]。

蛋白質屬于兩親性生物大分子，可以在油水界面上吸附，并在界面上展開，使系統(tǒng)在熱力學上更加穩(wěn)定，是制作醬料、奶油、甜點、肉制品和飲料等食品的重要乳化劑[3]。Zaghloul 等[4]和Khalid 等[5]研究了芝麻濃縮蛋白、芝麻分離蛋白的理化性質和功能活性，并將其作為營養(yǎng)補充劑用于飲料制作，獲得了良好的乳化穩(wěn)定效果[6]。根據(jù)芝麻蛋白的溶解性差異，可將其分為水溶性白蛋白、鹽溶性球蛋白、溶于醇/水混合物的醇溶蛋白和溶于稀堿的谷蛋白4 類。Rivas 等[7]研究發(fā)現(xiàn)芝麻粕中蛋白質組成分別為白蛋白8.6%、球蛋白67.3%、醇溶蛋白1.4%和谷蛋白6.9%。雖然已有對芝麻蛋白的提取工藝、蛋白亞基組成、理化性質以及加工特性（如保水性、保油性、發(fā)泡性和乳化性）等方面的研究[8-9]，但對芝麻蛋白的深加工應用的研究較少。

本文采用Osborne 法[10]提取脫脂芝麻粕中的白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白等芝麻分離蛋白組分，評價芝麻分離蛋白及其組分的理化性質、加工性能和乳化潛力，并探究油相體積分數(shù)、蛋白質濃度和離子強度對芝麻白蛋白乳液性質的影響，以期對高效利用芝麻粕、提高芝麻蛋白的深加工水平、拓展芝麻分離蛋白的應用領域提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白芝麻籽：市售；大豆分離蛋白（soybean protein isolate，Soy-PI）（蛋白質含量≥95%）：上海源葉生物技術有限公司；山茶油：金龍魚益海嘉里（中國）有限公司；預染低分子量Marker（14.4～97.4 kDa）、尼羅紅（N3013）、尼羅藍（N0766）：上海生工生物工程技術服務有限公司。

1.2 儀器與設備

MA-S1 威旗家用榨油機：中山市麥爾尼電器制造有限公司；UDK-142 全自動凱氏定氮儀：香港嘉盛科技有限公司；FD-1B-50 冷凍干燥機：北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；DYC-MINI4 電泳儀：美國Bio-Rad 公司；T18 高速剪切機：德國IKA 公司；MS-2000 激光粒度分析儀：英國Malvern 公司；FV1000 激光共聚焦顯微鏡、80i 光學顯微鏡：日本Nikon 公司；DHR-3 流變儀：美國TA 公司。

1.3 堿溶酸沉法制備芝麻分離蛋白

白芝麻籽經(jīng)粉碎、正己烷脫脂3 次后得到脫脂芝麻粕。脫脂芝麻粕與去離子水按固液比1∶10（g/mL）混合，調節(jié)混合體系pH 值至10，25 ℃室溫下攪拌2 h，8 000 r/min 離心30 min 后取上清液，將上清液pH 值調至4.5，靜置30 min 后取沉淀，水洗離心（8 000 r/min、30 min）2 次，凍干后獲得芝麻分離蛋白。

1.4 Osborne 法制備芝麻分離蛋白組分

參考文獻中Osborne 法并有所改進[10]。脫脂芝麻粕與去離子水按固液比1∶10（g/mL）混合，調節(jié)混合體系pH 值至10，25 ℃室溫下攪拌浸提2 h，8 000 r/min離心30 min 后取上清液，上清液調節(jié)pH 值至7，8 000 r/min 離心30 min 后分別收集上清液和離心沉淀物1，上清液冷凍干燥后即得白蛋白；離心沉淀物1溶解在10 mL 5%氯化鈉溶液中，8 000 r/min 離心30 min 后分別收集上清液和離心沉淀物2，上清液凍干后即得球蛋白；離心沉淀物2 溶解在10 mL 70%乙醇溶液中，8 000 r/min 離心30 min 后分別收集上清液和離心沉淀物3，上清液凍干后即得醇溶蛋白；離心沉淀物3 溶解在10 mL 0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液，8 000 r/min離心30 min 后取上清液，凍干后即得谷蛋白。

1.5 芝麻分離蛋白及其組分的理化性質與加工性能分析

1.5.1 蛋白質含量、得率及分子量

芝麻分離蛋白含量測定參考GB/T 6432—2018《飼料中粗蛋白的測定凱氏定氮法》。蛋白質得率計算公式如下。

式中：X 為蛋白質得率，%；d 為提取的芝麻各蛋白組分質量，g；p 為提取的芝麻各蛋白組分的蛋白含量，%；D 為脫脂芝麻粉的質量，g；P 為脫脂芝麻粉蛋白的蛋白含量，%。

芝麻分離蛋白組分分子量測定參考Laemmli[11]的方法，采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）法分析。

1.5.2 溶解度

溶解度的測定參考Achouri 等[8]的方法。用去離子水配制濃度為1 mg/mL 的蛋白溶液，pH 值調至3，8 000 r/min 離心30 min 取上清液，通過考馬斯亮藍法測定蛋白質濃度，溶解度表示為離心后上清液中蛋白質含量與離心前樣品中蛋白質含量的百分比。

1.5.3 保水性和保油性測定

參考Khalid 等[5]的方法。0.1 g 蛋白置于離心管中，加入10 mL 去離子水，并在3 000 r/min 條件下離心15 min，去除上清液后稱取離心管質量，以大豆分離蛋白作為對比。

按照上述方法測定保油性，以10 mL 山茶油替代去離子水。按照下列公式計算每克蛋白質樣品的保水性（water holding capacity，WHC）和保油性（oil holding capacity，OHC）。

式中：X 為保水性，g/g；Y 為保油性，g/g；W0為0.1 g蛋白與離心管的總質量，g；W1為離心去除上清液后離心管的質量，g。

1.5.4 發(fā)泡性和發(fā)泡穩(wěn)定性測定

稱取1 g 蛋白置于100 mL（V0）去離子水中，在10 000 r/min 條件下均質2 min 后，立即記錄發(fā)泡后泡沫體積V1；放置30 min 后記錄25 ℃室溫下泡沫體積V2，確定發(fā)泡性（foam capacity，F(xiàn)C）和發(fā)泡穩(wěn)定性（foam stability，F(xiàn)S），計算公式如下。

式中：X 為FC，%；Y 為FS，%；V0為去離子水體積，100 mL；V1為蛋白發(fā)泡后泡沫體積，mL；V2為蛋白發(fā)泡放置30 min 后25 ℃室溫下泡沫體積，mL。

1.5.5 乳化性和乳化穩(wěn)定性測定

根據(jù)Sui 等[12]的方法稍加修改。將山茶油加入0.5%蛋白溶液中，直到油相體積分數(shù)為20%，使用高速剪切機經(jīng)10 000 r/min 乳化均質2 min，獲得新鮮乳液。用0.1%SDS 將乳液樣品稀釋至0.05 mg/mL，使用紫外分光光度計在500 nm 下測定初始的吸光度（A0）和放置30 min 后的吸光度（A30）。

乳化性（emulsifying activity index，EAI）和乳化穩(wěn)定性（emulsifying stability index，ESI）根據(jù)以下公式計算。

式中：X 為EAI，m2/g；Y 為ESI，min；N 為樣品稀釋倍數(shù)；C 為蛋白質濃度，g/mL；φ 為油相體積分數(shù)，%；A0和A30分別為初始狀態(tài)和靜置30 min 的吸光度。

1.6 油相體積分數(shù)、白蛋白濃度和離子強度對乳液性質的影響

1.6.1 芝麻白蛋白乳液制備的單因素試驗

將一定濃度的芝麻白蛋白溶液調節(jié)pH 值為3，加入一定量的山茶油，25 ℃室溫下13 000 r/min 剪切2 min，獲得芝麻白蛋白乳液。研究油相體積分數(shù)（20%、40%、60%、70%）、白蛋白濃度（1.0%、2.0%、4.0%、6.0%）和離子強度（0、0.01、0.05、0.10、0.20 mol/L NaCl）對乳液粒徑分布、流變學特性及微觀結構的影響。

1.6.2 乳液的粒徑分布

參考Setiowati 等[13]的方法并稍加改進。使用激光粒度儀測定乳液的粒徑分布情況（測試時取乳化層），采用體積平均直徑d(4，3)表征乳液的粒徑分布。

1.6.3 流變學特性

參考Lv 等[14]的試驗方法。使用流變儀對乳液樣品進行靜態(tài)流動及動態(tài)振蕩試驗。在靜態(tài)流動試驗中，測定剪切速率為0.1～100 s-1時乳液樣品的表觀黏度。在動態(tài)振蕩測量中，振蕩頻率為0.1～10 Hz，應變值為1%，記錄頻率掃描試驗中樣品的儲能模量（G'）和損耗模量（G''）。

1.6.4 微觀結構分析

用光學顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡觀察新制備乳液的微觀結構[15]。在光學顯微鏡下觀察并采集明場圖片，激光共聚焦顯微鏡在488 nm 和633 nm 激發(fā)波長下觀察并采集熒光圖像。樣品染色方法：每1 mL 乳液中加入50 μL 尼羅藍（1 mg/mL）和50 μL 尼羅紅（1 mg/mL）混合染色，全程避光處理。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

每組試驗均重復3 次，結果表達為平均值±標準差。采用Origin 8.5 軟件繪制圖表，SPSS Statistics 19 軟件處理數(shù)據(jù)，通過ANOVA 進行方差分析，設置顯著性水平P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 芝麻分離蛋白及其組分的理化性質和加工性能表征

芝麻分離蛋白及其組分的理化性質和加工性能表征結果見表1。

表1 芝麻分離蛋白及其組分的理化性質和加工性能表征Table 1 Characterization of sesame protein isolates and its components

表1 結果顯示，采用Osborne 法從脫脂芝麻粕中分級芝麻分離蛋白各組分的得率從高到低依次為球蛋白（22.6%）、谷蛋白（11.0%）、白蛋白（10.8%）和醇溶蛋白（0.4%），得到的4 個蛋白質組分的總得率為44.8%，高于堿溶酸沉淀法提取的芝麻分離蛋白得率（38.5%），說明該提取法可以更高效地從脫脂芝麻粕中提取蛋白質。pH3 時，大豆分離蛋白比芝麻分離蛋白具有更高的溶解度，而且4 種芝麻蛋白組分中，白蛋白的溶解度最高，為（28.1±0.3）%。已有文獻報道芝麻分離蛋白的等電點（isoelectric points，pI）在4～5，當pH值低于或高于pI 時，蛋白溶解度均升高。pH 值在3 及以下和9 以上時，芝麻分離蛋白都表現(xiàn)出較好的溶解度，當pH 值高于或低于pI 時，蛋白質帶上負電荷或正電荷，蛋白質分子之間的靜電斥力和離子水化力阻止它們聚集，使得蛋白質溶解度更大。同一條件下蛋白溶解度的差異可能是由蛋白質類型、固有溶解特性以及蛋白的變性程度造成的[5]。芝麻分離蛋白在酸性環(huán)境下表現(xiàn)出良好的溶解性，這有助于其在酸性食品中的應用[6]。

表1 結果還顯示，芝麻分離蛋白（sesame protein isolate，Ses-PI）的保水性和保油性均低于大豆分離蛋白（soybean protein isolate，Soy-PI）。芝麻分離蛋白各組分中，白蛋白的保水性最好，球蛋白的保油性最好，這與其側鏈基團的極性以及蛋白質的疏水性、變性程度有關[16]。白蛋白的起泡性最好，球蛋白的起泡穩(wěn)定性最好，泡沫的形成與蛋白質分子吸附在空氣/水界面引起表面張力變化有關[17]。與Soy-PI 相比，醇溶蛋白的EAI最高，白蛋白的ESI 最高。結果表明，不同的提取方法和提取條件影響了Ses-PI 及4 個蛋白組分的乳化性能。有文獻報道，芝麻分離蛋白與大豆分離蛋白相比具有優(yōu)異的乳化性能[18]。鑒于芝麻各組分蛋白得率和乳化性質的綜合分析結果，將芝麻白蛋白作為研究對象，制作乳液，并探究油相體積分數(shù)、白蛋白濃度和離子強度對芝麻白蛋白乳液特性的影響。

2.2 芝麻分離蛋白及其組分的分子量分布

圖1 為芝麻分離蛋白及其組分的SDS-PAGE 圖譜。

圖1 芝麻分離蛋白及其組分的SDS-PAGE Fig.1 SDS-PAGE of sesame protein and its fractions

由圖1 可知，芝麻分離蛋白亞基大小主要分布在13～100 kDa，其中白蛋白主要由2S、7S 和11S 白蛋白亞基組成，其分子量分別為13、20～25、30～35 kDa 和60～65 kDa。鹽溶性球蛋白亞基主要由7S 和11S 球蛋白以及少量的2S 球蛋白組成，鹽溶性球蛋白與芝麻分離蛋白亞基組成基本一致，這主要與芝麻分離蛋白組成有關[19]。谷蛋白主要由11S 酸性亞基（30～35 kDa）和堿性亞基（20～25 kDa）組成，還有少量2S 球蛋白（13 kDa）條帶。醇溶蛋白與白蛋白亞基組成相比，減少了2S 球蛋白條帶，主要由7S 和11S 球蛋白亞基組成，分子量分布在20～25、30～35 kDa 和60～65 kDa。這與已有文獻一致，即芝麻11S 球蛋白由酸性亞基和堿性亞基組成，分子量分別約為30～35 kDa 和20～25 kDa；芝麻β-球蛋白由兩個9 kDa 和4 kDa 的亞基通過二硫鍵連接；7S 球蛋白由分子量為12.4～65.5 kDa 的多肽組成[20]。

2.3 油相體積分數(shù)、白蛋白濃度和離子強度對芝麻白蛋白乳液粒徑的影響

2.3.1 油相體積分數(shù)對芝麻白蛋白乳液粒徑的影響

油相體積分數(shù)對乳液粒徑分布的影響如圖2 所示。

圖2 油相體積分數(shù)對芝麻白蛋白乳液粒徑分布的影響Fig.2 Effect of oil phase volume fraction on particle size distribution of sesame albumin emulsions

由圖2 可知，隨著油相體積分數(shù)從20%增加到70%，乳液液滴粒徑的分布峰從寬矮型轉變?yōu)榧毟咝?，單峰的分布趨勢更加明顯。這說明乳液液滴粒徑均一性提高。隨著油相體積分數(shù)的增加，液滴粒徑分布峰的位置逐漸向橫坐標軸的右側移動，液滴的粒徑從18.94 μm 增加到58.95 μm。表明乳液液滴粒徑隨著油相體積的增加而逐漸增加。因為油相的增加減少了穩(wěn)定油/水界面的有效顆粒數(shù)量，從而形成了更大尺寸的液滴。該結果與采用其他粒子作為穩(wěn)定劑制備的乳液類似[14]。

2.3.2 白蛋白濃度對芝麻白蛋白乳液粒徑的影響

白蛋白濃度對乳液粒徑分布的影響如圖3 所示。

圖3 白蛋白濃度對芝麻白蛋白乳液粒徑分布的影響Fig.3 Effect of albumin concentration on the particle size distribution of sesame albumin emulsions

由圖3 可知，所有乳液液滴的粒徑都是呈現(xiàn)單峰的分布趨勢。隨著白蛋白濃度從1.0%增加到6.0%，乳液液滴的分布峰逐漸變窄，分布峰的位置逐漸向橫坐標軸的左側移動，粒徑由42.07 μm 降至19.33 μm，粒徑尺寸及分布隨著白蛋白濃度變化的現(xiàn)象與Song 等[21]的研究結果相似。在乳液體系中更多的蛋白顆粒表示有更多的粒子可以覆蓋更多的油水界面以穩(wěn)定更小的液滴，防止乳液液滴間發(fā)生聚合[22]。

2.3.3 離子強度對芝麻白蛋白乳液粒徑的影響

離子強度對白蛋白穩(wěn)定的乳液粒徑分布的影響如圖4 所示。

圖4 離子強度對芝麻白蛋白乳液粒徑分布的影響Fig.4 Effect of ionic strength on the particle size distribution of sesame albumin emulsions

如圖4 所示，離子強度從0 mol/L 增加到0.01 mol/L，乳液液滴的分布峰接近重合，粒徑增加不明顯，當離子強度增加到0.05 mol/L 和0.10 mol/L 時乳液液滴的分布峰發(fā)生右移，粒徑明顯增加，增加到55.64 μm 和69.84 μm。離子強度越高，蛋白之間引力越強，蛋白顆粒吸附的液滴之間的靜電斥力減小，導致液滴的不穩(wěn)定性提高，液滴體積增加。隨著離子強度的增加，蛋白在pH3 條件下穩(wěn)定乳液液滴尺寸發(fā)生的變化與Zhu等[23]的研究結果一致。

2.4 油相體積分數(shù)、蛋白濃度和離子強度對芝麻白蛋白乳液流變學特性的影響

基于靜態(tài)流動和動態(tài)振蕩試驗分別探究了在不同油相體積分數(shù)、白蛋白濃度和離子強度下pH3 時白蛋白乳液的流變學特性，結果如圖5 所示。

圖5 白蛋白穩(wěn)定的水包油乳液的流變學特性Fig.5 Rheological properties of O/W emulsion stabilized by albumin particles

從圖5 A～圖5C 可知，隨著剪切速率的增加（0.1～100 s-1），乳液的表觀黏度明顯降低，這種剪切稀化的行為表明白蛋白穩(wěn)定的O/W 乳液屬于假塑性的非牛頓流體。這是由于剪切力的破壞速率大于乳液樣品的恢復速率導致分子間流動阻力降低，乳液網(wǎng)絡結構遭到破壞，乳液的表觀黏度降低。當油相體積分數(shù)、白蛋白濃度和離子強度增加時，乳液的表觀黏度增大，液滴之間的相互作用增強。這與關于O/W 乳液的研究結果相似[24-26]。

圖5D～圖5F 表明隨著振蕩頻率的逐漸增加，全部測試樣品的儲能模量（G'）和損耗模量（G''）都稍有增加，且在全段頻率掃描范圍內(nèi)（0.1～10 Hz）G' 高于G''，結果表明乳液表現(xiàn)出以彈性行為為主的弱凝膠學特性[27]。

此外，在某一固定頻率下，隨著油相體積分數(shù)（20%～70%）、白蛋白濃度（1.0%～6.0%）和離子強度（0～0.1 mol/L）的增加，G'和G''逐漸增加，表明乳液的黏彈性增強，使得乳液具有更強的凝膠特性。在其他蛋白穩(wěn)定的O/W 乳液中也有相類似的結果[28-29]。

2.5 油相體積分數(shù)、白蛋白濃度和離子強度對O/W乳液微觀結構的影響

2.5.1 光學顯微鏡分析

圖6 為新鮮制備的乳液的光學顯微鏡圖。

圖6 白蛋白穩(wěn)定的水包油乳液的光學顯微鏡圖Fig.6 Optical microscopic images of O/W emulsions stabilized by albumin particles

如圖6A 所示，在油相體積分數(shù)為20%時，液滴尺寸較小且分散不均一，在油相體積分數(shù)為40%和60%時，液滴尺寸較大且相對分散均一，在油相體積分數(shù)為70%時，液滴尺寸最大。隨著油相體積分數(shù)的增加，分散液滴的尺寸明顯增大。在蛋白濃度一定時，液滴大小與油相體積分數(shù)呈正相關。如圖6B 所示，當油相體積分數(shù)固定在60%時，液滴大小與蛋白濃度呈負相關。當白蛋白濃度固定為1.0%，油相體積分數(shù)為60%時，液滴大小與離子強度也呈正相關，這與圖4 研究結果一致。結果表明，油相的增加減少了穩(wěn)定油/水界面的有效顆粒數(shù)量，從而形成了更大尺寸的液滴；隨著蛋白濃度的增加，更多的粒子可以覆蓋更大的界面面積，從而使液滴尺寸變小；隨著離子強度的增加，蛋白顆粒之間靜電斥力變小，當離子強度更高時，蛋白粒子之間發(fā)生聚集而沉淀，可吸附到油水界面的粒子數(shù)量減少，液滴的尺寸增加，液滴間的聚集和絮凝程度增加。Boostani 等[30]對酸性條件下大麥醇溶蛋白穩(wěn)定皮克林乳液的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結果。

2.5.2 激光共聚焦顯微鏡分析

圖7 為白蛋白在pH3 時穩(wěn)定的乳液的激光共聚焦顯微鏡圖。

圖7 芝麻白蛋白激光共聚焦顯微鏡圖Fig.7 Sesquiterpene albumin laser confocal microscope diagram

山茶油用尼羅紅進行染色，在488 nm 波長處激發(fā)，蛋白用尼羅藍進行染色，在633 nm 波長處激發(fā)，顏色分別設置為綠色和紅色。為了盡可能利用CLSM 反映乳液的內(nèi)部微觀結構，制備玻片樣品時乳液在不經(jīng)過稀釋的情況下，盡可能使樣品攤薄進行觀察，并在視野的邊緣處拍照記錄。圖7A 反映的是油相的結構，可以看到油相呈綠色實心圓圈分散開，圖7B 反映蛋白的結構，可以看到蛋白基本分布在油水兩相界面處，形狀呈紅色空心圓圈分布在油滴的周圍，表明蛋白附著于油滴周圍；圖7C 為圖7A 和圖7B 的疊加圖，油滴處于內(nèi)部被蛋白包裹著，也進一步證明了O/W 型乳液的形成和穩(wěn)定機制，這與乳清蛋白在酸性條件下形成穩(wěn)定的O/W 乳液的研究結果相一致[14]。

3 結論

采用Osborne 法分離提取芝麻白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白組分，得率分別為10.8%、22.6%、0.4%、11.0%。SDS-PAGE 圖譜表明，芝麻分離蛋白的分子量主要分布在13～100 kDa。白蛋白在pH3 時較球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白顯示更好的溶解性，白蛋白具有更好的起泡性和乳化穩(wěn)定性，球蛋白和芝麻分離蛋白保油性更好。

白蛋白具有更好的起泡性和乳化性，但球蛋白、谷蛋白和芝麻分離蛋白保油性較好。白蛋白在pH3 時制備O/W 乳液，油相體積分數(shù)、蛋白濃度和離子強度是影響乳液粒徑變化的主要因素。乳液粒徑的大小與油相體積分數(shù)和離子強度呈正比，與蛋白濃度呈反比。白蛋白穩(wěn)定的O/W 乳液表現(xiàn)出非牛頓假塑性流體行為，且具有以彈性為主的弱凝膠學特性。

隨著白蛋白濃度的增加，白蛋白穩(wěn)定的O/W 乳液液滴的尺寸減小且分布均一，但油相體積分數(shù)和離子強度對乳液液滴尺寸的影響表現(xiàn)出相反的結果；激光共聚焦顯微鏡結果表明，白蛋白在pH3 時表現(xiàn)出良好的表面活性且能夠吸附在油水界面上，進一步說明了白蛋白穩(wěn)定的O/W 型乳液的形成機制。