張慧敏, 許馨予, 賈 斌, 王 坤,2, 李 丹,2, 左 鋒,3

(黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院1,大慶 163119) (黑龍江八一農(nóng)墾大學國家雜糧工程技術(shù)研究中心2,大慶 163119) (糧食副產(chǎn)物加工與利用教育部工程研究中心3,大慶 163119)

果膠是一種從天然植物中提取出的陰離子型多糖,具有較高營養(yǎng)價值的功能性成分[1]。CP主要是從柑橘的皮渣中提取制備,具有良好的凝膠性、乳化穩(wěn)定性,因此常被作為膠凝劑廣泛用在果汁飲料、果醬、乳制品、蜜餞食品中[2]。根據(jù)酯化程度,通?？蓪⒐z分為高甲氧基(HM)果膠[酯化度(DE)>50%]和低甲氧基(LM)果膠(DE<50%)[3]。目前,CP膠凝化主要依靠柑橘分子間的氫鍵、范德華力及靜電引力,HM凝膠的形成需要低pH,較高濃度的可溶性固形物,LM凝膠的形成需要Ca2+的參與且少量離子存在。HM相比LM不需要在Ca2+條件下可以通過調(diào)節(jié)酸糖的濃度比例形成凝膠,且在較高濃度的糖條件下,HM分子與水分子相互作用減弱,而果膠分子之間的相互作用更有利,從而形成了空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),使果膠的凝膠穩(wěn)定性增強。國內(nèi)外學者對果膠凝膠形成進行了廣泛的研究,Kahlile等[4]研究發(fā)現(xiàn)從百香果中制備的HM不需要改變蔗糖的濃度,可以通過調(diào)整pH形成穩(wěn)定的凝膠。李素芬等[5]對佛手瓜復配柚子果醬研究發(fā)現(xiàn)柚子皮中提取出來的果膠應用在果醬中可進行膠凝,膠凝效果較好,進一步提高柚子皮的利用價值。但果膠凝膠的制備放一段時間后由于氫鍵、范德華力及靜電引力的作用,易產(chǎn)生凝膠不均勻、脫水收縮現(xiàn)象、形成預凝膠溶液不穩(wěn)定等問題,這制約了果膠凝膠在食品生產(chǎn)中的應用[6]。

多糖和蛋白質(zhì)之間可以通過疏水作用、靜電等相互作用形成穩(wěn)定的復合物,構(gòu)建形成的復合物不僅具有良好的凝膠均勻穩(wěn)定性,而且凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)致密,能夠改善食品功能、構(gòu)建新型功能性食品[7]。Xu等[8]研究結(jié)果表明SPI與CP主要通過疏水作用形成復合物,SPI與CP結(jié)合,導致氨基酸殘基的微環(huán)境及整個蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變。汪少蕓等[9]研究表明蛋白質(zhì)和多糖作為食品原料中重要的生物大分子,經(jīng)過分子間相互作用形成的復合物比二者單獨使用功能性質(zhì)更好,兩者復合物比例的不同對復合物凝膠也有著重要作用。Molina等[10]對蛋白與HM進行靜電復合物表征,發(fā)現(xiàn)果膠中可電離的羧基可以改變蛋白表面結(jié)構(gòu),形成致密的復合物。張予心等[11]研究發(fā)現(xiàn)乳清蛋白-海藻酸鈉制備的不同比例復合物其凝膠特性存在顯著差異,當海藻酸鈉添加2%時復合物顯示出較好的凝膠特性。

為提高SPI-CP復合凝膠溶液的穩(wěn)定性,改善復合凝膠質(zhì)構(gòu)特性,實驗以SPI和CP為原料,通過制備穩(wěn)定的SPI-CP復合物,并通過單因素、響應面實驗探究不同pH、蔗糖質(zhì)量分數(shù)、復合物質(zhì)量濃度對凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響,確定最佳凝膠制備工藝參數(shù),構(gòu)建一種蛋白質(zhì)-多糖復合凝膠體系,以期為新型凝膠的制備提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

CP(DE純度為77.99%)、SPI(>90%)、蔗糖(食品級);鹽酸、檸檬酸:分析純。

1.2 儀器與設備

TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀, UV-2910紫外分光光度計, Nano-v4電位儀, Nano-v4粒度儀。

1.3 方法

1.3.1 復合物制備

取10 g的SPI溶解在蒸餾水(500 mL)中,攪拌均勻,制備SPI溶液(20 mg/mL)溶液在90 ℃下加熱30 min,在4 ℃保存過夜。

將CP取10 g溶解在500 mL蒸餾水中攪拌均勻,制備果膠溶液(20 mg/mL),在4 ℃保存過夜。

將SPI和CP的體積比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3,將溶液調(diào)pH至4.5后,攪拌均勻備用。

1.3.1.1 復合物濁度測定

采用分光光度法[12],將配制好的復合物溶液在吸光度550 nm處測定吸光度值,濁度值被定義為:

式中:τ為濁度值/cm;L為1 cm;I0;It分別為入、透射光光強,測3次取平均值。

1.3.1.2 復合物粒徑測定

采用Malvern Nano-v4電位儀,將樣品添加到配備有電極的反應杯中,溫度保持在25 ℃下,測定平均粒徑。將待測復合物用磷酸鹽緩沖液稀釋至蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為2 mg/mL,所有樣品測定3次。

1.3.1.3 復合物Zeta電位測定

采用Malvern Nano-v4電位儀,將樣品添加到配備有電極的反應杯中,溫度保持在25 ℃下測定Zeta電位。將待測復合物用磷酸鹽緩沖液稀釋至蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為2 mg/mL,所有樣品測定3次。

1.3.2 凝膠的制備

參考喻靖[13]的實驗方法,選取SPI-CP體積比1∶1的凍干樣品,將SPI-CP復合物分別配制成0.02、0.03、0.04、0.05 g/mL的溶液,于80 ℃水域條件下加熱1 h,補充水分維持樣品濃度,再用檸檬酸調(diào)節(jié)pH,加入蔗糖并攪拌均勻后在室溫下靜置10 min。

1.3.2.1 單因素實驗

以硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性為測定指標,探究不同pH(2.4、2.6、2.8、3.0、3.2)、蔗糖質(zhì)量分數(shù)(20%、25%、30%、35%、40%)、復合物質(zhì)量濃度(0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 g/mL)對復合物凝膠質(zhì)構(gòu)的影響,采用質(zhì)構(gòu)儀對凝膠體系進行測定,測定參數(shù)AOAC 12.7 mm凝膠專用柱形探頭,測定時探頭速度60 mm/min,形變10%,觸發(fā)力5 g,測試3次,取平均值。

1.3.2.2 響應面優(yōu)化實驗

在單因素實驗結(jié)果的基礎上,設計響應面實驗,選擇pH、蔗糖和復合物質(zhì)量濃度進行響應面實驗,以硬度作為響應值,探究凝膠制備最佳工藝條件,響應面因素水平見表1。

表1 因素水平編碼表

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)測定3次,使用SPSS軟件進行顯著性分析。采用Origin 2018軟件和Excel繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 SPI-CP復合物穩(wěn)定性分析

2.1.1 濁度分析

濁度大小能夠表征復合物中顆粒的分散狀態(tài),也是評價分子間是否相互聚集形成穩(wěn)定復合物的重要指標,SPI-CP復合物在不同體積比下的濁度變化如圖1所示。隨著復合物中CP濃度的增加,復合物的濁度值呈先下降后上升趨勢,在SPI-CP體積比達到1∶1時濁度值達到最小值(0.26±0.01),這主要是由于當復合物中SPI比例較高時,蛋白分子間相互作用形成大量不溶性復合物,此時溶液濁度值較高。隨著CP比例的增加,SPI與CP之間發(fā)生較為強烈的靜電相互作用,較強的靜電排斥力抑制了蛋白分子間相互聚集,此時復合物體系穩(wěn)定[13]。此時進一步提高SPI-CP復合物中CP比例,濁度值呈上升趨勢,這主要是由于進一步提高復合物中CP比例,復合體系中與單位蛋白結(jié)合的CP分子增加,改變了蛋白原有的伸展結(jié)構(gòu),導致復合物光散射強度的增加[14,15],當達到一定值后復合物濁度值趨于平緩。

圖1 SPI-CP不同比例復合物濁度曲線

2.1.2 Zeta電位分析

復合物的穩(wěn)定性是由顆粒間的靜電排斥力決定,顆粒間靜電排斥力越大,形成復合物不容易聚集,電位絕對值越大,溶液越穩(wěn)定。SPI-CP復合物在不同體積比下的電位變化如圖2所示。在SPI-CP體積比為3∶1和2∶1時,復合物的電位差異不顯著(P>0.05)。隨著復合物中CP濃度的增加,復合物的電位絕對值值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在SPI-CP體積比達到1∶1時電位絕對值達到最大值(39.6±0.5)mV,這主要是由于蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì),在復合物中高比例SPI條件下,蛋白質(zhì)分子間可發(fā)生以疏水作用為主體的聚集作用,但隨著帶負電荷果膠增加與蛋白質(zhì)帶負電荷聚集體結(jié)合,靜電排斥作用逐漸增強并阻止蛋白質(zhì)分子間的相互吸附,致使電位絕對值增大[16]。當SPI-CP體積比達到1∶2和1∶3時電位絕對值逐漸下降,復合物的電位差異顯著(P<0.05)。這可能由于隨著CP比例的添加,蛋白分子與果膠分子由于疏水性作用而發(fā)生聚集,靜電排斥作用減弱而使復合物的電位絕對值逐漸減小,體系穩(wěn)定性會降低[17]。

圖2 不同體積比SPI-CP的電位圖

2.1.3 粒徑分析

SPI-CP復合物在不同比例過程中的平均粒徑變化如圖3所示。在SPI-CP體積比為3∶1和2∶1時,復合物的粒徑差異性不顯著(P>0.05),但隨著復合物中CP濃度的增加,復合物的平均粒徑呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,在SPI-CP體積比達到1∶1時平均粒徑達到最小值(106±4)nm,這主要是由于較高比例的SPI分子聚集形成了大顆粒分子間的復合物,此時平均粒徑較高。但是隨著復合物果膠濃度增加,帶有負電荷的SPI和CP發(fā)生靜電排斥,抑制了SPI液滴間的聚集,復合物粒徑減小,與喻靖[13]對復合物粒徑的研究結(jié)果一致。在復合物比例達到1∶3時復合物粒徑差異顯著(P<0.05),平均粒徑變大,這主要由于隨著復合體系中CP濃度增多,體系中疏水作用增強導致分子顆粒聚集,并且CP通過疏水作用吸附在SPI顆粒的表面而使顆粒的粒徑進一步變大[18]。

圖3 SPI-CP不同體積比平均的粒徑圖

2.2 復合凝膠的質(zhì)構(gòu)特性分析

2.2.1 單因素結(jié)果

2.2.1.1 pH對復合凝膠質(zhì)構(gòu)的影響

pH對復合凝膠質(zhì)構(gòu)影響如表2所示。當pH為3.2時,形成較弱的凝膠體系,凝膠硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性均較低,Siew等[19]報道在較弱的酸性介質(zhì)中,體系缺少氫鍵導致不能形成凝膠,說明此時凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)較弱;隨著pH降低,復合凝膠性能顯著升高(P<0.05),凝膠性能逐漸改善,在pH為2.6時達到最優(yōu),產(chǎn)生靜電相互作用,從而使凝膠性能都顯著提高;當pH繼續(xù)降低時,pH超出形成凝膠臨界值條件之后,凝膠性質(zhì)開始降低,因此選擇最優(yōu)pH為2.6。

表2 pH對凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

2.2.1.2 蔗糖濃度對復合凝膠質(zhì)構(gòu)的影響

由表3可知,當蔗糖質(zhì)量分數(shù)為20%時,凝膠性能較差,隨著蔗糖濃度增加,凝膠性能有所提升,在蔗糖質(zhì)量分數(shù)為25%時,硬度、膠黏性和咀嚼性呈現(xiàn)最大值,此時凝膠性能最好,Mouna等[20]研究蔗糖濃度對凝膠的影響結(jié)果表明蔗糖濃度增大,凝膠強度增強;隨著持續(xù)增加,體系凝膠性能復降低,過量蔗糖會改變果膠分子間立體的空間結(jié)構(gòu),最終致使凝膠變軟,因此選擇最優(yōu)蔗糖質(zhì)量分數(shù)為25%。

表3 蔗糖濃度對凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

2.2.1.3 復合物質(zhì)量濃度對復合凝膠質(zhì)構(gòu)的影響

復合物質(zhì)量濃度對復合凝膠質(zhì)構(gòu)影響見表4。果膠本身具有黏附性,不易溶于水,通過前期預實驗得出SPI-CP復合物最大溶解質(zhì)量濃度為0.05 g/mL,因此選擇果膠質(zhì)量濃度為0.01～0.05 g/mL,隨著SPI-CP復合物質(zhì)量濃度升高,體系凝膠性能逐漸增強,復合物質(zhì)量濃度越高,分子間作用力增大,形成的凝膠網(wǎng)絡的結(jié)點數(shù)變多,結(jié)構(gòu)越緊密,凝膠質(zhì)構(gòu)強度變大,因此選擇最優(yōu)復合物質(zhì)量濃度為0.05 g/mL。

表4 SPI-CP復合物質(zhì)量濃度對凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

2.2.2 響應面實驗

2.2.2.1 響應面設計結(jié)果

從表5中分析可得,模型的回歸方程Y=5.31-0.25A+0.24B+0.99C+0.43AB-0.13AC-0.19BC-0.47A2-0.70B2+0.22C2。

表5 復合凝膠硬度響應面實驗設計與結(jié)果

由表6可知,模型極顯著(P<0.01),失擬項不顯著,相關(guān)系數(shù)R2=0.973 6,表明模型與實際擬合度較高,因素A、B的P值均小于0.05,影響顯著;因素C、AB、A2和B2的P值均小于0.01,影響極顯著。根據(jù)F值可知對凝膠硬度的影響的因素順序為復合物質(zhì)量濃度>pH>蔗糖濃度。

表6 復合凝膠硬度回歸模型的方差分析表

結(jié)合實驗,將凝膠硬度作為指標,進行響應面優(yōu)化實驗,結(jié)果見表5、表6。

2.2.2.2 各因素之間的交互作用分析

通過復合凝膠硬度響應面分析得到:復合凝膠硬度隨著各因素的改變呈現(xiàn)先上升后下降,表明復合凝膠的硬度值存在最大值。此外,AB交互的響應面曲圖向下趨勢較大且等高線較接近于橢圓形,表明二者交互作用極顯著;AC和BC間的二維響應面等高線向下曲折較小,表明二者交互作用不顯著。因此,AB間的交互作用對CP凝膠性能影響更大,二者的交互作用使復合凝膠性能網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,凝膠性能增強。

2.2.3 驗證實驗

響應面模型優(yōu)化復合物凝膠最優(yōu)工藝,在pH為2.51、蔗糖質(zhì)量分數(shù)為23.76%、SPI-CP復合物質(zhì)量濃度為0.05 g/mL時硬度為6.58 N。為檢驗實驗數(shù)據(jù)的準確性進行實際實驗驗證,實際值為6.54 N與預測值接近,此時凝膠的彈性、膠黏性、咀嚼性分別是3.95 mm、5.05 N、17.44 mJ,表明在該實驗模型下得到的最佳工藝條件具有較高的可行性,對復合物凝膠質(zhì)構(gòu)特性工藝優(yōu)化具有一定應用價值。

3 結(jié)論

通過添加CP來探究不同比例SPI-CP復合物穩(wěn)定性及復合凝膠的制備質(zhì)構(gòu)性質(zhì),隨著SPI-CP復合物比例變化,當SPI-CP復合物比例1∶1時,濁度較低,粒徑最小,電位絕對值最大,復合物體系穩(wěn)定。通過響應面優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn)對復合凝膠硬度的影響的因素順序為復合物質(zhì)量濃度>pH>蔗糖濃度,并且pH和蔗糖濃度間的交互作用對復合物凝膠性質(zhì)構(gòu)特性存在顯著影響。SPI-CP復合凝膠可以作為一種新型的凝膠,在食品應用領域具有廣闊的發(fā)展前景。