王孟云，陳業(yè)明，孔祥珍，張彩猛，華欲飛(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥的影響

王孟云，陳業(yè)明，孔祥珍，張彩猛，華欲飛
(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

研究添加丙三醇、木糖醇和甘露醇不同相對分子質(zhì)量的多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥的影響。結(jié)果表明：加入多元醇會提高熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥樣品的溶解性，且溶解性隨多元醇相對分子質(zhì)量增大而增加，以加入甘露醇的樣品最為顯著，相比熱處理對照提高了25.12%；加入多元醇以后噴霧干燥樣品可溶性部分能更大程度地維持其三級結(jié)構(gòu)，且表面疏水性均比噴霧干燥前低；加入多元醇后其乳化性及凝膠性能都得到提高。

大豆分離蛋白；多元醇；熱處理；噴霧干燥；溶解性；功能性

大豆分離蛋白由于其低廉的成本、良好的功能性質(zhì)及營養(yǎng)價值，在食品生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。噴霧干燥是工業(yè)上生產(chǎn)大豆分離蛋白最常用的方法。但噴霧干燥會造成大豆蛋白變性，導(dǎo)致大豆蛋白溶解性下降。熱處理是食品滅菌最常采用的手段,也是重要的大豆蛋白變性方法。高溫?zé)崽幚淼拇蠖狗蛛x蛋白經(jīng)噴霧干燥后，會更大程度地使蛋白質(zhì)變性聚集，溶解性急劇下降。

文獻(xiàn)報道多元醇等添加劑可以在熱處理時保護(hù)天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，降低蛋白質(zhì)變性程度，從而使蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)[1-5]。本文研究了多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥的影響，試圖提高熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥樣品的溶解性，并改善其他功能性質(zhì)。以期對大豆相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量控制與新產(chǎn)品開發(fā)提供理論指導(dǎo)，對提高大豆分離蛋白產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

低溫脫脂豆粕，購自山東禹王實業(yè)有限公司；丙三醇、木糖醇、甘露醇，購自國藥集團(tuán)；其他試劑均為分析純。

尼魯噴霧干燥機(jī)，德國GEA集團(tuán)；MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利安東帕有限公司；MOS-450圓二色光譜儀，法國Bio-Logic 公司；K9840凱氏定氮儀，濟(jì)南海能儀器股份有限公司；Beckman OptimaL-XP 超速離心機(jī),美國貝克曼庫爾特公司；F-7000熒光光譜儀，日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆分離蛋白的提取

將低溫脫脂豆粕按料水比1∶10分散，調(diào)節(jié)pH至7.0，于室溫下低速攪拌浸提1 h， 8 500 r/min離心30 min，收集上清液調(diào)pH至4.5，6 500 r/min離心30 min。所得凝乳水洗3次，復(fù)溶凝乳，回調(diào)pH至7.0，測定溶液蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，用去離子水稀釋至50 mg/mL，分別不添加(未加熱對照、熱處理對照)或添加1 mg/mL 的丙三醇、木糖醇、甘露醇，充分溶解。

1.2.2 大豆分離蛋白溶液的熱處理及噴霧干燥

將熱處理對照與分別添加丙三醇、木糖醇和甘露醇的4種溶液置于90℃ 恒溫水浴鍋中保溫30 min(溶液中心溫度達(dá)到90℃時開始計時)，保溫結(jié)束后立即置于冰水浴中冷卻至室溫。噴霧干燥條件為進(jìn)風(fēng)溫度190℃、出風(fēng)溫度90℃，收集得到的樣品，置于-20℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 蛋白質(zhì)含量的測定

參照GB 5009.5—2010，采用凱氏定氮法測定蛋白質(zhì)含量。

1.2.4 溶解性測定

將噴霧干燥前的蛋白質(zhì)溶液稀釋至20 mg/mL，將噴霧干燥后的樣品稱取0.6 g溶解于30 mL 0.02% NaN3溶液中，磁力攪拌過夜(保證樣品充分溶解)，將噴霧干燥前后的樣品離心(50 000 r/min，1 h，20℃) 收集上清液。 分別測定上清液以及原溶液的蛋白質(zhì)含量。分別計算噴霧干燥前后樣品的溶解性。溶解性計算公式如下：

溶解性=上清液蛋白質(zhì)含量原溶液蛋白質(zhì)含量×100%

(1)

1.2.5 表面疏水性測定

表面疏水性測定參照Kato等[6]的方法。將按照1.2.4中方法所得到的上清液用0.01 mol/L、pH 7.0的磷酸鹽緩沖液稀釋至0.01～0.12 mg/mL,每4 mL溶液加入50 μL的ANS，在激發(fā)波長365 nm、發(fā)射波長484 nm條件下用熒光光譜儀測定熒光強(qiáng)度，以熒光強(qiáng)度對上清液質(zhì)量濃度作曲線，曲線的斜率表示蛋白質(zhì)的表面疏水性。

1.2.6 圓二色光譜測定

采用近紫外圓二色光譜法分析大豆分離蛋白三級結(jié)構(gòu)的變化。在25℃使用MOS-450圓二色光譜儀測得光譜。將按照1.2.4中方法所得到的上清液用0.01 mol/L、pH 7.0的磷酸鹽緩沖液稀釋至1.0 g/L，空白對照為0.01 mol/L、pH 7.0的磷酸鹽溶液。測定條件為[7]：石英比色皿厚度1.0 cm，光譜分辨率0.5 nm，狹縫寬度1.0 nm，響應(yīng)時間0.125 s，近紫外區(qū)域(250～320 nm)掃描，掃描速度2 s/nm。重復(fù)掃描 5 次后取平均值。

1.2.7 乳化性測定

參考Molina等[8]的方法，略作修改。分別將熱處理對照和添加丙三醇、木糠醇、甘露醇的蛋白質(zhì)溶液噴霧干燥后樣品配成蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為1 mg/mL的溶液。取12 mL蛋白質(zhì)溶液與4 mL大豆油混合，10 000 r/min 剪切1 min，在新鮮乳化液底部取500 μL 用0.1%的SDS溶液定容至10 mL，以0.1%的SDS溶液作為空白，迅速在500 nm處測定吸光值。將乳液放置10 min，再在乳液底部取樣500 μL 用0.1% 的SDS溶液定容至10 mL，測定在500 nm處的吸光值。按下式計算乳化活性、乳化穩(wěn)定性：

EAI=2×2.303×A0×NC×Φ×10 000

(2)

ESI=A0A0-A10×10

(3)

式中：EAI為乳化活性，m2/g；ESI為乳化穩(wěn)定性，min；A0為乳液的初始吸光值；A10為靜置10 min后乳液的吸光值；N為稀釋倍數(shù)；C為溶液中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，g/mL；Φ為乳化液中油的體積分?jǐn)?shù)。

1.2.8 凝膠流變性能的測定

分別將熱處理對照和添加丙三醇、木糖醇、甘露醇的蛋白質(zhì)溶液噴霧干燥樣品配成蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度100 mg/mL的溶液，充分溶解，脫氣后在流變儀中選擇直徑25 mm的平板并設(shè)定狹縫距離為1 mm進(jìn)行分析，在板間加滿溶液，拭去多余樣品，在平板周圍涂上硅油以防止水分蒸發(fā)。程序參數(shù)設(shè)定如下[9]。

溫度掃描：起始溫度25℃，以2 ℃/min升溫至100℃，在100℃條件下保溫30 min，再以2 ℃/min降溫至25℃，整個過程設(shè)置角頻率為0.63 rad/s，固定形變0.01，測定G′(儲能模量)。

頻率掃描：溫度掃描結(jié)束后，保持25℃，固定形變0.01，掃描頻率為0.1～100 Hz，測定G′、G″(耗損模量)等參數(shù)。

1.2.9 凝膠的持水性測定

同1.2.8制備100 mg/mL大豆分離蛋白溶液，加熱至100℃保溫30 min，取出，放入4℃冰箱過夜，制成凝膠。取一定質(zhì)量 (W1) 凝膠，離心管質(zhì)量 (W2)，在轉(zhuǎn)速8 000 r/min下離心 20 min，離心結(jié)束后用濾紙將凝膠表面的水分吸干后稱重 (W3)。凝膠持水性按下式計算：

持水性=W3-W2W1×100%

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 溶解性測定

添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥前后溶解性的影響見圖1。

圖1 添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥前后溶解性的影響

由圖1可知，未經(jīng)加熱的大豆分離蛋白在噴霧干燥前溶解性高達(dá)88.74%，而經(jīng)過90℃、30 min的熱處理之后溶解性下降至63.43%，因此熱處理會導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性聚集。在分別加入丙三醇、木糖醇、甘露醇的大豆分離蛋白溶液熱處理之后，發(fā)現(xiàn)隨著加入多元醇相對分子質(zhì)量的增加，蛋白質(zhì)的溶解性也隨之增加，從65.70%上升至69.98%。這說明在熱處理時加入多元醇可以抑制蛋白質(zhì)的變性聚集，從而表觀上表現(xiàn)出相比熱處理對照蛋白質(zhì)溶解性要高。

另一方面，90℃、30 min熱處理的大豆分離蛋白在噴霧干燥前蛋白質(zhì)溶解性為63.43%，而噴霧干燥后蛋白質(zhì)溶解性下降至45.74%，因此噴霧干燥能夠使熱處理的大豆分離蛋白溶解性顯著降低。當(dāng)加入多元醇以后，隨著加入多元醇的相對分子質(zhì)量的增加，噴霧干燥后蛋白質(zhì)的溶解性也呈現(xiàn)遞增的趨勢，以加入甘露醇的最為顯著，溶解性提高到57.23%，相比熱處理對照提高了25.12%。

2.2 表面疏水性測定

天然大豆分離蛋白是球蛋白，呈緊密折疊的狀態(tài)。疏水的氨基酸側(cè)鏈包埋在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部形成疏水性區(qū)域，而親水的極性氨基酸側(cè)鏈通常都分布于蛋白質(zhì)分子的表面。表面疏水性通常與兩個因素有關(guān)：一種是蛋白質(zhì)分子經(jīng)過不同加工處理比如熱處理、冷凍等導(dǎo)致輕微的變性，使天然折疊的蛋白質(zhì)分子展開，暴露出疏水性部位從而表現(xiàn)出表面疏水性增大；另一種是通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用引起蛋白質(zhì)分子之間的聚集而掩蓋表面疏水區(qū)域，從而使表面疏水性降低[10]。添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥前后可溶性蛋白表面疏水性的影響見圖2。

圖2 添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥前后可溶性蛋白表面疏水性的影響

由圖2可知，經(jīng)熱處理之后的可溶性蛋白溶液相比于未加熱可溶性蛋白表面疏水性整體大幅提高，這說明經(jīng)過熱處理之后天然大豆球蛋白三級結(jié)構(gòu)展開發(fā)生變性，但加入多元醇的溶液可溶性蛋白表面疏水性比熱處理對照小，說明多元醇的加入對蛋白質(zhì)起到一定的保護(hù)作用，這與文獻(xiàn)中報道添加多元醇可以作為功能性蛋白或者酶類的保護(hù)劑結(jié)果一致[11-12]。而經(jīng)過熱處理噴霧干燥之后可溶性蛋白的表面疏水性比噴霧干燥之前可溶性蛋白的低，這是由于噴霧干燥之后疏水性大的蛋白質(zhì)亞基發(fā)生聚集形成沉淀所導(dǎo)致。

2.3 圓二色光譜的測定

250 ～ 320 nm 的近紫外圓二色光譜來源于芳香族的氨基酸和二硫鍵。文獻(xiàn)報道近紫外區(qū)圓二色強(qiáng)度下降是由于蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的展開及不斷暴露到極性微環(huán)境的疏水芳香族氨基酸殘基，說明此蛋白質(zhì)的變性程度相應(yīng)增大[13]。添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥前后可溶性蛋白圓二色光譜的影響見圖3。

由圖3可知，熱處理之后的溶液相比未加熱溶液的吸收值大幅降低，說明熱處理 (90℃，30 min)導(dǎo)致大豆分離蛋白完全變性。而加入多元醇的樣品在經(jīng)過熱處理之后發(fā)現(xiàn)其吸收值比熱處理對照增大，更接近于未加熱對照天然蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，說明加入多元醇以后大豆分離蛋白在受熱時變性程度要小。另外，噴霧干燥之后隨著多元醇的相對分子質(zhì)量的增加，圓二色吸收值正向偏移，即變性程度越來越小。因此，在熱處理過程中多元醇對蛋白質(zhì)起到保護(hù)作用，在噴霧干燥過程中對保護(hù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)也起到積極的效果。

圖3添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥前后可溶性蛋白圓二色光譜的影響

2.4 乳化性測定

添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥后樣品的乳化活性和乳化穩(wěn)定性的影響見圖4。

圖4 添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥后樣品乳化活性和乳化穩(wěn)定性的影響

由圖4可知，加入多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥后樣品的乳化性質(zhì)產(chǎn)生了良好的改善作用。隨著加入多元醇相對分子質(zhì)量的增大，大豆分離蛋白的乳化活性逐步提高，加入甘露醇的大豆分離蛋白的乳化活性最大，達(dá)到 20.71 m2/g，比熱處理對照的乳化活性(15.86 m2/g)提高了30.6%。乳化活性的提高可能是由于加入多元醇后熱處理大豆蛋白噴霧干燥樣品的溶解性提高，從而相同條件下有更多蛋白質(zhì)分子吸附到油水界面造成；加入多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥后樣品的乳化穩(wěn)定性影響不顯著。

2.5 凝膠流變性能的測定

大豆蛋白凝膠形成過程中G′隨加熱時間與溫度的變化曲線見圖5。溫度掃描后大豆蛋白凝膠G′和G″隨頻率變化曲線見圖6。

由圖5可知，加入多元醇熱處理噴霧干燥之后的蛋白質(zhì)樣品的凝膠強(qiáng)度相比熱處理對照大，說明加入一定量的多元醇可以增強(qiáng)熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥后樣品的凝膠強(qiáng)度。但同時也發(fā)現(xiàn)隨著加入多元醇相對分子質(zhì)量的增加，凝膠強(qiáng)度呈相反趨勢。Gekko等[1]研究稱，多元醇對大豆分離蛋白的熱穩(wěn)定性與凝膠穩(wěn)定性的影響呈相反的作用。認(rèn)為多元醇由于增強(qiáng)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性而降低參與凝膠形成的變性蛋白的濃度。隨著多元醇鏈長度的增加，穩(wěn)定肽-肽氫鍵的作用減弱，穩(wěn)定疏水相互作用增強(qiáng)。而多元醇的加入抑制了由凝膠形成中肽-肽之間氫鍵交聯(lián)的形成。因此，增長多元醇鏈的長度會使凝膠強(qiáng)度減弱。這與我們實驗結(jié)果一致。

圖5 大豆蛋白凝膠形成過程中G′隨加熱時間與溫度的變化曲線

圖6 溫度掃描后大豆蛋白凝膠G′和G″隨頻率變化曲線

由圖6可知，所有噴霧干燥大豆分離蛋白樣品的凝膠G′和G″都彼此平行且與頻率無關(guān)。從本研究實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)添加丙三醇后其G′與G″間距較大，表明其凝膠強(qiáng)度較大。

2.6 凝膠持水性測定

添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥樣品凝膠持水性的影響見圖7。

圖7 添加多元醇對熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥樣品凝膠持水性的影響

凝膠持水性可以反映凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粗糙程度[14]。由圖7可知，所有凝膠樣品的凝膠持水性都達(dá)到95%以上，說明樣品凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)均較細(xì)膩，均有較強(qiáng)的鎖水能力，加入多元醇的樣品凝膠強(qiáng)度較熱處理對照略有增強(qiáng)，說明凝膠的性能更好。

3 結(jié) 論

添加多元醇后，可以提高熱處理大豆分離蛋白噴霧干燥所得樣品的溶解性、乳化活性和凝膠強(qiáng)度。隨著多元醇相對分子質(zhì)量的增加，噴霧干燥后樣品溶解性隨之增加。多元醇可以作為熱處理噴霧干燥蛋白的熱保護(hù)劑，可以在一定程度上維持蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，降低蛋白質(zhì)的表面疏水性，降低蛋白質(zhì)的聚集程度，改善熱處理噴霧干燥產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1] GEKKO K, LI X, MAKINO S. Competing effect of polyols on the thermal stability and gelation of soy protein[J]. Biosci Biotechnol Biochem, 1999, 63(12): 2208-2211.

[2] BACK J F, OAKENFULL D, SMITH M B. Increased thermal stability of proteins in the presence of sugars and polyols[J]. Biochemistry, 1979, 18(23): 5191-5196.

[3] ROMEROC M, LOZANO J M, SANCHO J, et al. Thermal stability ofβ-lactoglobulin in the presence of aqueous solution of alcohols and polyols[J].Int J Biol Macromol, 2007, 40:423-428.

[4] BOSQUILLON C，LOMBRY C，PREAT V，et al. Influence of formulation excipients and physical characteristics of inhalation dry powders on their aerosolization performance[J]. J Control Release，2001，70(3): 329-339.

[5] MURAKAMI S，KINOSHITA M. Effects of monohydric alcohols and polyols on the thermal stability of a protein[J]. J Chem Phys，2016，144(12): 125105.

[6] KATO A, NAKAI S. Hydrophobicity determined by a fluorescence probe method and its correlation with surface properties of proteins[J]. BBA-Protein Struct, 1980, 624 (1): 13-20.

[7] 阮奇珺. 大豆蛋白熱誘導(dǎo)二硫鍵連接物的形成及巰基變化亞基水平研究[D].江蘇 無錫: 江南大學(xué)，2015.

[8] MOLINA E, PAPADOPOULOU A, LEDWARD D A. Emulsifying properties of high pressure treated soy protein isolate and 7S and 11S globulins[J]. Food Hydrocol, 2001,15:263-269.

[9] 吳偉. 蛋白質(zhì)氧化對大豆蛋白結(jié)構(gòu)和凝膠性質(zhì)的影響[D].江蘇 無錫: 江南大學(xué)，2010.

[10] HU X Z, CHENG Y Q, FAN J F. Effects of drying method on physicochemical and functional properties of soy protein isolates[J]. J Food Process Preserv, 2010, 34 (3): 520-540.

[11] SAMBORSKA K, GUIAVARCH Y, LOEY A V, et al. The thermal stability ofAspergillusoryzaealpha-amylase in the presence of sugars and polyols[J]. J Food Process Eng, 2006, 29(3): 287-303.

[12] 劉彩琴，阮暉，傅明亮，等．提高α-半乳糖苷酶穩(wěn)定性的研究[J]．食品與發(fā)酵工業(yè)，2007，33(11)：26-29.

[13] LI H J, ZHU K X, ZHOU H M, et al. Effects of high hydrostatic pressure on some functional and nutritional properties of soy protein isolate for infant formula[J]. J Agric Food Chem, 2011, 59: 12028-12036.

[14] LAKEMOND C M M, JONGH H H J, PAQUES M, et al. Gelation of soy glycinin; influence of pH and ionic strength on network structure in relation to protein conformation[J]. Food Hydrocol, 2003, 17: 365-377.

Effectsofpolyolonpropertiesofheat-treatedsoybeanproteinisolateafterspray-drying

WANG Mengyun，CHEN Yeming，KONG Xiangzhen，ZHANG Caimeng， HUA Yufei
(School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China)

The effects of different relative molecular weights polyols such as glycerol, xylitol and mannitol on the properties of heat-treated soybean protein isolate after spray-drying were studied. The results showed that the addition of polyol increased the solubility of heat-treated soybean protein isolate after spray-drying and the solubility improved with the increase of relative molecular weight of polyol. The sample with mannitol added had the highest increase of solubility after spray-drying, and the solubility increased by 25.12% compared with heat-treated control sample. After adding polyol, the soluble fraction of the spray-dried sample could maintain its tertiary structure to a greater degree, the surface hydrophobicity decreased, and its emulsifying ability and gel property were improved.

soybean protein isolate; polyol; heat treatment; spray-drying; solubility; functionality

2017-01-10;

2017-06-15

國家自然科學(xué)基金項目(21276107)

王孟云(1991)，女，碩士研究生，主要從事植物蛋白方面的研究工作(E-mail)15190276078@163.com。

華欲飛，教授，博士(E-mail)yfhua@jiangnan.edu.cn。

油料蛋白

TQ645.9;TS202

A

1003-7969(2017)10-0047-05