果膠糖基化改性乳清蛋白工藝優(yōu)化

蔡 丹，原秀玲，王玉華，修 琳，劉景圣

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，小麥和玉米深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130118）

果膠糖基化改性乳清蛋白工藝優(yōu)化

蔡 丹，原秀玲，王玉華，修 琳，*劉景圣

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，小麥和玉米深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130118）

以乳清蛋白為原料，與果膠通過美拉德反應(yīng)進(jìn)行干法糖基化改性，研究果膠與乳清蛋白配比、糖基化反應(yīng)時(shí)間和pH值對(duì)乳清蛋白膜成膜性的影響。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)確定最佳糖基化改性條件。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)果膠與乳清蛋白質(zhì)量配比為3∶1，反應(yīng)時(shí)間為76 h，乳化體系的pH值為8.4時(shí)，乳清蛋白-果膠產(chǎn)物膜的拉伸強(qiáng)度（TS）為1 247.13±0.29 g，斷條伸長(zhǎng)率為31.52%，乳清蛋白-果膠糖基化產(chǎn)物接枝度為49.523%。

乳清蛋白；果膠；糖基化；拉伸強(qiáng)度

乳清蛋白是干酪生產(chǎn)副產(chǎn)物——乳清經(jīng)過特定工藝而加工得到的一類蛋白質(zhì)，主要含有α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白、乳鐵蛋白、乳過氧化物酶和許多生物活性因子等[1]，其中α-乳白蛋白和β-乳球蛋白分別占乳清蛋白總量的20%和60%[2]。乳清蛋白作為優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)補(bǔ)充劑之一，富含多種人體必需氨基酸，具有營養(yǎng)價(jià)值高、易消化吸收、高生物效價(jià)等特點(diǎn)[3-4]，因而又被稱為“蛋白之王”。隨著對(duì)乳清蛋白研究的不斷深入，其豐富的蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值及良好的功能特性被不斷發(fā)掘，目前乳清蛋白已成為保健食品和營養(yǎng)制品生產(chǎn)的重要原料和添加成分，廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)中[5-7]。尤其是乳清蛋白可食用膜，已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[8-9]。盡管如此，由于乳清蛋白本身功能特性不夠完善，具有致敏性、β-乳球蛋白的結(jié)構(gòu)等缺陷，這些問題嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。因此，近年來國內(nèi)外研究學(xué)者致力于乳清蛋白的改性研究，通過采用物理、化學(xué)和生物法對(duì)乳清蛋白進(jìn)行處理[10]，改變?nèi)榍宓鞍椎姆肿恿看笮　被岬慕M成和空間排列構(gòu)象、電荷分布情況、疏水基團(tuán)的分布等，從而改善乳清蛋白的功能特性[11]，提高乳清蛋白的利用率和應(yīng)用范圍。

本研究以乳清蛋白（WPC） 和果膠（P） 為原料，采用干法糖基化改性的方法，使果膠與乳清蛋白發(fā)生美拉德反應(yīng)，改變?nèi)榍宓鞍椎慕宦?lián)情況，使蛋白膜的結(jié)構(gòu)緊密，以成膜性為考核指標(biāo)，確定糖基化改性乳清蛋白最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

濃縮乳清蛋白（質(zhì)量分?jǐn)?shù)79%），希爾瑪乳酪公司提供；果膠，SIGMA-ALDRICH，上海貿(mào)易有限公司提供。

1.2 主要儀器與設(shè)備

TA-XTplus型食品物性測(cè)試儀，英國Stable Micro Systems公司產(chǎn)品；K1100型全自動(dòng)凱氏定氮儀，濟(jì)南海能儀器有限公司產(chǎn)品；0.2型真空冷凍干燥機(jī)，沈陽航天新陽速凍設(shè)備制造有限公司產(chǎn)品；PHS-3C型pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；HPX-9162 MBE型數(shù)顯電熱恒溫恒濕培養(yǎng)箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠產(chǎn)品；CP214型電子天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 乳清蛋白-果膠干法糖基化方法

首先，將濃縮乳清蛋白溶于去離子水中，用磁力攪拌器迅速攪拌，邊攪拌邊緩慢加入適量的果膠，待充分溶解后，調(diào)節(jié)pH值，將溶解好的乳清蛋白-果膠混合物進(jìn)行真空冷凍干燥，得到乳清蛋白-果膠混合物固體樣品。將該樣品放入恒濕培養(yǎng)器內(nèi)，在一定溫度下，每隔一段時(shí)間進(jìn)行取樣，得到乳清蛋白-果膠糖基化產(chǎn)物。

1.3.2 成膜方法

準(zhǔn)確稱取乳清蛋白-果膠糖基化產(chǎn)物配制一定濃度溶液，加入適量的甘油（g/g糖基化產(chǎn)物），脫氣后放入干燥箱中干燥，揭膜后放在恒溫恒濕培養(yǎng)箱中（溫度23℃，相對(duì)濕度50%） 平衡48 h，之后對(duì)膜的機(jī)械性能即拉伸強(qiáng)度（Tensile strength，TS）和斷裂伸長(zhǎng)率（Elongation at break，E）進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 乳清蛋白-果膠干法糖基化條件優(yōu)化

（1）單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)。將果膠與乳清蛋白按質(zhì)量比 （底物配比） 1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1混合，調(diào)節(jié)pH值為7.0，7.2，7.4，7.6，7.8，8.0，8.2，8.4，8.6，8.8，9.0，冷凍干燥后放置于相對(duì)濕度為79%（飽和KBr溶液） 的條件下，反應(yīng)36，48，60，72，84 h，制備乳清蛋白-果膠糖基化產(chǎn)物，并制備成膜溶液，測(cè)定膜的機(jī)械性能。

（2）響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)單因素的分析結(jié)果，各因素對(duì)乳清蛋白-多糖糖基化產(chǎn)物膜的TS值和E值的影響是一致的。采用Design Expert（8.0.6） 中Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，建立拉伸強(qiáng)度（TS） 與乳清蛋白-果膠糖基化反應(yīng)時(shí)間、pH值、底物配比的回歸方程，確定乳清蛋白-果膠糖基化產(chǎn)物膜最優(yōu)制備工藝條件。相同條件下以乳清蛋白獨(dú)自成膜為對(duì)照組。

1.4 膜機(jī)械性能的測(cè)定

將在相對(duì)濕度50%條件下平衡48 h的膜裁成1 cm×5 cm的條狀后用物性儀測(cè)定，條件設(shè)定為初始夾距10 mm，拉伸距離45 mm，以3.3 mm/s的速度勻速拉伸，測(cè)定后分析膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。拉伸強(qiáng)度為膜被拉伸斷裂時(shí)所受到的拉力最大值，斷裂伸長(zhǎng)率為膜被拉伸后長(zhǎng)度的增量占原長(zhǎng)度的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳清蛋白-果膠干法糖基化條件優(yōu)化單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)乳清蛋白-果膠膜機(jī)械性能的影響

確定反應(yīng)溫度為60℃，pH值為8，底物配比為3∶1，相對(duì)濕度為79%，改變反應(yīng)時(shí)間分別為36，48，60，72，84 h制備乳清蛋白-果膠膜，測(cè)定其拉伸強(qiáng)度（TS） 和斷條伸長(zhǎng)率（E）。

不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)WPC-P膜TS和E的影響見圖1。

圖1 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)WPC-P膜TS和E的影響

由圖1可知，反應(yīng)時(shí)間會(huì)顯著影響（p＜0.05）乳清蛋白-果膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷條伸長(zhǎng)率，且在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的時(shí)間范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度和斷條伸長(zhǎng)率的變化呈現(xiàn)一致性。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，果膠和乳清蛋白游離氨基的共價(jià)結(jié)合程度、糖基化程度與反應(yīng)時(shí)間呈正相關(guān)，導(dǎo)致成膜過程中糖蛋白分子交聯(lián)形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸致密；但隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，糖蛋白分子的致密空間結(jié)構(gòu)被重新打破，從而引起乳清蛋白-果膠膜的機(jī)械性能降低。因而，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，乳清蛋白-果膠膜的機(jī)械性能呈先高后低的趨勢(shì)。在反應(yīng)時(shí)間為72 h時(shí)，膜的機(jī)械性能最優(yōu)。

2.1.2 不同pH值對(duì)乳清蛋白-果膠膜機(jī)械性能的影響

確定反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為72 h，底物配比為3∶1，相對(duì)濕度79%，改變反應(yīng)體系的pH值分別為 7.0，7.2，7.4，7.6，7.8，8.0，8.2，8.4，8.6，8.8，9.0，制備乳清蛋白-果膠膜，測(cè)定其拉伸強(qiáng)度（TS） 和斷條伸長(zhǎng)率（E）。

不同pH值對(duì)WPC-P膜TS和E的影響見圖2。

圖2 不同pH值對(duì)WPC-P膜TS和E的影響

由圖2可知，反應(yīng)體系的pH值會(huì)顯著影響（p＜0.05） 乳清蛋白-果膠膜的機(jī)械性能。當(dāng)反應(yīng)體系pH值為8.4時(shí)，乳清蛋白-果膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷條伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，之后隨著pH值的不斷升高膜的機(jī)械性能呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。有文獻(xiàn)[12]表明，自由氨基在酸堿條件下的反應(yīng)活性不同，在酸性條件下反應(yīng)活性低，在堿性條件下反應(yīng)活性較高。本質(zhì)上，糖基化反應(yīng)屬于堿催化反應(yīng)，因此堿性條件下更有利于糖蛋白的結(jié)合，但是隨著糖基化反應(yīng)程度的進(jìn)一步加大會(huì)引起乳清蛋白-果膠膜空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等疏松，從而使膜的機(jī)械性能降低。

2.1.3 不同底物配比對(duì)乳清蛋白-果膠膜機(jī)械性能的影響

在溫度為60℃，相對(duì)濕度為79%，反應(yīng)時(shí)間為72 h，pH值為8.4的條件下，改變底物配比（果膠/乳清蛋白） 分別為1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1制備WPC-P膜，測(cè)定其TS和E。

不同底物配比對(duì)WPC-P膜TS和E的影響見圖3。

圖3 不同底物配比對(duì)WPC-P膜TS和E的影響

由圖2可知，底物配比會(huì)顯著影響（p＜0.05） 乳清蛋白-果膠膜的機(jī)械性能。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的底物配比范圍內(nèi)，隨著果膠添加量的增加，乳清蛋白-果膠膜的機(jī)械強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)孜锱浔葹?∶1時(shí)，乳清蛋白-果膠膜的機(jī)械性能最高。有研究表明[13]，糖添加比例的升高增加了反應(yīng)體系中自由氨基與糖分子中羰基之間碰撞和接觸機(jī)率，促進(jìn)了糖蛋白分子直接的交聯(lián)，從而提高了膜的機(jī)械強(qiáng)度。由于果膠本身溶解度和流動(dòng)特性的影響，當(dāng)反應(yīng)體系中繼續(xù)增加果膠的添加比例時(shí)，反應(yīng)體系的黏度增大，分子流動(dòng)性變差，會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)過多的糖蛋白分子交聯(lián)會(huì)打亂原來有序的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致膜的機(jī)械強(qiáng)度降低。這與華靜嫻等人[14]關(guān)于大米蛋白美拉德反應(yīng)的研究結(jié)果一致。

2.2 乳清蛋白-果膠干法糖基化條件響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)體系的pH值和底物配比3個(gè)因素進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

響應(yīng)面分析因素與水平設(shè)計(jì)見表1，Box-Behnken分析方案及試驗(yàn)結(jié)果見表2，回歸方程的方差分析見表3。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平設(shè)計(jì)

表2 Box-Behnken分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)17個(gè)試驗(yàn)。通過用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的回歸分析及方差分析，得到的回歸方程為：

Y=1 246.52+6.12A+3.23B+2.89C+1.55AB-0.54AC-0.76BC-9.96A2-10.55B2-3.70C2.

由表3可知，回歸方程因變量和自變量之間存在顯著的線性關(guān)系（R2=0.993 5），方程p＜0.01，表明此回歸方程極其顯著；其中失擬項(xiàng)p=0.563 8＞0.05，說明此回歸方程對(duì)試驗(yàn)的擬合度較好，證明了試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法的可靠性。

2.2.2 各因素間相互作用

表3 回歸方程的方差分析

圖4 兩因素交互作用影響膜拉伸強(qiáng)度值的響應(yīng)曲面圖及其等高線

兩因素交互作用影響膜拉伸強(qiáng)度值的響應(yīng)曲面圖及其等高線見圖4。

由圖4可知，反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)體系的pH值、底物配比都極顯著地影響了乳清蛋白-果膠膜的拉伸強(qiáng)度值。通過對(duì)回歸方程求極值點(diǎn)得：A=75.73，B=8.43，C=3.35，Y=1 248.24，即得出的最優(yōu)工藝條件是反應(yīng)時(shí)間75.73 h，乳化體系的pH值8.43，底物配比3.35∶1，在此條件下WPC-P膜拉伸強(qiáng)度值理論上能達(dá)到1 248.24 g。為了進(jìn)一步驗(yàn)證響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行近似驗(yàn)證試驗(yàn)，按照實(shí)際操作性將反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為76 h，反應(yīng)體系的pH值設(shè)定為8.4，底物配比設(shè)定為3.0∶1，在此條件下進(jìn)行3次WPC-P糖基化反應(yīng)，乳清蛋白-果膠膜的平均TS值為1 247.13±0.29 g，與理論預(yù)測(cè)值基本相符，證明Box-Behnken模型適用于該試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在此條件下E值為31.52%，糖基化產(chǎn)物接枝度為49.523%。在響應(yīng)面優(yōu)化確定的條件下干法培養(yǎng)乳清蛋白，得到乳清蛋白膜的平均TS值為353.61±0.51 g?？梢钥闯鎏腔男缘娜榍宓鞍啄さ腡S值比對(duì)照乳清蛋白膜提高了2.5倍。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)確定乳清蛋白-果膠干法糖基化的改性工藝，當(dāng)果膠與乳清蛋白質(zhì)量配比3∶1，反應(yīng)時(shí)間76 h，反應(yīng)體系的pH值8.4時(shí)，乳清蛋白-果膠產(chǎn)物膜的拉伸強(qiáng)度最高，比未改性的乳清蛋白膜提高了2.5倍。

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Optimization by Glycosylation Modifications of Whey Protein-pectin

CAI Dan，YUAN Xiuling，WANG Yuhua，XIU Lin，*LIU Jingsheng
（National Engineering Laboratory for Wheat and Corn Deep Processing，College of Food Science and Engineering，Jilin Agricultural University，Changchun，Jinlin 130118，China）

In order to improve the mechanical properties of whey protein concentrate（WPC） edible film，whey protein（WPC） -pectin（P） conjugate film was prepared by glycosylation modifications under dry-heating condition.The effects of Pectin/WPC ratio,reaction time and pH value on the tensile strength and elongation at break of WPC-SA conjugate film were analyzed.A single-factor and orthogonal test were employed to optimize the reaction conditions.The optimum reaction conditions were determined as Pectin/WPC radio of 3∶1，reaction time 76 h，pH value 8.4.Under these conditions,the experimental value of tensile strength （TS） of WPC-P conjugate film was 1 247.13±0.29 g and closely agreed with the theoretical value，the elongation at break（E） of WPC-P conjugate film was 31.52%，the graft degree of glycosylation products was 49.523%.

whey protein；pectin；glycosylation；tensile strength

TS201.2

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.12.037

1671-9646（2017） 12b-0035-04

2017-10-28

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2015187）；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD18B07）。

蔡 丹（1980— ），女，博士，副教授，研究方向?yàn)槭称飞锘瘜W(xué)工程與功能性食品。

*通訊作者：劉景圣（1964— ），男，博士，教授，研究方向?yàn)榧Z食深加工與功能性食品。