氧化淀粉- 明膠共價復(fù)合物乳化性質(zhì)優(yōu)化研究

曾維順， 陳捷騰， 李贇雪， 劉世永， 陳 浩,*

(1.山東大學(xué)(威海) 海洋學(xué)院， 山東 威海 264209； 2.威海海洋職業(yè)學(xué)院 食品工程系， 山東 威海 264300)

氧化淀粉是天然淀粉與氧化劑在一定的pH值、溫度、時間、催化劑等條件下產(chǎn)生的一種淀粉衍生物[1]，它可以有效降低淀粉糊化溫度與黏度且透明性高穩(wěn)定性好[2]，在高濃度下是一種優(yōu)良的低黏度增稠劑[3]。明膠是一種復(fù)雜的蛋白質(zhì)共混物，廣泛應(yīng)用于膠凝劑、穩(wěn)定劑、乳化劑、增稠劑中[4-5]。蛋白-多糖復(fù)合物的制備及其性能的研究早在20世紀(jì)80年代就開始興起，研究發(fā)現(xiàn)兩者共價交聯(lián)復(fù)合物比其前體物質(zhì)具有更加優(yōu)越的性能(乳化性、起泡性、熱穩(wěn)定性等)[6]，蛋白質(zhì)與多糖在干熱條件下就能發(fā)生共價交聯(lián)反應(yīng)，而交聯(lián)的程度取決于反應(yīng)的溫度、時間和pH值等。Zhang等[7]在高溫(90～140 ℃)、短時(2 h)條件下制備的大豆分離蛋白和麥芽糊精共價復(fù)合物具有良好的乳化性能，相較于傳統(tǒng)的低溫(小于50 ℃)、長時間(大于24 h)制備更為簡單省時。Zhu等[8]采用干熱法制備基于乳清蛋白和葡聚糖的蛋白-多糖復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)在弱酸性條件下制備的復(fù)合物展現(xiàn)出更為優(yōu)越的乳化性。

研究選取氧化淀粉和明膠作為實驗材料，在前人研究基礎(chǔ)上采用Box-Behnken設(shè)計進(jìn)行多因素多水平分析，綜合分析反應(yīng)時間、溫度以及pH值對復(fù)合物乳化穩(wěn)定性的影響，最終通過數(shù)學(xué)分析優(yōu)化制備方案，并驗證方案的正確性，為后續(xù)進(jìn)一步開發(fā)利用氧化淀粉- 明膠復(fù)合物乳化劑提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

明膠(bloom值250 g)，越南Vinhwellness公司；氧化淀粉(P450)，嘉吉亞太食品系統(tǒng)(北京)有限公司；溴化鉀(分析純)，天津市巴斯夫化工有限公司；大豆植物油(食品級)，山東魯花集團有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

CP224C型電子天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司；RH-KT/C型磁力攪拌器，艾卡(廣州)儀器設(shè)備公司；B-260型恒溫水浴鍋，上海亞榮生化儀器廠；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；T6型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限公司；5810R型臺式低溫離心機，德國Eppendorf公司。

1.3 實驗方法

1.3.1氧化淀粉-明膠共價復(fù)合物的制備

參照文獻(xiàn)[9-10]，將氧化淀粉與明膠以質(zhì)量比1∶1混合均勻，用蒸餾水溶解調(diào)至0.06 g/mL，再用0.1 mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)pH值，然后進(jìn)行冷凍干燥。干燥后的樣品研磨后放置于干燥器內(nèi)，在干燥器底部放置飽和的KBr溶液，保持相對濕度79%，密封干燥器放入烘箱中進(jìn)行干熱處理。

1.3.2Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計

參照文獻(xiàn)[11]，根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理，選取pH值(A)、反應(yīng)溫度(B)、反應(yīng)時間(C)為考察對象，以乳化穩(wěn)定性為響應(yīng)值，采用三因素三水平響應(yīng)面分析法確定最佳工藝條件。響應(yīng)面試驗因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素水平

1.3.3乳化穩(wěn)定性測定

以復(fù)合物乳化穩(wěn)定性(emulsion stability, ES)為指標(biāo)，評定其乳化性能[12]：將0.2 g氧化淀粉- 明膠共價復(fù)合物加入到4 mL蒸餾水中，磁力攪拌至充分溶解后，加入4 mL大豆油，剪切均質(zhì)(16 000 r/min, 5 min)獲得均一乳液。將乳液室溫放置10 min后，置于60 ℃水浴鍋加熱30 min，最后放入離心機中進(jìn)行離心處理(3 000 r/min，15 min)。乳化穩(wěn)定性計算見式(1)。

(1)

式(1)中：V0為離心管中全部溶液體積,mL；V1為離心后乳液體積,mL。

1.3.4紫外可見光譜驗證

以磷酸鹽緩沖溶液(pH值7.0，濃度0.01 mol/L)作為空白對照校正吸光度，在該濃度磷酸緩沖液條件下制備蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為1 mg/mL的樣品溶液，并在紫外分光光度計中測定樣品在200～400 nm紫外吸收光譜[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19和Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

采用三因素三水平的響應(yīng)面試驗進(jìn)行條件優(yōu)化，以乳化穩(wěn)定性為響應(yīng)值設(shè)計共17個實驗點，結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果

通過Design-Expert 8.0.6軟件處理，得到pH值、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間對共價復(fù)合物乳化穩(wěn)定性的二次多項式回歸方程，見式(2)：

Y=+60.40-0.21A+1.07B-0.44C+0.28AB+
0.66AC+0.46B-1.92A2-0.58B2-1.10C2。

(2)

利用Design-Expert 8.0.6軟件對響應(yīng)面試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合[14]和統(tǒng)計分析，得到二次模型回歸統(tǒng)計分析表(表3)。從表3中可以看出，模型項P值為0.001 2，小于0.01，說明該模型極具顯著性，同時該模型的決定系數(shù)R2=0.946 3,說明該模型的可靠度高。另外失擬項P值為0.050 4,大于0.05,對模型是有利的,無失擬因素存在[15]。對自變量的顯著性結(jié)果檢驗表明，一次項B,二次項A2、C2是極顯著的模型因素，AC是顯著的模型因素，說明試驗因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，二次項對響應(yīng)值也有很大的影響[16]。另外F值表示各因素對響應(yīng)值的影響程度，從表3中可看出各單因素對乳化穩(wěn)定性的影響由大到小依次為反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、pH值。

圖1 pH值和反應(yīng)溫度交互作用對乳化穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effects of interaction between pH and temperature on emulsion stability

參數(shù)離差平方和自由度均方F值P值顯著性Model37.9494.2213.710.0012極顯著A0.3710.371.200.3090B9.1619.1629.800.0009極顯著C 1.5311.534.980.0608AB0.3210.321.060.3381AC1.7711.775.750.0475顯著BC0.8610.862.810.1374A215.44115.4450.230.0002極顯著B21.3911.394.530.0709C25.1415.1416.720.0046極顯著殘差2.1570.31失擬項1.7930.606.560.0504不顯著純誤差0.3640.091總離差40.0916

F值為F檢驗統(tǒng)計量。P值為顯著性檢驗結(jié)果可信程度的遞減指標(biāo)，當(dāng)P<0.05表示模型或所考察因素影響顯著，P<0.01表示影響極顯著，P>0.1表示影響不顯著。

通過繪制響應(yīng)面曲線對各個因素的交互影響作用進(jìn)行更為直觀的可視化分析。在響應(yīng)面圖中，響應(yīng)面越陡峭表明該實驗因素對結(jié)果的改變越敏感。而在等高線圖中，等高線頂點和附近區(qū)域為響應(yīng)面最佳水平范圍，等高線圍成的橢圓越橢表示實驗因素之間的作用越明顯；反之曲線坡度越緩或等高線越近圓形，說明交互作用不明顯[17]。

隨著反應(yīng)溫度的升高，復(fù)合物的乳化穩(wěn)定性逐步升高，這可能和氧化淀粉與明膠的共價交聯(lián)程度有關(guān)，見圖1。在一定范圍內(nèi)反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)越迅速；其他條件不變的情況下氧化淀粉與明膠的交聯(lián)程度越大，復(fù)合物的占比越多，乳化性能越高[18]。而隨著pH值的升高，復(fù)合物的乳化性能先升高后降低，可能的原因是低pH值時，蛋白質(zhì)在等電點附近發(fā)生沉淀，導(dǎo)致明膠與氧化淀粉交聯(lián)不充分；而在較高pH值，蛋白質(zhì)的電離能力弱，與陰離子多糖的靜電吸引力弱，也導(dǎo)致了共價交聯(lián)的不充分。從圖1可以看出復(fù)合物的乳化穩(wěn)定性對溫度的改變更為敏感。

pH值和反應(yīng)時間的等高線形狀較扁，實驗因素之間的交互作用明顯，乳化穩(wěn)定性隨反應(yīng)時間延長持續(xù)升高至最佳水平，之后不斷減小(見圖2)。

圖2 pH值和反應(yīng)時間交互作用對乳化穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effects of interaction between pH and reaction time on emulsion stability

圖3 反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間交互作用對乳化穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effects of interaction between temperature and reaction time on emulsion stability

反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度的響應(yīng)面和等高線見圖3。由圖3可以看出反應(yīng)時間保持在3 h不變時，乳化穩(wěn)定性隨反應(yīng)溫度的增加而增大，直至最佳水平。等高線形狀呈橢圓形，說明反應(yīng)時間與反應(yīng)溫度交互作用明顯。

2.2 實驗條件優(yōu)化與驗證結(jié)果

經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件分析，得到優(yōu)化實驗條件為pH值5.01、反應(yīng)溫度104.67 ℃、反應(yīng)時間3.00 h，在此條件下，復(fù)合物乳化穩(wěn)定性的理論值為60.90%。

考慮到實際可操作性，將優(yōu)化實驗條件定為pH值5.00、反應(yīng)溫度104.70 ℃、反應(yīng)時間3.00 h，用此方案進(jìn)行驗證，得到復(fù)合物乳化穩(wěn)定性均值為60.90%，與理論值相當(dāng)。再通過SPSS 19對單個樣本進(jìn)行檢驗，結(jié)果顯示在置信因數(shù)為95%的情況下存在顯著性差異，表明該數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化氧化淀粉- 明膠復(fù)合物的乳化穩(wěn)定性是有效的。

2.3 紫外可見光譜驗證結(jié)果

復(fù)合物紫光譜2個最大吸收峰分別在230 nm和280 nm處，而混合物僅在230 nm左右有一個吸收峰(見圖4)。230 nm處特征峰主要表征肽鍵變化，而280 nm處主要是生色團結(jié)構(gòu)形成的吸收[19]。另外復(fù)合物在230 nm和280 nm處的最大吸收峰也表明席夫堿的形成[20]，可以證明氧化淀粉- 明膠復(fù)合物是美拉德反應(yīng)產(chǎn)物。

圖4 氧化淀粉- 明膠復(fù)合物與混合物紫外光譜Fig.4 Ultraviolet spectrum of oxidized starch-gelatin compound and mixtures

3 結(jié) 論

1)本研究的實驗?zāi)Ｐ蛿M合度好，能夠正確反映pH值、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時間對復(fù)合物乳化穩(wěn)定性的影響。其中反應(yīng)溫度是影響復(fù)合物乳化穩(wěn)定性的極顯著因素，在一定范圍內(nèi)升高反應(yīng)溫度能夠加快蛋白質(zhì)與多糖的共價交聯(lián)，使共價復(fù)合產(chǎn)物的比例增加，從而提升整體的乳化穩(wěn)定性。另外pH值和反應(yīng)時間也是影響交聯(lián)程度的重要因素。

2)根據(jù)實際情況和實驗操作的可行性，制備氧化淀粉- 明膠復(fù)合物的優(yōu)化條件為pH值5.00、反應(yīng)溫度104.70 ℃、反應(yīng)時間3.00 h，在此條件下制備的復(fù)合物乳化穩(wěn)定性為60.90%，符合理論值。但將氧化淀粉- 明膠復(fù)合物作為乳化劑添加到食品中的可行性仍需要進(jìn)一步考核和研究。