周一鳴,杜麗娜,李云龍,周小理,,陳智東
(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)香料香精技術(shù)與工程學(xué)院,上海 201418;2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,山西 太原 030031)
蕎麥?zhǔn)莵喼藓椭袞|歐地區(qū)的傳統(tǒng)作物,中國是世界蕎麥的最大生產(chǎn)國。近年來,蕎麥作為一種良好的功能營養(yǎng)食品原料越來越受到學(xué)界的關(guān)注[1]。蕎麥蛋白(buckwheat protein,BWP)是蕎麥中最主要的生物活性物質(zhì),其氨基酸組成均衡且富含人體限制性氨基酸——賴氨酸,其生物價相當(dāng)于脫脂奶粉生物價的92.3%、雞蛋全粉生物價的81.5%[2],但由于蕎麥中含有單寧、植酸和蛋白酶抑制劑,使得BWP具有較低的消化率,可以抑制體內(nèi)脂肪的積累[3]。為此,部分學(xué)者對蛋白質(zhì)的熱加工和非熱加工特性展開研究[4],但對BWP熱加工和非熱加工后結(jié)構(gòu)與乳化性的變化卻鮮有報道。由于傳統(tǒng)熱處理法(heat treatment,HT)具有方法簡便、設(shè)備投資少以及經(jīng)熱變性蛋白不易回復(fù)的特點,不僅可以部分提高蛋白質(zhì)的功能特性,而且可以擴(kuò)大食品原料的應(yīng)用范圍,成為國內(nèi)較為普遍的食品加工方式[5]。隨著消費者對食品營養(yǎng)功能的需求增大,促進(jìn)了非熱技術(shù)的研究與發(fā)展。高靜水壓(high hydrostatic pressure,HHP)處理作為一種非熱加工技術(shù)的代表,能修飾蛋白質(zhì)中的二、三、四級結(jié)構(gòu),即會通過影響蛋白質(zhì)的氫鍵、離子鍵、疏水鍵等非共價鍵,從而改變蛋白結(jié)構(gòu),對影響食品營養(yǎng)成分、風(fēng)味物質(zhì)等的共價鍵卻沒有影響,故能最大限度地保持食品原有的風(fēng)味和營養(yǎng)。且HHP處理能適用于一些熱敏性物質(zhì),可以改善HT處理過程的種種缺陷[6]。鄭環(huán)宇等[7]報道HHP處理(300~500 MPa、20 min)后大豆蛋白的抗原性降低了50%以上,與未處理蛋白相比,HHP處理后的大豆蛋白具有較高的疏水性。郭蔚波等[8]研究發(fā)現(xiàn)卵蛋白經(jīng)HHP處理(400~700 MPa、20 min)后,其免疫反應(yīng)性隨著壓力的增加而降低,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能特性(起泡性和乳化性)的變化與壓力呈正相關(guān)。HHP技術(shù)在國外食品中的應(yīng)用越來越廣泛,其作為一種冷殺菌技術(shù),具有比HT處理對食物營養(yǎng)和感官品質(zhì)破壞較小等多種優(yōu)勢[9]。Sila等[10]以HHP和氯化鈣對胡蘿卜進(jìn)行預(yù)處理,將預(yù)處理后的胡蘿卜進(jìn)行HT處理,并對質(zhì)構(gòu)變化進(jìn)行動力學(xué)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)預(yù)處理后樣品在HT處理過程中的軟化現(xiàn)象得到抑制。此外,HHP還會影響果蔬類產(chǎn)品的流變特性,這種影響與壓力和產(chǎn)品類型有關(guān),與HT處理相比,經(jīng)HHP處理后食品的黏度更大[11]。李興武等[12]在研究HHP殺菌及超聲波殺菌對紅李果醬的營養(yǎng)成分和感官品質(zhì)的影響中指出HHP殺菌后果醬色澤得到改善,感官評分最高。本實驗采用HHP與HT處理(濕熱處理和干熱處理)兩類不同的加工方式,通過對處理后BWP結(jié)構(gòu)及功能性質(zhì)變化進(jìn)行研究,以選擇能最大限度地保持或改善BWP品質(zhì)的加工方式,為更好地利用BWP提供理論和實驗依據(jù)。
蕎麥粉購于山西雁門清高食品責(zé)任有限公司;BWP(粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)62.95%)由實驗室自制。
5,5’-二硫代二硝基苯甲酸鹽、8-苯胺基-1-萘磺酸、甘氨酸、三羥甲基胺基甲烷、三氯乙酸等(分析純)購自國藥集團(tuán)(上海)化學(xué)試劑有限公司。
5L HHP 600 MPa高靜水壓設(shè)備包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司;3-18K高速冷凍離心機(jī)美國Sigma公司;HH-4恒溫水浴鍋上海森地科學(xué)儀器有限公司;FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀天津港東科技股份有限公司;UV-2600紫外-可見光分光光度計、RF-6000熒光分光光度計日本島津公司;FD-80冷凍干燥機(jī)北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司。
1.3.1 BWP的制備
參照王宏[13]的方法制備BWP。蕎麥粉經(jīng)石油醚脫脂24 h,自然風(fēng)干,按料液比1∶10溶于蒸餾水中,用1 mol/L NaOH溶液調(diào)至pH 8,在4 ℃、50 r/min條件下磁力攪拌2 h,攪拌完成后5 000 r/min離心20 min,取上清液,用1 mol/L HCl溶液調(diào)至pH 4.5,取沉淀,冷凍干燥24 h,于4 ℃冰箱儲存待測。
1.3.2 BWP的HT處理
濕熱法:BWP與水按照料液比1∶10混勻,并置于恒溫水浴鍋中,溫度100 ℃分別處理10、20、30 min,制得處理樣品,凍干待用。
干熱法:將BWP平鋪在搪瓷盤上,置于事先預(yù)熱的烘箱中,溫度100 ℃分別處理10、20、30 min,然后取出待用。
1.3.3 BWP的HHP處理
提前打開HHP的水浴循環(huán)裝置預(yù)熱至20 ℃,并將10 g BWP溶于100 mL蒸餾水中再進(jìn)行真空包裝處理。隨后將真空包裝的樣品放入HHP處理腔中,壓力分別設(shè)置為100、300、500 MPa,保壓時間分別設(shè)置為10、20、30 min,泄壓過程在3 s內(nèi)完成,以未處理樣品(0.1 MPa)作為空白對照組,取出樣品進(jìn)行冷凍干燥后貯存于4 ℃冰箱中待用。
1.3.4 對BWP功能性質(zhì)的測定
BWP溶解性參考Martínez等[14]的方法測定;起泡性及泡沫穩(wěn)定性參考宋永令等[15]的方法測定;乳化性及乳化穩(wěn)定性參考朱雪萍等[16]的方法測定。
1.3.5 BWP氧化指標(biāo)的測定
BWP羰基參考郭麗萍等[17]的方法測定;巰基含量參考Grigera等[18]的方法測定;表面疏水性參考Zhao Feng等[19]的方法測定。
1.3.6 BWP二級結(jié)構(gòu)分析
BWP二級結(jié)構(gòu)參考Linsberger-Martin等[20]的方法采用傅里葉變換紅外光譜進(jìn)行分析。
實驗重復(fù)3 次,取其平均值,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用SPSS 16.0軟件處中Duncan法進(jìn)行顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。同時,采用Origin Pro 8.0軟件作圖。
2.1.1 HHP處理和HT處理對BWP溶解性的影響
溶解性是蛋白質(zhì)水化作用的重要體現(xiàn),溶解性對蛋白質(zhì)乳化性、起泡性、凝膠作用等功能性質(zhì)也具有影響。Cabanillas等[21]認(rèn)為,蛋白質(zhì)溶解性與氨基酸殘基的平均疏水性和電荷頻率有關(guān)。
圖 1 HHP處理和HT處理對BWP溶解性的影響Fig. 1 Effect of HHP treatment and HT on solubility of BWP
從圖1中可以看出,不同處理方式均可使BWP溶解性發(fā)生變化,其中,壓力達(dá)到100 MPa以上時,蛋白質(zhì)溶解性均會有所提高,尤其是500 MPa HHP處理30 min時,BWP的溶解性達(dá)到最大值(65.5%),較空白對照組增加26.6%(P<0.05);濕熱與干熱處理也分別在30 min和10 min時溶解性增加46.10%和39.10%。但HHP與HT處理的加工原理有所不同,HT處理(干熱、濕熱)是通過破壞蛋白質(zhì)的水合作用而增加溶解性,為不可逆過程;HHP處理則是使球狀蛋白從凝聚狀態(tài)通過分子解聚和伸展形成更小的亞基單位,從而釋放出內(nèi)部的極性基團(tuán)和疏水基團(tuán),使蛋白質(zhì)分子的表面電荷數(shù)量增多、結(jié)合水增多,從而改善了溶解性,因此從保持或改善BWP溶解性以及節(jié)約時間的角度出發(fā)考慮,可以選擇濕熱處理(100 ℃、10 min)的方式對BWP進(jìn)行加工。
2.1.2 HHP處理和HT處理對BWP起泡性及泡沫穩(wěn)定性的影響
蛋白質(zhì)若要具備起泡劑的性能則必須能在氣-液界面快速降低表面張力,通過分子間相互作用形成黏彈性膜并且易于在界面上展開和重排。特別是對于一些起酥性食品和發(fā)泡型飲料(如蛋糕、冰淇淋和啤酒等),這一性質(zhì)尤為重要。
圖 2 HHP處理和HT處理對BWP起泡性及泡沫穩(wěn)定性的影響Fig. 2 Effect of HHP treatment and HT on foaming ability and foam stability of BWP
從圖2中可以看出,HHP處理可以提高BWP的起泡性和泡沫穩(wěn)定性,當(dāng)壓力為500 MPa、時間為30 min時二者均達(dá)到最大值(91.5%和50.1%);而HT處理會降低BWP的起泡性和泡沫穩(wěn)定性,且BWP的起泡性和泡沫穩(wěn)定性并未隨加熱時間的延長而發(fā)生明顯的變化。這可能是由于HT處理會導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子解聚、疏水性增強(qiáng)、分子柔性增大,對維持蛋白質(zhì)的泡沫穩(wěn)定性不利,且隨著HT處理溫度的升高,蛋白質(zhì)聚集沉淀、黏度下降,使得BWP無法進(jìn)行分子間相互作用,導(dǎo)致其不易在氣-液界面上展開和重排,從而降低起泡性和泡沫穩(wěn)定性[22-23]。HHP可以改變蛋白質(zhì)的三、四級結(jié)構(gòu),使得蛋白質(zhì)更容易形成空氣與水的界面,同時由于極化作用使得蛋白質(zhì)分子展開,形成了更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及更加穩(wěn)固的界面膜,從而增強(qiáng)了BWP的起泡性和泡沫穩(wěn)定性。因此,從保持起泡性及泡沫穩(wěn)定性的角度考慮,可以選擇HHP(500 MPa、10 min)對BWP進(jìn)行加工。
2.1.3 HHP處理和HT處理對BWP乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響
HHP處理可以促使蛋白質(zhì)中的極性分子和水分子運動,使蛋白質(zhì)的親水性和親油性提高,增加了蛋白質(zhì)之間的相互作用,進(jìn)而改善BWP的乳化性[24]。乳化性在食品的加工過程中具有重要作用,具有良好乳化性的食品擁有良好的口感。
圖 3 HHP處理和HT處理對BWP乳化能力及乳化穩(wěn)定性的影響Fig. 3 Effect of HHP treatment and HT on emulsifying ability and emulsion stability of BWP
從圖3中可以看出,BWP的乳化性以及乳化穩(wěn)定性均隨著HHP壓力的增加而總體得到改善,尤其在500 MPa、30 min時達(dá)到最大值(67.3 m2/g),較空白對照組升高16.1 m2/g,而HT處理顯著降低了BWP的乳化性及乳化穩(wěn)定性(P<0.05)。這可能是由于HT處理會導(dǎo)致蛋白質(zhì)過度變性,產(chǎn)生許多的聚集體,使分子的溶解性降低,而少數(shù)蛋白質(zhì)分子則可以在短時間內(nèi)擴(kuò)散到油-水分界面,從而導(dǎo)致其乳化效果明顯下降[25]。但隨著HHP處理壓力的增加,可溶性多肽含量增加,更多的蛋白質(zhì)可以吸附在液滴油-水表面,使液滴絮凝橋聯(lián)程度降低,從而增加蛋白質(zhì)的乳化性[26],且HHP處理促進(jìn)了蛋白質(zhì)中極性分子和水分子的運動,改變了親水基團(tuán)與親油基團(tuán)的數(shù)目和比例,進(jìn)而改善BWP的乳化性及乳化穩(wěn)定性[27]。因此,為保持B W P 的乳化性,可以選擇H H P 處理(500 MPa、10 min)進(jìn)行BWP加工。
2.2.1 HHP處理和HT處理對BWP羰基含量的影響
羰基含量是評價蛋白質(zhì)氧化程度的一個重要指標(biāo)[28]。羰基含量的變化在一定程度上可以反映出蛋白質(zhì)的氧化程度。從圖4中可以看出,兩類處理方式均可使BWP的羰基含量顯著增大(P<0.05)。HT處理10 min羰基含量就已經(jīng)超過了500 MPa HHP處理30 min時所達(dá)到的最大值(4.90 mmol/L)。這可能是由于HT處理過程中,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致蛋白變性,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞,造成鐵及其他過渡金屬離子的釋放,一些亞鐵血紅素和各種氧化酶可能會作為產(chǎn)生活性氧和非氧自由基的催化劑[29]。這些自由基會攻擊BWP,對BWP氧化起到很強(qiáng)的催化作用,導(dǎo)致BWP羰基含量升高。羰基含量明顯上升也可能是HHP處理導(dǎo)致易氧化的成分暴露于氧氣中,從而加速氧化過程,同時,隨著壓力的上升,自由基不斷釋放,導(dǎo)致氧化速率加快,羰基含量增加[30]。
2.2.2 HHP處理和HT處理對BWP巰基含量的影響
HHP處理可使巰基基團(tuán)暴露在分子表面,使其與空氣中的氧氣結(jié)合,形成二硫鍵,它的生成可以降低蛋白質(zhì)的構(gòu)象熵,使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定,從而賦予食品良好的熱穩(wěn)定性[31-32]。且二硫鍵在維持蛋白質(zhì)的食品功能性質(zhì)中起重要作用,如面筋[33]、凝膠的形成[34]和蛋白質(zhì)的成膜[35]等。
圖 5 HHP處理和HT處理對BWP巰基含量的影響Fig. 5 Effect of HHP treatment and HT on sulfhydryl content of BWP
從圖5中可以看出,不同處理方式均可使BWP的巰基含量發(fā)生變化,其中HT處理會明顯增加BWP的巰基含量,但隨著HT處理時間的延長,巰基含量略有下降,干熱處理100 ℃、30 min時巰基含量相對較低,但仍高出空白對照組2.76 μmol/L。而HHP處理則會降低BWP的巰基含量,且隨著HHP壓力的增大,BWP的巰基含量逐漸減少,尤其在500 MPa、30 min的處理條件下達(dá)到最小值(6.9 μmol/L),較空白對照組減少3.1 μmol/L。這可能是因為在熱變性溫度下蛋白質(zhì)聚集體發(fā)生部分解離,暴露出二硫鍵,促使二硫鍵含量升高。而HHP處理能夠使蛋白酶的游離巰基含量增加,分子構(gòu)象趨于去折疊態(tài),致使巰基含量減少。蘇丹等[36]在研究HHP處理大豆分離蛋白時同樣發(fā)現(xiàn)與本實驗較為類似的現(xiàn)象,大豆分離蛋白的巰基含量在200 MPa的處理條件下略有提高,但在壓力為500 MPa時達(dá)到最小。
2.2.3 HHP處理和HT處理對BWP表面疏水性的影響
表面疏水作用在維持蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和四級結(jié)構(gòu)的形成中占有突出地位[37]。疏水作用對蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、構(gòu)象和蛋白質(zhì)功能具有重要意義[38]。
圖 6 HHP處理和HT處理對BWP表面疏水性的影響Fig. 6 Effect of HHP treatment and HT on surface hydrophobicity of BWP
從圖6中可以看出,與未經(jīng)處理的BWP相比,不同條件處理后BWP的表面疏水性發(fā)生了明顯改變。其中,BWP經(jīng)500 MPa HHP處理20 min后由于暴露出更多的疏水性區(qū)域,其表面疏水性達(dá)到最大,較空白對照組增加約1 倍,表明BWP的三級和四級結(jié)構(gòu)經(jīng)HHP處理后發(fā)生了變化。而經(jīng)HT處理的BWP表面疏水性低于空白對照組。這可能是隨著HT處理時間的延長,蛋白亞基之間會形成可溶或不可溶的聚集體,使暴露的疏水鍵和共價鍵相互作用,導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重的熱聚集,屏蔽了蛋白質(zhì)的疏水區(qū),減少了熒光探針結(jié)合的疏水基團(tuán),使得BWP的表面疏水性下降[39]。Kajiyama等[40]研究發(fā)現(xiàn)大豆蛋白在HHP處理下隨著壓力的增加表面疏水性上升。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是HHP處理破壞了蛋白質(zhì)分子中的弱氫鍵和范德華力,從而使蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,疏水基團(tuán)暴露[41]。
傅里葉變換紅外光譜分析是分析蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)常用的方法之一,一般蛋白質(zhì)在紅外光譜中被研究較多的是位于1 600~1 700 cm-1處的酰胺I帶、1 530~1 550 cm-1處的酰胺II帶和1 260~1 330 cm-1處的酰胺III帶[42],BWP在相同時間下經(jīng)HHP處理和HT處理的傅里葉變換紅外光譜如圖7所示。
圖 7 HHP處理和HT處理BWP的傅里葉變換紅外光譜圖Fig. 7 FTIR spectra of BWP subjected to HHP treatment and HT
表 1 HHP處理和HT處理后BWP二級結(jié)構(gòu)含量Table 1 Contents of secondary structures in BWP subjected to HHP treatment and HT
隨著HHP處理壓力的增加和時間的延長,紅外光譜峰形發(fā)生了不同程度的改變,說明蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。其中酰胺I帶主要由蛋白多肽骨架的C=O伸縮振動引起,吸收強(qiáng)度最強(qiáng),是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化的敏感區(qū)域,同時也與N—H的平面扭曲和C—N的伸縮振動有關(guān)[43-44]。利用Peak fit 4.12軟件對HHP處理產(chǎn)物的酰胺I帶采用去卷積二階導(dǎo)數(shù)擬合出蛋白二級結(jié)構(gòu)含量,如表1所示。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)主要以β-折疊和β-轉(zhuǎn)角為主,且HHP處理后無規(guī)卷曲、β-轉(zhuǎn)角、β-折疊和α-螺旋的相對含量均發(fā)生了顯著的變化(P<0.05),與未經(jīng)HHP處理的BWP相比,HHP處理后的樣品二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋和β-折疊相對含量減少,β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲相對含量有所增加,說明HHP處理導(dǎo)致BWP的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。其可能的原因是HHP處理后,—OH伸縮振動的特征吸收峰發(fā)生了紅移,導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子內(nèi)氫鍵斷裂,且部分α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)在HHP后轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)卷曲[45]。HT處理使BWP變性,蛋白質(zhì)分子亞基解離,有序結(jié)構(gòu)舒展解折疊,導(dǎo)致β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲相對含量也有所增加,但不顯著。
表 2 HHP處理BWP氧化程度與功能性質(zhì)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between structural and functional properties of BWP treated by HHP
對HHP處理后的BWP氧化程度與功能性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析,由表2可知,經(jīng)HHP處理后BWP的溶解性與乳化性、起泡性、羰基含量、巰基含量之間均存在一定的相關(guān)性。蛋白質(zhì)的乳化能力對食品品質(zhì)極為重要,且與溶解性成反比,一旦乳狀液形成,不溶性的蛋白質(zhì)即起到穩(wěn)定乳狀液的作用。其中,BWP的乳化性與起泡性、表面疏水性呈顯著正相關(guān),同時與巰基含量呈極顯著負(fù)相關(guān),與乳化穩(wěn)定性、泡沫穩(wěn)定性、羰基含量相關(guān)性不顯著;乳化穩(wěn)定性與泡沫穩(wěn)定性和表面疏水性呈顯著正相關(guān)。BWP的泡沫穩(wěn)定性與乳化穩(wěn)定性、起泡性、表面疏水性呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)大于0.9。說明蛋白質(zhì)的表面疏水性變化和溶解性的升高是由蛋白氧化引起的,從而使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,并且?guī)€基-二硫鍵含量的變化與其功能特性的關(guān)系最為顯著,表面疏水性對蛋白質(zhì)的泡沫穩(wěn)定性與抗氧化性改善起到了重要作用。
不同的處理方式(HT和HHP)均會對BWP功能特性產(chǎn)生影響,但由于HT(干熱、濕熱)破壞了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),對于食品的營養(yǎng)成分和感官品質(zhì)破壞較大,而HHP處理解決了這一問題,它對食品的營養(yǎng)成分和感官品質(zhì)影響較小,對生物大分子的共價鍵無影響,僅對非共價鍵(疏水鍵、離子鍵和氫鍵等)進(jìn)行破壞。其中,HHP處理隨著壓力的增加和時間的延長,BWP的乳化性、起泡性均顯著增加,且在30 min、500 MPa時分別達(dá)到最大為67.3%和91.5%,BWP巰基含量顯著下降(P<0.05),疏水性和羰基含量顯著增大(P<0.05),說明HHP處理具有提高蛋白質(zhì)乳化性、起泡性等功能性質(zhì)的作用。傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果表明HHP處理后BWP的α-螺旋和β-折疊有序結(jié)構(gòu)相對含量降低,無規(guī)卷曲相對含量增加,且暴露出更多的疏水性區(qū)域,引起蛋白中的構(gòu)象表位被破壞或掩蓋,從而導(dǎo)致乳化性的改變。HHP處理后BWP氧化程度與功能特性相關(guān)性分析表明,表面疏水性的變化與其功能特性的關(guān)系最為顯著。BWP的表面疏水性和巰基含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與起泡性、乳化性呈顯著正相關(guān)(P<0.05,P<0.01),說明表面疏水性的變化可以引起蛋白乳化性的變化,進(jìn)而改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。在HT處理過程中,隨著加熱時間的延長,BWP的溶解性顯著升高(P<0.05),BWP的羰基含量與溶解性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),而與乳化性、乳化穩(wěn)定性、起泡性、泡沫穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān),表明蛋白質(zhì)的氧化對BWP的功能特性具有影響。