大豆蛋白-半乳甘露聚糖共聚物乳化剂制备条件的优化＊

胡坤,余晓玲,郑翀

(广东药学院食品科学学院,广东中山,528458)

大豆蛋白-半乳甘露聚糖共聚物乳化剂制备条件的优化＊

胡坤,余晓玲,郑翀

(广东药学院食品科学学院,广东中山,528458)

对瓜尔豆胶水解时间(X1)、大豆蛋白与半乳甘露聚糖质量比(X2)、共聚物反应时间(X3)等影响蛋白质-多糖共聚物乳化性质的因素进行三元二次正交旋转组合优化,经回归分析建立了拟合共聚物乳化活性的回归方程和乳化稳定性的回归方程,并确定制备具有优良乳化性质的大豆蛋白-半乳甘露聚糖共聚物的最优参数:瓜尔豆胶水解75.05 min、大豆蛋白与瓜尔豆胶质量比为50∶50,干热反应时间144 h。验证实验表明,该条件下制备的共聚物的乳化活性和稳定性与回归方程预测的理论值很好的拟合。

大豆分离蛋白,半乳甘露聚糖,乳化活性,乳化稳定性

蛋白质与多糖在干热的条件下进行Maillard反应形成的蛋白质-多糖共聚物具有优良的乳化性质[1]。国外已经研究了葡聚糖、麦芽糊精、果胶等多糖、瓜尔豆胶水解物与牛血清蛋白、酪朊酸钠、乳清蛋白、β-乳球蛋白、溶菌酶等动物蛋白间之间的Maillard反应物的乳化特性[2-6],但有关植物蛋白与多糖之间的Maillard反应报道的较少。近年来,作者对大豆蛋白与瓜尔豆胶的酸水解物的Maillard反应物乳化性质进行了初步的研究[7],发现瓜尔豆胶水解时间、蛋白质与多糖的质量比及干热反应时间等因素是影响共聚物乳化性质的主要原因,此后进一步研究了半乳甘露聚糖分子量对共聚物乳化性质的影响,并用SDS凝胶电泳分析了半乳甘露聚糖与大豆分离蛋白7S亚基和11S亚基发生Maillard反应活性的差异[8]。本文在前期研究的基础上,采用三元二次正交旋转组合优化制备优良乳化性能的大豆蛋白-半乳甘露聚糖共聚物的条件,为开发这种新型天然高分子乳化剂提供理论基础。

1 实验材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆分离蛋白(山东御馨豆业蛋白有限公司),瓜尔豆胶(印度),金龙鱼玉米油(购于广州超市)。

十二烷基磺酸钠,生化试剂,上海伯奥生物科技有限公司;NaOH、HCl均为分析纯。

1.2 主要仪器

722光栅分光光度计,上海第三分析仪器厂制造;pHS-25型pH计,上海精密科学仪器有限公司;JGNP-9080型隔水式恒温培养箱,上海精宏实验设备有限公司;FJ-200高速分散均质机,上海标本模型制造厂;LGJ-25型冷冻干燥机,北京四环科学仪器厂生产。

1.3 实验方法

1.3.1 瓜尔豆胶水解样品的制备

将瓜尔豆胶以1%的浓度边搅拌边缓慢加入到80℃的1 L蒸馏水中(5份),待其溶解完全后加入50 mL浓度为1 mol/L的HCl(溶液HCl浓度为0.05 mol/L),在80℃下分别水解瓜儿豆胶40,60,80,100,120 min。水解完毕后,迅速冷却至室温,用5 mol/L NaOH调至pH 7.0,将瓜尔豆胶溶液用透析袋分装,4℃透析48 h除去小分子糖类,透析后的溶液经冷冻干燥粉碎后放置干燥器备用。

1.3.2 大豆分离蛋白-半乳甘露聚糖共聚物的制备

将不同水解时间的瓜尔豆胶水解物(半乳甘露聚糖)与大豆分离蛋白以2%质量浓度混合,在前期的研究基础上[7-8],选择瓜尔豆胶水解时间(min)、大豆蛋白与半乳甘露聚糖的混合比例(%)、共聚物反应时间(h)等因素,运用三元二次回归正交旋转组合设计方法,按照因素水平与编码表(表1)和实验设计方案(表2)制备实验样品,有关多糖与蛋白质混合物的制备及共聚物的制备方法见参考文献[8]。

表1 因素水平编码值表

表2 三元二次回归正交旋转组合设计

1.3.3 共聚物乳化特性的测定

将1.3.2制备的样品按3 g/L的浓度分散于20 mL蒸馏水中,然后加入5 mL玉米油,4℃下水化过夜,回复到室温后用分散均质机以固定转速高速剪切乳化1 min,立即从乳浊液的底部吸取100μL乳浊液,迅速分散于10 mL 0.1%的十二烷基硫酸钠溶液中,于500 nm波长下测定该稀释液的吸光度A0为共聚物的乳化活性指数。

从制备后静置30 min的乳浊液底部取100μL乳浊液,迅速分散于10 mL 0.1%十二烷基硫酸钠溶液中,于500 nm波长下测吸光度A30。乳化稳定性计算公式:ES30/%=(A30/A0)×100,ES30表示乳浊液制备后放置30 min的稳定性。

1.3.4 数据处理

每个实验做3次重复,以乳化活性和乳化稳定性作为指标,用SAS 8.1统计软件进行多元回归分析并建立回归方程。

2 结果分析

2.1 回归分析

各实验号的乳化活性和乳化稳定性的数据见表3。

表3 各样品的乳化活性和稳定性

运用SAS 8.1统计软件的多元回归方法,对表3的数据进行回归处理,分别建立以A0乳化活性(Y1),ES30乳化稳定性(Y2)为指标对试验因子的回归方程。

初步建立的多元回归方程分别为:

表4回归关系的方差分析

表4回归关系的方差分析

变异来源 平方和(SS)自由度(df)均方(MS) F FαX10.0308910.030891.1505 F0.1(1,13)=3.14 X20.0100910.010090.3758 F0.05(1,13)=4.67 X30.000458510.0045850.01708 F0.01(1,13)=9.07 X1×X20.00655510.0065550.2441X1×X30.000190110.0019010.00708 X2×X30.0185310.018530.6901X1×X10.207510.20757.7281＊X2×X20.0578510.057852.1546X3×X30.0109110.010910.4063回归SSR0.343090.03811 F=1.4194剩余SSr0.3491130.02685误差SSe0.0069668失拟SSLf0.342150.06842 F=78.576 F0.05(5,8)=3.69总变异SSy0.692122 R20.4956 F=5.770 F0.05(6,16)=2.74

表5回归关系的方差分析

表5回归关系的方差分析

变异来源 平方和(SS)自由度(df)均方(MS) F FαX117.378117.3780.946 F0.1(1,13)=3.14 X2112.7371112.7376.157＊F0.05(1,13)=4.67 X30.76810.7680.0419 F0.01(1,13)=9.07 X1×X244.18144.182.413 X1×X35.7815.780.317 X2×X315.125115.1250.826 X1×X14.7214.720.258 X2×X215.573115.5730.851 X3×X32.80612.8060.153回归SSR219.007924.33 F=1.33剩余SSr238.0231318.31误差SSe110.12813.77失拟SSLf127.903525.581 F=1.858 F0.05(5,8)=3.69总变异SSy457.0322 R20.4792 F=5.827 F0.05(6,16)=2.74

由于乳浊液是热力学不稳定的体系,测定乳化活性和稳定性存在较大的误差,第一次方差分析往往因为误差(剩余)自由度偏小而影响了检验的精确度。因此将未达到0.25以上显著水平的因素(或者互作)剔除,将其平方和和自由度并入误差(剩余)项,进行第二次方差分析,以提高检验的精确度。第二次方差分析结果见表6及表7。

表6 Y1回归关系的方差分析

表6的第二次方差分析表明,F=3.02>F0.05(5,17)=2.81,乳化活性A0(Y1)与各因素之间的总回归关系达到显著,(瓜尔豆胶水解时间)X1×X1因素达极显著水平,其优化的回归方程为:

上述总回归关系显著,只说明三元二次回归方程在试验点上与试验结果拟合得好,失拟性检验FLf=44.57>F0.05(9,8)=3.39,FLf极显著。说明所建立的三元二次回归方程虽然有一定意义,但其在整个回归空间内的拟合度并不是很好。

表7中,乳化稳定性ES30(Y2)与各因素之间的总回归关系达到显著,其优化的回归方程为:

FLf=1.146F0.1(5,17)=2.22,F值显著,说明经过优化的回归方程拟合得很好。

表7 Y2回归关系的方差分析

2.2 最优条件的确定

乳化活性和乳化稳定性是衡量乳化剂乳化性能的两个重要的指标,一个优良的乳化剂首先必须具备较高的乳化活性,其次应具有较好的乳化稳定性。由于Y1和Y2并不完全相同,因此分别对Y1和Y2的优化回归方程规划求解。对Y1解得X1=-0.20805,X2=0,X3=0,此时Y1理论值为0.756。将X1,X2,X3代入原编码水平,得各因素的最优试验水平:

瓜尔豆胶水解时间:Z1=X1△1+Z01=-0.20805×23.8+80=75.05(min)。

大豆蛋白比例:Z2=X2△2+Z02=0×17.8%+50%=50.0%。

共聚物干热反应时间:Z3=X3△3+Z03=0×1.78+144=144(h)。

对乳化稳定性Y2的优化回归方程规划求解,解得X1=-0.91076,X2=0,X3=-0.53289,此时Y2理论值为77.9。将X1,X2,X3代入原编码水平,得出各因素的最优试验水平:

瓜尔豆胶水解时间:Z1=X1△1+Z01=-0.91076×23.8+80=58.32(min)。

大豆蛋白比例:Z2=X2△2+Z02=0×17.8%+50%=50%。

共聚物干热反应时间:Z3= X3△3+Z03=-0.53289×1.78+144=121.2(h)。

将乳化活性Y1的优化回归方程得到的X1=-0.20805、X2=0、X3=0代入乳化稳定性Y2的优化回归方程中,解得此时乳化稳定性为78.7%,高于Y2理论值77.9%。同样将求解Y2的优化回归方程得到的X1=-0.91076、X2=0、X3=-0.53289代入Y1的优化回归方程中,得到此时乳化活性为0.698,比Y1理论值0.756低。因此,选择乳化活性Y1的优化回归方程所得的最优试验条件作为制备共聚物乳化剂的最优条件,即:瓜尔豆胶水解75.05 min、大豆蛋白:瓜尔豆胶质量比为50∶50,反应时间144 h。

2.3 最优条件的验证

根据以上确定的最优条件,做9次平行验证试验,结果如表8。共聚物的A0实测值与反Y1预测值的平均RSD为0.373%,在0.01水平无显著性差异,共聚物的乳化活性平均值为0.752(预测值为0.756)。共聚物的ES30实测值与预测值的平均RSD为0.970%,在0.01水平无显著性差异,此时得到大豆分离蛋白-瓜尔豆胶共聚物的乳化稳定性ES30可达到78.8。结合表8及表9可见反应物的A0、ES30实测值与预测值是一致的。说明最优条件制备的共聚物乳化剂的乳化活性和乳化稳定性与Y1和Y2预测的结果能很好的拟合。

表8 验证实验与理论预测值的比较

3 结论

通过对瓜尔豆胶水解时间、大豆蛋白与半乳甘露聚糖质量比、共聚物反应时间等影响蛋白质-多糖共聚物乳化性质的因素进行三元二次正交旋转组合优化,经回归分析建立了拟合共聚物乳化活性和稳定性的回归方程,最终确定制备具有优良乳化性质的大豆蛋白-半乳甘露聚糖共聚物的最优参数:瓜尔豆胶水解75.05 min、大豆蛋白:瓜尔豆胶质量比为50∶50,反应时间144 h。

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ABSTRACTThe optimalof soy protein-galactomannan conjugateswith excellent emulsifying propertieswere studied with three factorial quadratic orthogonal rotation design.The effectsof hydrolysis time of guar gum,the weight ratio of soy protein and polysaccharide,and the dry heating t ime of soy protein and polysaccharide mixture were discussed.The regression equations of emulsifying activity and emulsifying stability were established asrespectively.The optimal conditions to prepare thispolymer emulsifierwere:hydrolyze guar gum for 75 min,mix the soy protein and hydrolyzed guar gum with the weight ratio of 50∶50,and then dry heat thismixture at 60℃for144hr.The validation tests showed that the emulsifying activity and stability of this conjugatesperfectly fit the theoretical values predicted by these two regression equations,and the results of this paper provide theoretical principles to prepare this new natural polymer emulsifier.

Key wordssoy protein isolates,galactomannan,emulsifying activity,emulsifying stability

The Study of Opt im izing the Preparation Conditions Soy Protein-galactomannan Conjugate Emulsifier

Hu Kun,Yu Xiao-ling,Zheng Chong
(Food Science College of Guangdong Pha rmaceuticsUniversity,Zhongshan 528458,China)

博士,副教授。

＊广东省农业攻关项目(No.2007A020300007-16);高等学校骨干教师国内访问学者项目;广东药学院师资队伍建设经费资助

2009-11-20,改回日期:2010-04-27