基于涡流的水力空化对米渣蛋白功能性质的影响

任仙娥，杨 锋，黄永春，海代盛（广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州545006）

基于涡流的水力空化对米渣蛋白功能性质的影响

任仙娥，杨 锋，黄永春，海代盛
（广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州545006）

以涡流泵为水力空化的产生装置，在不同出口压力和处理时间下，研究了水力空化作用对米渣蛋白功能性质的影响。结果表明：水力空化能改善米渣蛋白的溶解性，其中在0.4MPa下处理60min溶解性可达到处理前的2.71倍；水力空化在处理初期能增加米渣蛋白的乳化活性，其中在0.1MPa下处理60min乳化活性可达到处理前的1.81倍，乳化稳定性变化不大；米渣蛋白的起泡性随着水力空化时间的延长和压力的增加而增大，泡沫稳定性则在处理初期不断增强，之后下降。可见，水力空化作用在一定条件下能改善米渣蛋白的部分功能性质，该技术有望成为一种新的蛋白质物理改性方法。

涡流，水力空化，米渣蛋白，功能性质

米渣是以大米为原料生产淀粉糖过程中的副产物，米渣保留了大米中的大部分蛋白质，是制备大米蛋白的好原料。米渣蛋白具有与大米蛋白几乎相同的营养价值，但是米渣蛋白在生产过程中因经过高温处理而变性，导致它的溶解性较差[1]，其他的功能性质也比不上大米蛋白，限制了它在食品中的应用。因此有必要对米渣蛋白进行改性，以改善它的功能性质，满足食品工业的需要。

水力空化和超声空化的原理相同，都有气泡的形成、发展和溃灭的过程，利用气泡在溃灭的瞬间产生局部瞬时高温和高压、强烈的冲击波和微射流等空化效应来诱导和强化生物大分子物理、化学和结构性质的变化，只是水力空化形成的空化场范围更大且均匀、能量利用率更高、更易于实现工业化[2]。水力空化的形成方法主要有射流和涡流，其中射流空化的产生要求流体以高的初速度流过文丘里管或孔板，而涡流可在较低的进口压力下形成空化，因此涡流对设备要求更为简单、能耗也更低[3]。研究表明，超声空化可用于蛋白质的物理改性，在适宜的作用条件下能改善蛋白质的功能性质[4-6]，而水力空化目前还未见用于蛋白质的物理改性方面，因此本文尝试将基于涡流的水力空化技术用于米渣蛋白的改性，研究水力空化对米渣蛋白功能性质的影响，对探索蛋白质物理改性的新方法和拓展水力空化的应用有一定的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

湿米渣（经测定含水量为49.5%） 广西柳州顺意来生物科技有限公司；玉米油 市售，食品级；福林酚试剂、牛血清白蛋白 上海楷洋生物科技有限公司；其他试剂 均为分析纯。

722分光光度计 上海精密科学仪器有限公司；100LK高剪切混合乳化头 上海威宇机电制造有限公司；TGL-16G高速离心机 上海安亭科学仪器厂；20NPD047涡流泵 上海尼可尼泵业有限公司；水力空化装置 由涡流泵、管道、溶液贮箱、压力表及阀门自行组装，如图1所示。

图1 水力空化装置示意图Fig.1 Sketch map of hydrodynamic cavitation device

1.2 实验方法

1.2.1 米渣蛋白的制备 采用碱提酸沉法提取米渣蛋白。称取100g湿米渣，加入2000mL pH10.0的NaOH溶液，于40℃下搅拌提取4h，离心分离（5000r/min，10min），取上清液用1mol/L盐酸溶液调pH至4.5，静置，离心（5000r/min，10min）分离取沉淀，水洗沉淀，再用1mol/L NaOH调pH至7.0，冷冻干燥，所得产品即为米渣蛋白。

1.2.2 水力空化处理米渣蛋白 采用如图1所示的水力空化装置。利用pH8.0的磷酸盐缓冲液分散米渣蛋白，配制成质量分数为1%的米渣蛋白悬液，量取3L米渣蛋白液置于溶液贮箱中，开启涡流泵，通过调节阀门5对出口压力（该压力为相对压力，通过压力表4测量）进行调节，分别于出口压力0.1～0.4MPa下处理0～120min后，取样测定其功能性质。

1.2.3 米渣蛋白溶解性的测定 取经水力空化处理的米渣蛋白液5mL，于10000r/min离心10min，取上清液，根据福林-酚染色法用牛血清白蛋白作为标准[7]，测定上清液中蛋白质的含量，用上清液中蛋白质的含量来表示米渣蛋白的溶解性。

1.2.4 米渣蛋白乳化活性和乳化稳定性的测定 参照文献[8]，略作修改，具体操作方法如下：将经水力空化处理后的米渣蛋白液稀释10倍后，取样液30mL，再缓缓加入10mL玉米油，在剪切混合乳化机中以10000r/min转速剪切乳化lmin，制备得到的乳状液分别于不同时间（0，10min）从溶液底部吸取50μL乳浊液，加到5mL 0.1%SDS溶液中，于500nm处测定吸光值（A0，A10），其乳化活性用A0表示，乳化稳定性则按下式计算：

1.2.5 米渣蛋白起泡性和起泡稳定性的测定 参照文献[8]，略作修改，具体操作方法如下：取经水力空化处理后的米渣蛋白液50mL，置于剪切混合乳化机中以10000r/min转速剪切1min，记录泡沫体积（V0，mL），静置20min后，再记录泡沫体积（V1，mL）。

2 结果与讨论

2.1 水力空化对米渣蛋白溶解性的影响

蛋白质的溶解性主要是通过肽键和氨基酸侧链的亲水基团与水分子间的相互作用来实现的，是蛋白质实现其功能性质的前提。水力空化对米渣蛋白溶解性的影响如图2所示，米渣蛋白经水力空化处理后，溶解性都有不同程度的增加，其中在出口压力0.4MPa下处理60min溶解性可达到最大值1.151mg/mL，是处理前的2.71倍。这是因为水力空化有着与超声空化相同的空化效应，米渣蛋白分子在空化效应下，一方面其聚集状态被破坏，大颗粒被破碎成小颗粒，增加了米渣蛋白与水的接触面积；另一方面其分子结构发生变化，立体结构变得松散，蛋白质分子伸展开来，很多极性亲水基团暴露，使蛋白质的水合能力加强，溶解性增加[9]。

图2 水力空化对米渣蛋白溶解性的影响Fig.2 Effect of hydrodynamic cavitation on solubility of rice residue proteins

2.2 水力空化对米渣蛋白乳化性的影响

蛋白质由于其大的分子量、良好的亲水性与表面性质以及独特的三维结构，使其具有一定的乳化能力，蛋白质的乳化特性可通过乳化活性和乳化稳定性来表征。水力空化对米渣蛋白乳化活性和乳化稳定性的影响如图3所示。在0.1MPa处理60min内、0.2MPa处理30min内、0.3MPa处理20min内和0.4MPa处理20min内，米渣蛋白的乳化活性随着处理时间的延长而增加，其中在0.1MPa下处理60min乳化活性达到最大，是处理前的1.81倍，之后继续处理乳化活性有所下降，但是也高于未处理的米渣蛋白。这是因为一方面蛋白质的乳化性受其溶解性的影响，溶解性增加有利于蛋白分子从溶液中向油水界面扩散[10]；另一方面，空化效应使蛋白质结构变的松散，蛋白分子的极性亲水基团外露，水合能力提高，亲水性增强，与此同时非极性疏水基团也暴露出来，亲油性也增强，当蛋白质的亲水性和亲油性达到一定的平衡时，蛋白质能很好地稳定在油水界面，表现为乳化活性增强，当这种亲水亲油平衡被破坏时，乳化活性下降[11]。水力空化对米渣蛋白乳化稳定性的影响如图4所示，乳化稳定性在整个处理期间变化不大。

图3 水力空化对米渣蛋白乳化活性的影响Fig.3 Effect of hydrodynamic cavitation on emulsion activity of rice residue proteins

图4 水力空化对米渣蛋白乳化稳定性的影响Fig.4 Effect of hydrodynamic cavitation on emulsion stability of rice residue proteins

2.3 水力空化对米渣蛋白起泡性的影响

由图5可知，水力空化能明显增强米渣蛋白的起泡性，在出口压力0.4MPa下处理其效果尤为显著。这可能是因为，一方面米渣蛋白经空化处理后其溶解性增强，蛋白扩散并吸附在气/水界面的能力增大，促进了泡沫的形成[12]；另一方面空化效应破坏了蛋白质的高级结构，蛋白质伸展开来，更多的疏水性基团暴露出来，因而具有更大的表面活性，同时降低了水的表面张力，使蛋白质更易在空气和水的界面上展开，起泡性增强[13]。水力空化对米渣蛋白泡沫稳定性的影响如图6所示，在0.1MPa处理30min、其余压力下处理20min内泡沫稳定性增强，之后泡沫稳定性开始下降，其原因可能是米渣蛋白经水力空化处理一段时间后产生的泡沫界面膜韧性降低而容易破裂[4]，使泡沫稳定性下降。

图5 水力空化对米渣蛋白起泡性的影响Fig.5 Effect of hydrodynamic cavitation on foaming capacity of rice residue proteins

图6 水力空化对米渣蛋白泡沫稳定性的影响Fig.6 Effect of hydrodynamic cavitation on foaming stability of rice residue proteins

3 结论

米渣蛋白经水力空化处理后，溶解性增加，最多可增加到处理前的2.71倍；乳化活性也增加，最多可增加到处理前的1.81倍，乳化稳定性变化不大；起泡性随着水力空化时间的延长和压力的增加而增大，泡沫稳定性在处理初期有所增加而后下降。由此可见，水力空化技术在一定条件下能改善米渣蛋白的部分功能性质，但是关于水力空化引起米渣蛋白功能性质改变的机理还需要作更深入的研究。

水力空化技术与其他蛋白质的物理改性技术如超高压射流破碎技术、高压均质技术、高静压技术和超声波处理技术等一样在适宜条件下都能改善蛋白质的功能性质，但是超高压射流破碎技术、高压均质技术和高静压技术需要高压处理，对仪器设备的要求较高，超声波处理技术只适用于小范围样液的处理，相比之下水力空化技术可以通过循环的方式实现对大规模样液的处理，并且处理过程可以在常压下进行，设备操作简单且能耗低，在蛋白质物理改性方面应用前景更广阔。

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Influence of hydrodynamic cavitation with turbine on functional properties of rice residue proteins

REN Xian-e，YANG Feng，HUANG Yong-chun，HAI Dai-sheng
（Department of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China）

The effects of hydrodynamic cavitation（HC）treatment at different pressure and time with turbine pump as generant device on functional properties of rice residue proteins were investigated in this study.The results showed that HC treatment improved protein solubility，and solubility of protein with HC treatment at 0.4MPa for 60min was 2.71 times of that of the untreated.In earlier stage，HC treatment increased emulsion activity，and emulsion activity of protein with HC treatment at 0.1MPa for 60min was 1.81 times of that of the untreated.Emulsion stability was not affected by HC treatment.Foaming capacity increased with the increasing of HC treatment time and pressure.Foaming stability gradually increased in early HC treatment stage，then decreased.These results suggest that HC treatment could improve some functional properties of rice residue protein under appropriate conditions.So it was possible for HC treatment to be a new method for physical modification of protein.

turbine；hydrodynamic cavitation；rice residue protein；functional property

TS201.2

A

1002-0306（2014）14-0088-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.010

2013－10－23

任仙娥（1979-），女，高级实验师，研究方向：食品生物技术。