高压均质对大豆分离蛋白功能性质的影响

杨盛楠，翟爱华*

（黑龙江八一农垦大学 食品学院，黑龙江 大庆 163319）

大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）是植物蛋白中非常重要的一种，除了其丰富的营养价值，还具有许多重要的功能特性，在食品的多个领域得到了广泛的应用。高压均质技术是将物料在柱塞作用下进入可调节压力大小的阀组中，经过特定宽度的限流缝隙（工作区）后，瞬间失压的物料以极高的流速（1 000～l 500 m/s）喷出，碰撞在碰撞阀组件之一的冲击环上，产生剪切、撞击、空穴和湍流涡旋作用而把物料破碎的一种技术[1]。高压均质是食品加工领域安全高效的重要处理工序，蛋白浸提液在高压均质过程中，经历高压、剪切力、空穴爆炸力和温度会导致蛋白质结构和功能特性发生变化[2-4]。同时，高压均质可以连续操作，是工业化生产的有利条件。国内已有研究高静压处理对大豆分离蛋白（SPI）功能性的影响，近年来，逐渐有学者将高压均质应用于蛋白质等大分子的改性，涂宗财等[5-7]研究发现，超高压均质对大豆蛋白的溶解度、乳化性等功能性质具有显著的改性效果。

本实验研究不同条件（均质压力、次数和物料比）高压均质改性对SPI功能性质的影响，并分析其改性机理。该研究为改善SPI功能特性提供方法和理论指导，为进一步的研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

低温脱脂豆粕：大庆日月星有限公司，低温干燥保存。

大豆油：市售，九三大豆油；氢氧化钠、盐酸均为分析纯：沈阳市华东试剂厂；石油醚、乙醚均为分析纯：沈阳市永大化学试剂有限公司；考马斯亮蓝R-250：天津市天新精细化工开发中心。

1.2 仪器与设备

JAR2140型电子分析天平：上海梅特勒托利多仪器有限公司；DGG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱、DK-S24型电热恒温水浴锅：上海森信实验仪器有限公司；JJ-1型精密定时电动搅拌器：江苏金坛荣华仪器制造有限公司。L420型高速离心机：湖南湘仪实验室仪器开发公司；SRH型高压均质机：上海申鹿均质机有限公司；FA25型组织分散机：上海弗鲁克流体机械制造公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

大豆豆粕→提取大豆分离蛋白→高压均质→测定功能性质

1.3.2 大豆分离蛋白的制备

对片状低温豆粕进行间歇性粉碎处理，将粉状豆粕过100目尼龙筛，称取40 g粉状豆粕加入一定量的水中进行搅拌，用1mol/LNaOH溶液调pH至8.5，充分浸提后，沉降5min，取上清液于4 000 r/min进行离心30 min，除去沉淀取上清液。取500 mL上清液，对其进行不同条件的高压均质处理后，以1 mol/L HCl溶液将上清液pH调至4.5，充分沉淀后于4 000 r/min进行离心30 min，所得沉淀加适量去离子水，用1 mol/L NaOH碱液调至中性，过透析袋脱盐24 h，冻干得大豆分离蛋白的对照样和改性样品。

1.3.3 脱脂豆粕分析检测方法

水分含量按照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》检测[8]；可溶性蛋白含量按照考马斯亮蓝染色法[9]；蛋白质含量按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》检测[10]；脂肪含量按照GB5009.6—2003《食品中脂肪的测定》检测[11]。

1.3.4 高压均质条件的选择

高压均值压力选择：确定压力的变化范围为0～70MPa。将料液比为1∶10（g∶mL）提取的大豆分离蛋白溶液通过高压均质机均质一次，将压力分别设定为0、10 MPa、25 MPa、40 MPa、55 MPa、70 MPa，考察不同的高压均质压力对大豆分离蛋白溶解性的影响。

高压均质次数选择：将物料比为1∶10（g∶mL）提取的大豆分离蛋白溶液均质的压力调至40 MPa，分别均质1次、2次、3次，考察不同的高压均质次数对大豆分离蛋白溶解性的影响。

均质物料料液比选择：将低温脱脂豆粕的料液比分别设定为1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16（g∶mL），将溶液通过压力为40 MPa的高压均质机均质一次，考察不同的料液比对大豆分离蛋白溶解性的影响。

1.3.5 SPI功能特性的测定

（1）溶解性

在室温下（25 ℃），取溶液5 mL以3 000 r/min转速离心5 min，用凯氏定氮法测定上清液中的可溶性氮含量，氮溶解指数（nitrogen soluble index，NSI）值按下式进行计算：

（2）乳化性

①乳化活性指数（EAI）和乳化液稳定系数（ESI）的测定

参照PEARCE K N等[13]的浊度法，利用乳化界面的面积与混浊度存在简单的相关关系原理，通过测定蛋白质的乳化活性指数（emulsifying activity index，EAI）和乳化液稳定系数（emulsion stability index，ESI）来评价蛋白质的乳化性和乳化稳定性。取9 mL SPI溶液与3 mL大豆油至25 mL小烧杯内，以10 000 r/min的速率乳化1 min，分别在0、10 min时从溶液底部（每次的取样点高度相同）吸取100 μL乳浊液，加到20 mL 0.1%十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）溶液中稀释100倍混匀，以0.1%SDS溶液作为参照，在波长500 nm处测定其吸光度值A0、A10。EAI和ESI按照下面公式进行计算：

式中：EAI为乳化活性指数，mL/g；T为反应速率常数，2.303；A0为均质后迅速被稀释的乳化液的吸光度值；C为乳化液形成前蛋白质水溶液中蛋白质量浓度，g/mL；Φ为乳化液中油的体积分数。

式中：ESI为乳化液稳定系数，min；A0为均质后迅速被稀释的乳化液的吸光度值；A10为乳化液在静置10 min后的吸光度值；t为时间，min。

②乳析率测定

向①制备的乳状液中添加2 g/100 mL的叠氮钠（NaN3）溶液，使叠氮钠在乳状液中最终达0.02 g/100 mL，以抑制乳状液中的微生物生长，然后准确吸取10 mL于具塞刻度试管中，常温加盖密封静置，第60 天记录乳析层的高度（mm）[14]。

式中：H乳析为乳析层的高度，mm；H乳状液为乳状液的高度，mm。

（3）起泡性

参照COFFMANN C W等[15]的方法测定，稍作改动。取100 mL蛋白溶液，以10 000 r/min高速均质2 min。记录均质停止时和均质完静置30 min后的泡沫体积，以体积表示泡沫稳定性，按下式计算起泡能力和泡沫稳定性：

式中：V为均质停止时泡沫体积，mL；V30为静置30 min后的泡沫体积，mL。

2 结果与分析

2.1 原料脱脂豆粕的基本指标

表1为所购低温脱脂豆粕的基本指标。

2.2 大豆分离蛋白溶解性变化

SPI溶液经过高压均质改性处理后溶解性的变化，结果见图1。

表1 原料脱脂豆粕的基本成分Table 1 Elementary composition of defatted soybean flakes

图1 均质压力(A)、均值次数(B)及料液比(C)对大豆分离蛋白NSI的影响Fig.1 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on NSI of SPI

由图1A可知，SPI的溶解性随着均质压力的增加而升高，但升高的趋势随着压力的升高逐渐减小，当压力到达40 MPa时，SPI的溶解性最高，出现这种现象的原因可能是高压均质使蛋白质分子展开，蛋白分子发生解聚，使得更多的疏水和极性基团被暴露，增加了表面电荷，蛋白质的水化作用增强，溶解性从而得到提高。由图1B可知，当均质次数增加时，SPI的溶解度反而降低，这可能是由于多次均质使蛋白分子过度展开，疏水作用增强，形成了难溶的聚集体，因而溶解度下降，故选择一次均质最为适宜。由图1C可知，在同一均质条件下，料液比越低，SPI溶解度越高，当蛋白溶液浓度增加，在高压均质处理下，蛋白分子发生解聚的几率越大，其性状的改变也越完全，使得围绕着新暴露的极性基团的结合水增多，蛋白质的水化作用增强。同时，增大了分离蛋白的处理量，表明了选择料液比为1∶8（g∶mL）较好。

2.3 乳化性的变化

2.3.1 均质条件对大豆分离蛋白EAI的影响

SPI溶液经过高压均质改性处理后乳化活性的变化，结果见图2。

图2 均质压力(A)、均值次数(B)及料液比(C)对大豆分离蛋白EAI的影响Fig.2 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on EAI of SPI

蛋白质的乳化活性和溶解性都与表面疏水性有着密切的关联性，总体上均质处理对大豆分离蛋白的乳化活性影响与溶解性趋势基本吻合，由图2A可知，SPI的乳化活性与均质压力呈现先增加后减少的抛物线型趋势，当均质压力＞40 MPa乳化活性会相应的降低，这可能是由于均质过程使SPI分子的疏水基团和亲水基团暴露，增加了亲水性和亲油性，从而增加了乳化性，而压力到达一定阈值时，高压均质的热效应增加，机械作用与热效应相互影响，导致蛋白在一定程度上发生变性，使蛋白的表面疏水性下降，既而SPI的乳化活性下降。图2B表明相同压力下增加均质次数会降低分离蛋白的乳化活性，这是由于均值次数的增加会增强蛋白分子的疏水作用，使其易聚集形成不溶体，降低了蛋白的迁移率，吸附到两相界面的几率减少，使乳化活性下降。由2C可以看出，料液比越低，大豆分离蛋白的乳化活性越高，这是由于料液比的增加提高了蛋白质的溶解性，更多的蛋白溶于水，吸附于油水界面，提高了SPI的乳化活性。综上所述，选择对SPI乳化活性改善最为显著的条件为最佳，即均质压力40 MPa，均质1次，料液比1∶8（g∶mL）。

2.3.2 均质条件对大豆分离蛋白ESI及乳析率的影响

SPI溶液经过高压均质改性处理后乳化稳定性的变化，结果见图3。

图3 均质压力(A)、均值次数(B)及料液比(C)对大豆分离蛋白ESI和乳析率的影响Fig.3 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on ESI and milk dissolving out ratio of SPI

ESI值与乳析率都是反映乳状液稳定性的指标，由图3A、图3B可知，随着均质压力和次数的逐渐增加，SPI的ESI值逐渐升高，乳析率逐步下降，这都表明了SPI的乳化稳定性的增加，这可能是因为高压均质导致了SPI乳化液粒径减小，使得脂肪球上浮速度减缓，从而导致了SPI的乳化稳定性增加[17]。由图3C可知，ESI随着料液比的增加而增加，但变化趋势较小；乳析率与料液比呈现负相关趋势。由于蛋白质分子是两性分子，会自由的迁移至油-水两相界面，降低自由能以维持体系的稳定，高压均质处理使得蛋白质分子构象改变，更有利于分子的迁移，使蛋白的乳化稳定性得到了改善。

2.4 起泡性及泡沫稳定性的变化

SPI溶液经过高压均质改性处理后起泡性及泡沫稳定性的变化，结果见图4。

图4 均质压力(A)、均值次数(B)及料液比(C)对大豆分离蛋白起泡性和泡沫稳定性的影响Fig.4 Effect of homogenization pressure (A),homogenization times(B) and solid to liquid ratio (C) on foamability and foam stability of SPI

SPI分子包含极性基团和疏水基团，使得其具有表面活性，能降低溶液的表面张力，在剧烈搅拌时形成泡沫[18]。由图4可知，在一定范围内，高压均质处理可明显提高SPI的起泡性和泡沫稳定性，并随着高压均质压力、次数和物料浓度的增加而逐渐增强。这可能是由于高压均质的压力和剪切力使得SPI分子部分展开，使其内的疏水基团暴露出来，在形成溶液与空气的界面的同时，蛋白分子之间相互作用，形成了更为稳定的界面膜，故而使SPI的起泡能力增强。

3 结论

本实验研究了高压均质处理后SPI及其组分功能特性的变化情况。综上所述，高压均质在一定条件下能够改善SPI的部分功能性质，有效地提高了溶解性、乳化活性、乳化稳定性、起泡性和泡沫稳定性等功能特性。随着均质压力的升高各项功能特性除乳化活性外均显著增强；溶解性和乳化活性随着均质次数的增多而下降，起泡能力和泡沫稳定性则升高；物料浓度的增加则使得SPI的功能特性均得到改善。根据高压均质对大豆分离蛋白各项功能性质的改善情况，选择高压均质条件为均质压力为40 MPa，均质一次，料液比为1∶8（g∶mL）为最优。高压均质技术的连续性能够更好应用于工业，且产品营养损失少，稳定性高，是目前食品加工领域的一项高新技术，其在工业上应用的研究具有十分重要的现实意义。

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