微波处理对大豆分离蛋白-磷脂复合体系功能特性的影响

李秋慧，李　杨，隋晓楠，王中江，齐宝坤，江连洲*

（东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

微波处理对大豆分离蛋白-磷脂复合体系功能特性的影响

李秋慧，李杨，隋晓楠，王中江，齐宝坤，江连洲*

（东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

研究不同微波功率处理对大豆分离蛋白-磷脂复合体系起泡性、乳化性、凝胶性等功能特性的影响，对大豆分离蛋白-磷脂复合体系分别进行了起泡活性、泡沫稳定性、乳化活性、乳化稳定性、絮凝指数、乳层析指数、持水性及质构性的测定并通过扫描电子微镜技术对凝胶的微观结构变化进行观察。结果发现：随着微波功率的增加，复合体系的起泡性质、乳化性质、凝胶性质均基本呈现先升高后降低的趋势。其中，当微波功率为900 W时，复合体系的起泡性质和乳化性质均表现最佳；当微波功率为1 100 W时，复合体系的凝胶性质较对照组有明显提高，这表明微波处理会促进大豆分离蛋白与磷脂通过相互作用在水油界面上形成较稳定的界面膜，且蛋白适宜的结构改变可以提高复合体系的凝胶特性。

大豆分离蛋白；磷脂；微波处理；功能特性

大豆分离蛋白（soybean protein isolate，SPI）是一种具有较高营养价值的植物蛋白，由于其高蛋白含量以及特殊的化学结构使其具有多种可以在食品工业中广泛应用的功能特性，然而单一的天然SPI由于其结构的限制以及易变性等缺点使其不能很好地满足食品工业对蛋白质的多种需求。大豆卵磷脂（lecithin，Lec）是一种自然界广泛存在的具有乳化等功能的天然表面活性剂，由于其结构中同时具有典型的双亲结构（亲水基团和亲油基团）而常常被添加到大豆蛋白中以增强食品的功能特性。王欢等［1］研究表明大豆蛋白与磷脂之间存在交互作用，这种交互作用对乳化体系结构有一定影响，可以提高体系的物理稳定性；王妍等［2］研究发现大豆蛋白中7S和11S的不同组分与磷脂复合所形成的乳状液中7S蛋白组分更有助于复合体系的乳化稳定性。Comas等［3］也提出大豆蛋白与卵磷脂交联复合后所制备的复合液功能特性得到明显提高。李菊芳等［4］对不同pH值处理条件对大豆蛋白-磷脂复合体系的物理及化学特性进行探究，发现磷脂的特殊双亲结构可以使大豆蛋白在水中的分散性能提高，防止形成的乳状液发生絮凝和聚集。

目前，微波技术在食品加工业中得到了广泛应用，但有关微波处理对食品天然营养成分、添加剂等影响的研究仍较少，对天然复合乳化剂的影响更尚属空白。因此，本实验探究不同功率条件下微波处理对SPI-磷脂复合体系重要功能特性的影响，以期为微波技术在食品加工业中的合理应用提供参考。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

SPI 哈尔滨高科技（集团）股份有限公司；大豆卵磷脂 深圳康之源生物科技有限公司；金龙鱼葵花籽油 哈尔滨沃尔玛超市；十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、盐酸、氢氧化钠等均为分析纯。

1.2仪器与设备

磁力搅拌器 广州仪科实验室技术有限公司；HR-7103EI型微波炉 青岛海尔集团有限公司；TU-1800紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；Mastersize2000激光粒度分析仪 英国马尔文公司；T18 Basic高速乳化均质机 德国IKA公司；S3400扫描电子显微镜 天美（中国）科学仪器有限公司；水浴锅 郑州南北仪器设备有限公司。

1.3方法

1.3.1SPI-磷脂复合体系的制备

根据已有的研究方法稍做修改，分别称取100 mg SPI和10 mg大豆磷脂样品，溶解于100 mL pH 7.2的0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液中，室温条件下磁力搅拌溶液1 h，得SPI-磷脂复合体系［5-7］。

1.3.2微波处理

调整微波炉的输出功率分别为500、700、900、 1 100、1 300 W，设置加热时间为2 min，将制备好的SPI-磷脂复合体系置于微波炉物料台中，启动微波按钮。微波处理结束后，立即测量复合体系的乳化特性。根据微波功率的不同，将样品分别记为SPI-Lec500、SPI-Lec700、SPI-Lec900、SPI-Lec1100、SPI-Lec1300；未经微波处理的SPI-磷脂复合体系作为对照组，记为SPI-Lec。1.3.3 起泡性（foam activity index，FAI）及泡沫稳定性（foam stabilizing index，FSI）的测定

参考孙冰玉等［8］的方法，准确量取微波处理后的SPI-磷脂复合溶液各2 mL，于50 mL比色管中。通过一内径为1 mm的毛细管以0.031 Pa压力通入空气，20 s后停止并迅速测定泡沫体积，5 min后再测一次泡沫体积。实验时间为5 min，分别按公式（1）、（2）计算FAI和FSI。

式中：V0为通入空气20 s后停止时测得的泡沫体积/mL；ΔV为停止通入空气0 min和5 min后的泡沫体积的差值/mL；t为实验时间/min。

1.3.4乳化性质的测定

1.3.4.1乳化活性（emulsifying activity index，EAI）及乳化稳定性（emulsifying stabilizing index，ESI）的测定取9 mL对照样品及微波处理后的SPI-磷脂复合溶液与3 mL葵花籽油混合搅拌，预乳化后倒入25 mL烧杯中，用20 000 r/min的高速乳化均质机进行乳化2 min，制备得新鲜乳液。乳化性的测定参考Molina等［9］的方法。将均质后的新鲜乳液用质量分数0.1%的SDS溶液稀释到300 倍，在500 nm波长处用紫外分光光度计测定吸光度A0，静置30 min后测定吸光度A30，分别按公式（3）、

（4）计算EAI和ESI。

式中：ρ为乳化液形成前蛋白质水溶液中蛋白质质量浓度/（g/mL）；L为比色杯厚度（1 cm）；φ为乳化液中油相体积分数/%。

1.3.4.2乳滴絮凝指数（fl occulation index，FI）与乳析指数（creaming index，CI）的测定

FI的测定根据Castellani等［10］的方法并稍作修改，将新鲜制备和贮存24 h的乳液分别在蒸馏水、1% SDS稀释的条件下，采用Mastersize2000激光粒度分析仪对均质后的新鲜乳状液的粒度进行测定，每个样品重复测定3 次。测定参数设置为：测定温度25 ℃，颗粒折射率1.520，颗粒吸收率0.001，分散剂为水，分散剂折射率1.330。实验采用体积平均直径D4，3表征液滴平均粒度的大小，FI按公式（5）计算。

式中：D4，3-水和D4，3-SDS分别为乳液在水和1% SDS分散剂中的体积平均直径。

CI的测定参考邵云［11］的方法，取新鲜乳液至10 mL玻璃试管中，封口密闭，置于室温贮存10 d观察乳液状态，上层为乳析层，下层为清液层，CI按公式（6）计算。

式中：Hs为下层清液高度/cm；Ht为整个乳化液的高度/cm。

1.3.5凝胶性质的测定

1.3.5.1持水性（water holding capacity，WHC）

将对照样品及微波处理后的SPI-磷脂复合物以1∶10（m/V）的比例溶解于0.5 mol/L、pH 6.2的磷酸盐缓冲溶液中，在90 ℃条件下的水浴锅中加热30 min后取出，4 ℃条件下静置24 h，制得凝胶，取出离心管，称质量（m0/g），将制备好的凝胶转移至离心筒中再次称质量（m1/g），在3 500 r/min、4 ℃离心30 min，倒掉离心出的水，将离心筒倒置于铺有吸水毛巾的桌面上，15 min后称质量（m2/g），WHC按公式（7）计算。

1.3.5.2质构特性

参考Hu Hao等［12］的方法并稍作修改，利用质构仪测定对照样品及微波处理后的SPI-磷脂复合凝胶的质构性质。探头的类型选定为P/0.5，测定参数设定为：测前速率：1.0 mm/s；测定速率：0.5 mm/s，测后速率：1.0 mm/s，测定距离5.0 mm，触发类型为自动，触发力为5 g，数据获得速率为200 pps，分别记录凝胶样品的硬度与弹性。

1.3.5.3凝胶微观结构

选取制备24 h后的对照样品及微波处理后的SPI-磷脂复合凝胶样品，用质量分数2.5%的戊二醛固定2 h，采用乙醇梯度脱水，每次洗脱15 min，然后对样品进行临界点干燥，在干燥的样品表面经离子溅射仪喷金，置于扫描电子显微镜下观察，加速电压设定为10 kV，每个样品观察8 个区域并进行拍照。

1.4数据处理

实验数据均测量3 次，结果表示为?采用SPSS软件中一维方差分析（analysis of variance，ANOVA）比较分析样品平均值之间的显著性差异，P＜0.05为差异显著，数据用Origin 9.0软件绘制趋势曲线图。

2　结果与分析

2.1微波处理对SPI-磷脂复合体系起泡性质的影响

图1　不同微波处理对SPI-磷脂复合体系FAI及FSI的影响Fig.1　Effect of different microwave treatments on foaming activity and foam stability of the composite system

FAI及FSI是蛋白质重要的功能特性之一，由图1可知，随微波功率的增大，复合体系的FAI及FSI呈先增大后减小趋势。当微波功率达到900 W时，复合体系的FAI达最大值，为34.1 mL；FSI达最大值，为35.7 min，微波功率继续增大时，FAI及FSI降低。结果表明，微波功率在500～900 W范围内，改性后的复合体系FAI及FSI有显著提高。这与Zhou Bin等［13］的研究结果相符合，是由于蛋白质和作为极性分子的水在高频率、强电场强度的微波场中可被极化，随着微波场极性的迅速改变，蛋白质及水分子将微波能转换成热能从而使自身温度升高，引起了蛋白质内部结构的暴露与舒展，原来在分子内部的一些非极性基团暴露于分子表面，促进水-空气界面的形成，同时蛋白质分子伸展与磷脂之间的疏水作用增强，形成了更为稳定的二维网络结构和界面膜，故FAI和FSI增强。但当微波功率不断增大时，过度的热效应导致蛋白质结构变性程度过大，可溶性蛋白质含量降低，FAI及FSI反而下降［14］。同时，李迎秋等［15］研究也指出电场强度极度增大时，SPI分子的结构会进一步展开，其内部的疏水基团和巯基进一步暴露，极化的蛋白分子之间通过非共价键重新形成更大的分子聚集体，甚至发生变性，导致水-空气界面膜的稳定性下降，因此FSI下降。

2.2微波处理对SPI-磷脂复合体系乳化性质的影响

2.2.1微波处理对SPI-磷脂复合体系EAI及ESI的影响

SPI与磷脂常常作为天然乳化剂用于食品工业生产中，因此对不同微波处理条件下的SPI-磷脂复合体系的EAI及ESI指标的考察至关重要。由图2可知，在0～900 W范围内，随着微波功率的增强，复合体系的EAI和ESI逐渐增强，微波处理条件为900 W时复合体系的EAI和ESI最强。但随着微波处理功率的进一步增大，其EAI和ESI反而呈下降趋势。海日罕等［16］指出由于微波功率过小，SPI分子在高频电磁场中不能充分地受热和做极性运动，从而无法更好地与其他小分子基团相互作用，并且结构暴露不彻底，故改性程度较低；而微波功率过大，蛋白质在高频电磁场中受到热变性作用，且因温度升高过快，使蛋白质溶液处于沸腾状态难以控制。蔡建荣等［17］同样研究发现在一定微波功率范围内，随着微波处理功率的增加，微波场诱导蛋白质分子产生极化现象，维持蛋白质空间结构的非共价键（疏水相互作用、二硫键、静电相互作用）被破坏，SPI分子部分展开。在微波处理过程中由于分子的柔性提高，疏水性增强，与亲水性较好的磷脂形成双亲结构的SPI-磷脂复合物，使疏水性的磷脂尾部基团与疏水性蛋白区域更好地包裹油滴，亲水性的磷脂头部与亲水性蛋白区域更好地伸入水相中去，更多的复合物质结合到油-水界面，降低水油间的界面张力，提高了复合体系的乳化特性，形成稳定性较好的界面膜，延缓油滴的聚集，保持乳液的稳定性。但是，当微波功率过大时，SPI分子进一步展开，极化的蛋白分子之间相互吸引，通过疏水相互作用、二硫键、静电相互作用及氢键等重新形成分子聚集体，分子的柔性降低，表面疏水性减弱，加入的磷脂会单独形成部分与复合体系大小不一的乳滴，导致乳液液滴分布不均匀，粒径大小不均，造成液滴易发生迁移、流动、聚集、絮凝等现象［18］。

图2　不同微波处理对SPI-磷脂复合体系EAI及ESI的影响Fig.2　Effect of different microwave treatments on emulsifying activity and emulsion stability of the composite system

2.2.2微波处理对SPI-磷脂复合体系乳化特性的影响

表1　不同微波处理下SPI-磷脂复合体系的乳化特性Table1　Emulsifying characteristics includingD44，33， CI and FI of the composite emulsions subjected to different microwave treatments

表1　不同微波处理下SPI-磷脂复合体系的乳化特性Table1　Emulsifying characteristics includingD44，33， CI and FI of the composite emulsions subjected to different microwave treatments

注：同列肩标小写字母不同表示差异显著（P＜0.05）。

D4，3/μmCI/%FI/%FI/%（24 h）蒸馏水SDS蒸馏水（24 h）SDS（24 h）SPI-Lec20.866±0.150a19.072±0.120a34.713±0.060a19.918±0.020a60.3±0.2a9.40±0.06a74.20±0.17aSPI-Lec500 17.814±0.020b16.411±0.020c23.356±0.030c17.625±0.050c58.2±0.2b8.50±0.04b32.50±0.06bSPI-Lec700 16.932±0.080c16.201±0.060d20.702±0.010d17.598±0.080c55.6±0.1d4.50±0.07c17.70±0.04eSPI-Lec900 16.185±0.020d15.872±0.030e17.223±0.140e16.372±0.060d50.3±0.2e1.90±0.03d5.20±0.08fSPI-Lec1100 16.788±0.030c16.476±0.030c23.791±0.020b18.355±0.030b57.3±0.3c1.80±0.09d29.60±0.12cSPI-Lec1300 17.026±0.030c16.711±0.100b23.234±0.040c18.302±0.040b55.6±0.2d1.80±0.08d26.90±0.03d样品

乳液中油滴的粒径大小是反映乳化剂分散能力的一个重要指标，可以直观地展示乳液中油滴的分散状态。由表1可知，经微波处理后的SPI-磷脂稳定乳液的D4，3均明显小于未处理的SPI-磷脂乳液，且在贮存24 h后D4，3均有所增大，但当微波处理为900 W时D4，3变化最小。这与乳液的乳化活性变化较为一致，Arzeni等［19］研究指出乳液的乳化特性不仅与SPI质量浓度有关，也与乳液中乳化剂的性质（如蛋白质变性、凝结程度等）有关。此实验证明微波处理诱使蛋白质局部变性导致了SPI柔性结构的展开，有助于提高蛋白质的乳化能力。

除乳化能力外，油滴的絮凝状态和分层状态也是影响乳液稳定性的重要指标，可通过乳液的FI和CI来表示。乳液中油滴的FI是指乳液间悬浮油滴依靠相互作用力聚集一起甚至形成絮团的过程，而SDS作为一种表面活性剂可以分散乳液中絮凝的油滴，使其以单个个体的形式存在，故油滴的絮凝可以通过比较乳液油滴在水及1% SDS不同分散剂中D4，3的相对变化值进行表征［20］。由表1可知，随着微波处理功率的不断增大，乳液静置24 h后的FI与CI值先减小后增大，由此可见乳液的稳定性随着微波处理的功率的增大而先增强后降低，其中在SPI-Lec900型乳液中，FI和CI经24 h均达到最小值，此时蛋白质分子结构伸展最为适宜，与磷脂结合位点最多，形成的SPI-磷脂界面膜最为稳定。且24 h后的FI与CI变化趋势较为一致，因此说明乳液中的油滴参与了乳液脂肪的上浮，产生分层现象是与新制乳液的絮凝状态有关［21］。由于乳滴的絮凝会加快油滴的聚合形成大型油滴，在力的作用下会加速油-水界面分离，所以FI变化越大，乳液越易产生分层，CI越大，这与邵云［11］的研究结果相一致。

2.3微波处理对SPI-磷脂复合体系凝胶性质的影响

2.3.1微波处理对SPI-磷脂复合体系凝胶WHC的影响

凝胶持水性能够影响食品的多汁性、嫩度、香味等感官品质。微波处理对SPI-磷脂复合体系WHC的影响如图3所示，结果表明微波处理对复合体系的WHC有显著影响。随着微波处理功率的增大，复合体系凝胶WHC不断增大，其中复合体系在微波处理1 100 W时WHC提高最明显。

车永真等［22］指出凝胶WHC主要依靠蛋白质分子所带的电荷以及氢键的作用。微波处理对SPI进行改性，能够以不同程度破坏蛋白分子内部的氢键，在与磷脂复合加热形成凝胶过程中使得蛋白质-蛋白质、蛋白质-水和蛋白质-磷脂的作用加强，凝胶样品在4 ℃保存过程中能够促进新的氢键的形 成，提高WHC。其中1 100 W处理的样品效果最为明显的原因可能是因为微波功率较大，蛋白质结构舒展程度大，结构中氢键暴露较多，导致其所带电荷量增多，从而通过改变氢键以及疏水相互作用力提升凝胶的WHC。而经1 300 W处理的SPI，因为聚集体的形成，使其与磷脂交互作用减弱，阻碍胶体片层网络结构的形成。

图3　不同微波处理对SPI-磷脂复合体系WHC的影响Fig.3　Effect of different microwave treatments on water-holding capacity of the composite system

2.3.2微波处理对SPI-磷脂复合体系凝胶质构特性的影响

硬度和弹性是衡量凝胶样品质构特性的重要指标。硬度是指样品被压缩所需的最大力；弹性是指样品第一次被压缩后恢复的距离。经不同微波处理的SPI-磷脂复合体系的硬度及弹性如图4所示。微波改性能够改善SPI-磷脂复合体系的硬度和弹性，样品SPI-Lec500、SPI-Lec700、S PI-Lec900、SPI-Lec1100与对照组SPI-Lec相比，在硬度与弹性方面分别提高了5.61 g、0.08 mm；7.17 g、0.14 mm；11.13 g、0.18 mm；12.26 g、0.21 mm。其中经1 100 W处理的SPI-磷脂的硬度及弹性提高显著。

图4　不同微波处理对SPI-磷脂复合体系凝胶硬度和弹性的影响Fig.4　Effect of different microwave treatments on hardness and elasticity of the composite system

SPI经微波处理不但能够促进疏水基团外露形成SPI-磷脂较强疏水作用力，而且能使内部的巯基暴露，促进二硫键的形成及交换［23］。大量的疏水性氨基酸及二硫键的存在，有利于大豆蛋白形成稳固的凝胶。更大功率的微波处理还能够使亚基解离，使蛋白-蛋白、蛋白-磷脂通过疏水相互作用生成三维网状结构，大量的巯基和二硫键的存在能够使分子间的网络得到加强，从而改善硬度和弹性。而1 300 W功率处理对SPI-磷脂复合体系的硬度及弹性影响反而降低，原因可能是因为过高微波功率导致复合溶液发生聚沉现象，大量不溶聚集体的形成降低了疏水相互作用，阻碍了凝胶网络结构的形成。

2.3.3微波处理对SPI-磷脂复合体系凝胶微观结构的影响

图5　5 不同微波处理对SPI-磷脂复合体系凝胶微观结构的影响（×500）500Fig.5　Effect of different microwave treatments on microstructure of the composite system （× 500）

凝胶的微观结构与蛋白质的凝胶特性密切相关［24］。由图5可知，SPI-Lec对照组的凝胶网络不仅排列杂乱，凝胶表面有不规则大型空洞形成，并且网络结构粗糙，有明显的断层感。SPI-Lec1100样品内部显微结构无明显大空洞，网络结构致密均匀、网格细小，蛋白质交联程度大；其原因是1 100 W处理能够使蛋白质亚基解离，暴露更多的疏水氨基与巯基，磷脂通过疏水相互作用与蛋白质易形成更加稳定的网络结构；同时，大量的巯基和二硫键的存在能够使分子间的网络得到加强，形成明显的交联片层网络结构［25］。而SPI-Lec1300样品凝胶与其他样品相比结构不均匀程度明显增大，并且样品中孔洞过大交联结构过于混乱，且可明显观察到大部分结构聚集在一起。因此，过高的微波功率处理导致蛋白质变性严重，结构松散无规则，大量电荷暴露，一方面会产生排斥现象，另一方面会形成聚集体甚至是结块。

3　结 论

在一定功率范围内的微波处理可提高SPI-磷脂复合体系的起泡性特性、乳化特性及凝胶性质。随着微波处理功率的增大，SPI-磷脂复合体系的起泡特性及乳化特性基本呈先增加后降低的趋势，功率为900 W的微波处理可明显改善SPI-磷脂复合体系的起泡性和乳化特性；当功率为1 100 W的微波处理可明显改善SPI-磷脂复合体系的凝胶特性，因此，适量微波处理会明显改善SPI-磷脂复合体系的功能性质，这将为现今食品工业中蛋白的生产以及微波技术的应用提供参考。

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Effect of Microwave Treatment on Functional Properties of Soybean Isolate Protein-Phospholipid System

LI Qiuhui， LI Yang， SUI Xiaonan， WANG Zhongjiang， QI Baokun， JIANG Lianzhou*
（College of Food Science， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China）

This research studied the effect of different microwave power levels on foaming， emulsifying and gel properties of soybean protein isolate-phospholipid system by measuring foaming activity， foam stability， emulsifying activity， emulsion stability， flocculation index， creaming index， water retention and gel texture， as well as by examining gel microstructure under scanning electron microscope. The results showed that foaming activity， emulsifying capacity and gel properties were increased at first and then decreased with microwave power. In addition， when the microwave power was 900 W， the composite system exhibited the best foaming properties and emulsifying properties； at 1 100 W microwave power， the gel properties were improved significantly when compared with the control sample， indicating that microwave could promote the formation of soybean protein isolate-phospholipid system at the water/oil interface and that structural changes of the protein could improve gel properties of the composite system.

soybean protein isolate； phospholipid； microwave treatment； functional properties

10.7506/spkx1002-6630-201619007

TS214. 2

A

1002-6630（2016）19-0042-06

李秋慧， 李杨， 隋晓楠， 等. 微波处理对大豆分离蛋白-磷脂复合体系功能特性的影响［J］. 食品科学， 2016， 37（19）： 42-47. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201619007. http：//www.spkx.net.cn

LI Qiuhui， LI Yang， SUI Xiaonan， et al. Effect of microwave treatment on functional properties of soybean isolate proteinphospholipid system［J］. Food Science， 2016， 37（19）： 42-47. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201619007. http：//www.spkx.net.cn

2015-12-21

国家自然科学基金青年科学基金项目（31301501）；黑龙江省自然科学基金重点项目（ZD201302）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAD22B00）；高等学校博士生学科点专项科研基金博导类资助课题（20132325110013）

李秋慧（1991—），女，硕士研究生，研究方向为粮食、油脂与植物蛋白工程。E-mail：cherish_lqh620@163.com

江连洲（1960—），男，教授，博士，研究方向为粮食、油脂与植物蛋白工程。E-mail：jlzname@163.com