影响乳清分离蛋白乳化特性的因素研究

易建华， 孙艺飞， 朱振宝

(陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安 710021)



影响乳清分离蛋白乳化特性的因素研究

易建华， 孙艺飞， 朱振宝

(陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安 710021)

以乳清分离蛋白(WPI)与大豆油为原料，采用高压均质技术制备水包油型(O/W)型乳液；探究了pH(2.0～10.0)、温度(60 ℃～90 ℃)、离子强度(0～600 mM)等因素对WPI乳化性及乳化稳定性的影响.结果表明：pH对WPI乳化特性影响较大，在等电点(4.0～5.0)附近，WPI表现出最低的乳化性及乳化稳定性，pH远离蛋白质等电点，WPI乳化性及乳化稳定性明显提升；温度影响WPI乳化特性，同时受pH作用，当pH 3.0时，WPI在80 ℃时乳化性较好，pH 7.0时，WPI在60 ℃时有较好的乳化性；低离子强度可提高WPI的乳化特性，而高离子强度则降低了WPI的乳化特性；中性条件下，一定程度的热处理提高了WPI对离子强度的耐受力.

乳清分离蛋白； 乳化性； 乳化稳定性； 影响因素

0 引言

乳清分离蛋白(WPI)是利用现代生产工艺从牛奶中提取出来的蛋白质，它是一些小的、 紧密的球状蛋白,其独特的氨基酸序列和三维结构赋予它广泛的功能特性[1].WPI具有高蛋白、低脂肪、低胆固醇的特点,有很高的营养价值和生物学效价,被营养学界誉为“蛋白质之王”[2].

在食品工业中，蛋白质因其具有良好的亲水亲油特性而被广泛用作食品乳化剂.乳化性是蛋白质一个非常重要的功能特性，这个特性对于食品产品最终形成稳定的乳浊体系发挥重要作用[3].但食品乳浊液体系一般是由多元成分组成的复合体系，不仅有蛋白质等大分子物质，也有盐离子(如钠离子)等小分子物质，这些小分子具有极强的表面活性，对食品乳浊液的形成及后期的稳定性方面起着重要作用，它们在食品混合体系中通过与蛋白质的相互作用，对蛋白质的乳化特性产生重要影响[4].除此之外，蛋白质的氨基酸组成、分子大小及结构形态等固有的物理属性及所处的环境情况(如温度、 pH值、电离强度等)都会影响其乳化特性，因此对蛋白质乳化特性的影响因素的研究就显得很有必要.本试验分析了pH、温度、离子强度等因素对WPI乳化性及乳化稳定性的影响，以期为WPI的进一步开发利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

1.1.1 主要材料与试剂

乳清分离蛋白,Davisc WPI95 ，WPI蛋白质含量为96.5% ，乳清分离蛋白中的主要蛋白成分为55%～61%β-LG 、19%～22%α-LG 、 6%～8%牛血清白蛋白，上海福诺食品有限公司；氯化钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、叠氮钠、氢氧化钠,分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；大豆油,金龙鱼食品有限公司.

1.1.2 主要仪器

电子天平,BS323S 型，赛多利斯科学仪器北京有限公司；磁力搅拌器,84-1 型，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；精密pH计，PB-10 型，赛多利斯科学仪器北京有限公司；超细匀浆器,F6 / 10-10G 型，上海弗鲁克流体机械制造有限公司；超高压均质机,HP-4L 科研型，喜高精密流体机械有限公司；分光光度计,722型，上海第三分析仪器厂.

1.2 实验方法

1.2.1 乳状液的制备

[5,6]，略有改动.称取0.5 g WPI，用5 mM pH 7.0 的磷酸缓冲液将其溶解于50 mL容量瓶中并定容，配制成1%的蛋白质溶液.乳液加入0.02% 的叠氮钠防腐.室温下磁力搅拌2 h ,置于4 ℃冰箱中冷藏过夜，后按照1∶3的体积加入一定量的大豆油，通过手持式超细匀浆机搅拌混合形成粗乳，然后在50 MPa 条件下高压均质3次,得到乳化均匀的乳状液.

1.2.2 乳化性及乳化稳定性的测定[7]

采用浊度法测定乳化性及乳化稳定性.用移液枪吸取100μL待测WPI溶液，加入20 mL0.1%SDS，用振荡器振荡30 s后于500 nm处测其吸光值A0，并于10 min后测其吸光值A10.乳化性用EAI表征，乳化稳定性用ESI表征[8].

(1)

式(1)中：DF为稀释倍数，C为蛋白质浓度(g/mL)，φ为光路(1 cm)，θ为油体积分数(0.25).

(2)

式(2)中：A0为0 min的吸光值；A10为10 min后的吸光值；Δt为时间差，min.

1.2.3 pH对WPI乳化特性的影响

采用1.2.1方法制备蛋白质溶液.用0.1 M HCl 、0.1 M NaOH 溶液调节蛋白质溶液pH分别至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0.测定蛋白质EAI、ESI，探究pH对WPI乳化特性影响.

1.2.4 离子强度对WPI乳化特性的影响

分别配制pH 3.0、pH 7.0 1% WPI溶液，于蛋白质溶液缓慢加入0 、50 、100 、150 、200 、300 、400 、600 mM NaCl ，测定蛋白质EAI、ESI，研究离子强度对WPI乳化性影响.

1.2.5 温度对WPI乳化特性的影响

按照1.2.1制备WPI乳液.乳液于60、65、70、75、80、85、90 ℃处理10 min，测定蛋白质EAI、ESI，研究温度对WPI乳化特性影响.

1.2.6 加热与离子强度复合处理对蛋白质乳化特性影响

采用1.2.4方法制备分别含0 、50 、100 、150 、200 、300 、400 、600 mM NaCl蛋白质溶液，放入4 ℃冰箱过夜，于65 ℃下加热10 min，加入一定量的大豆油，制备蛋白质乳液，然后测其乳化性及乳化稳定性.

1.3 数据分析

所有实验均重复3次，采用Origin 8.0对实验数据进行统计分析.

2 结果与讨论

2.1 pH对WPI乳化特性的影响

pH对WPI乳化性及乳化稳定性的影响如图1所示.由图1可以看出，WPI乳化性与乳化稳定性变化趋势基本相似.pH 4.0时，WPI乳化性最低，这主要是由于WPI等电点在4.0附近，这时乳清分离蛋白的溶解度最小，因此，蛋白质形成乳状液的能力下降.由图1还可以看出，WPI在碱性条件下的乳化性及乳化稳定性较好，且随pH升高，其乳化特性有明显提高趋势，这与郑亚军等[9]的研究一致.这可能是由于氢氧根离子的作用，使羧基数量增多，增加了分子间的静电斥力，加厚了离散双电层，使溶液界面膜增厚，同时也有利于胶束的形成，因此乳化性得以提高.此外，pH变化还影响了蛋白质亲水亲油的平衡及柔性，这些因素都会影响蛋白质的乳化特性[10].

图1 pH对WPI乳化性及乳化稳定性影响(温度25 ℃、0 mM NaCl)

2.2 热处理对WPI乳化特性的影响

热处理对WPI乳化性及乳化稳定性的影响如图2所示.图2表明，温度对WPI乳化性及乳化稳定性的影响较大；且pH不同时，温度对WPI乳化特性影响存在差异.由图2(a)可以看出，pH 7.0时，WPI乳化性在60 ℃时达到最高，温度继续升高，乳化性渐差； 而pH 3.0时，WPI乳化性在80 ℃时最高，随着温度继续升高，乳化性呈下降趋势.图2(a)同时表明，pH 7.0时，WPI乳化性明显高于pH 3.0，这可能是由于pH 7.0时WPI溶解度高于pH 3.0的缘故.姚磊等[11]的研究也证实了该研究结果.

由图2(b)可以看出，pH 7.0时，温度对WPI乳化稳定性影响不明显；而pH 3.0时，温度对WPI乳化稳定性影响较大，且70 ℃时，WPI乳化稳定性达到最高，继续升温，乳化稳定性趋于降低.该研究结果说明，适度升温有利于WPI变性，促使WPI分子内部更多的疏水基团露在分子表面，促进蛋白质与油滴发生疏水相互作用，从而表现出良好的乳化性和乳化稳定性[12].但温度继续升高，则蛋白质分子高度变性，分子扭结，导致乳化特性的降低[13].

(a)温度对WPI乳化性影响

(b)温度对WPI乳化稳定性影响图2 温度对WPI乳化特性影响(0 mM NaCl)

2.3 离子强度对WPI乳化特性的影响

离子强度对乳清分离蛋白的乳化性及乳化稳定性的影响如图3所示.由图3可以看出，离子强度对乳清分离蛋白乳化特性有不同程度的影响. pH 7.0时，0～100 mM NaCl，随离子强度增大WPI乳化性明显提升，且100 mM时NaCl乳化性最好；离子强度>100 mM NaCl，随着离子强度的增加，WPI乳化性逐渐降低，并趋于稳定.pH 3.0时，离子强度对WPI乳化性影响趋势与pH 7.0基本相同.这与Wan等[14]的研究结果一致.可见，较低浓度的氯化钠溶液有利于增加乳清分离蛋白的乳化特性，这是因为适当的离子强度可促进WPI盐溶性蛋白充分溶解，脂肪粒被包裹，从而提高其乳状液的乳化活性.而较高的离子强度掩蔽蛋白质本身所带的电荷，降低了静电排斥作用，导致蛋白质在水中的溶解度减弱，从而降低了蛋白质的乳化性[15].

(a)离子强度对WPI乳化性影响

(b)离子强度对WPI乳化稳定性影响图3 离子强度对WPI乳化特性影响(温度25 ℃)

2.4 离子强度与加热复合处理对WPI乳化特性的影响

蛋白质溶液65 ℃下处理10 min后，制备不同离子强度的WPI乳液，热处理与离子强度复合作用对WPI乳化特性的影响如图4所示.由图4可以看出，热处理与离子强度复合作用对WPI乳化性和乳化稳定性影响有所不同.与空白对照相比，蛋白质热处理后，离子强度的增大具有降低蛋白质的乳化性趋势，且受pH影响较小；同样，pH 3.0时，蛋白质热处理后，体系引入离子强度降低了蛋白质乳化稳定性；然而，pH 7.0时，热处理总体提高了蛋白质对离子强度的耐受力，乳液稳定性有不同程度的提高，且50 mM NaCl的体系稳定性显著提升.该研究表明，中性条件下，离子强度较低时，乳液稳定性主要受静电排斥影响，而离子强度较高时，乳液稳定性主要受蛋白质空间排斥影响，加热加速蛋白质巯基转化为二硫键，增大了蛋白质空间位阻，从而提高了乳液稳定性.该研究结果与Tcholakova等[16]的研究基本一致.

(a)热处理与离子强度相互作用对WPI乳化性影响

(b)热处理与离子强度相互作用对WPI乳化稳定性影响图4 热处理与离子强度相互作用对WPI乳化特性影响(温度65 ℃、热处理时间10 min)

3 结论

pH是影响WPI乳化特性的重要因素之一.在等电点附近，WPI表现出最低的乳化性及乳化稳定性，pH远离蛋白质等电点，WPI乳化性及乳化稳定性明显提升；温度影响WPI乳化特性，同时受pH作用，当pH 3.0时，WPI在80 ℃时乳化性较好， pH 7.0时，WPI在60 ℃时有较好的乳化性；低离子强度可提高WPI的乳化特性，而高离子强度则降低了WPI乳化特性；在中性条件下，一定程度的热处理提高了WPI对离子强度的耐受力.

参考文献

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【责任编辑：陈 佳】

Study on the factors influencing the emulsifying properties of whey protein isolates

YI Jian-hua， SUN Yi-fei， ZHU Zhen-bao

(School of Food and Biological Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China)

In this paper,whey protein isolates (WPI) and soybean oil were used to prepare oil-in-water (O/W) emulsions using high-pressure homogenization.The effects of pH (2.0～10.0),temperature (60 ℃～90 ℃) and ionic strength (0～600 mM) on the emulsification and emulsion stability of WPI were investigated.The results showed that pH greatly affected the emulsifying properties of WPI.The emulsification and emulsion stability of WPI were the lowest between pH 4.0 and 5.0,which was the isoelectric point(PI) of WPI.When the pH was away from the isoelectric point,the emulsification and emulsion stability were improved obviously.The temperature also affected the emulsifying properties of WPI,and at the same time,it was being affected by pH.At pH 3.0,the best temperature of the emulsification of WPI was 80 ℃,while it was 60 ℃ at pH 7.0.Lower ionic strength generally increased the emulsifying properties of WPI,whereas,higher ionic strength generally decreased those of WPI.In the neutral condition,the endurance of WPI to ionic strength was improved by heat treatment.

whey protein isolate; emulsification; emulsion stability; affecting factors

2017-01-21

国家自然科学基金项目(31671888)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目(2017BJ-21)

易建华(1971-)，女，河南信阳人，教授，博士，研究方向：油脂与蛋白质化学

2096-398X(2017)04-0112-05

TS202.3

A