湿法糖基化改善卵白蛋白的起泡性

王希希, 许美玉, 林 超, 黄 群, 安凤平(福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002)

湿法糖基化改善卵白蛋白的起泡性

王希希, 许美玉, 林 超, 黄 群, 安凤平
(福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002)

采用湿法糖基化改性以改善卵白蛋白的起泡性，考察葡萄糖添加量、pH、温度和时间对卵白蛋白起泡性及其稳定性的影响，在单因素试验的基础上通过响应面法优化改性工艺条件.结果表明，经湿法糖基化改性后卵白蛋白的起泡性得以显著提高，最佳改性工艺条件为：反应温度60 ℃、pH 7.4、葡萄糖添加量3.5%、加热时间30 min.此条件下改性后卵白蛋白的起泡性为168%，与未改性卵白蛋白起泡性(120%)相比，其起泡性提高40%.

卵白蛋白; 葡萄糖; 湿法糖基化改性; 起泡性; 工艺优化

Abstract: To optimize glycosylation condition for ovalbumin, glucose dosage, pH value, reaction temperature and time were investigated, then Box-Behnken experimental design was applied to optimize the parameters. The result showed that foamability of ovalbumin reached 168%, which was 1.4 times higher than that of unmodified ovalbumin. The optimal modification condition was to add 3.5% glucose under pH 7.4 at 60 ℃ and heated for 30 min.

Keywords: ovalbumin; glucose; glycosylation under wet-heating condition; foaming properties; process optimization

鸡蛋含有丰富的蛋白质，蛋清蛋白不仅具有较高的营养价值，且具有改善各种食品品质和功能的特性.卵白蛋白为蛋清中含量最大的蛋白质，具有理想的乳化性和起泡性，鉴于该方面的功能特性使其对食品在制造、加工或保藏中的物理化学性质起着重要作用，因此广泛应用于食品加工的各个领域，尤其是卵白蛋白的起泡性，在蛋糕和冰淇淋类食品中的应用相当普遍[1-3].但不少天然蛋白质的这些特性尚不突出，不能满足现代食品开发与加工的需要，往往要通过特定的方法来提高它的功能特性，使其应用领域更加广泛[4].研究表明，对卵白蛋白进行适度改性可以提高卵白蛋白的起泡性能，其改性的方法包括物理法、化学法、酶法和基因工程方法等[5].研究显示，化学法和酶法改性是提高蛋白质功能特性的有效途径，但化学法改性在改变结构和功能特性方面比酶法更有效[6].糖基化改性是化学法改性中常见的改性方法，糖与蛋白质的α-或ε-氨基共价链接形成糖基化蛋白聚合物，在蛋白质的乳化活性、乳化稳定性、热稳定性以及起泡性等方面产生显著影响.即使在酸性及高盐溶液中，卵清蛋白—葡萄糖复合物也具有良好的乳化活性和稳定性[7].目前湿法糖基化改性对卵白蛋白起泡特性的研究较少，对单糖改善卵白蛋白起泡性的研究也不多，且主要集中在提高蛋白乳化性和凝胶性的影响方面.因此，本试验采用湿法糖基化改性改善卵白蛋白起泡性的方法，探讨葡萄糖添加量、pH、温度和时间对卵白蛋白起泡性的影响，以拓展卵白蛋白在起泡产品方面的应用范围.

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜鸡蛋从超市购买.

试剂有硫酸铵、氢氧化钠、葡萄糖和盐酸等，均为分析纯.

主要仪器与设备有HJ-3数显恒温磁力搅拌器(常州澳华仪器有限公司)、PHS-4A实验室pH计(上海向阳科学仪器厂)、LXJ-IIB离心机(上海安亭科学仪器厂)、FD5-series真空冷冻干燥机(上海海信科学仪器厂)、FJ200-SH型数显高速分散均质机(上海标本模型制造厂)及DM2000型显微镜和DFC280型摄像系统(德国徕卡公司).

1.2 方法

1.2.2 卵白蛋白糖基化的改性 分别称量1.0 g卵白蛋白和一定量的葡萄糖，混合均匀后溶于50 mL蒸馏水中，搅拌，调节pH到某一确定值后，定容到100 mL容量瓶中，得到蛋白含量为10 mg·mL-1的混合溶液，混合溶液转移到烧杯中，将烧杯置于60 ℃的水浴锅中加热30 min后取出迅速冷却，得到改性后的卵白蛋白待测液[10].

1.2.3 起泡性和稳定性的测定 室温下，将1%卵白蛋白待测液于高速组织捣碎机中均质2 min(8 000 r·min-1)，然后快速移至250 mL量筒中，记下均质停止时的泡沫体积(V0)，起泡性根据均质停止时的泡沫体积与100 mL的百分比来计算.起泡性/%=(V0/100)×100.

均质停止30 min后，记下此时的泡沫体积(V1)，泡沫稳定性根据30 min时泡沫占均质停止时泡沫的体积分数来计算[11].泡沫稳定性/%=(V1/V0)×100.

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

图1 葡萄糖添加量对卵白蛋白起泡性和稳定性的影响Fig.1 Effect of glucose dosage on ovalbumin foamability and stability

2.1.1 葡萄糖添加量 在温度60 ℃、pH 8.0、反应时间30 min的条件下，分别将1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%葡萄糖(以混合溶液体积的质量百分数为参照)与1.0 g卵白蛋白混合进行反应，考察葡萄糖添加量对卵白蛋白起泡性和稳定性的影响，确定葡萄糖添加量的取值范围.结果如图1所示.

添加适量的葡萄糖，不仅可以提高反应速度和最终的反应程度，同时还可避免副反应的发生.由图1可知：随着葡萄糖添加量的增加，卵白蛋白的起泡性和稳定性也随之提高；当葡萄糖的添加量达到3.0%时，起泡性和稳定性达到最高值；继续增加葡萄糖的添加量，起泡性和稳定性随葡萄糖添加量的增加而下降.因而确定葡萄糖的添加量为3.0%时，卵白蛋白的改性效果最佳.

2.1.2 反应pH 在温度60 ℃、葡萄糖添加量3.0%、反应时间30 min的条件下，分别调节反应液的pH为5.0、6.0、7.0、8.0和9.0，考察反应pH对卵白蛋白起泡性和稳定性的影响，从而确定pH的取值范围.结果如图2所示.

由图2可知：随着pH的升高，卵白蛋白的起泡性和稳定性随之提高；当pH达到8.0左右时，起泡性和稳定性达到最高值；继续升高pH，起泡性和稳定性逐渐下降.因而确定pH为8.0左右时，卵白蛋白的改性效果最佳.原因可能是pH小于8.0时为酸性，会抑制美拉德反应的发生；pH大于8.0时为碱性，碱性过强会破坏蛋白质的一级结构[12].

2.1.3 反应温度 在pH 8.0、葡萄糖添加量3.0%、反应时间30 min的条件下，分别调节温度为30、40、50、60和70 ℃，考察反应温度对卵白蛋白起泡性和稳定性的影响，以确定温度的取值范围.结果如图3所示.

图2 pH对卵白蛋白起泡性和稳定性的影响Fig.2 Effect of pH value on ovalbumin of foamability and stability

由图3可知：随着温度的升高卵白蛋白的起泡性和稳定性也随之提高；当温度达到60 ℃时，起泡性和稳定性都达到最高值；继续升高反应温度，起泡性和稳定性逐渐降低.因而确定反应温度为60 ℃时，卵白蛋白的改性效果最佳.原因可能是适当提高温度有助于美拉德反应的发生，但温度达70 ℃时卵白蛋白开始变性，从而降低蛋白质的功能特性.

图4 反应时间对卵白蛋白起泡性和稳定性的影响Fig.4 Effect of reaction time on ovalbumin foamability and stability

2.1.4 反应时间 在pH 8.0、葡萄糖添加量3.0%、温度60 ℃的条件下，分别设置反应时间为10、20、30、40和50 min，考察反应时间对卵白蛋白起泡性和稳定性的影响，以确定时间的取值范围.结果如图4所示.

由图4可知：随着反应时间的增加，卵白蛋白的起泡性和稳定性也随之提高；当反应时间达到30 min时，卵白蛋白的起泡性和稳定性都达到最高值.这可能是由于反应开始时糖链的引入，羟基的亲水性使得蛋白质的溶解性升高，糖基化改性的蛋白质部分可以有效地吸附在油—水界面上，降低界面的张力，共价结合的糖分子链在吸附膜的周围形成立体网络状结构增加了膜的厚度和机械强度，从而增加了卵白蛋白的起泡性和稳定性[13].继续增加反应时间，卵白蛋白的起泡性和稳定性逐步降低.这是因为随着反应的进行，糖和蛋白质的交联程度增加，从而使复合物的亲水性过高，界面活性降低.因而确定反应时间为30 min时，卵白蛋白的改性效果最佳.

2.2 响应面法优化试验結果

2.2.1 回归方程的建立与显著性分析 在单因素试验的基础上，确定了反应温度、pH、反应时间和葡萄糖添加量4个因素的试验水平，水平编码见表1，并在此基础上采用统计软件Design-Export 8.0.5进行Box-Behnken试验设计(表2).对表2的试验数据进行二次项回归拟合，得起泡性的拟合回归方程为：

表1 响应面试验因素及水平编码表Table 1 Factors and levels of coding for response surface experiment

表2 Box-Behnken中心组合试验结果Table 2 Result of Box-Behnken central composite experiment

表3 回归模型方差分析结果1)Table 3 Regression analysis of variance

1)**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05).

2.2.2 两因素交互作用对卵白蛋白起泡性的影响 由图5可知，反应温度与pH的交互作用对卵白蛋白的起泡性具有显著影响.反应温度为50～60 ℃时，随着pH的增大，起泡性逐渐升高；而反应温度为60～70 ℃时，随着pH的增大，起泡性呈逐渐下降的趋势.反应温度与葡萄糖添加量的交互作用对卵白蛋白的起泡性具有显著影响.葡萄糖添加量为2.0%～3.0%时，随着反应温度的升高，起泡性逐渐提高；葡萄糖添加量为3.0%～4.0%时，随着反应温度的升高，起泡性呈先提高后稳定的趋势.

利用得到的回归方程，分别对X1、X2和X3求偏阶倒数，并令其偏阶倒数等于零，通过Design-Export 8.0.5软件计算可知，湿法糖基化改性卵白蛋白的最佳工艺参数为：反应温度60.77 ℃、pH 7.42、葡萄糖添加量3.47%，起泡性的预测值为161%.最佳工艺参数修正为：反应温度60 ℃、pH 7.4、葡萄糖添加量3.5%，所得卵白蛋白起泡性的实际值为168%，表明建立的模型可靠性高，可作为卵白蛋白起泡性的最佳条件.在反应温度60 ℃、pH 7.4的条件下处理未经湿法糖基化改性的1.0 g相同卵白蛋白，测其起泡性进行对比试验，其起泡性为120%，因此，与此条件下卵白蛋白的起泡性相比，经湿法糖基化改性后卵白蛋白的起泡性可提高40%.

图5 两因素交互作用对卵白蛋白起泡性影响的响应面及等高线Fig.5 Interaction response surface and contour plots of two-factor experiment

2.3 卵白蛋白湿法糖基化改性前后泡沫的微观结构

微观结构的观察主要从3个方面入手：泡沫大小、泡沫量和泡沫分散情况.由图6A可知，未经糖基化改性的卵白蛋白，其泡沫大而分散，且大小不一，泡沫量比较少；而从图6B可知，经湿法糖基化改性后的卵白蛋白，其泡沫小而密集，且大小相对均匀，泡沫量较大.表明湿法糖基化对卵白蛋白改性的效果显著.

A：改性前;B：改性后.图6 卵白蛋白改性前后泡沫的显微图像Fig.6 Microscopic images of foam before and after ovalbumin modification

3 结论

以卵白蛋白为原料添加适量的葡萄糖对其进行改性，并以改性后卵白蛋白的起泡性作为评价指标.在单因素试验的基础上采用响应面法优化了湿法糖基化改性卵白蛋白的工艺条件.通过验证试验和回归分析得到湿法糖基化改性的最佳工艺条件为：反应温度60 ℃、pH 7.4、葡萄糖添加量3.5%、加热时间30 min，在此条件下得到的起泡性为168%，与响应面分析理论值(161%)能较好地吻合.表明该模型能有效预测实际湿法糖基化产物的起泡性，具有一定的应用价值；同时与未改性前卵白蛋白的起泡性(120%)进行比较可知，改性后卵白蛋白的起泡性显著提高.

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(责任编辑:施晓棠)

Enhancingfoamabilityofovalbuminbyglycosylationunderwet-heatingcondition

WANG Xixi, XU Meiyu, LIN Chao, HUANG Qun, An Fengping
(College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

TS253.4

A

1671-5470(2017)05-0595-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.05.019

2016-11-13

2017-03-01

国家公益性行业(农业)专项(201303084)； 福建农林大学高水平大学建设项目(612014042).

王希希(1994-)，女，硕士研究生.研究方向：食品加工.Email：1277150404@qq.com.通讯作者黄群(1977-)，男，副教授，博士.研究方向：蛋品科学与食品生物技术.Email：huangqunlaoshi@126.com.