大豆多糖对乳清分离蛋白-乳状液稳定性与流变特性的影响

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(北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京工商大学食品学院,北京市食品添加剂工程技术研究中心,食品添加剂与配料北京高校工程研究中心,北京市食品风味化学重点实验室,食品质量与安全北京实验室,北京100048)

大豆多糖对乳清分离蛋白-乳状液稳定性与流变特性的影响

王旭,李昕,许朵霞*,曹雁平*

(北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京工商大学食品学院,北京市食品添加剂工程技术研究中心,食品添加剂与配料北京高校工程研究中心,北京市食品风味化学重点实验室,食品质量与安全北京实验室,北京100048)

本文研究了大豆多糖(SSPS)与乳清分离蛋白(WPI)乳状液静电组装,形成乳状液聚集体,考察了不同浓度的SSPS对WPI-乳状液稳定性与流变特性的影响,以期提高体系的粘弹性,形成高流变特性的食品体系。将不同浓度的大豆多糖与2%乳清分离蛋白乳状液(油相为20%)静电组装,分析乳状液的粒径,Zeta-电位,稳定性指数,流变性质和微观结构。结合剪切流变与微流变技术,深入研究了SSPS对乳清分离蛋白(WPI)乳状液流体特性与结构的影响。结果表明:随着SSPS浓度的增加,WPI乳状液的粒径在添加0.25% SSPS时达到峰值(3350±0.35) nm,而后随着SSPS浓度的增加而降低;Zeta-电位绝对值呈递减的趋势,表明SSPS与WPI间产生静电吸附作用;SSPS静电吸附提高WPI乳状液的稳定性;剪切流变结果表明,SSPS浓度为0.5%时,其粘度最大,并在剪切速率为95.8 s-1处其粘度是WPI乳状液粘度的10倍以上;微流变结果表明,0.5% SSPS-WPI乳状液的MSD曲线出现平台区,表明其弹性指数(EI)与宏观粘度指数(MVI)均显著提高达到最大值。微观结构结果表明,0.5% SSPS-WPI乳状液形成均一的乳状液聚集体。本研究将有助于理解大豆多糖与蛋白质乳状液的相互作用,同时为低脂高流变特性的食品(如蛋黄酱、调味汁、巧克力和植脂奶油等)生产提供理论指导。

大豆多糖,乳清分离蛋白乳状液,稳定性,微流变,剪切流变

蛋白质、油脂、多糖是食品体系中重要的三类生物大分子,是影响食品稳定性和质构的主要因素。由于分子之间的相互作用,体系的稳定性和质构并非这三种分子之间作用的简单加和[1-4]。McClements课题组提出乳状液的稳定性可以通过添加多糖,形成“双层”或者“逐层”涂覆微滴从而改善乳状液的物理特性[5]。

乳清分离蛋白(whey protein isolate,WPI)具有良好的乳化性、起泡性和胶凝性,在食品加工中经常被用作乳化剂或发泡剂等。李燕等研究表明乳清分离蛋白形成的纳米乳液的平均粒径较小,对其乳液中的β-胡萝卜素具有保护作用[6]。乳清分离蛋白制备的乳状液粒径小,但易受温度、pH和离子强度的影响,乳状液会发生粒径增大、分层等失稳现象。大豆可溶性多糖(soybean soluble polysaccharides,SSPS)是从大豆加工副产物豆渣中提取的生物聚合物,具有以鼠李半乳糖醛酸和高聚半乳糖醛酸为主链,半乳聚糖和阿拉伯糖为侧链的类球状的结构[7-8],在食品中用作酸性饮料的乳化剂和稳定剂[9-10]。SSPS可以通过静电和疏水相互作用与蛋白质连接,形成稳定的多糖-蛋白复合物。

多糖-蛋白复合体系研究很多,但大部分研究主要关注提高乳状液的稳定性[11]。本研究从提高食品乳状液流变学角度出发,基于层层静电组装技术,以WPI为乳化剂制备初级乳状液,以SSPS为涂层,构建具有WPI-SSPS双层界面的高载量油相乳状液,研究多糖含量对乳状液稳定性,结合剪切流变和微流变偶合技术,深入分析乳状液的流变学特性,为通过调控界面组成以提高蛋白质乳状液的稳定性和流变学特性提供理论帮助。

1 材料与方法

1.1材料与设备

大豆多糖(SSPS) 不二富吉(北京)科技有限公司;中链甘油三酸酯(MCT,C8-C10) 奎斯特(上海)国际有限公司;乳清分离蛋白(WPI,纯度≥90%)美国Davisco国际食品公司;NaOH、HCl、NaH2PO4、Na2HPO4国药集团化学试剂有限公司。

HD-1型高速乳化均质机 北京华远航实验设备厂;集热式恒温加热磁力搅拌器 河南省予华仪器有限公司;M-110EH型微射流仪 加拿大Microfluidics公司;Zetasizer Nano-ZS90激光粒度仪 英国Malvern公司;Anton Paar Rheometer MC302剪切流变仪 奥地利安东帕有限公司;Rheolaser Master微流变仪 法国Formulaction公司;pH计 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;激光扫描共聚焦 日本Olympus有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 WPI乳状液的制备 准确称取8 g乳清分离蛋白(WPI),溶解于112 g 5 mmol/L pH7.0的磷酸盐缓冲溶液中,40 ℃搅拌2 h,然后将配好的WPI溶液置于冰箱4 ℃储藏,使用前50 ℃搅拌30 min,确保WPI充分溶解,制备WPI溶液(4%),形成水相,将溶解好的WPI溶液用1 mol/L HCl调节至pH3.0。准确称取80 g MCT(40%),作为油相。在高速乳化均质机19000 r/min剪切3 min,形成粗乳状液;粗乳状液通过微射流进一步均质得到WPI/MCT乳状液,均质压力为50 MPa,均质3次。最后,将制备好的WPI乳状液置于冰箱4 ℃储藏备用[12]。

1.2.2 SSPS溶液的制备 准确称取一定量的大豆多糖(SSPS),溶解于5 mmol/L pH7.0磷酸盐缓冲溶液中,50 ℃搅拌2 h,溶胀过夜,使用前50 ℃搅拌30 min,确保SSPS充分溶解,制备SSPS溶液(4%)作为母液,然后用4% SSPS稀释成不同浓度的SSPS(0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.5%、2%),最后将所有浓度的大豆多糖溶液用1 mol/L HCl调节至pH3.0。最后,将制备好的各SSPS溶液置于冰箱4 ℃储藏备用。

1.2.3 双层乳状液的制备 向WPI乳状液(pH3.0)中分别加入不同浓度SSPS溶液,最终使制备的乳状液中MCT含量为20%,WPI含量为2%,SSPS含量分别为0、0.25%、0.50%、0.75%、1%、1.50%和2%;将乳状液搅拌10 min后,用1 mol/L HCl调节乳状液的pH至3.0,获得双层乳状液。

1.2.4 Zeta-电位分析 采用激光粒度仪(英国Malvern公司,Nano-ZS90)分析SSPS-WPI乳状液Zeta-电位。为减小多重光散射对测量的误差,样品在分析测试前用5 mmol/L pH3.0磷酸盐缓冲液稀释400倍。结果以平均值表示。

1.2.5 粒径分析 采用激光粒度仪测定双层乳状液粒径。为了减小多重光散射对测量的误差,样品在分析测试前用5 mmol/L pH3.0磷酸盐缓冲液稀释400倍。结果以粒径平均值(nm)表示。

1.2.6 物理稳定性分析 应用Lumisizer稳定性分析仪,通过加速分层和量化沉淀、悬浮的方法(STEP-Technology)快速测定乳状液的稳定性。不稳定性指数(Instability index)是在离心的过程中,平行的近红外光照射在样本试管上,通过记录样品不同位置的透射率分布的变化,而确定乳状液粒子的迁移过程[12]。实验过程中,取约0.4 mL乳状液,均匀注射至样品试管底部,温度设定为25 ℃,离心转数为2500 r/min,样品的透射率的特征线每30 s记录一次,共255次。

1.2.7 剪切流变特性分析 采用安东帕流变仪(MCR-301)测定终乳状液在剪切作用力条件下的流变学特性。根据样品特性,选择型号为CP-50-1的不锈钢平板转子,测量时的平板转子间距设定为0.1 mm。加样时注意保持样品均匀,防止气泡。剪切速率为2～200 s-1,测量温度为25 ℃。每个样品重复3次。

1.2.8 微流变特性分析 采用Rheolaser Master微流变仪分析乳状液微流变特性,微流变仪通过多散斑扩散波光谱学理论分析软物质的微流变特性,通过专利运算法可以计算出对应相关时间的粒子均方根位移(MSD)。本实验中,将20 mL不同含量的SSPS-WPI乳状液倒入样品池内,测量温度为25 ℃,放入仪器内进行30 min测试。

1.2.9 微观结构分析 采用激光扫描共聚焦显微镜观察乳状液(贮藏24 h后)的微观结构。乳状液中的WPI用Rhodamine B染色。将用Rhodamine B染色的乳状液在激发波为543 nm激光下激发并在605 nm检测。所有图像均在60×物镜的10×目镜(油浸)下观察,并使用数字变焦功能,将图像物理放大4倍。

1.3数据分析方法

数据统计分析使用SPSS 12.0 for Windows软件(SPSS Inc.,Chicago,USA)进行方差分析(ANOVA),显著性水平为0.05,所有实验均重复3次。

2 结果与分析

2.1SSPS浓度对WPI-乳状液Zeta-电位的影响

SSPS浓度对WPI-乳状液Zeta-电位的影响如图1所示,SSPS浓度为0～0.25%时,Zeta-电位从40 mV降低至10 mV;SSPS浓度为0.5%时,WPI乳状液的Zeta-电位接近于零,随着SSPS含量的继续增加,其Zeta-电位变为负值,但后续变化不明显。这是因为SSPS作为一种聚阴离子多糖稳定剂加入带正电荷的乳状液中,二者之间发生静电吸附作用,当SSPS浓度超过0.5%后,与WPI-乳状液界面吸附达到饱和,导致其Zeta-电位不发生显著变化(p>0.05)。其原因可能是由于大豆多糖的酯化度值小,致使所含的甲酯化的半乳糖酸酸残基占总半乳糖酸酸残基数量的百分比值比较少[13],这时,可溶性大豆多糖链段上所带有的带电羧基(-COO-)数量较多,将与带正电的WPI相互作用导致其Zeta-电位接近于0。

图1 SSPS浓度对乳状液Zeta-电位的影响Fig.1 Effect of SSPS concentrationson the Zeta-potential of WPI coated emulsions

2.2SSPS浓度对WPI-乳状液粒径的影响

SSPS浓度对WPI-乳状液的粒径的影响如2所示,从图2中可以看到,未添加SSPS的WPI乳状液粒径是(220.36±0.25) nm,添加不同浓度的SSPS使得WPI-乳状液的粒径增大,SSPS浓度为0.25%时粒径达到峰值(3350±0.35) nm,而后随着SSPS浓度的增加,粒径呈逐渐降低趋势,并于1%后乳状液粒径不再显著变化(p>0.05)。但明显大于WPI-乳状液的粒径,可以推测SSPS与WPI通过静电相互作用而吸附至界面。McClements课题组研究表明,当将淀粉溶液与β-乳球蛋白乳液混合时粒径显著增大[5]。孔静等研究发现将亚麻籽胶溶液加入到酪蛋白乳状液时会使液滴的粒径增加[14]。同时,SSPS-WPI乳状液粒径的增大远远大于SSPS分子的粒径。推测SSPS可能由于空间位阻作用,形成WPI-乳状液微滴与微滴之间的交联,游离相中的SSPS与WPI也可能存在相互作用,从而影响动态光散射测定的乳状液粒径大小。

图2 SSPS浓度对WPI-乳状液粒径的影响Fig.2 Effect of SSPS concentrationson the droplet size of WPI coated emulsions

2.3SSPS浓度对WPI-乳状液稳定性的影响

本研究采用Lumisizer稳定性分析仪,通过不稳定性指数(Instability Index)值分析SSPS含量对WPI-乳状液稳定性的影响。不稳定性指数越小,表示乳状液越稳定。从图3可以看出,随着SSPS含量的增加,乳状液的不稳定性指数先增大后减小。当SSPS含量为0.25%时,乳状液的不稳定性指数明显增大(0.42±0.05),而后随着SSPS浓度的增加,WPI-乳状液的不稳定性指数逐渐减小,表明稳定性提高,可能是因为SSPS的添加提高体系的粘度值,从而减慢乳状液的重力不稳定现象[15-16]。结合粒径与Zeta-电位分析,推测SSPS浓度为0.5%时,WPI-乳状液界面吸附SSPS达到饱和,或者对阻碍蛋白微滴之间的聚集作用力已经足够大到稳定此时的乳状液体系。也就是说,此时已经有足够数量的SSPS,足以完全覆盖蛋白来阻止蛋白的聚集沉淀。未吸附的多糖吸附至蛋白表面发挥其静电排斥作用或者是空间位阻作用,从而再对乳状液的稳定性起到作用[17]。另外,当添加0.5%SSPS时使得WPI-乳状液的稳定性开始得到提高,而其Zeta-电位的绝对值接近0,表明SSPS主要利用其中性侧链产生的空间位阻来稳定乳状液,而粒子间的静电排斥作用只起到次要的辅助稳定作用。

图3 SSPS浓度对WPI-乳状液不稳定指数的影响Fig.3 Effect of SSPS concentrationson the instability index of WPI coated emulsions

2.4SSPS浓度对WPI-乳状液剪切流变特性的影响

不同含量的SSPS对高载量油相(20%)的WPI乳状液流变学特性的影响如图4所示。WPI乳状液粘度曲线随剪切速率的增加趋于平整,表明高载量油相WPI乳状液接近牛顿流体。SSPS-WPI乳状液的黏度随着剪切速率的增加而降低,表明SSPS的添加使得WPI-乳状液呈假塑性流体。这是因为随着剪切速率增加,SSPS-WPI乳状液内部结构打开,分子按照剪切速率的方向线性排列[18-19]。随着SSPS浓度的增加,剪切稀化的特性变得更为明显。这是因为随着剪切速率的增大,SSPS-WPI乳状液的结构被破坏,样品的粘度和剪切应力减小。WPI乳状液-0.5% SSPS体系粘度比单一的WPI粘度显著增加,可能是因为二者在该混合比例时,粒径较大,形成特定的空间结构,从而提高粘度值。

图4 SSPS浓度对WPI乳状液-SSPS体系粘度随剪切速率的影响Fig.4 Influence of different concentration of SSPSon the viscosity of WPI-emulsions with different shear rates

图5是所有乳状液体系在剪切速率为95.8 s-1的粘度,此剪切速率是模拟人体口腔咀嚼速率(100 s-1左右为人体口腔咀嚼速率)。同一剪切速率下,SSPS乳状液含量为0.5%时的WPI乳状液粘度最大。表明0.5% SSPS-WPI乳状液体系具有特定的空间网络结构,具有较高的剪切流变粘性[18]。

图5 SSPS浓度对WPI乳状液粘度的影响Fig.5 Influence of different concentrations of SSPSon the mean viscosity of WPI emulsions

2.5SSPS浓度对WPI乳状液微流变特性

本实验采用Formulation微流变分析仪,通过颗粒均方根位移(MSD),分析不同含量的SSPS对WPI乳状液微流变特性的影响(图6)。颗粒的布朗运动是由颗粒均方根位移(MSD)与去相关时间关系曲线来表征的[20]。MSD曲线反映样品的粘弹性特征。在纯粘性流体(牛顿流体)中,粒子MSD与时间呈线性增长;而在粘弹性流体中,粒子的均方根位移受到限制,粒子被困在三维微观结构网络中,从而在MSD与时间的关系曲线中形成一个平台区[21-22]。MSD曲线平台区后的斜率是样品的宏观粘度因子(MVI)。MSD曲线平台区的高度,表征样品弹性(EI)的大小。平台区的高度降低,说明样品结构“笼”尺寸减小,粒子运动受到束缚。通过采集MSD曲线,可以确定样品弹性、粘度的变化以及反映样品的微观结构。

图6 SSPS含量对SSPS-WPI乳状液均方根位移曲线的影响Fig.6 Typical examples of the MSD vs time curvesfor WPI emulsions with different concentrations of SSPS

由图6可知,在短的去相关时间段内,0.5% SSPS-WPI乳状液的MSD出现平台区,表明此比例条件下,SSPS与WPI乳状液微滴间的作用力最强,平台区与时间轴所形成的面积最小,该体系的粘弹性最高。0.5% SSPS-WPI乳状液在最初很短的去相关时间内,MSD的增加和去相关时间呈线性关系,表明粒子只受溶剂粘度的影响,颗粒在笼内完全自由运动;在去相关时间中间部分(固液平衡区),粒子运动受到了“笼”结构影响,其运动速度减慢,MSD曲线形成一个平台区;在去相关时间的第三阶段,MSD曲线与去相关时间呈线性关系,粒子主要受宏观粘度影响。而他样品的MSD曲线均没形成平台区,因此,MSD曲线表明0.5% SSPS提高WPI乳状液的微流变特性,显著提高(p<0.05)乳状液的弹性与粘度,并形成特定的网络结构。

2.6SSPS浓度对WPI乳状液微观结构的影响

乳状液的微观结构是乳状液稳定性的一个重要指标。在本研究中,使用了Rhodamine B将WPI进行染色。如图7所示,未添加SSPS的WPI乳状液呈现均一分布的结构。0.5% SSPS-WPI乳状液,乳状液发生聚集作用,形成均匀的具有一定空间网络结构的乳状液。1.5% SSPS-WPI乳状液和2% SSPS-WPI乳状液形成明显的耗散絮凝,形成明显的不稳定体系。进一步证明,适当含量的SSPS与WPI-乳状液微滴形成静电吸附,进而形成特定空间位阻作用的聚集体具有良好的稳定性[23]。

图7 SSPS-WPI乳状液微聚集体的微观结构Fig.7 The Confocal Microscopy images ofWPI-coated emulsions with different concentrations of SSPS注：a：未添加SSPS;b：体系中添加0.5% SSPS;c：体系中添加1.5% SSPS;d,体系中添加2% SSPS。

3 结论

研究结果表明,将阴离子型SSPS加入到高载量油相WPI乳状液中,二者发生静电吸附,形成稳定的乳状液。0.5% SSPS显著提高 WPI乳状液的稳定性与流变学特性,同时改变WPI乳状液的流体特性(由牛顿流体变为假塑性流体),0.5% SSPS显著提高 WPI乳状液体系的粘度值(10倍以上)。形成提高流变特性与稳定性均一的高载量油相乳状液体系,为开发减脂高流变食品提供良好的基础数据。

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Influenceofsoybeanpolysaccharideonthephysicalstabilityandrheologicalpropertiesofwheyproteinisolateemulsion

WANGXu,LIXin,XUDuo-xia*,CAOYan-ping*

(Beijing Advanced Innovation Center for Food Nutrition and Human Health,College of Food and Chemical Engineering,Beijing Engineering and Technology Research Center of Food Additives,Beijing Higher Institution EngineeringResearch Center of Food Additives and Ingredients,Beijing Key Laboratory of Flavor Chemistry,Beijing Laboratoryfor Food Quality and Safety,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

To increase the elasticity,viscosity of the food system and form high rheological properties food system, the effect of different concentrations of soybean polysaccharide(SSPS)on whey protein isolates(WPI)coated emulsion’s stability and rheological properties was investigated. The particle size,Zeta-potential,stability index,rheological properties and microstructure of the emulsion were analyzed by electrostatic mixing of different concentrations of SSPS and 2% WPI emulsion(oil phase 20%). In order to deeply explore the effect of WPI emulsion’s rheological properties,combined shear rheology and micro-rheological technology were applied. The results showed that with the increase of SSPS concentration,the particle size of WPI emulsion reached the peak value(3350±0.35) nm with 0.25% SSPS,and then decreased with the increase of SSPS concentration. The absolute value of Zeta-potential decreased,indicating that electrostatic interaction between SSPS and WPI emulsion and SSPS electrostatic adsorption improved the stability of WPI emulsion. Shear rheology results showed that when the concentration of SSPS was 0.5%,the viscosity reached the maximum value and the viscosity value was more than 10 times that of the WPI emulsion at the shear rate of 95.8 s-1. Micro-rheological results showed that the MSD curve of 0.5% SSPS-WPI emulsion appeared in the platform area,indicating that the elasticity index(EI)and the macroscopic viscosity index(MVI)significantly increased and reached the maximum. Microstructure results showed that 0.5% SSPS-WPI emulsion formed a homogeneous emulsion aggregate. This study could help to understand the interaction between SSPS and protein emulsions and provide theoretical guidance for food(mayonnaise,sauces,chocolate and butter,etc.)production with low fat and high rheological properties.

soybean soluble polysaccharide;whey protein isolate emulsion;stability;micro-rheological property;shear rheological property

TS201.1

A

1002-0306(2017)19-0001-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.19.001

2017-03-22

王旭(1991-),女,硕士研究生,研究方向:食品添加剂与功能性配料,E-mail:493528160@qq.com。

*通讯作者:许朵霞(1986-),女,博士,副教授,研究方向:食品添加剂与功能性配料,E-mail:xdxbtbu@126.com。

曹雁平(1961-),男,博士,教授,研究方向:食品添加剂与功能性配料,E-mail:caoyp@th.btbu.edu.cn。

国家自然科学基金项目(31501486);北京市自然科学基金三元联合资助项目(15S0003);北京市科技计划课题(Z171100001317004);十三五国家科技计划项目申报中心重点研发计划(2016YFD0400802);北京市优秀人才培养资助项目(2014000020124G032);北京市属高等学校创新团队建设与教师职业发展计划项目(IDHT20130506)。