温度和pH值对茶多酚-紫米蛋白体系功能特性的影响

张娜宁，丁晓倩，申姣姣，云少君，冯翠萍

（山西农业大学 食品科学与工程学院，山西 太谷，030801）

茶多酚是茶叶中多羟基酚类化合物的复合物，由30种以上的酚类物质组成［1］，是一种良好的天然抗氧化剂，具有抗氧化性、抑菌性和抗突变等特性［2］，因此茶多酚在食品体系中的运用是现在食品科学的研究热点之一。紫米作为有色稻米之一，含有大量的蛋白质以及花色苷、总黄酮等多种生物活性物质［3］，常被制作成功能性的植物蛋白食品。

蛋白质作为紫米中重要的成分，是食品体系中的一大主要营养素，其功能特性对食品的品质有重要影响。近年来人们对提高和改善蛋白质功能特性进行了大量研究，目前多数研究针对茶多酚如何影响鸡蛋蛋白［4］、大豆分离蛋白［5］、β-乳球蛋白和酪蛋白巨肽［6］、乳清蛋白［7］、小麦面筋蛋白［8］以及肉蛋白［9］的功能特性进行探讨并揭示其机理。梁征等［3］进一步研究了紫米蛋白-多酚化合物的结构组成及分子形貌，增进了对紫米食物的进一步开发和利用的认识。在紫米加工过程中添加茶多酚，不仅能够增加其营养价值，还可以影响紫米的品质，但现阶段利用茶多酚改善紫米蛋白功能特性的研究较少。因此，本文将天然抗氧化剂茶多酚添加到紫米蛋白溶液中，研究不同浓度的茶多酚对紫米蛋白泡沫性、失水率、乳化性以及乳化稳定性的影响，并进一步探讨温度和pH值对茶多酚-紫米蛋白体系的影响，旨在为实际应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

茶多酚购自深圳恒生生物科技有限公司；紫米粉购自无锡市跃安食品有限公司；葵花籽油购自中粮福临门食品营销公司；实验所用其他试剂均为国产分析纯。

电子天平（奥豪斯仪器有限公司，AR224 CN）；磁力搅拌器（金坛市城东新锐仪器厂，78HW-1）；离心机（上海安亭科学仪器厂，SPSPAQ-LXJ02）；高速剪切乳化机（深圳市优米仪器设备有限公司，FJ-300S）；数显恒温水浴锅（国华电器有限公司，HH-8）；pH计（奥斯豪仪器有限公司，ST3100）。

1.2 紫米蛋白的提取

参考姜珊珊等［10］的研究方法，以碱提酸沉法提取紫米蛋白。称取5 g紫米粉，加入50 mL、0.05 mol·L-1、pH为12.7的NaOH溶液，磁力搅拌浸提1 h，于4℃下4 000 r·min-1离心20 min，之后弃去沉 淀。用HCl将pH调 至4.8后，静置1 h，再次离心20 min，弃取上清后，用蒸馏水清洗沉淀3遍，进行冷冻干燥之后，将所提取的蛋白质放至4℃保存待用。

1.3 茶多酚对紫米蛋白起泡度、失水率以及乳化性、乳化稳定性的影响

首先配制2%的紫米蛋白溶液，之后添加不同浓 度 的 茶 多 酚（0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%），温度分别选取20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，pH分别选取2、4、6、8、10，参照郭兴凤等［11］的研究方法，按照如下公式计算紫米蛋白的起泡度及失水率：

其中，V为泡沫和液体总体积，V1为下层析出液体。

紫米蛋白的乳化性与乳化稳定性参照以下公式进行计算：

1.4 统计学处理

数据以均数±标准差表示，采用SPSS 17.0软件进行分析，同一处理水平下不同处理组进行方差齐性检验之后选用单因素方差分析，采用Duncan检验进行组间的两两比较，若P＜0.05则判定为差异显著。其中，同样条件下，添加及不添加茶多酚体系之间的比较以两独立样本t检验进行，P＜0.05则判定为差异具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 茶多酚对紫米蛋白泡沫性的影响

2.1.1 茶多酚浓度对紫米蛋白起泡度以及泡沫

失水率的影响

在温度为30℃，pH为6的条件下测定不同浓度茶多酚对紫米蛋白的起泡度与失水率的影响，结果如图1所示。由图1可见，添加不同浓度的茶多酚后，紫米蛋白的起泡度和泡沫失水率均发生不同程度的变化。随着茶多酚的添加量增大，当浓度为0.08%时体系的起泡度达到最大值，而体系的失水率呈现相反的变化，浓度为0.08%时为最低值。

图1 茶多酚浓度对紫米蛋白起泡度和失水率的影响Fig.1 Effects of TP concentration on the foaming degree and driage of purple rice protein

2.1.2 温度对紫米蛋白起泡度及泡沫失水率的影响

在茶多酚浓度为0.08%，pH为6的条件下测定不同的温度下紫米蛋白溶液的起泡度及泡沫失水率，结果如图2所示。由图2可见，不同的温度能够影响茶多酚-紫米蛋白体系的起泡度和失水率，当温度为30℃时起泡度达到最大值，且此温度下，茶多酚-紫米蛋白体系的失水率最低。

图2 温度对茶多酚-紫米蛋白起泡度和失水率的影响Fig.2 Effects of temperature on the foaming degree and driage of TP-purple rice protein system

2.1.3 pH对紫米蛋白起泡度、泡沫失水率影响

在茶多酚浓度为0.08%，温度为30℃的条件下测定不同pH值下紫米蛋白的起泡度与泡沫失水率，结果如图3所示。由图3可见，不同的pH值对茶多酚-紫米蛋白体系的起泡度和泡沫失水率产生了不同程度的影响。当pH值为4（紫米蛋白等电点附近）时，蛋白质的起泡度和失水率都是最小的，然而等电点两侧，两者的数值都增大。

图3 pH值对茶多酚-紫米蛋白泡沫性和失水率的影响Fig.3 Effects of pH on the foaming degree and driage of TP-purple rice protein system

选取茶多酚浓度为0.08%、温度30℃、pH为6的条件下，测得2%的紫米蛋白溶液的起泡度和失水率分别是27.69%±0.74%和1.53%±0.16%；在同样的条件下，不添加茶多酚的紫米蛋白溶液的起泡度和失水率分别是12.96%±0.60%和2.38%±0.15%，差异均具有统计学意义（P＜0.01）。说明一定剂量茶多酚的添加能够影响紫米蛋白体系的起泡度和失水率。

2.2 茶多酚对紫米蛋白乳化性的影响

2.2.1 茶多酚浓度对紫米蛋白乳化性与乳化稳定性的影响

在温度为30℃，pH为6的条件下测定不同浓度的茶多酚溶液对紫米蛋白乳化性与乳化稳定性的影响，结果如图4所示。由图4可见，随着茶多酚浓度的增加，紫米蛋白体系的乳化性和乳化稳定性发生不同程度的变化。当茶多酚的浓度为0.04%时，紫米蛋白的乳化性和乳化稳定性均达到最大值。

图4 茶多酚浓度对紫米蛋白乳化性与乳化稳定性影响Fig.4 Effects of TP concentration on the emulsibility and emulsification stability of purple rice protein

2.2.2 温度对紫米蛋白体系的乳化性与乳化稳定性的影响

由图5可见，在20～30℃的范围内，紫米蛋白的乳化性和乳化稳定性逐渐增加；在30～60℃范围内，乳化性和乳化稳定性逐渐下降。当温度为30℃时，紫米蛋白的乳化性和乳化稳定性达到最大值。

图5 温度对茶多酚-紫米蛋白乳化性与乳化稳定性影响Fig.5 Effects of temperature on the emulsibility and emulsification stability of TP-purple rice protein system

2.2.3 pH对紫米蛋白乳化性和乳化稳定的影响

在茶多酚浓度为0.04%，温度为30℃的条件下测定不同pH值下的茶多酚-紫米蛋白复合体系的乳化性与乳化稳定性，结果如图6所示。由图6可见，不同的pH值对茶多酚-紫米蛋白体系的乳化性与乳化稳定性产生了不同程度的影响，其中在pH值为4（紫米蛋白的等电点附近）时，紫米蛋白的乳化性及乳化稳定性为最低值，等电点两侧，体系的乳化性及乳化稳定性呈现不同程度增加。

图6 pH对茶多酚-紫米蛋白乳化性和乳化稳定性的影响Fig.6 Effects of pH on the emulsibility and emulsification stability of TP-purple rice protein system

在茶多酚浓度0.04%、温度30℃、pH为6的条件下，测得2%的紫米蛋白的乳化性和乳化稳定性71.92%±1.42%和70.00%±1.24%；在同样的条件下，不添加茶多酚的紫米蛋白的乳化性和乳化稳定性分别是68.69%±1.20%和57.39%±1.29%，差异具有统计学意义（P＜0.05或P＜0.01）。同样说明一定剂量茶多酚的添加能够影响紫米蛋白体系的乳化性及乳化稳定性。

3 讨论

研究食品体系中多酚与蛋白质之间的相互作用对于改善蛋白质特性以及提高食品多酚类物质的生物利用性和健康功能性，促进含多酚类健康食品的加工制造具有重要的意义。

本试验表明添加了一定浓度茶多酚的紫米蛋白体系与未添加茶多酚的紫米蛋白相比，起泡性与起泡稳定性都有不同程度的改善。当茶多酚浓度为0.08%时起泡度达到最大值，体系中的失水率为最低值。这可能是由于在一定的茶多酚添加范围内，茶多酚提供了足够的活性羟基和疏水基，它们可以与蛋白质的残基通过非共价键结合，使得蛋白质内部排斥展开，增加了紫米蛋白的柔性，故紫米蛋白的起泡性增加。而茶多酚的添加量越大，其包含的羟基容易破坏紫米蛋白的结构，使其柔韧性降低，从而又使紫米蛋白的起泡特性降低。蛋白质的起泡性取决于分子柔性，而泡沫稳定性则取决于所形成的黏膜的刚性和弹性，适量茶多酚的添加使得紫米蛋白定向吸附在气-液界面上，降低界面张力，使稳定气泡聚集在泡沫体、发泡剂分子中，从而使失水率降低，增加了泡沫的稳定性。而蛋白质分子内平均疏水性基团所占的比例是蛋白质发泡能力的重要因素之一［12，13］，在温度逐渐升高的情况下，蛋白质分子疏水相互作用力增大，在茶多酚所提供羟基和疏水基的共同作用下，使得蛋白质分子构型展开，有利于发泡，在30℃时达到最大值，此时泡沫的稳定性最好。当温度继续上升时，会让体系的黏度下降、气体膨胀、泡沫解体以及泡沫破裂，所以导致紫米蛋白的起泡性下降，泡沫稳定性变差。另外pH也对茶多酚-紫米蛋白体系产生影响，而紫米蛋白在溶解状态下能表现出很多功能性质，起泡形成能力的强弱取决于蛋白质的溶解部分［14～16］。茶多酚添加到蛋白质溶液中，提供了许多活性基团，使蛋白质分子有更大的吸附到界面的能力。在蛋白质等电点两侧，蛋白质溶解越多，形成的泡沫膜越厚、越硬。同时由于蛋白质表面活性的作用，使蛋白质表面的界面张力降低，最终提高了蛋白质的发泡能力。在等电点两侧，蛋白质的泡沫失水率亦增加，这可能是因为在0.08%茶多酚的添加浓度下，pH值的变化影响了蛋白质的电荷和疏水基团，进而影响了所形成的黏膜的刚性和弹性，从而影响了其泡沫稳定性，其具体机制有待进一步探讨。郭兴凤等［17］研究表明，茶多酚在大豆分离蛋白中的添加量及添加条件为：浓度为1%大豆分离蛋白溶液中茶多酚浓度0.088%，混合温度为21℃，pH值为4.85时，蛋白质溶解性提高。另有研究表明，在1.0%（w/v）的鸡蛋蛋白溶液中加入0.25%（w/v）的绿茶茶多酚可以使鸡蛋蛋白的发泡能力和发泡稳定性增加4～5倍［15］，这些均与本研究结果一致。覃思［18］等认为这是由于活性羟基或羧基的存在使得蛋白质有更大的形成氢键的能力，能够形成更多的有一定机械强度的薄膜，从而更大降低液相的表面张力，提高了发泡能力和泡沫的稳定性。同时食品的加工环境，包括酸度、盐度、甜度以及温度等因素，它们的改变对蛋白质特性的改变也有很大的影响，是食品加工中不容忽视的因素。

添加不同浓度的茶多酚后，茶多酚与蛋白质互相作用，当茶多酚浓度为0.04%时，茶多酚为紫米蛋白提供了合适的活性羟基，它们与蛋白质残基结合后使蛋白质在脂肪-蛋白质界面上更加牢固，这样使得包住脂肪球的膜更厚更稳定，从而提高了蛋白质的乳化能力。紫米蛋白肽链伸展开，疏水性降低，复合乳液中油滴可稳定的存在于水相中，进而使复合乳液的乳化稳定性加强。当茶多酚添加量增大时，其会慢慢与蛋白质结合形成少量的不溶性络合物，最终，复合乳液的乳化活性与乳化稳定性会降低。因此，适量浓度的茶多酚会对紫米蛋白溶液的发泡能力和泡沫稳定性有所改善。刘泽宇等［9］研究亦表明，添加0.05%以上浓度的茶多酚能显著提高草鱼鱼肉蛋白质的乳化稳定性，并延缓乳化能力的降低。而在加热情况下，适量的茶多酚及蛋白质体系会吸收热量，从而使蛋白质分子内能增加，最终使蛋白质分子构型展开，功能基团暴露，因此蛋白质的乳化性增强。但在高温处理以及极端处理（如高压均质等）条件下，多酚会发生氧化和裂解，蛋白的二级结构也同时改变［17］，所以蛋白质的乳化稳定性会逐渐降低。在等电点附近，紫米蛋白的溶解性最低，当远离等电点时，乳液带电荷排斥力大，使双电层加厚，溶解性增加，氨基酸若暴露程度增加，多酚则会与蛋白质之间生成不可逆的化学键，因此，本实验中茶多酚-紫米蛋白体系的乳化活性与乳化稳定性在等电点时最低，等电点两侧呈现不同程度的升高。研究表明，影响茶多酚与蛋白质相互作用的主要因素包括多酚/蛋白质比例［20］、多酚的结构和分子量［21］、温度［22］与蛋白质的种类［23］等，本试验进一步表明了茶多酚浓度、温度以及pH值均会对茶多酚-紫米蛋白体系的功能特性产生影响。因此，在实际的食品加工体系中，应注意加工环境对二者相互作用的影响，从而将茶多酚更广泛的应用于食品加工、机体保健等方面。

4 结论

在茶多酚浓度为0.08%、温度30℃、pH为6的条件下，2%的紫米蛋白体系的起泡性和失水率分别为27.69%±0.74%和1.53%±0.16%；茶多酚浓度为0.04%、温度30℃、pH为6的条件下，2%的紫米蛋白体系的乳化性和乳化稳定性分别为71.92%±1.42%和70.00%±1.24%。茶多酚浓度、温度以及pH对紫米蛋白的起泡性、失水率、乳化性以及乳化稳定性均有不同程度的影响，在蛋白质-多酚加工体系中，适宜的茶多酚浓度、温度以及pH值的选取是至关重要的。