崔竹梅,俞明杰,朱亞莉,朱桂蘭,華欲飛,鄭麗雪,黃友如,王立梅
1(常熟理工學(xué)院生物與食品學(xué)院,江蘇常熟,215500)2(合肥師范學(xué)院生命科學(xué)系,安徽合肥,230601)
3(江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇 無錫,214122)
蛋白乳液凝膠在食品中有著廣泛的應(yīng)用,如使用于布丁、熱狗、奶酪以及其他不同的奶制品中。近年來,乳液凝膠的性能及其機理被深入研究。與單純蛋白凝膠相比,乳液凝膠所需的連續(xù)相中的蛋白濃度相對較低,具有經(jīng)濟價值。同時油滴作為“活性填充顆?!?,極大地增強了凝膠的強度[1],且讓乳液凝膠還具有了優(yōu)于單純蛋白凝膠的功能,如載體功能。與傳統(tǒng)熱凝膠相比,酶交聯(lián)凝膠等低溫凝膠可以在溫和的條件下進(jìn)行,過程可控性更強,這更加拓寬了乳液凝膠在食品、藥品等領(lǐng)域中的應(yīng)用。
蛋白質(zhì)和多糖都是天然高分子聚合物,來源廣泛,可再生、無毒、與人體親合力強,是食品體系中最重要的兩類生物大分子。一般來說,蛋白質(zhì)具有乳化且穩(wěn)定的能力,多糖則有良好的增稠和持水能力,如果將兩者復(fù)合使用,則可使體系顯示出更優(yōu)越的性能。它們在乳液體系中既可以協(xié)同穩(wěn)定油水界面[2-4],又可在連續(xù)相中形成高性能的復(fù)合凝膠[5-7]。結(jié)冷膠是近年來在食品領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的凝膠劑,具有良好的穩(wěn)定性、耐酸性等特點。目前國內(nèi)外對大豆蛋白乳液凝膠的研究只要集中在油相、pH、離子強度等對凝膠形成的影響,以及凝膠機械性質(zhì)的研究方面[8-11]。而對大豆蛋白/結(jié)冷膠復(fù)合乳液凝膠的研究則非常有限。
本研究通過構(gòu)建大豆蛋白-結(jié)冷膠復(fù)合乳液凝膠,研究了其凝膠性質(zhì)與油滴體外釋放能力之間的關(guān)系。
大豆分離蛋白(SPI),實驗室自制;高?;Y(jié)冷膠,C.P.Kel Co公司;微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(MTG酶),江蘇一鳴生物技術(shù)有限公司;其他試劑,中國國藥集團。
物性測試儀XT21,美國TA儀器公司;CR21GⅡ冷凍高速離心機,日本 Hitachi公司;高速剪切分散器,德國Fluko公司;APV1000高壓均質(zhì)機,英國APV公司;Mastersizer 2000激光力度分布儀,英國Marlven公司;EX30的顯微鏡,寧波舜宇儀器有限公司。
1.3.1 乳液制備
采用堿溶酸沉法制備大豆分離蛋白,經(jīng)微量凱氏定氮法測定蛋白含量為91.2%。將1% 蛋白分散在0.01 mol/L的磷酸鹽緩沖液內(nèi),4℃浸泡12 h,充分溶解,乳液制備。乳液體系中包含20% 的玉米油和80% 的蛋白質(zhì)溶液(1.0%SPI,pH 7.0)。混合體系先預(yù)乳化(10 000 r/min,2 min),再高壓均質(zhì)2次(40 MPa),4℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.2 乳液粒度的測定
采用Mastersizer 2000粒度分布儀測定乳狀液滴的粒徑。參數(shù)設(shè)置為:顆粒折射率:1.520;顆粒吸收率:0.001;分散劑:水;分散劑折射率:1.330。實驗采用d32,即表面積平均直徑表征液滴粒度的大小。
1.3.3 乳液粒徑觀察
取20 μL乳液于載玻片上,蓋上蓋玻片,確保載玻片與蓋玻片之間沒有空隙。用配有100×物鏡的EX30相差顯微鏡觀察油滴粒徑大小和分布,并拍攝樣品照片。
1.3.4 乳液凝膠的制備
蛋白-多糖的混合乳液凝膠的制備參考 Tang等[10]和 Guo 等[12]的方法,并做改動。將 7.5% 蛋白分散在0.01 mol/L的磷酸鹽緩沖液內(nèi),4℃浸泡12 h。取1%的結(jié)冷膠多糖分散于0.01 mol/L的磷酸緩沖液里(pH 7.0),攪拌4 h,然后70℃加熱30 min。將蛋白溶液和結(jié)冷膠溶液混合均勻后備用,80℃加熱20 min,然后50℃保溫?;旌象w系的蛋白終濃度為60 g/L,結(jié)冷膠濃度0~3 g/L。
在50℃下,將預(yù)熱的乳液與蛋白-結(jié)冷膠混合體系以體積比1∶1混合,加入0.2 mol/L的NaCl和MTG酶(酶濃度為50 U/g蛋白),混合均勻,快速裝入玻璃容器或塑料離心管中,真空脫氣,封口后立即冷卻至20℃保持10 min,讓結(jié)冷膠多糖凝膠化。然后37℃下反應(yīng)20 h,然后冷卻至室溫,讓大豆蛋白凝膠化。
除檢測凝膠的持水性外,所有乳液樣品4℃放置24 h后,用于檢測各種指標(biāo)。乳液凝膠中蛋白終濃度為35 g/L,油相10%,結(jié)冷膠濃度0~1.5 g/L。每種樣品至少4個以上平行。
1.3.5 凝膠質(zhì)構(gòu)的測定
采用物性測試儀對制備的乳凝膠進(jìn)行質(zhì)地分析。穿刺模式檢測乳液凝膠的破斷應(yīng)力和破斷應(yīng)變,P/5探頭(探頭直徑5 mm),測定條件:測前速度為1 mm/s,測試速度1 mm/s,測后速度1 mm/s,觸發(fā)力1.0 g穿刺距離為樣品總高度的50%,時間20 s。
TPA模式檢測凝膠硬度等指標(biāo),P/0.25S探頭測定條件:測前速度為1 mm/s,測試速度1 mm/s,測后速度1 mm/s,觸發(fā)力1.0 g,壓縮距離為50%,時間20 s。取得4個指標(biāo)為:硬度、脆度、彈性、內(nèi)聚性。
1.3.6 凝膠樣品持水性檢測
凝膠樣品轉(zhuǎn)移到50 mL離心管中,5 000 r/min離心30 min(4℃)。離心管倒置傾倒液體,并用干燥濾紙小心吸除離心管內(nèi)壁和凝膠樣品上的剩余液體。稱量裝有凝膠樣品的離心管在離心前后的質(zhì)量。
其中:mT是凝膠樣品總水分含量。
1.3.7 凝膠析水性檢測
制備好的凝膠樣品,冰箱4℃放置36 h,分別稱取凝膠和析出水的質(zhì)量。
1.3.8 乳液凝膠的體外油釋放試驗
乳液凝膠的模擬消化實驗參考美國藥典(USP,2004),以及 Liang 等[13]和 Marambe 等[14]的方法進(jìn)行,并略做改動。
采用生理鹽水、模擬胃液和模擬腸液等3種環(huán)境來考察乳液凝膠油滴的釋放情況。釋放時間為7 h,模擬胃液和腸液中分別含有胃蛋白酶和胰酶。為保證所有樣品與液體的接觸面積一致,在體外釋放試驗前,先用注射器將凝膠樣品擠壓出,成為大小均勻的顆粒凝膠。
模擬生理空白環(huán)境:每4 g凝膠,裝入10 mL一次性注射器內(nèi)(不裝針頭),擠壓成小顆粒,模擬口腔咀嚼成的小塊狀。顆粒狀樣品分散在100 mL空白環(huán)境內(nèi)(pH 7.0,含0.2%NaCl和3 g/L的吐溫-80裝于250 mL錐形瓶中,37℃水浴搖床振蕩(100 r/min)30 min。
模擬胃消化:調(diào)節(jié)混合體系pH值至1.2,添加3.2 g/L胃蛋白酶,37℃水浴振蕩30 min(167 r/min)。用NaOH把溶液的pH值調(diào)至7.4,使胃蛋白酶失活,以終止胃液消化階段。
模擬腸道消化。胃液消化階段的終產(chǎn)物(pH 7.4)添加含2 g/L脫氧膽酸鹽和3 g/L吐溫-80,37℃水浴搖床振蕩5 min,然后加入1.0%胰酶,37℃水浴搖床(167 r/min)振蕩6 h。
空白環(huán)境和胃液環(huán)境階段結(jié)束時,各取5 mL樣品體系溶液,待測溶液里從凝膠中釋放出來的油脂。模擬腸道消化階段,每隔1 h抽取5 mL體系溶液,待測油脂含量。每次抽取樣品后的體積差,用該反應(yīng)階段的體系溶液補平。酶空白實驗中,沒有蛋白底物,其他條件一樣。樣品空白實驗中,有樣品,沒有酶,其他條件一樣。消化過程中釋放油脂的檢測,參照Sala等[15]方法。
1.3.9 數(shù)據(jù)分析與處理
所有的實驗都需做3次平行,采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和方差分析,處理間P<0.05的為差異顯著。
油滴粒徑分布是評價乳液基本性質(zhì)的重要參數(shù)。大豆蛋白的良好乳化性能已經(jīng)被廣泛證明[16-18],實驗中制備的乳液樣品油滴細(xì)膩,平均粒徑0.722 μm,粒徑分布圖狹窄而均勻分布。顯微鏡圖像更直觀的展示了乳液油滴的分布,圖1中透明小球為乳液油滴,顯微鏡的圖像與粒徑檢測的結(jié)果一致。
圖1 大豆蛋白乳液油滴粒徑(內(nèi)插圖為乳液油滴顯微鏡照片)Fig.1 Size of soy protein emulsion oil droplet
在NaCl和MTG酶誘導(dǎo)下,含有不同濃度結(jié)冷膠的乳液凝膠有著相似的宏觀外觀,乳白色不透明,質(zhì)地均勻而柔軟,未出現(xiàn)明顯的相分離(圖2)。
油滴作為“填充顆?!?,使形成凝膠所需的最低蛋白濃度大為降低,在空白樣品中(不含結(jié)冷膠),3.5%的蛋白終濃度已經(jīng)能形成的質(zhì)地良好的凝膠。而添加了0.15%結(jié)冷膠的乳液凝膠,不僅具有光澤度,且手感彈性和韌度更好。
圖2 不同濃度結(jié)冷膠的大豆蛋白乳液凝膠Fig.2 Soy protein emulsion gel with different concentration of gellan gum
陽離子可誘導(dǎo)結(jié)冷膠形成凝膠,直接添加Ca2+會促使蛋白和結(jié)冷膠同時膠凝,不利于有序結(jié)構(gòu)的形成[19]。KCl在濃度達(dá)到一定時,有明顯咸味和苦澀味。故本實驗中選用NaCl來誘導(dǎo)結(jié)冷膠的凝膠化。隨結(jié)冷膠濃度的提高,乳液凝膠的斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變都有了明顯的提高。斷裂應(yīng)力反映凝膠的堅度(硬度),對應(yīng)的應(yīng)變則反映凝膠的內(nèi)聚性[20]和可變形性。斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變隨聚合物濃度增高而增加(圖3),因為形成了更密集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[21]。
圖3 結(jié)冷膠濃度對乳液凝膠質(zhì)構(gòu)性能的影響Fig.3 Effect ofgellan gum concentration on texture properties of emulsion gel
在pH 7.0的中性環(huán)境下,大豆蛋白和結(jié)冷膠多糖都是陰離子生物高聚物,兩者間既有靜電排斥作用,也有熱力學(xué)不相容性,所以它們在混合體系里各自形成親水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而不是聚合物間的重排。用金屬陽離子和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶同時做膠凝劑,可形成結(jié)冷膠和大豆蛋白的雙網(wǎng)絡(luò)體系。雖然不能排除部分小分子蛋白可以和結(jié)冷膠的羧基等基團通過形成氫鍵等非共價鍵而發(fā)生關(guān)聯(lián)的可能,但這不影響雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最終形成。Guo[12]等通過掃描電鏡等手段證實了這種雙網(wǎng)絡(luò)體系的存在。雙網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)相對于單一的蛋白凝膠,顯著提高了乳液凝膠體系的抗壓韌性。
蛋白-多糖凝膠結(jié)構(gòu)的形成是凝膠化 (聚合)和相分離之間相互競爭的結(jié)果[22],受凝膠速率和電荷的共同影響。本實驗中,蛋白和多糖的質(zhì)量比例超過23∶1,且兩者采用不同的交聯(lián)機制,因此沒有觀察到宏觀的相分離。TPA實驗顯示,結(jié)冷膠的加入,增大了乳液凝膠的硬度,但在結(jié)冷膠1.0 g/L時彈性最好,而后隨著結(jié)冷膠濃度的增加,彈性反而略下降。蛋白-結(jié)冷膠混合乳液凝膠體系中,結(jié)冷膠是決定凝膠硬度的關(guān)鍵性因素,即主要來自于結(jié)冷膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。彈性也是表征凝膠性質(zhì)的一個重要的參數(shù),隨著結(jié)冷膠濃度的增加,多糖網(wǎng)絡(luò)增強,凝膠彈性增加。但濃度超過1.5 g/L后,由于排斥體積效應(yīng)[23],彈性不再有顯著的上升。
如圖4所示,結(jié)冷膠的添加顯著提高了乳液凝膠的持水性,結(jié)冷膠0.5 g/L時,持水力提高近10%;而結(jié)冷膠達(dá)到1.5 g/L時,乳液凝膠的持水力可高達(dá)82.8%,遠(yuǎn)高于空白蛋白樣品。析水率正好與持水性負(fù)相關(guān),隨結(jié)冷膠的濃度上升而下降。48 h后,含有較高濃度的結(jié)冷膠的乳液凝膠沒有明顯自發(fā)的脫水收縮現(xiàn)象,依然呈白色飽滿且富有彈性的外觀。結(jié)冷膠賦予乳液凝膠優(yōu)良的持水性、保水性,與其高度親水的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。
乳液凝膠除了賦予凝膠食品新的物性性質(zhì)外,還可以作為許多脂溶性生理活性物質(zhì)的載體,Liang[13]等研究發(fā)現(xiàn),β-乳球蛋白乳液凝膠對α-生育酚有良好的包埋和緩釋能力。本實驗考察大豆蛋白/結(jié)冷膠乳液凝膠對油滴在模擬消化道環(huán)境中的釋放過程(圖5)。
圖4 結(jié)冷膠濃度對乳液凝膠持水力和析水率的影響Fig.4 Effect of gellan gum concentration on water holding capacity and water separating proportion of emulsion gel
圖5 大豆蛋白-結(jié)冷膠乳液凝膠在模擬胃腸液中油滴連續(xù)釋放過程Fig.5 Oil droplet release profiles obtained in simulated gastrointestinal environments
實驗顯示,蛋白-結(jié)冷膠乳液凝膠在生理鹽水和pH 7.4的磷酸緩沖液中連續(xù)放置6.5 h,幾乎無油滴的釋放,凝膠塊也無明顯溶解和崩塌現(xiàn)象。模擬胃腸道的條件下,在模擬胃液環(huán)境下釋放0.5 h,然后再在模擬腸液環(huán)境中釋放6.5 h。結(jié)果發(fā)現(xiàn),空白蛋白乳液凝膠在胃環(huán)境中釋放高達(dá)40.3%,再經(jīng)6.5 h的腸液環(huán)境后,油滴幾乎完全釋放,凝膠塊崩塌,體系呈乳液狀態(tài)。而結(jié)冷膠的加入,明顯降低了其在胃環(huán)境中的油滴釋放率。當(dāng)結(jié)冷膠添加濃度為1.0 g/L時,油滴在胃環(huán)境中的釋放率幾乎降至空白樣品的一半;當(dāng)結(jié)冷膠濃度為1.5 g/L時,油滴的在胃環(huán)境中的釋放率僅為12.5%,說明隨著結(jié)冷膠添加量的增加,凝膠對油滴的緩釋能力越高,更能夠保護(hù)油滴到達(dá)腸道。繼續(xù)讓乳液凝膠在模擬腸液條件下進(jìn)行釋放,由于胰蛋白酶的作用以及 pH值的變化,油滴繼續(xù)穩(wěn)定釋放,但結(jié)冷膠含量越大的凝膠其緩釋能力更強,經(jīng)過6.5 h在模擬腸液中釋放后,空白蛋白乳液凝膠的油滴被完全釋放于體系當(dāng)中;而結(jié)冷膠濃度為1.5 g/L時,凝膠經(jīng)過6.5 h時釋放率為39.6%。
凝膠中油滴的釋放主要依靠胃蛋白酶、胰酶對于蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)的分解而達(dá)到釋放的效果。乳液凝膠對油滴的緩釋效應(yīng),主要是由于大豆蛋白與結(jié)冷膠結(jié)冷膠形成了雙網(wǎng)絡(luò)體系,使得油滴被更加緊密地包裹在凝膠網(wǎng)絡(luò)中,擴散受阻;同時結(jié)冷膠網(wǎng)絡(luò)阻礙了胃蛋白酶進(jìn)入蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),胃蛋白酶對凝膠的侵蝕速率緩慢;形成的緊致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是不可逆的[24],阻礙了下一步中胰蛋白的進(jìn)入和侵蝕,使得油滴在整個模擬消化的過程中釋放速率變緩??梢岳眠@一緩釋性能,將大豆蛋白-結(jié)冷膠乳液凝膠應(yīng)用于功能脂溶性物質(zhì)的載體。
(1)質(zhì)構(gòu)實驗表明,結(jié)冷膠可提高大豆蛋白乳液凝膠的斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變,同時是復(fù)合乳液凝膠硬度的決定性因素;但在濃度1.0 g/L時,乳液凝膠的彈性較好。
(2)結(jié)冷膠的添加提高了乳液凝膠的持水力,并明顯抑制了凝膠的縮水收縮現(xiàn)象。
(3)結(jié)冷膠的添加,使乳液凝膠對油滴的緩釋能力提高。
總之,在大豆蛋白-結(jié)冷膠復(fù)合乳液凝膠體系中,大豆蛋白和結(jié)冷膠形成親水雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),顯著提高乳液凝膠體系的質(zhì)構(gòu)和保水性能。雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可改善蛋白乳液凝膠本身性能的不足,從而拓寬蛋白乳液凝膠的應(yīng)用,為今后應(yīng)用乳液凝膠作為脂溶性功能物質(zhì)的食品級載體提供參考。
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