杜艷麗，黃國清，張 彤，馬 敏，肖軍霞

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109）

減壓等離子體處理對大豆分離蛋白功能性質(zhì)的影響

杜艷麗，黃國清，張 彤，馬 敏，肖軍霞*

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109）

運用減壓等離子體處理大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI），研究處理時間對SPI溶解性、乳化活性、觸變性、熱穩(wěn)定性及表面粗糙度等功能性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：經(jīng)100 W的減壓等離子體處理150 s后，SPI的溶解度、乳化活性指數(shù)和吸水性均達到最大，分別為572.83 μg/mL、0.584 m2/g和12.675 g/g，比對照分別增加約35%、15%和48%；吸油性隨著處理時間的延長呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，當(dāng)處理時間為300 s時達到最大值2.071 mL/g，比對照增加了12%；流變學(xué)研究表明減壓等離子體處理使SPI的黏度有所降低，但未影響其觸變性及剪切變稀行為；差示掃描量熱分析表明減壓等離子體處理略微降低了SPI的熱穩(wěn)定性，掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果則表明減壓等離子體處理增加了SPI顆粒的表面粗糙度。上述研究表明，減壓等離子體處理可以改善SPI的溶解性、乳化性、吸水性、吸油性，因此在SPI的改性中具有潛在的應(yīng)用價值。

減壓等離子體；大豆分離蛋白；功能性質(zhì)；改性

大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）是以低變性脫脂豆粕為原料，采用現(xiàn)代化的加工技術(shù)制備的一種蛋白質(zhì)量分數(shù)大于90%（以干質(zhì)量計）的功能性食品添加劑或食品原料[1]。SPI主要包括β-大豆伴球蛋白（7S球蛋白）和大豆球蛋白（11S球蛋白）2 種成分[2-3]。SPI具有水溶性、乳化性、凝膠性、起泡性、吸油性等多種功能[4]，能夠影響食品的感官特性，對食品在制造、加工和貯藏過程中的物理、化學(xué)性質(zhì)起重要作用，已在醫(yī)藥保健食品、嬰兒食品及飲料等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

天然的SPI功能特性不突出，這使其難以滿足食品體系對蛋白質(zhì)功能特性的不同需求，因此有必要采用一些方法來改善SPI的功能性質(zhì)?，F(xiàn)有的SPI改性方法可分為物理改性、化學(xué)改性和酶法改性等[5]?；瘜W(xué)改性是利用特定化學(xué)試劑與蛋白質(zhì)分子上的基團發(fā)生反應(yīng)，主要包括二硫鍵還原、乙?；?、糖基化、戊二醛交聯(lián)等[6]；化學(xué)改性能夠顯著拓展SPI的應(yīng)用范圍，但是該法存在化學(xué)試劑殘留、無選擇性及成本高等弊端。酶法改性是一種比較有潛力的改性方法，其中轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶在SPI改性中的應(yīng)用最為廣泛；雖然該方法容易完成且具有很高選擇性，但是其作用時間較長，而且有時改性效果不明顯[7]。物理改性是采用高壓、微波輻射、超聲波、加熱、機械作用、射線等[8-9]方式來改變SPI的高級結(jié)構(gòu)和分子間聚集方式；該方法具有費用低、毒副作用小、處理時間短及對產(chǎn)品營養(yǎng)成分影響弱等優(yōu)點，且不涉及化學(xué)試劑殘留，因此應(yīng)用前景廣闊[10]。

等離子體是一種部分或完全電離的氣體，其所含的自由電子和離子所帶正負電荷完全抵消，因此宏觀上仍呈現(xiàn)電中性[11]。由于具有操作簡單、綠色、無須使用溶劑、省時、環(huán)境友好等特點，等離子體技術(shù)已經(jīng)在食品工業(yè)中顯現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力，已被應(yīng)用于微生物的滅活[12]和黃曲霉毒素的脫毒[13]。等離子技術(shù)在生物大分子改性中的應(yīng)用也已有報道。Arolkar等[14]發(fā)現(xiàn)減壓等離子體處理可以提高玉米淀粉膜的降解率；Alves等[15]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過氧氣等離子體處理后聚乳酸中含氧官能團的數(shù)量及蛋白質(zhì)吸附性能都有極大提高；Jordá-Vilaplana等[16]發(fā)現(xiàn)氧氣等離子體處理提高了聚乳酸的表面粗糙度和極性基團數(shù)量。國內(nèi)Pang Jie等[17]就等離子體處理在淀粉改性中的應(yīng)用進行了初步研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理后，高直鏈淀粉膜的表面粗糙度、含氧基團數(shù)以及親水性都有所提高；蒲華寅[18]則發(fā)現(xiàn)等離子體處理基本不改變馬鈴薯淀粉和玉米淀粉的整體顆粒相貌及糊化歷程，但降低了兩者的結(jié)晶度、提高了溶解度。

上述研究表明等離子體處理有望顯著改善生物大分子的功能性質(zhì)，目前尚未見到等離子體處理SPI的報道。本研究擬采用100 W的減壓等離子體處理SPI，探究處理時間對SPI溶解性、乳化活性指數(shù)（emulsifying activity index，EAI）、吸水性（water adsorption capacity，WAC）、吸油性（oil adsorption capacity，OAC）、流變學(xué)性質(zhì)以及熱性能的影響，以期拓寬SPI在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI（食品級） 青島天新食品添加劑有限公司；一級大豆油（食品級） 嘉里糧油（青島）有限公司；牛血清白蛋白、考馬斯亮藍G250、十二烷基硫酸鈉、磷酸、乙醇（均為分析純） 萊陽市康德化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

減壓等離子體機 蘇州奧普斯等離子體科技有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、HH-S2數(shù)顯恒溫水浴鍋 龍口市先科儀器有限公司；FJ200-SH型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機 上海標(biāo)本模型廠；DL-5-B低速大容量離心機 上海安亭儀器設(shè)備廠；UV-2000紫外-可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司；MCR201動態(tài)剪切流變儀 江都區(qū)昌隆試驗機械廠；JEOL700F掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社。

1.3 方法

1.3.1 減壓等離子體處理SPI

精確稱取0.500 0 g SPI粉末平鋪在培養(yǎng)皿上，均勻滴加蒸餾水8.00 mL使其吸水完全。將裝有SPI的培養(yǎng)皿于50 ℃烘箱烘6 h，然后置于減壓等離子體載物臺上，設(shè)置處理功率為100 W，處理時間分別為0（對照）、50、100、150、200、250、300 s。處理完畢后，將培養(yǎng)皿內(nèi)的SPI收集、粉碎，裝入密封袋中于4 ℃條件下貯存待測。

1.3.2 溶解性的測定

測定SPI中可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度，用每毫升水中溶解的SPI的質(zhì)量（μg）來表示溶解度，使用考馬斯亮藍G250染色法測定[19-20]。取6 支10 mL帶塞試管，分別加入1 000 μg/mL的牛血清白蛋白溶液0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL，補足蒸餾水到1 mL，從而得到0～500 μg/mL的牛血清白蛋白稀釋溶液，取各質(zhì)量濃度的稀釋液0.10 mL置于另外6 支帶塞試管中，分別加入5.00 mL 100 μg/mL考馬斯亮藍G250溶液，漩渦振蕩混勻，2 min后測定595 nm波長處各試管溶液的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

精確稱取不同處理條件下的SPI粉末各0.100 0 g溶解于蒸餾水中，4 000 r/min離心20 min，取上清液0.2 mL放入10 mL試管中，再加入100 μg/mL的考馬斯亮藍G250溶液5.00 mL，振蕩搖勻，2 min后使用考馬斯亮藍G250溶液進行調(diào)零，然后在595 nm波長處測定不同處理條件下的SPI吸光度。根據(jù)牛血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線得出線性方程，通過該線性方程計算出SPI溶液中蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度。用每毫升水溶液中可溶性蛋白的質(zhì)量（μg）來表示溶解度。

1.3.3 EAI的測定

EAI根據(jù)Molina[21]、Tang Chuanhe[22]等的方法進行測定。精確稱取經(jīng)減壓等離子體處理不同時間的SPI粉末0.060 0 g，加入12.00 mL蒸餾水混合均勻，再加入4.00 mL一級大豆油于10 000 r/min條件下均質(zhì)5 min。精確量取1.00 mL乳化液，稀釋至5 倍體積，以質(zhì)量分數(shù)0.1%的十二烷基硫酸鈉水溶液調(diào)零，在500 nm波長處測定稀釋乳液的吸光度，按式（1）計算EAI。

式中：A為500 nm波長處的吸光度；N為稀釋倍數(shù)；ρ為乳化液形成前蛋白質(zhì)水溶液中蛋白質(zhì)量濃度/（g/mL）；φ為乳化液中大豆油的體積分數(shù)/%；L為比色池光徑/cm。

1.3.4 WAC的測定

精確稱取經(jīng)減壓等離子體處理不同時間的SPI粉末0.100 0 g（m）于10 mL離心管中，加入6.00 mL蒸餾水，振蕩1 min后靜置10 min，4 000 r/min離心20 min，倒出上清液后用濾紙吸去游離水分后稱質(zhì)量（m1），再將離心管放在50 ℃烘箱中至恒質(zhì)量（m2）。SPI的WAC按公式（2）計算[23]。

1.3.5 OAC的測定

精確稱取經(jīng)減壓等離子體處理不同時間的SPI粉末0.100 0 g（m）于10 mL離心管中，然后加入5.00 mL（V1）一級大豆油，每隔5 min振蕩30 s，30 min后4 000 r/min離心10 min，讀取剩余大豆油的體積（V2），按式（3）計算SPI的OAC[23]。

1.3.6 流變學(xué)性質(zhì)的測定

精確稱取經(jīng)減壓等離子體處理不同時間的SPI粉末0.100 0 g用蒸餾水溶解后定容至10.00 mL得到1 g/100 mL的溶液，測定其流變學(xué)性質(zhì)，以未經(jīng)減壓等離子體處理的SPI溶液作為對照。SPI的觸變性質(zhì)分2 個區(qū)間進行測量，上升測量區(qū)間的頻率變化范圍為0.3～200.0 s-1；下降測量區(qū)間的頻率變化范圍為200.0～0.3 s-1。測定過程中溫度保持為30 ℃，板間間距為1 mm。

1.3.7 熱性能的測定

采用差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）分析。精確稱取經(jīng)減壓等離子體處理不同時間的SPI粉末及對照0.005 0 g加入到鋁盒中，在氮

氣的保護下以5 ℃/min的速率從30 ℃加熱到300 ℃，通過計算機記錄加熱過程中的熱曲線。

1.3.8 表面形態(tài)的觀察

稱取一定量的對照SPI及減壓等離子體處理300 s的SPI粉末，用導(dǎo)電膠貼于載物臺上，放入表面處理機中噴金，加速電壓為2 kV，用掃描電子顯微鏡觀察SPI微觀形貌。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與分析

2.1 減壓等離子體處理對SPI溶解性的影響

圖1 減壓等離子體處理時間對SPI溶解性的影響Fig. 1 Effect of reduced pressure plasma treatment duration on the solubility of SPI

從圖1可以看出，隨著處理時間的延長，SPI的溶解度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且在150 s時溶解度達到最大值572.83 μg/mL，比對照SPI增加了35%。當(dāng)處理時間從150 s延長至300 s時SPI溶解度逐漸降低，處理時間為300 s時，SPI的溶解度僅為393.2 μg/mL，與對照SPI相比降低了7%。已有研究表明，在一定條件下等離子體處理可向生物大分子中引入大量的親水性功能基團如氨基、羧基和羥基等[24]，但是當(dāng)超過一定強度時會使生物大分子發(fā)生解聚或交聯(lián)反應(yīng)[25]。從圖1可以看出，經(jīng)短時間的減壓等離子體處理可能使得SPI中親水性基團的含量增加，從而使溶解度顯著增加（p＜0.05）；當(dāng)處理時間進一步延長時，SPI分子之間發(fā)生了交聯(lián)，分子質(zhì)量變大從而使其溶解度降低，且隨著處理時間的延長，降低趨勢愈發(fā)明顯。

2.2 減壓等離子體處理對SPI EAI的影響

從圖2可以看出，當(dāng)處理時間為50 s和100 s時，SPI的EAI均低于對照，表明此時等離子體處理引入的親水性基團數(shù)量過多，使得SPI的EAI下降；當(dāng)處理時間延長至150 s時，SPI的EAI達到最大值0.584 m2/g，比對照增加了15%，表明在此處理時間下SPI的結(jié)構(gòu)變得更加松散，使得更多的疏水性的基團暴露出來；但是當(dāng)處理時間進一步延長時，SPI的EAI又顯著降低（p＜0.05），在處理時間為300 s時，SPI的EAI為0.443 m2/g，比對照SPI降低了6%，比150 s時的EAI降低了24%。這可能是由于長時間的處理使得SPI分子間發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，從而使其溶解性和暴露在外的疏水性基團數(shù)量降低所致。這一變化趨勢與溶解度的基本一致。

圖2 減壓等離子體處理時間對SPI EAI的影響Fig. 2 Effect of reduced pressure plasma treatment duration on the EAI of SPI

2.3 減壓等離子體處理對SPI WAC的影響

圖3 減壓等離子體處理時間對SPIX WAC的影響Fig. 3 Effect of reduced pressure plasma treatment duration on the WAC of SPI

從圖3可以看出，隨著減壓等離子體處理時間的延長，SPI的WAC整體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，但是均高于未處理的SPI。當(dāng)處理時間從50 s延長到150 s時，SPI的WAC呈現(xiàn)增加的趨勢，且在150 s時WAC達到最大值12.675 g/g，是對照SPI的1.48 倍。SPI的WAC主要取決于其親水性基團的含量。由2.1節(jié)分析可知，在該處理時間范圍內(nèi)SPI中可能引入了大量親水性基團，因此使其與水通過氫鍵結(jié)合的能力大增加，使得WAC明顯升高；當(dāng)處理時間進一步延長時，SPI之間發(fā)生了交聯(lián)，部分親水性基團被掩蓋，從而使其WAC有所下降，但是仍高于對照。

2.4 減壓等離子體處理對SPI OAC的影響

從圖4可以看出，在50～200 s的時間范圍內(nèi)，隨著處理時間的延長，SPI的OAC隨之降低，在100、150 s和200 s時達到最低值，其中處理時間為150 s時的OAC僅為1.532 mL/g，比對照SPI降低了13%；當(dāng)減壓等離子體處理時間進一步延長時，SPI的OAC有所恢復(fù)，并且在300 s時達到最大值2.071 mL/g，顯著高于對照SPI（增高約12%），該變化趨勢與2.3節(jié)中的WAC結(jié)果基本相反。這可能是由于當(dāng)減壓等離子體處理時間較短時引入了較多的親水性基團，使得疏水性基團的數(shù)量相對變少，因此OAC下降；當(dāng)處理時間進一步延長時，SPI發(fā)生了聚合反應(yīng)，有利于疏水性區(qū)域的形成，因此使其OAC上升且在300 s時達到最大值。

圖 4 減壓等離子體處理時間對SPI OAC的影響Fig. 4 Effect of reduced pressure plasma treatment duration on the OAC of SPI

莫耽等[26]就輻照處理對SPI功能性質(zhì)的影響進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著輻射強度的增加，SPI的WAC和乳化活性均表現(xiàn)出了先增加后降低的趨勢，而OAC則先降低后升高，且當(dāng)OAC最低時乳化活性最高，這與本研究中觀察到的規(guī)律基本一致，表明輻照處理與等離子體處理這兩種方法在機理上可能有相似之處。

2.5 減壓等離子體處理對SPI溶液流變學(xué)性質(zhì)的影響

圖5 對照組SPI（a）及減壓等離子體處理300 s的SPI（b）的動態(tài)黏度Fig. 5 Dynamic viscosity of control SPI (a) and SPI exposed to reduced pressure plasma for 300 s (b)

以處理300 s的SPI為代表研究減壓等離子體處理對SPI流變學(xué)性質(zhì)的影響。從圖5可知，隨著剪切速率的增加，兩種SPI溶液的黏度均迅速下降，表現(xiàn)出明顯的剪切變稀現(xiàn)象及非牛頓流體的特征；外力逐步撤銷后黏度均能恢復(fù)到初始值，表明減壓等離子體處理未破壞SPI的觸變特性；另外，減壓等離子體處理后SPI的初始黏度有所降低，這可能是由于處理300 s后SPI溶解度降低及發(fā)生聚集而使SPI分散性能變差所致。

2.6 減壓等離子體處理對SPI熱性能的影響

表1 SPI在DSC圖譜上的峰值溫度Table 1 Peak temperatures of SPI in DSC thermogram

減壓等離子體處理過的SPI和對照SPI的DSC分析結(jié)果如表1所示。所有樣品在實驗設(shè)置溫度范圍內(nèi)均只有一個吸熱峰和一個放熱峰。吸熱峰在90 ℃附近，與樣品中水分蒸發(fā)有關(guān)；放熱峰與SPI的熱分解有關(guān)。處理組的SPI放熱峰的峰值溫度比對照的峰值溫度都要低，說明經(jīng)減壓等離子體處理的SPI熱穩(wěn)定性有所降低。在處理時間為50 s時，放熱峰峰值溫度最低，對應(yīng)SPI的熱穩(wěn)定性最低，這可能是由于SPI經(jīng)過減壓等離子體處理后發(fā)生了部分分解所致；隨著處理時間的延長，放熱峰的峰值溫度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且在150 s時峰值溫度達到最大值，這可能是由于此時SPI中的親水性基團含量最高，分子內(nèi)的氫鍵相互作用最強，因此需要額外的熱量來破壞該相互作用所致；當(dāng)處理時間達到300 s時，SPI的熱分解溫度又有所升高，這可能是由于此時SPI發(fā)生了聚集，形成了熱穩(wěn)定性較好的復(fù)合物，此時的水分蒸發(fā)峰溫度的變化趨勢與此分析一致，即由于形成了更加致密的結(jié)構(gòu)，水分的蒸發(fā)受阻，從而使其吸熱峰溫度略有上升。本實驗的研究結(jié)果與從印度香米米粉中觀察到的結(jié)果一致[27]，但與聚乳酸薄膜的結(jié)果相反[28]，表明等離子體處理對生物大分子的性質(zhì)有重要影響。

2.7 減壓等離子體處理對SPI微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖6 對照組SPI（a）及100 W減壓等離子體處理300 s的SPI（b）掃描電子顯微鏡圖Fig. 6 Scanning electron micrographs of control SPI (a) and SPI exposed to reduced pressure plasma for 300 s (b)

高能粒子在轟擊生物大分子時會在聚合物表面產(chǎn)生蝕刻效應(yīng)[29]，已有報道稱空氣等離子體處理會增加聚對苯二甲酸乙二醇酯玉米淀粉膜[30]、玉米淀粉/聚ε-已內(nèi)酮復(fù)合膜[14]及聚乳酸膜[16]的表面粗糙度。本研究在減壓等離子體處理時間300 s的SPI中也觀察到了相同的結(jié)果。由圖6a可知，對照組的SPI顆粒表面外表比較平滑，而經(jīng)減壓等離子體處理300 s后，SPI顆粒表面出現(xiàn)一些小碎片且變得比較粗糙（圖6b），表明等離子體中的高能粒子攻擊了SPI分子。

3 結(jié) 論

本實驗運用減壓等離子體對SPI進行改性，固定處理功率100 W，研究了處理時間對SPI功能性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，減壓等離子體處理對SPI的功能性質(zhì)有重要影響，且具體效果與處理時間密切相關(guān)。當(dāng)減壓等離子體處理時間為150 s時，SPI的溶解度、EAI和WAC均達到最大值，分別為572.83 μg/mL、0.584 m2/g和12.675 g/g，分別比對照SPI提高了35%、15%和48%；當(dāng)處理時間為300 s時，SPI的OAC最強，達到了2.071 mL/g，比對照SPI提高了12%。減壓等離子體處理對SPI溶液的觸變特性無影響，但是略微降低了其熱穩(wěn)定性，且當(dāng)處理時間為300 s時使SPI顆粒表面的粗糙度增加。綜上所述，減壓等離子體處理可以顯著改善SPI的部分功能性質(zhì)，且可根據(jù)實際情況改變處理強度以獲得所需的功能性質(zhì)，因此在SPI的改性中具有潛在的應(yīng)用價值。

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Effect of Reduced Pressure Plasma Treatment on Functional Properties of Soybean Protein Isolate

DU Yanli, HUANG Guoqing, ZHANG Tong, MA Min, XIAO Junxia*
(College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Reduced pressure plasma was used to modify soybean protein isolate (SPI) and the ef f ect of exposure duration to 100 W plasma on the solubility, emulsifying activity index, rheological properties, thermal behavior, and surface roughness of SPI was studied in this work. The results indicated that exposure to 100 W reduced pressure plasma for 150 s resulted in the highest solubility, emulsifying activity, and water adsorption capacity of up to 572.83 μg/mL, 0.584 m2/g and 12.675 g/g,which were 35%, 15%, and 48% higher than those of the untreated control respectively. The highest oil adsorption capacity of 2.071 mL/g was observed at an exposure duration of 300 s, which was 12% higher than that of the control. Reduced pressure plasma treatment slightly decreased the initial viscosity of SPI solution, but did not af f ect its thixotropy or shearthinning behavior. Differential scanning calorimetry analysis revealed slightly decreased thermal stability and scanning electron microscope observation indicated increased surface roughness in plasma-treated SPI. Therefore, reduced-pressure plasma treatment could improve the solubility, emulsifying activity, water adsorption capacity, and oil adsorption capacity of SPI and hence has a great potential in the modif i cation of SPI.

reduced pressure plasma; soybean protein isolate; functional properties; modif i cation

10.7506/spkx1002-6630-201723004

TS202.1

A

1002-6630（2017）23-0020-06

杜艷麗, 黃國清, 張彤, 等. 減壓等離子體處理對大豆分離蛋白功能性質(zhì)的影響[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(23): 20-25.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723004. http://www.spkx.net.cn

DU Yanli, HUANG Guoqing, ZHANG Tong, et al. Effect of reduced pressure plasma treatment on functional properties of soybean protein isolate[J]. Food Science, 2017, 38(23): 20-25. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723004. http://www.spkx.net.cn

2016-07-24

國家自然科學(xué)基金面上項目（31571890）；山東省自然科學(xué)基金面上項目（ZR2015CM037）

杜艷麗（1990—），女，碩士研究生，研究方向為食品配料及穩(wěn)態(tài)化技術(shù)。E-mail：18354255812@163.com

*通信作者：肖軍霞（1977—），女，教授，博士，研究方向為食品配料及穩(wěn)態(tài)化技術(shù)。E-mail：xjxfood@qau.edu.cn