李嘉慧,謝新華,齊 蕾,朱鴻帥,張波波

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450002)

噴霧干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品成分的微膠囊化制備,用于保護(hù)和控制活性化合物的釋放,但在干燥過程中,由于霧化和汽化使食品成分受到熱機(jī)械應(yīng)力作用[1],引起食品成分的聚集或解離。當(dāng)食品成分為蛋白質(zhì)時(shí),汽化過程的加熱可引起蛋白質(zhì)變性[2]。

近年來蛋白質(zhì)與聚電解質(zhì)形成復(fù)合物成為食品配料研究的熱點(diǎn)[3-5],二者形成的復(fù)合物可用于保護(hù)蛋白結(jié)構(gòu)[6]。γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是一種由D-或L-谷氨酸通過α-氨基和γ-羧基形成γ-酰胺鍵結(jié)合而成的陰離子聚電解質(zhì)[7],具有良好的水溶性且無毒無味透明度高,它因具有良好的增稠性、保水性、抗凍性以及可食用性被廣泛應(yīng)用于食品中[8]。大豆分離蛋白(SPI)具有良好的氨基酸配比,在pH值為4.5時(shí)易聚沉,為了提高大豆分離蛋白在酸性條件下的應(yīng)用,利用帶正電荷的SPI和帶負(fù)電荷的γ-PGA靜電相互作用形成復(fù)合物,采用噴霧干燥方法研究霧化和加熱過程對SPI-γ-PGA復(fù)合物形成的影響,提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆分離蛋白(蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%)購于山東禹王實(shí)業(yè)有限公司;γ-聚谷氨酸購于西安四季生物科技有限公司。

1.2 SPI溶液與γ-PGA復(fù)合體系的制備

準(zhǔn)確稱取5.0 g SPI和γ-PGA分別溶于1 000 mL蒸餾水中,得到濃度為0.5%的SPI溶液和γ-PGA溶液作為儲液[9]。分別取合適體積的SPI和γ-PGA儲液混合,制備SPI與γ-PGA濃度比為10∶1、3∶1、5∶6的混合溶液,制備完成后用2 mol/L的HCL以及NaOH調(diào)節(jié)復(fù)合溶液的pH值至3.5。

1.3 霧化過程

使用Labplant SD-Basic噴霧干燥儀對SPI-γ-PGA復(fù)合體系進(jìn)行霧化。為探究噴霧干燥過程中施加的剪切作用對復(fù)合體系的影響,SPI-γ-PGA復(fù)合物以0.4 L/h的速度通過0.5 mm的霧化器噴嘴,通過噴嘴后的霧化液用容器收集進(jìn)行測試。

1.4 熱處理過程

將不同濃度比的復(fù)合體系于80℃下進(jìn)行水浴加熱,加熱時(shí)間分別為1 min(T1)、2 min(T2)、3 min(T3)和4 min(T4)。將未經(jīng)加熱的復(fù)合物(T0)作為對比[10]。

1.5 噴霧干燥過程

使用Labplant SD-Basic噴霧干燥儀對SPI-γ-PGA復(fù)合體系進(jìn)行干燥,液體樣品以0.4 L/h的速度進(jìn)行干燥,得到的粉末制備復(fù)合物懸浮液進(jìn)行指標(biāo)測定。

1.6 濁度的測定

使用分光光度計(jì)于600 nm處測定制備的混合液的吸光度值,每個(gè)樣品重復(fù)3次測量[11]。

1.7 粒徑的測定

復(fù)合體系粒度分布使用Beckman Coulter激光粒度分析儀進(jìn)行測定,由3個(gè)獨(dú)立樣品的3次進(jìn)樣計(jì)算出體積加權(quán)平均直徑D[4,3][12]。

1.8 ζ-電位的測定

采用Malvern Nano ZS儀對復(fù)合體系的ζ-電位進(jìn)行測定,將復(fù)合溶液放入樣品池中進(jìn)行測定,每個(gè)樣品重復(fù)3次[13]。

1.9 表面疏水性的測定

使用ANS熒光探針法測定蛋白質(zhì)表面疏水性。將制備好的不同復(fù)合體系以4 000 r/min的速度離心20 min,上清液用pH3.5的蒸餾水依次稀釋,使用Lowry法測定稀釋后上清液中蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度,使其在0.07～0.67 mg/mL之間。取稀釋后的樣品4 mL,加入50 μL濃度為8 mmol/L的ANS溶液,充分混勻后靜置10 min,在330 nm的激發(fā)波長和490 nm的發(fā)射波長下測定其熒光強(qiáng)度,狹縫為5 nm。以蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖,曲線初始階段的斜率即為蛋白質(zhì)分子的表面疏水性[14]。

1.10 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS16.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用Origin8.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧化過程對SPI-γ-PGA復(fù)合物性質(zhì)的影響

由圖1(a)、(b)可知,霧化前,隨著γ-PGA濃度增大,SPI-γ-PGA復(fù)合體系的濁度增大,而復(fù)合體系的粒徑在3∶1時(shí)達(dá)最大,這說明隨著γ-PGA增大,SPI與γ-PGA形成更多的復(fù)合物,引起濁度增大。當(dāng)γ-PGA添加過量時(shí)(SPI與γ-PGA濃度比為5∶6),復(fù)合體系的粒徑降低,這是由于γ-PGA過量時(shí),使復(fù)合物含有大量的負(fù)電荷,產(chǎn)生靜電斥力導(dǎo)致粒徑降低,可由圖1(c)證實(shí),在SPI與γ-PGA濃度比為5∶6時(shí),復(fù)合體系ζ-電位為負(fù)值;同時(shí)復(fù)合體系疏水性也呈增大的趨勢,可由圖1(d)證實(shí),這是因?yàn)楹愣〝?shù)量的帶正電的SPI分子被增加的帶負(fù)電的γ-PGA中和,復(fù)合體系ζ-電位的絕對值增大,蛋白質(zhì)較穩(wěn)定地分散開來,表面疏水性基團(tuán)暴露較多[15]。

圖1 霧化過程對SPI-γ-PGA復(fù)合物濁度(a)、粒徑(b)、ζ-電位(c)和表面疏水性(d)的影響

霧化后,在SPI與γ-PGA比例為10∶1和3∶1時(shí),粒徑均顯著降低,這是因?yàn)閺?fù)合物在經(jīng)過噴嘴時(shí)的剪切力作用而部分分解[16],大尺寸的復(fù)合物分解成眾多尺寸較小的復(fù)合物,體系濁度并未明顯降低,而在γ-PGA過量時(shí),由于復(fù)合物本身粒徑微小,部分分解后濁度顯著降低,而粒徑變化較小。霧化后,在SPI與γ-PGA比例為10∶1和5∶6時(shí),ζ-電位絕對值顯著降低,而在SPI與γ-PGA比例為3∶1,ζ-電位絕對值反而增大了,這是因?yàn)殪F化后SPI與γ-PGA形成的復(fù)合物部分解離,導(dǎo)致復(fù)合體系電荷量發(fā)生變化,霧化后表面疏水性的變化與ζ-電位絕對值的變化相一致,這是因?yàn)榇藭r(shí)ζ-電位絕對值越大,蛋白質(zhì)分子聚集的傾向越小,團(tuán)聚后表面疏水基團(tuán)相應(yīng)增大[17]。

2.2 加熱過程對SPI-γ-PGA復(fù)合物性質(zhì)的影響

由圖2(a)、(b)可知,加熱對SPI與γ-PGA復(fù)合物的濁度和粒徑有顯著影響。當(dāng)SPI與γ-PGA濃度比為10∶1時(shí),隨著加熱時(shí)間的增加,復(fù)合物濁度值由1.914增加至2.196,粒徑也由90.54 μm增至163.66 μm。當(dāng)SPI與γ-PGA濃度比為3∶1時(shí),熱處理也使復(fù)合物的粒徑有所增加,粒徑從92.335 μm增至164.077 μm。這是因?yàn)樵讦?PGA低濃度時(shí),加熱使得過多的蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水性基團(tuán)暴露,發(fā)生了疏水性聚集(這由圖2 (d)顯示隨加熱時(shí)間延長復(fù)合體系的表面疏水性顯著性增大證實(shí)),引起蛋白質(zhì)分子粒徑變大,濁度也相應(yīng)增高[14]。在SPI與γ-PGA濃度比為5∶6時(shí),復(fù)合物的濁度和粒徑變化不明顯,說明復(fù)合物對大豆蛋白的熱變性有保護(hù)作用[18]。

圖2 加熱過程對SPI-γ-PGA復(fù)合物濁度(a)、粒徑(b)、ζ-電位(c)和表面疏水性(d)的影響

圖2(c)、(d)顯示,當(dāng)SPI與γ-PGA濃度比為10∶1時(shí),隨著加熱時(shí)間的增加,熱處理降低了復(fù)合物的ζ-電位,其表面疏水性有增加;在SPI與γ-PGA濃度比為5∶6時(shí),復(fù)合物的ζ-電位差異不顯著,而表面疏水性增加,這是因?yàn)闊崽幚砥茐牧藦?fù)合物的結(jié)構(gòu),使復(fù)合物中的γ-PGA及蛋白質(zhì)的疏水位點(diǎn)的陰離子基團(tuán)暴露引起的[19]。

2.3 霧化后加熱對SPI-γ-PGA復(fù)合物性質(zhì)的影響

為了更好地模擬噴霧干燥過程,對復(fù)合物進(jìn)行了噴霧后加熱處理,結(jié)果如圖3所示,SPI與γ-PGA比例為10∶1時(shí),熱處理使復(fù)合物的濁度顯著增大,粒徑基本保持在60 μm左右,這可能是因?yàn)榧訜崾褂坞x的SPI分子部分聚集引起的,這與復(fù)合物僅經(jīng)過熱處理結(jié)果一致;SPI與γ-PGA比例為3∶1時(shí),熱處理使霧化后的SPI-γ-PGA復(fù)合物濁度略有降低,粒徑卻顯著增大至317.19 μm,說明此時(shí)熱處理使SPI暴露更多的正電荷基團(tuán)與γ-PGA負(fù)電荷結(jié)合,這可由圖3(c)ζ-電位絕對值降低證明,也說明霧化后的復(fù)合物對熱處理更敏感;當(dāng)SPI與γ-PGA比例為5∶6時(shí),復(fù)合物的濁度和粒徑都略有降低,這也是由于復(fù)合物的熱解離造成的,且此時(shí)γ-PGA過量,帶有負(fù)電荷的復(fù)合物可通過靜電排斥作用防止分子間的聚集[20]。

圖3 霧化后加熱對SPI-γ-PGA復(fù)合物濁度(a)、粒徑(b)、ζ-電位(c)和表面疏水性(d)的影響

圖3(c)、(d)顯示,當(dāng)SPI與γ-PGA濃度比為10∶1時(shí),熱處理使ζ-電位由負(fù)值變?yōu)檎?且隨著加熱時(shí)間的增加逐漸減小,疏水性也呈現(xiàn)出驟然增大后又逐漸減小的趨勢,這是因?yàn)榧訜崾筍PI分子發(fā)生熱變性導(dǎo)致蛋白質(zhì)內(nèi)部的一些帶電基團(tuán)以及疏水性殘基暴露到分子外部,隨著加熱時(shí)間的延長,ζ-電位及疏水性下降。當(dāng)SPI與γ-PGA濃度比為3∶1和5∶6時(shí),復(fù)合物的ζ-電位絕對值和表面疏水性均逐漸減小,這是由于加熱使形成的復(fù)合物進(jìn)一步聚集[21],這也體現(xiàn)出添加足夠的γ-PGA對蛋白質(zhì)的保護(hù)作用。

2.4 噴霧干燥對SPI-γ-PGA復(fù)合物性質(zhì)的影響

由圖4(a)、(b)可知,復(fù)合物經(jīng)過噴霧干燥后,復(fù)合物的濁度和粒徑與圖1(a)、(b)噴霧的變化趨勢一致,而在三組濃度下復(fù)合物粒徑均顯著降低,這是因?yàn)閺?fù)合物不僅受剪切力作用,同時(shí)也受瞬間高溫影響,使料液水分快速蒸發(fā),顆粒表面收縮,引起粒徑的減小[22]。與霧化后再進(jìn)行水浴加熱的樣品相比,通過整個(gè)噴霧干燥過程的復(fù)合物粒徑更小,在高濃度的γ-PGA下,濁度也降至更低的數(shù)值,這是因?yàn)樗〖訜崾鞘贵w系的溫度緩慢升高,而噴霧干燥使霧狀液滴與熱空氣均勻混合,瞬間完成干燥過程,伴隨著更大的熱機(jī)械應(yīng)力[23]。由圖4(c)、(d)可知,經(jīng)過噴霧干燥復(fù)合物的ζ-電位絕對值增大,表面疏水性增加,是由于霧化使得復(fù)合物部分解離,負(fù)電荷量增大[24]。

圖4 噴霧干燥對SPI-γ-PGA復(fù)合物濁度(a)、粒徑(b)、ζ-電位(c)和表面疏水性(d)的影響

3 結(jié)論

在pH值為3.5條件下制備了SPI與γ-PGA濃度比為10∶1、3∶1及5∶6的復(fù)合物,霧化由于剪切力的作用使復(fù)合物的解離形成小的復(fù)合物;在濃度比為10∶1時(shí),加熱使過量的蛋白質(zhì)分子聚集;SPI與γ-PGA濃度比3∶1時(shí),加熱使復(fù)合物聚集;SPI與γ-PGA濃度比為5∶6時(shí),加熱使復(fù)合物發(fā)生解離。噴霧干燥的復(fù)合物與霧化后再進(jìn)行加熱的復(fù)合物相比解離程度更大,ζ-電位絕對值增大,表面疏水性增大,說明高濃度的γ-PGA與SPI形成的復(fù)合物可避免蛋白質(zhì)的聚集,有利于保護(hù)蛋白質(zhì),防止蛋白質(zhì)變性。