瓜尔豆胶和甲基纤维素对大豆分离蛋白乳析和絮凝稳定性的影响

瓜尔豆胶和甲基纤维素对大豆分离蛋白乳析和絮凝稳定性的影响

中性糖作为增稠剂、添加剂或乳化剂，广泛应用于乳液和食品蛋白质的乳液体系。最常用的中性多糖是从植物种子中提取的水溶性多糖(如瓜尔豆胶)和改性纤维素(如甲基纤维素)。瓜尔豆胶(guargum)是由Cyamopsistetragonolobus种子提取的半乳甘露聚糖。这种非离子型多糖由β(1→6)连接的D-甘露糖骨架和β(1→4)连接的分支或侧链构成。甘露糖与半乳糖的比率为2:1。溶液中低浓度的瓜尔豆胶分子以展开的随机卷曲的构象分散于水中,并且多糖分子可以自由移动或改变分子构象。当瓜尔豆胶浓度增加时,分子间的接触增加而相互缠结,导致水相粘度急剧增加。这种高粘度对食品体系的流变特性及稳定性有显著的影响。甲基纤维素(methylcellulose,MC)是由纤维素经过疏水改性的水溶性高分子。由于具有表面活性及溶于冷水而受热形成可逆凝胶的独特性能,甲基纤维素广泛用于许多工业。在蛋白质乳浊液中,加入甲基纤维素增加了体相的粘度,但由于甲基纤维素的乳化活性较高,对蛋白质乳浊液的稳定影响较复杂。本文比较了这两种典型的中性多糖对大豆分离蛋白乳浊液稳定性的影响并探讨了其作用机理。1材料和方法1.1实验材料和仪器瓜尔豆胶印度进口;甲基纤维素(食品级,55RT600)泰安瑞泰纤维素有限公司;厨宝粟米油购自本地超市;硕森大豆分离蛋白哈尔滨黎明植物蛋白厂;磷酸二氢钠,磷酸氢二钠,氢氧化钠,盐酸,叠氮钠均为分析纯。FJ-200高速分散均质器上海标本模型厂;高压均质机上海张堰轻工机械厂;pHS-3C精密pH计上海雷磁仪器厂;XS-18型实验室生物显微镜南京江南光电(集团)有限公司;Nikon995数码相机日本;Mastersizer2000MalvernInstrumentsLtd.英国。1.2实验方法1.2.1磷酸盐缓冲液t将一定量的瓜尔豆胶(含水量14.50%,wt)分散于20mmol/L的磷酸盐缓冲液中,加热到80℃,搅拌保温20min。充分溶解后用自来水冷却到室温,补水定量。1.2.2均质器分散将一定量的甲基纤维素(含水量6.60%,wt)加到85℃的少量20mmol/L的磷酸盐缓冲液中,用均质器分散。然后逐渐加入4℃的相同浓度的缓冲液到预定的甲基纤维素浓度。此时形成澄清透明的多糖溶液。1.2.3压力的确定将1.5%的大豆分离蛋白分散于瓜尔豆胶或甲基纤维素的缓冲溶液中,用1.0mol/L的NaOH和HCl调节pH到预定值。加入0.04%的叠氮钠抑制微生物繁殖,密封放置过夜。向大豆分离蛋白分散液中加入油:水=1:9(V/V)的粟米油。用高速分散均质器分散预均质。然后用高压均质机一次均质(均质前用同pH条件的缓冲液清洗均质机,均质压力为:一级30MPa,二级10MPa)。新鲜制备的乳浊液经调节pH值后备用。1.2.4乳液分析的稳定性试验取上述新鲜制备的乳浊液10ml于具塞刻度试管中。25℃静置,定期记录乳析层高度。1.2.5水相环境条件移取1ml放置6d后的乳浊液到烧杯中,同等水相环境条件稀释50倍。在显微镜下以400倍率观察脂肪滴絮凝体的变化,用Nikon995数码相机拍片。1.2.6平均粒径参数设定用Mastersizer2000(MalvernInstrumentsLtd.,UK)粒度测定仪测定室温放置9d的乳浊液液滴的平均粒径d3,2(μm)。测定参数设定为:分析模式常规分析;附件名称Hydro2000MU(A);液滴粒子折射率1.530;水折射率1.330;相对折射率1.530/1.330=1.150;测定粒径范围0.020～2000.0μm;乳浊液粒子吸光度0.1;体-面平均粒径(averagevolume-surfacediameter)d3,2:其中ni为直径为di(μm)的液滴的数量。2结果与分析2.1u3000添加0.突出蛋白乳析层相对高度的影响不同pH条件下瓜尔豆胶对大豆分离蛋白乳析稳定性的影响见图1。由图中看出,随着pH从6.5增加到7.5,乳浊液的乳析层相对高度逐渐下降。这是由于随着pH值的增加,大豆分离蛋白的溶解度增加,乳化性能增加的缘故。从图中还可以看出,随着瓜尔豆胶的浓度从0.005%增加到0.04%,大豆分离蛋白乳浊液的乳析稳定性大大提高。特别是在pH6.5时,随着瓜尔豆胶浓度的增加,体系的乳析层相对高度显著降低。当瓜尔豆胶浓度增加到0.08%时,所有体系乳析层相对高度又急剧增加。高于0.13%的体系都发生明显的相分离现象。上层主要为浓缩液滴层,下层为富含瓜尔豆胶的澄清溶液层。瓜尔豆胶浓度较高时,相分离现象与pH值的变化没有明显的规律性,仅在pH6.5时下层清液的高度比pH7.0和7.5的体系高出很多。这可能是在pH6.5时液滴强烈絮凝导致与瓜尔豆胶的不相容性增加,相分离加剧。不同pH条件下甲基纤维素对大豆分离蛋白乳浊液稳定性的影响见图2。在pH6.5时,随着多糖浓度的增加,体系的乳析层相对高度呈现U型变化。在MC浓度≤0.13%的范围内,随着MC浓度的增加,体系的乳析层相对高度逐渐下降。当MC浓度增加到0.18%以上时,体系的乳析层相对高度急剧增加。此时体系宏观上分为三层:上部为乳白色的乳析层,中部为较清的浆液层,而下部为沉淀层。pH7.0的体系乳析层相对高度随MC浓度的变化也表现出与pH6.5的体系相似的U型曲线。但在MC浓度达到0.25%时才出现乳析层相对高度急剧增加的现象,此时的体系宏观上也分成乳析层、浆液层和沉淀层。当体系pH值增加到7.5时,随着MC浓度的增加,体系的乳析层相对高度在0.005%～0.01%时比未加MC的体系稍有增加,然后随着MC浓度的增加而逐渐下降。在实验的浓度范围内未出现宏观上分成三层的现象。从图中还可以看出,在MC浓度为0.04%～0.13%的范围内,乳析层的相对高度不明显依赖于pH值的变化。2.2催化剂的影响为了进一步研究瓜尔豆胶和甲基纤维素影响大豆分离蛋白乳浊液稳定性变化的原因,观察了乳析层相对高度不同的体系液滴的絮凝现象。图3～5是pH7.0的条件下,瓜尔豆胶浓度对乳浊液液滴絮凝稳定性影响的显微照片。由图看出,当瓜尔豆胶浓度为0%时(图3),体系呈现轻度的絮凝。随着瓜尔豆胶浓度增加到0.04%,体系未出现明显的絮凝现象,液滴分布较均匀(图4)。而当瓜尔豆胶浓度为0.08%时(图5),液滴又形成明显的絮凝。pH6.5和7.5的体系液滴絮凝现象与pH7.0的体系相似,但在0.08%的瓜尔豆胶浓度时,pH6.5的体系絮凝现象较强烈。这是由于液滴的蛋白质吸附层表面正电荷较多,絮凝液滴间相互吸引作用较强的缘故。当瓜尔豆胶浓度为0.25%时,体系的液滴发生强烈的絮凝(照片未刊出)。结合图1看出,乳浊液乳析层相对高度于体系的絮凝强烈程度呈现明显的相关性。随着乳浊液液滴的絮凝程度由较强到弱再强的变化,体系的乳析层相对高度相应的由高到低再到高的变化。这表明瓜尔豆胶引起液滴的絮凝是造成体系乳析稳定性下降的主要原因。甲基纤维素对pH6.5的大豆分离蛋白乳浊液液滴絮凝稳定性的影响见图6、7。含0.005%的甲基纤维素的体系絮凝程度较轻(照片未刊出)。随着浓度增加到0.04%,体系的絮凝程度进一步降低,但出现大粒径的液滴(图6),当多糖浓度为0.25%时,体系的液滴絮凝程度加剧,同时出现较多的大粒径液滴(图7)。pH7.0的体系絮凝现象与pH6.5的体系相似(照片未刊出),极少量的MC不能显著降低体系液滴的絮凝现象,当MC浓度达到0.04%时,能有效的抑制絮凝现象,同时体系也出现大粒径的液滴,随着MC浓度达到0.25%,体系的絮凝现象加剧,大粒径的液滴也增多。当pH值增加到7.5时,甲基纤维素浓度为0.005%的体系出现轻度絮凝,而浓度为0.04%的体系表现出良好的絮凝稳定性,液滴较均匀的分散于水相中,也未见大粒径的液滴出现(照片未刊出)。浓度为0.25%的体系的絮凝现象也不明显,但已经出现大粒径的液滴。与pH6.5和7.5的体系相比,大液滴的数量和粒径都显著下降。瓜尔豆胶和甲基纤维素对体系液滴平均粒径的影响见表1。由表看出,在研究的pH值范围内,随着pH值的增加,液滴的平均粒径逐渐下降,体系的乳析稳定性逐渐增加。随着瓜尔豆胶浓度由0.005%增加到0.04%,液滴的平均粒径逐渐降低。由絮凝体的显微结构可知,粒径的降低是由体系絮凝现象降低引起的;随着MC浓度的增加,液滴的平均粒径一般都降低。不同的是pH6.5时含0.005%MC的体系粒径显著高于未加MC的体系,这可能是此浓度下MC吸附到液滴表面引起桥连絮凝的缘故。3甲基纤维素在乳浊液中的吸附机理一般认为非离子型多糖与蛋白质不发生相互作用,当这两种高分子共存于乳浊液体系中时,多糖分子不吸附到蛋白质覆盖的界面上。相反,多糖分子被蛋白质分子排斥,在液滴周围形成排斥多糖分子的排斥区。在两个液滴相互接近时,排斥区相互重叠,液滴间多糖分子的浓度比体相的多糖分子浓度低。由此产生一个渗透压梯度,这种渗透压梯度增加了液滴间溶剂流出排斥区。结果排斥区的体积下降,液滴更加接近,从而形成排斥絮凝。这种絮凝体的相互吸引相互作用相当弱[4～6]。非吸附的大分子(稳定剂)也可以通过排斥稳定作用稳定乳浊液。当足量未被吸附的高分子对液滴接近造成渗透压障碍时,排斥稳定作用就能发生。这种排斥稳定作用通过具有一种自由的聚结高分子以足够高的浓度占据液滴间的空间而达到(当造成排斥絮凝时,则需要更高的高分子浓度)。如果大分子是一种水溶胶,这意味着同时增加体系的粘度。生物多糖分子为线性高分子,除了导致乳浊液体系发生絮凝现象外,还引起乳浊液体系的相分离。当两个胶体粒子表面间的距离小于自由卷曲的高分子的直径时,高分子从这两个胶体粒子间的区域排斥出来。由此造成的渗透压不平衡增加了胶体粒子间有效吸引的排斥力。在足够高的高分子浓度下,这种排斥力使分散液分成富含胶体的相和贫含胶体的相。乳浊液的液滴粒径远比线性高分子的直径大,当体系中存在足够高浓度的高分子时,乳浊液滴间的排斥现象就会发生。Koczo等认为球形液滴和杆状稳定剂分子间几何形状的差异造成体系的热力学不稳定性及由此导致相分离。这种相分离与排斥絮凝造成的相分离相似。实验表明,瓜尔豆胶浓度较低时(≤0.04%),明显改善了大豆分离蛋白乳浊液的稳定性。微观照片和平均粒径的变化表明这种在多糖浓度下,瓜尔豆胶降低了液滴的絮凝现象,提高了体系的乳析稳定性。这是由于非吸附的多糖分子充斥于蛋白质包被的油滴之间形成“次级保护层”的缘故,油滴间因多糖的存在而保持分散状态。在这种情况下,多糖的浓度还不能高到足以引起液滴的排斥絮凝。但当瓜尔豆胶浓度增加到0.08%以上时,足够高的多糖分子导致液滴呈现强烈的排斥絮凝,使乳浊液的乳析层相对高度急剧增加,更高浓度的瓜尔豆胶分子因热力学不相容性最终导致乳浊液发生各向同性和各向异性相分离。甲基纤维素在较低浓度时能显著增加大豆分离蛋白乳浊液的乳析稳定性,并且随着多糖浓度的增加,乳析稳定性逐步增加。Dipak等认为甲基纤维素能和蛋白质结合形成复合物。在蛋白质乳浊液体系中,如果存在较低浓度的甲基纤维素,则被吸附到液滴的蛋白质吸附层上形成复合膜。这种复合膜稳定液滴不发生絮凝。当甲基纤维素浓度较高时,甲基纤维素可以置换出液滴表面的蛋白质。由图1和表1说明,加入较低浓度的甲基纤维素导致体系的乳析稳定性明显增加,液滴的平均粒径显著降低。显微镜观察发现体系具有良好的的絮凝稳定性。这可能是甲基纤维素吸附到液滴的蛋白质吸附层而形成一个次级吸附层,从而保护液滴不发生絮凝。较高浓度的甲基纤维素导致pH6.5的体系发生蛋白质沉积现象。显微镜下观察发现体系的絮凝现象并不很明显,但却形成了粒径远比蛋白质包被的液滴大的高亮度大液滴。这种大液滴可能是甲基纤维素置换出蛋白质而形成的。因为在pH6.5时,大豆分离蛋白的乳化活性较低,而甲基纤维素是具有良好乳化活性的多糖。因此,两种乳化剂共存与同一体系而发生竞争吸附的可能性是存在的。随着pH值的增加,大豆分离蛋白的乳化活性和乳浊液的稳定性增加,需要更高浓度的甲基纤维素才能发生置换作用,因此在pH7.0时发生置换作用的甲基纤维素的浓度要比pH6.5时的体系高,而pH7.5时大豆分离蛋白的乳化活性和乳浊液的稳定性大大提高,在实验的多糖浓度范围内不发生明显的置换现象。随着甲基纤维素浓度的增加,乳析稳定性逐步增加,显微镜下观察到的大液滴的数量和粒径也明显降低。4甲基纤维素吸附法分离乳浊液瓜尔豆胶和甲基纤维素对大豆分离蛋白乳浊液稳定性的影响机理不同。前者可能的作用机理是,在低浓度时(≤0.04%),非吸附的多糖分子充斥于蛋白质包被的液滴之间,液滴间因多糖的存在而保持分散状态。当瓜尔豆胶浓度增加时(0.