1、减压等离子体处理对大豆分离蛋白功能性质的影响 杜艳丽 黄国清 张彤 马敏 肖军霞 青岛农业大学食品科学与工程学院 摘 要： 运用减压等离子体处理大豆分离蛋白 (soybean protein isolate, SPI) , 研究处理时间对 SPI 溶解性、乳化活性、触变性、热稳定性及表面粗糙度等功能性质的影响。结果表明:经 100 W 的减压等离子体处理 150 s 后, SPI 的溶解度、乳化活性指数和吸水性均达到最大, 分别为 572.83g/mL、0.584 m2/g 和12.675 g/g, 比对照分别增加约 35%、15%和 48%;吸油性随着处理时间的延长呈现先降低后上升的趋势,
2、当处理时间为 300 s 时达到最大值 2.071 mL/g, 比对照增加了 12%;流变学研究表明减压等离子体处理使 SPI 的黏度有所降低, 但未影响其触变性及剪切变稀行为;差示扫描量热分析表明减压等离子体处理略微降低了 SPI 的热稳定性, 扫描电子显微镜观察结果则表明减压等离子体处理增加了 SPI 颗粒的表面粗糙度。上述研究表明, 减压等离子体处理可以改善 SPI 的溶解性、乳化性、吸水性、吸油性, 因此在 SPI 的改性中具有潜在的应用价值。关键词： 减压等离子体; 大豆分离蛋白; 功能性质; 改性; 作者简介：杜艳丽 (1990) , 女, 硕士研究生, 研究方向为食品配料及稳态化
3、技术。E-mail:作者简介：肖军霞 (1977) , 女, 教授, 博士, 研究方向为食品配料及稳态化技术。E-mail:收稿日期：2016-07-24基金：国家自然科学基金面上项目 (31571890) Effect of Reduced Pressure Plasma Treatment on Functional Properties of Soybean Protein IsolateDU Yanli HUANG Guoqing ZHANG Tong MA Min XIAO Junxia College of Food Science and Engineering, Qingdao
4、 Agricultural University; Abstract： Reduced pressure plasma was used to modify soybean protein isolate (SPI) and the effect 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 w
5、ork. 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 g/m L, 0.584 m2/g and 12.675 g/g, which were 35%, 15%, and 48% higher than those of the untreated control respec
6、tively. 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 affect its thixotropy or shearthinning behav
7、ior. 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, wat
8、er adsorption capacity, and oil adsorption capacity of SPI and hence has a great potential in the modification of SPI.Keyword： reduced pressure plasma; soybean protein isolate; functional properties; modification; Received： 2016-07-24引文格式:杜艳丽, 黄国清, 张彤, 等.减压等离子体处理对大豆分离蛋白功能性质的影响J.食品科学, 2017, 38 (23) :
9、20-25.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723004.http:/DU Yanli, HUANG Guoqing, ZHANG Tong, et al.Effect of reduced pressure plasma treatment on functional properties of soybean protein isolateJ.Food Science, 2017, 38 (23) :20-25. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723004.http:
10、/大豆分离蛋白 (soybean protein isolate, SPI) 是以低变性脱脂豆粕为原料, 采用现代化的加工技术制备的一种蛋白质量分数大于 90% (以干质量计) 的功能性食品添加剂或食品原料1。SPI 主要包括 -大豆伴球蛋白 (7S 球蛋白) 和大豆球蛋白 (11S 球蛋白) 2 种成分2-3。SPI 具有水溶性、乳化性、凝胶性、起泡性、吸油性等多种功能4, 能够影响食品的感官特性, 对食品在制造、加工和贮藏过程中的物理、化学性质起重要作用, 已在医药保健食品、婴儿食品及饮料等诸多领域获得了广泛应用。天然的 SPI 功能特性不突出, 这使其难以满足食品体系对蛋白质功能特性的不
11、同需求, 因此有必要采用一些方法来改善 SPI 的功能性质。现有的 SPI 改性方法可分为物理改性、化学改性和酶法改性等5。化学改性是利用特定化学试剂与蛋白质分子上的基团发生反应, 主要包括二硫键还原、乙酰化、糖基化、戊二醛交联等6;化学改性能够显著拓展 SPI 的应用范围, 但是该法存在化学试剂残留、无选择性及成本高等弊端。酶法改性是一种比较有潜力的改性方法, 其中转谷氨酰胺酶在 SPI 改性中的应用最为广泛;虽然该方法容易完成且具有很高选择性, 但是其作用时间较长, 而且有时改性效果不明显7。物理改性是采用高压、微波辐射、超声波、加热、机械作用、射线等8-9方式来改变 SPI 的高级结构和
12、分子间聚集方式;该方法具有费用低、毒副作用小、处理时间短及对产品营养成分影响弱等优点, 且不涉及化学试剂残留, 因此应用前景广阔10。等离子体是一种部分或完全电离的气体, 其所含的自由电子和离子所带正负电荷完全抵消, 因此宏观上仍呈现电中性11。由于具有操作简单、绿色、无须使用溶剂、省时、环境友好等特点, 等离子体技术已经在食品工业中显现出了极大的应用潜力, 已被应用于微生物的灭活12和黄曲霉毒素的脱毒13。等离子技术在生物大分子改性中的应用也已有报道。Arolkar 等14发现减压等离子体处理可以提高玉米淀粉膜的降解率;Alves 等15发现经过氧气等离子体处理后聚乳酸中含氧官能团的数量及蛋
13、白质吸附性能都有极大提高;Jord-Vilaplana 等16发现氧气等离子体处理提高了聚乳酸的表面粗糙度和极性基团数量。国内 Pang Jie 等17就等离子体处理在淀粉改性中的应用进行了初步研究, 发现经过处理后, 高直链淀粉膜的表面粗糙度、含氧基团数以及亲水性都有所提高;蒲华寅18则发现等离子体处理基本不改变马铃薯淀粉和玉米淀粉的整体颗粒相貌及糊化历程, 但降低了两者的结晶度、提高了溶解度。上述研究表明等离子体处理有望显著改善生物大分子的功能性质, 目前尚未见到等离子体处理 SPI 的报道。本研究拟采用 100 W 的减压等离子体处理 SPI, 探究处理时间对 SPI 溶解性、乳化活性指
14、数 (emulsifying activity index, EAI) 、吸水性 (water adsorption capacity, WAC) 、吸油性 (oil adsorption capacity, OAC) 、流变学性质以及热性能的影响, 以期拓宽 SPI在食品工业中的应用范围。1 材料与方法1.1 材料与试剂SPI (食品级) 青岛天新食品添加剂有限公司;一级大豆油 (食品级) 嘉里粮油 (青岛) 有限公司;牛血清白蛋白、考马斯亮蓝 G250、十二烷基硫酸钠、磷酸、乙醇 (均为分析纯) 莱阳市康德化工有限公司。1.2 仪器与设备减压等离子体机苏州奥普斯等离子体科技有限公司;DHG
15、-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱、HH-S2 数显恒温水浴锅龙口市先科仪器有限公司;FJ200-SH 型数显高速分散均质机上海标本模型厂;DL-5-B 低速大容量离心机上海安亭仪器设备厂;UV-2000 紫外-可见分光光度计尤尼柯 (上海) 仪器有限公司;MCR201 动态剪切流变仪江都区昌隆试验机械厂;JEOL700F 扫描电子显微镜日本电子株式会社。1.3 方法1.3.1 减压等离子体处理 SPI精确称取 0.500 0 g SPI 粉末平铺在培养皿上, 均匀滴加蒸馏水 8.00 m L 使其吸水完全。将装有 SPI 的培养皿于 50烘箱烘 6 h, 然后置于减压等离子体载物台上, 设置
16、处理功率为 100 W, 处理时间分别为 0 (对照) 、50、100、150、200、250、300 s。处理完毕后, 将培养皿内的 SPI 收集、粉碎, 装入密封袋中于 4条件下贮存待测。1.3.2 溶解性的测定测定 SPI 中可溶性蛋白质的质量浓度, 用每毫升水中溶解的 SPI 的质量 (g) 来表示溶解度, 使用考马斯亮蓝 G250 染色法测定19-20。取 6 支 10 m L 带塞试管, 分别加入 1 000g/m L 的牛血清白蛋白溶液0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m L, 补足蒸馏水到 1 m L, 从而得到0500g/m L 的牛血清白蛋白稀释溶液, 取各质
17、量浓度的稀释液 0.10 m L 置于另外 6 支带塞试管中, 分别加入 5.00 m L 100g/m L 考马斯亮蓝 G250 溶液, 漩涡振荡混匀, 2 min 后测定 595 nm 波长处各试管溶液的吸光度, 绘制标准曲线。精确称取不同处理条件下的 SPI 粉末各 0.100 0 g 溶解于蒸馏水中, 4 000 r/min 离心 20 min, 取上清液 0.2 m L 放入 10 m L 试管中, 再加入 100g/m L 的考马斯亮蓝 G250 溶液 5.00 m L, 振荡摇匀, 2 min 后使用考马斯亮蓝 G250溶液进行调零, 然后在 595 nm 波长处测定不同处理条件
18、下的 SPI 吸光度。根据牛血清白蛋白标准曲线得出线性方程, 通过该线性方程计算出 SPI 溶液中蛋白质的质量浓度。用每毫升水溶液中可溶性蛋白的质量 (g) 来表示溶解度。1.3.3 EAI 的测定EAI 根据 Molina21、Tang Chuanhe22等的方法进行测定。精确称取经减压等离子体处理不同时间的 SPI 粉末 0.060 0 g, 加入 12.00 m L 蒸馏水混合均匀, 再加入 4.00 m L 一级大豆油于 10 000 r/min 条件下均质 5 min。精确量取 1.00 m L 乳化液, 稀释至 5 倍体积, 以质量分数 0.1%的十二烷基硫酸钠水溶液调零, 在 5
19、00 nm 波长处测定稀释乳液的吸光度, 按式 (1) 计算 EAI。式中:A 为 500 nm 波长处的吸光度;N 为稀释倍数; 为乳化液形成前蛋白质水溶液中蛋白质量浓度/ (g/m L) ; 为乳化液中大豆油的体积分数/%;L 为比色池光径/cm。1.3.4 WAC 的测定精确称取经减压等离子体处理不同时间的 SPI 粉末 0.100 0 g (m) 于 10 m L离心管中, 加入 6.00 m L 蒸馏水, 振荡 1 min 后静置 10 min, 4 000 r/min 离心 20 min, 倒出上清液后用滤纸吸去游离水分后称质量 (m 1) , 再将离心管放在 50烘箱中至恒质量
20、(m 2) 。SPI 的 WAC 按公式 (2) 计算23。1.3.5 OAC 的测定精确称取经减压等离子体处理不同时间的 SPI 粉末 0.100 0 g (m) 于 10 m L离心管中, 然后加入 5.00 m L (V1) 一级大豆油, 每隔 5 min 振荡 30 s, 30 min 后 4 000 r/min 离心 10 min, 读取剩余大豆油的体积 (V 2) , 按式 (3) 计算 SPI 的 OAC23。1.3.6 流变学性质的测定精确称取经减压等离子体处理不同时间的 SPI 粉末 0.100 0 g 用蒸馏水溶解后定容至 10.00 m L 得到 1 g/100 m L
21、的溶液, 测定其流变学性质, 以未经减压等离子体处理的 SPI 溶液作为对照。SPI 的触变性质分 2 个区间进行测量, 上升测量区间的频率变化范围为 0.3200.0 s;下降测量区间的频率变化范围为200.00.3 s。测定过程中温度保持为 30, 板间间距为 1 mm。1.3.7 热性能的测定采用差示扫描量热 (d i f f e r e n t i a l s c a n n i n g calorimetry, DSC) 分析。精确称取经减压等离子体处理不同时间的 SPI 粉末及对照 0.005 0 g 加入到铝盒中, 在氮气的保护下以 5/min 的速率从 30加热到 300, 通
22、过计算机记录加热过程中的热曲线。1.3.8 表面形态的观察称取一定量的对照 SPI 及减压等离子体处理 300 s 的 SPI 粉末, 用导电胶贴于载物台上, 放入表面处理机中喷金, 加速电压为 2 k V, 用扫描电子显微镜观察 SPI 微观形貌。1.4 数据统计分析每种样品每次均测定 3 个平行, 结果以s 表示。采用 SPSS 17.0 软件进行统计分析。组间差异显著性分析采用方差分析中的 Tukey HSD 检验, 显著水平小于 0.05 时认为差异显著。2 结果与分析2.1 减压等离子体处理对 SPI 溶解性的影响图 1 减压等离子体处理时间对 SPI 溶解性的影响 Fig.1Eff
23、ect of reduced pressure plasma treatment duration on the solubility of SPI 下载原图小写字母不同代表差异显著 (P0.05) 。下同。从图 1 可以看出, 随着处理时间的延长, SPI 的溶解度呈现先增加后降低的趋势, 且在 150 s 时溶解度达到最大值 572.83g/m L, 比对照 SPI 增加了 35%。当处理时间从 150 s 延长至 300 s 时 SPI 溶解度逐渐降低, 处理时间为 300 s时, SPI 的溶解度仅为 393.2g/m L, 与对照 SPI 相比降低了 7%。已有研究表明, 在一定条件
24、下等离子体处理可向生物大分子中引入大量的亲水性功能基团如氨基、羧基和羟基等24, 但是当超过一定强度时会使生物大分子发生解聚或交联反应25。从图 1 可以看出, 经短时间的减压等离子体处理可能使得SPI 中亲水性基团的含量增加, 从而使溶解度显著增加 (P0.05) ;当处理时间进一步延长时, SPI 分子之间发生了交联, 分子质量变大从而使其溶解度降低, 且随着处理时间的延长, 降低趋势愈发明显。2.2 减压等离子体处理对 SPI EAI 的影响从图 2 可以看出, 当处理时间为 50 s 和 100 s 时, SPI 的 EAI 均低于对照, 表明此时等离子体处理引入的亲水性基团数量过多,
25、 使得 SPI 的 EAI 下降;当处理时间延长至 150 s 时, SPI 的 EAI 达到最大值 0.584 m/g, 比对照增加了 15%, 表明在此处理时间下 SPI 的结构变得更加松散, 使得更多的疏水性的基团暴露出来;但是当处理时间进一步延长时, SPI 的 EAI 又显著降低 (P0.05) , 在处理时间为 300 s 时, SPI 的 EAI 为 0.443 m/g, 比对照 SPI 降低了 6%, 比 150 s 时的 EAI 降低了 24%。这可能是由于长时间的处理使得 SPI 分子间发生了交联反应, 从而使其溶解性和暴露在外的疏水性基团数量降低所致。这一变化趋势与溶解度
26、的基本一致。图 2 减压等离子体处理时间对 SPI EAI 的影响 Fig.2Effect of reduced pressure plasma treatment duration on the EAI of SPI 下载原图2.3 减压等离子体处理对 SPI WAC 的影响图 3 减压等离子体处理时间对 SPIX WAC 的影响 Fig.3Effect of reduced pressure plasma treatment duration on the WAC of SPI 下载原图从图 3 可以看出, 随着减压等离子体处理时间的延长, SPI 的 WAC 整体呈现先升高后下降的趋势,
27、 但是均高于未处理的 SPI。当处理时间从 50 s 延长到 150 s 时, SPI 的 WAC 呈现增加的趋势, 且在 150 s 时 WAC 达到最大值 12.675 g/g, 是对照 SPI 的 1.48 倍。SPI 的 WAC 主要取决于其亲水性基团的含量。由 2.1 节分析可知, 在该处理时间范围内 SPI 中可能引入了大量亲水性基团, 因此使其与水通过氢键结合的能力大增加, 使得 WAC 明显升高;当处理时间进一步延长时, SPI 之间发生了交联, 部分亲水性基团被掩盖, 从而使其 WAC 有所下降, 但是仍高于对照。2.4 减压等离子体处理对 SPI OAC 的影响从图 4 可
28、以看出, 在 50200 s 的时间范围内, 随着处理时间的延长, SPI 的OAC 随之降低, 在 100、150 s 和 200 s 时达到最低值, 其中处理时间为 150 s时的 OAC 仅为 1.532 m L/g, 比对照 SPI 降低了 13%;当减压等离子体处理时间进一步延长时, SPI 的 OAC 有所恢复, 并且在 300 s 时达到最大值 2.071 m L/g, 显著高于对照 SPI (增高约 12%) , 该变化趋势与 2.3 节中的 WAC 结果基本相反。这可能是由于当减压等离子体处理时间较短时引入了较多的亲水性基团, 使得疏水性基团的数量相对变少, 因此 OAC 下
29、降;当处理时间进一步延长时, SPI 发生了聚合反应, 有利于疏水性区域的形成, 因此使其 OAC 上升且在 300 s 时达到最大值。图 4 减压等离子体处理时间对 SPI OAC 的影响 Fig.4Effect of reduced pressure plasma treatment duration on the OAC of SPI 下载原图莫耽等26就辐照处理对 SPI 功能性质的影响进行了研究, 结果发现随着辐射强度的增加, SPI 的 WAC 和乳化活性均表现出了先增加后降低的趋势, 而 OAC则先降低后升高, 且当 OAC 最低时乳化活性最高, 这与本研究中观察到的规律基本一致
30、, 表明辐照处理与等离子体处理这两种方法在机理上可能有相似之处。2.5 减压等离子体处理对 SPI 溶液流变学性质的影响图 5 对照组 SPI (a) 及减压等离子体处理 300 s 的 SPI (b) 的动态黏度Fig.5Dynamic viscosity of control SPI (a) and SPI exposed to reduced pressure plasma for 300 s (b) 下载原图以处理 300 s 的 SPI 为代表研究减压等离子体处理对 SPI 流变学性质的影响。从图 5 可知, 随着剪切速率的增加, 两种 SPI 溶液的黏度均迅速下降, 表现出明显的剪
31、切变稀现象及非牛顿流体的特征;外力逐步撤销后黏度均能恢复到初始值, 表明减压等离子体处理未破坏 SPI 的触变特性;另外, 减压等离子体处理后SPI 的初始黏度有所降低, 这可能是由于处理 300 s 后 SPI 溶解度降低及发生聚集而使 SPI 分散性能变差所致。2.6 减压等离子体处理对 SPI 热性能的影响表 1 SPI 在 DSC 图谱上的峰值温度 Table 1Peak temperatures of SPI in DSC thermogram 下载原表 减压等离子体处理过的 SPI 和对照 SPI 的 DSC 分析结果如表 1 所示。所有样品在实验设置温度范围内均只有一个吸热峰和一
32、个放热峰。吸热峰在 90附近, 与样品中水分蒸发有关;放热峰与 SPI 的热分解有关。处理组的 SPI 放热峰的峰值温度比对照的峰值温度都要低, 说明经减压等离子体处理的 SPI 热稳定性有所降低。在处理时间为 50 s 时, 放热峰峰值温度最低, 对应 SPI 的热稳定性最低, 这可能是由于 SPI 经过减压等离子体处理后发生了部分分解所致;随着处理时间的延长, 放热峰的峰值温度呈现先增加后减少的趋势, 且在 150 s 时峰值温度达到最大值, 这可能是由于此时 SPI 中的亲水性基团含量最高, 分子内的氢键相互作用最强, 因此需要额外的热量来破坏该相互作用所致;当处理时间达到 300 s
33、时, SPI 的热分解温度又有所升高, 这可能是由于此时 SPI 发生了聚集, 形成了热稳定性较好的复合物, 此时的水分蒸发峰温度的变化趋势与此分析一致, 即由于形成了更加致密的结构, 水分的蒸发受阻, 从而使其吸热峰温度略有上升。本实验的研究结果与从印度香米米粉中观察到的结果一致27, 但与聚乳酸薄膜的结果相反28, 表明等离子体处理对生物大分子的性质有重要影响。2.7 减压等离子体处理对 SPI 微观结构的影响图 6 对照组 SPI (a) 及 100 W 减压等离子体处理 300 s 的 SPI (b) 扫描电子显微镜图 Fig.6Scanning electron micrograph
34、s of control SPI (a) and SPI exposed to reduced pressure plasma for 300 s (b) 下载原图高能粒子在轰击生物大分子时会在聚合物表面产生蚀刻效应29, 已有报道称空气等离子体处理会增加聚对苯二甲酸乙二醇酯玉米淀粉膜30、玉米淀粉/聚 -已内酮复合膜14及聚乳酸膜16的表面粗糙度。本研究在减压等离子体处理时间 300 s 的 SPI 中也观察到了相同的结果。由图 6a 可知, 对照组的SPI 颗粒表面外表比较平滑, 而经减压等离子体处理 300 s 后, SPI 颗粒表面出现一些小碎片且变得比较粗糙 (图 6b) , 表明等
35、离子体中的高能粒子攻击了SPI 分子。3 结论本实验运用减压等离子体对 SPI 进行改性, 固定处理功率 100 W, 研究了处理时间对 SPI 功能性质的影响。结果表明, 减压等离子体处理对 SPI 的功能性质有重要影响, 且具体效果与处理时间密切相关。当减压等离子体处理时间为150 s 时, SPI 的溶解度、EAI 和 WAC 均达到最大值, 分别为 572.83g/m L、0.584 m/g 和 12.675 g/g, 分别比对照 SPI 提高了 35%、15%和 48%;当处理时间为 300 s 时, SPI 的 OAC 最强, 达到了 2.071 m L/g, 比对照 SPI 提高
36、了12%。减压等离子体处理对 SPI 溶液的触变特性无影响, 但是略微降低了其热稳定性, 且当处理时间为 300 s 时使 SPI 颗粒表面的粗糙度增加。综上所述, 减压等离子体处理可以显著改善 SPI 的部分功能性质, 且可根据实际情况改变处理强度以获得所需的功能性质, 因此在 SPI 的改性中具有潜在的应用价值。参考文献1李海萍, 易菊珍.大豆分离蛋白改性的研究进展J.高分子通报, 2009, 10 (2) :58-63. 2NAGANOA T, AKASAKA T, FUKUDA Y.Rheological studies on preheated-conglycinin and gly
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