超聲-琥珀?；瘡?fù)合改性提高大豆分離蛋白乳化性的研究

李 磊，遲玉杰，2，*，王喜波，于 濱

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030; 2.大豆生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150030)

超聲-琥珀?；瘡?fù)合改性提高大豆分離蛋白乳化性的研究

李 磊1，遲玉杰1，2，*，王喜波1，于 濱1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030; 2.大豆生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150030)

為提高大豆分離蛋白的乳化性，采用超聲和琥珀酰化兩種方法對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行復(fù)合改性。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究底物濃度、超聲功率、超聲時(shí)間、琥珀酸酐添加量和酰化反應(yīng)溫度對(duì)大豆分離蛋白乳化性的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化出超聲-琥珀?；男源蠖狗蛛x蛋白的適宜條件:超聲功率569.36W、超聲時(shí)間9.79min、?；瘻囟?9.72℃。該條件下制得的改性大豆分離蛋白的乳化活性和乳化穩(wěn)定性與未改性的大豆分離蛋白相比較，分別提高了3.05倍和4.65倍。

大豆分離蛋白，超聲波處理，琥珀?；?，乳化性，響應(yīng)面法

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白 哈高科大豆食品有限責(zé)任公司，蛋白質(zhì)含量87.11%，水分含量5.84%，脂肪含量1.95%，灰分含量4.92%;琥珀酸酐 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;大豆油 北海糧油工業(yè)(天津)有限公司;十二烷基磺酸鈉(SDS) 化學(xué)純;其他試劑均為分析純。

290型噴霧干燥機(jī) 瑞士BüChi公司;JY92-2D超聲儀 寧波新芝生物科技股份有限公司;FS-1可調(diào)高速勻漿機(jī) 金壇市榮華儀器制造有限公司;722型分光光度計(jì) 天津市普瑞斯儀器有限公司; LD4-2A型離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠;其它儀器均為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲-琥珀?；蠖狗蛛x蛋白的制備 將SPI配成一定濃度的蛋白液，置于隔音箱中，將超聲儀探頭插入蛋白液面2cm，在超聲波作用下處理一定時(shí)間(溫度控制在20～30℃)，然后將蛋白液置于恒溫水浴鍋中，保持一定溫度，用1mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至8.0～8.5，在攪拌的條件下分批加入琥珀酸酐，反應(yīng)過(guò)程中用2mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH保持在8.0～8.5范圍內(nèi)，待pH穩(wěn)定30min后，反應(yīng)結(jié)束，進(jìn)行離心水洗:調(diào)節(jié)蛋白液pH至4.0，攪拌30min，4000r/min離心20min，取沉淀部分，重復(fù)離心水洗。水洗三次后回調(diào)pH至7.0，噴霧干燥即得超聲-琥珀?；疭PI。

1.2.2 乳化性的測(cè)定［12］蛋白樣品以0.2%(W/V)的濃度溶解于pH7.0，0.1mol/L的磷酸鹽緩沖溶液中，取30mL蛋白液加入10mL大豆油，10000r/min均質(zhì)1min以形成乳化液，分別在均質(zhì)后0、10min時(shí)從底部吸取100μL，用10mL 0.1%(W/V)的SDS稀釋后在500nm(OD500)條件下測(cè)定吸光值，以0min時(shí)的吸光值表示乳化活性(EA)，乳化穩(wěn)定性(ES)用乳化穩(wěn)定指數(shù)(ESI)表示:

式中:A0為0min時(shí)的吸光值;ΔT為時(shí)間差，本實(shí)驗(yàn)中是10min;ΔA為ΔT內(nèi)的吸光值差。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1 底物濃度對(duì)超聲-琥珀?；疭PI乳化性的影響 超聲功率為500W，超聲時(shí)間10min，琥珀酸酐添加量為SPI干基的10%，?；磻?yīng)溫度40℃，底物濃度取2%、4%、6%、8%、10%考察反應(yīng)后各蛋白樣品的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。

1.2.3.2 超聲功率對(duì)超聲-琥珀酰化SPI乳化性的影響 底物濃度為6%，超聲時(shí)間10min，琥珀酸酐添加量為SPI干基的10%，?；磻?yīng)溫度40℃，超聲功率取150、300、450、600、750W考察反應(yīng)后各蛋白樣品的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。

1.2.3.3 超聲時(shí)間對(duì)超聲-琥珀?；疭PI乳化性的影響 底物濃度為6%，超聲功率500W，琥珀酸酐添加量為SPI干基的10%，?；磻?yīng)溫度40℃，超聲時(shí)間取4、7、10、14、17min考察反應(yīng)后各蛋白樣品的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。

1.2.3.4 琥珀酸酐添加量對(duì)超聲-琥珀?；疭PI乳化性的影響 底物濃度為6%，超聲時(shí)間為10min，超聲功率500W，?；磻?yīng)溫度40℃，琥珀酸酐添加量分別取SPI干基的1%、5%、10%、15%、20%考察反應(yīng)后各蛋白樣品的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。

1.2.3.5 琥珀酰化反應(yīng)溫度對(duì)超聲-琥珀?；疭PI乳化性的影響 底物濃度取6%，超聲時(shí)間為10min，超聲功率500W，琥珀酸酐添加量為SPI干基的10%，酰化反應(yīng)溫度取20、30、40、50、60℃考察反應(yīng)后各蛋白樣品的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以超聲時(shí)間A、超聲功率B、?；磻?yīng)溫度C為自變量，以乳化活性為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了三因素三水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果采用Design-Expert7.1軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)分析

2.1.1 底物濃度對(duì)超聲-琥珀酰化SPI乳化性的影響 從圖1可以看出，隨著底物濃度的增加，SPI的乳化活性和乳化穩(wěn)定性顯著增加，當(dāng)?shù)孜餄舛却笥?%時(shí)，乳化活性和乳化穩(wěn)定性則呈下降趨勢(shì)。當(dāng)?shù)孜餄舛戎饾u增大時(shí)，超聲波的空化作用增強(qiáng)，使SPI的分子展開(kāi)，疏水基團(tuán)朝向脂質(zhì)而極性部分朝向水相，從而使得SPI乳化性提高;在酰化反應(yīng)中，當(dāng)?shù)孜餄舛仍龃髸r(shí)，處于溶解狀態(tài)的SPI分子較多，單位體積溶液中能與琥珀酸酐發(fā)生有效碰撞的SPI分子數(shù)量增多，反應(yīng)速度呈上升趨勢(shì)，乳化性提高。當(dāng)?shù)孜餄舛壤^續(xù)增大時(shí)，在相等時(shí)間內(nèi)，超聲波空化作用減弱，SPI分子結(jié)構(gòu)改變程度變小，導(dǎo)致乳化性下降;并且，在酰化反應(yīng)體系中，濃度增加到一定程度，呈不溶狀態(tài)的SPI分子增多，不能與琥珀酸酐分子發(fā)生有效碰撞［13］，酰化反應(yīng)速度降低，導(dǎo)致SPI乳化活性和乳化穩(wěn)定性下降。選取6%為適宜的底物濃度。

圖1 底物濃度對(duì)SPI乳化性的影響

2.1.2 超聲功率對(duì)超聲-琥珀?；疭PI乳化性的影響 從圖2可以看出，隨著超聲功率的增大，SPI的乳化活性和乳化穩(wěn)定性呈上升的趨勢(shì)，在超聲功率達(dá)到600W時(shí)，乳化活性和乳化穩(wěn)定性達(dá)到最高值。超聲波處理使SPI分子展開(kāi)，結(jié)構(gòu)變得疏松，琥珀酸酐分子和SPI的反應(yīng)基團(tuán)更容易結(jié)合，從而提高SPI的乳化活性和乳化穩(wěn)定性。功率繼續(xù)增大，超聲波作用增強(qiáng)使得SPI變性程度增大，不溶性SPI的含量增多，導(dǎo)致SPI乳化性下降。選取600W為適宜的超聲功率。

2.1.3 超聲時(shí)間對(duì)超聲-琥珀?；疭PI乳化性的影響 從圖3中可以看出，在4～10min范圍內(nèi)，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，SPI的乳化活性和乳化穩(wěn)定性逐步上升，當(dāng)超聲處理時(shí)間達(dá)到10min后，SPI的乳化性呈下降趨勢(shì)。因此，選取10min為適宜的超聲處理時(shí)間。

表3 乳化活性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析表

圖2 超聲功率對(duì)SPI乳化性的影響

圖3 超聲時(shí)間對(duì)SPI乳化性的影響

2.1.4 琥珀酸酐添加量對(duì)超聲-琥珀?；疭PI乳化性的影響 從圖4可以看出，隨著琥珀酸酐添加量的增大，SPI的乳化活性和乳化穩(wěn)定性也逐步增大。琥珀酸酐添加量的增大使得引入的親水基團(tuán)增多，SPI溶解度增大，從而提高了其乳化活性;琥珀酰化SPI凈負(fù)電荷的增加，亞基的伸展，使得形成的乳狀液中液珠的排斥作用增大，液珠不易聚結(jié)，從而提高了SPI的乳化穩(wěn)定性。當(dāng)琥珀酸酐添加量達(dá)10%以后，乳化活性及乳化穩(wěn)定性增加幅度趨于平緩，其原因可能是琥珀酸酐的用量增加到一定程度時(shí)，相對(duì)于蛋白質(zhì)分子而言，已趨于飽和，此時(shí)再增加琥珀酸酐的用量，對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)作用減?。?4］。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，確定后續(xù)實(shí)驗(yàn)的琥珀酸酐添加量為SPI的10%。

2.1.5 酰化溫度對(duì)超聲-琥珀?；疭PI乳化性的影響 從圖5可以看出，隨著?；磻?yīng)溫度的升高，溶液運(yùn)動(dòng)的速率增加，SPI分子的伸展程度較高，有利于琥珀酸酐酰化反應(yīng)的進(jìn)行，溶解度增大，使得乳化活性和乳化穩(wěn)定性呈上升趨勢(shì)。溫度達(dá)到60℃時(shí)，SPI分子變性程度過(guò)大，失去反應(yīng)活性，導(dǎo)致乳化活性和乳化穩(wěn)定性下降。因此選取50℃為適宜的?；磻?yīng)溫度。

圖4 琥珀酸酐添加量對(duì)SPI乳化性的影響

圖5 ?；瘻囟葘?duì)SPI乳化性的影響

2.2 超聲-琥珀?；疭PI乳化活性的響應(yīng)面分析

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，確定了響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素的0水平為:底物濃度為6%，琥珀酸酐的添加量為SPI的10%，?；磻?yīng)的pH控制在8.0～8.5范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)的因素和水平取值見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表

響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，利用Design -Expert7.1軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，計(jì)算SPI乳化活性Y的回歸方程并進(jìn)行方差分析(見(jiàn)表3)。乳化活性Y的標(biāo)準(zhǔn)回歸方程為:

由表3的方差分析結(jié)果可以看出，所得回歸方程極顯著，且失擬檢驗(yàn)不顯著，這說(shuō)明用方程Y擬合3個(gè)因素與乳化活性之間的關(guān)系是可行的。從3因素對(duì)超聲-琥珀酰化SPI的乳化活性的影響來(lái)看，Y回歸方程的一次項(xiàng)A、B對(duì)超聲-琥珀酰化SPI的乳化活性均有顯著影響，并且二次項(xiàng)A2、B2、C2以及交互項(xiàng)中的AC也對(duì)乳化活性有顯著的影響，其他因素影響不顯著，這表明響應(yīng)值的變化相當(dāng)復(fù)雜，各個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響呈二次關(guān)系，且3因素之間存在交互作用。對(duì)回歸方程進(jìn)行中心標(biāo)準(zhǔn)化處理，回歸方程Y一次項(xiàng)回歸系數(shù)的絕對(duì)值大小均依次為B、A、C，表明3個(gè)因素對(duì)乳化活性影響順序均為:超聲功率＞超聲時(shí)間＞?；瘻囟?。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別將模型中的超聲時(shí)間(A)、超聲功率(B)、酰化溫度(C)的其中一個(gè)因素固定在0水平，得到另外兩個(gè)因素交互作用對(duì)乳化活性Y的子模型，并根據(jù)模型分別繪制響應(yīng)面圖，見(jiàn)圖6。

圖6 超聲-琥珀?；疭PI乳化活性的響應(yīng)面圖

通過(guò)響應(yīng)面圖可以直觀地反映實(shí)驗(yàn)條件對(duì)超聲-琥珀酰化SPI乳化活性的影響。從圖6可以看出，3個(gè)因素與Y呈拋物線關(guān)系，隨著各因素值的增加，Y先呈不同程度的上升，但當(dāng)各因素達(dá)到一定的值后，繼續(xù)增加，Y呈下降趨勢(shì)，這與單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。并且由圖6b和圖6c可以看出，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，與超聲時(shí)間和超聲功率兩個(gè)因素相比較，?；瘻囟葘?duì)SPI乳化活性的影響相對(duì)較小。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過(guò)模型，采用Design-Expert 7.1軟件優(yōu)化反應(yīng)條件，得出超聲-琥珀?；瘡?fù)合改性提高SPI乳化活性的最適工藝條件為:超聲功率569.36W、超聲時(shí)間9.79min、?；瘻囟?9.72℃、底物濃度6%、琥珀酸酐添加量10%、pH8.0～8.5。在此條件下，超聲-琥珀?；疭PI乳化活性(OD500)的預(yù)測(cè)值為0.977，而實(shí)際測(cè)得超聲-琥珀酰化SPI的乳化活性(OD500)為0.962，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)誤差在±1%以內(nèi)，說(shuō)明采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的工藝條件準(zhǔn)確可靠，按照建立的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)是可行的。

由表4可以看出，超聲-琥珀酰化復(fù)合改性能有效提高SPI的乳化性。通過(guò)超聲和琥珀?；瘡?fù)合改性制得的SPI與未改性的SPI相比較，乳化活性和乳化穩(wěn)定性均有著大幅度的提高，分別提高了3.05倍和4.65倍。

表4 琥珀?；疭PI與未改性SPI乳化活性和乳化穩(wěn)定性的比較

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)響應(yīng)面分析得出各因素對(duì)超聲-琥珀酰化SPI乳化活性的影響順序?yàn)?超聲功率＞超聲時(shí)間＞?；瘻囟?。

3.2 利用響應(yīng)面法優(yōu)化得到超聲-琥珀酰化SPI乳化活性的工藝條件為:超聲功率569.36W、超聲時(shí)間9.79min、?；瘻囟?49.72℃。該條件下制備的超聲-琥珀?；疭PI的乳化活性(OD500)為0.962，與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差在±1%以內(nèi)，說(shuō)明利用本實(shí)驗(yàn)建立的模型的優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際情況吻合。

3.3 超聲-琥珀酰化復(fù)合改性能有效提高SPI的乳化性。通過(guò)優(yōu)化得到的工藝條件制備的超聲-琥珀?；疭PI與未改性的SPI相比較，乳化活性和乳化穩(wěn)定性分別提高了3.05倍和4.65倍。

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Improving the emulsibility of soybean protein isolate by ultrasonic and succinylation modification

LI Lei1，CHI Yu-jie1，2，*，WANG Xi-bo1，YU Bin1
(1.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China; 2.Administration of Education Key Laboratory of Soybean Biology，Harbin 150030，China)

In order to improve the emulsibility of soybean protein isolate(SPI)，ultrasonic processing and succinylation were used to modify the proteins.The effects of substrate concentration，ultrasonic power，ultrasonic time，the ratio of succinic anhydride，and the temperature of acylation reaction on the emulsifying activity and emulsion stability were studied by single factor experiments.Through the response surface methodology，the optimal conditions were as follows:ultrasonic power 569.36W，ultrasonic time 9.79min，and reaction temperature 49.72℃.Comparing to those of raw SPI，the emulsifying activity and emulsion stability of the proteins prepared under the optimal conditions had improved 3.05 times and 4.65 times，respectively.

SPI;ultrasonic processing;succinylation;emulsibility;response surface methodology

TS201.2+1

A

1002-0306(2011)03-0123-05

大豆分離蛋白(SPI)因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，并且具有乳化性、溶解性、吸水性、吸油性等功能性質(zhì)，而被作為一種重要的功能性輔料廣泛應(yīng)用于食品加工中［1］。其中乳化性是SPI一種重要的功能性質(zhì)，添加到食品中可以起到改善口感、穩(wěn)定體系的乳化狀態(tài)等作用［2］。然而，天然SPI的乳化性尚不能滿足現(xiàn)代食品加工中的需要，因此需要對(duì)其進(jìn)行改性。蛋白質(zhì)改性方法主要有物理改性、化學(xué)改性、酶法改性。其中，酶法改性所用的酶制劑價(jià)格昂貴，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用［3］;物理改性和化學(xué)改性由于成本低、設(shè)備要求不高等優(yōu)點(diǎn)而成為蛋白質(zhì)改性的主要手段［4-5］。其中，超聲波處理和?；磻?yīng)是蛋白非酶改性中常用的方法，兩種方法對(duì)不同蛋白乳化性的改善效果已經(jīng)得到大量驗(yàn)證［6-11］。然而，采用這兩種改性方法共同作用于SPI以提高乳化性的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究采用超聲波處理和琥珀?；瘍煞N方法對(duì)SPI進(jìn)行復(fù)合改性，研究不同底物濃度、超聲時(shí)間、超聲功率、琥珀酸酐添加量和反應(yīng)溫度對(duì)SPI乳化性的影響，并應(yīng)用響應(yīng)面方法對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，建立乳化性與各因素間的數(shù)學(xué)模型，以利于實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的控制并滿足食品加工對(duì)高乳化性SPI的需求。

2010-01-27 *通訊聯(lián)系人

李磊(1983-)，男，碩士，研究方向:農(nóng)產(chǎn)品加工。

教育部博士點(diǎn)基金(20070224001);黑龍江省自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(ZD200902)。