響應(yīng)面法優(yōu)化紫蘇蛋白的乳化特性

王麗娜, 李鳳林，康立寧

紫蘇蛋白是優(yōu)質(zhì)的植物蛋白，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健價(jià)值為人們所認(rèn)識(shí)，紫蘇是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的食藥兩用型植物，紫蘇籽中的油脂含量很高，其中又以α-亞麻酸含量居多，是一種高級(jí)多不飽和脂肪酸[1-2]。紫蘇蛋白具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可以作為新興植物蛋白資源應(yīng)用于食品工業(yè)中[3]， 姜文鑫[4]、劉寧[5]等研究表明紫蘇蛋白中不同蛋白組分的功能性質(zhì)不同。乳化性作為植物蛋白的基本特性之一，對(duì)飲料、奶油、焙烤等乳制品的品質(zhì)和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。為此,本試驗(yàn)采用熱處理方法對(duì)紫蘇分離蛋白的乳化特性進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 主要原料與設(shè)備

紫蘇粕(吉林沃達(dá)食品有限公司)。分光可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV2300， 上海美天儀器有限公司)； 數(shù)顯pH計(jì)(pHS-25， 上海精密科學(xué)儀器有限公司)； 高壓均質(zhì)機(jī)(APV-1000， 丹麥APV公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 紫蘇分離蛋白的制備 紫蘇分離蛋白采用堿溶酸沉的方法提取略有改動(dòng)[6-7]。用索氏抽提把紫蘇粕進(jìn)行脫脂6 h，晾干后冷凍備用。脫脂紫蘇粉與蒸餾水1∶20(m/v)混合，2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH至10，60 ℃水浴1 h，5 000 r/min離心10 min，取上清液，1 mol/L HCl調(diào)至等電點(diǎn)pH為4.4，5 000 r/min離心10 min。沉淀水洗3次，用1 mol/L NaOH調(diào)至pH為7；冷凍干燥，獲得分離蛋白，4 ℃儲(chǔ)存起來(lái)備用。

1.2.2. 乳化性測(cè)定 乳化性測(cè)定參考文獻(xiàn)[8]中的實(shí)驗(yàn)方法[8]。精確稱(chēng)取1 g左右樣品，溶解于100 mL水中，室溫下1 000 r/min攪拌1 h，取15 mL蛋白溶液與5 mL紫蘇油混合，在高速乳化均質(zhì)機(jī)下13 500 r/min乳化2 min后倒入25 mL燒杯中，分別于0 min、10 min在燒杯底部取20 uL與5 mL 0.1%的SDS溶液均勻混合，在500 nm處測(cè)定吸光度值。

其中，T=2.303；N：稀釋倍數(shù)(250)；C：制備乳液前的蛋白濃度(g/mL)；φ:乳化液中油相體積分?jǐn)?shù)(0.25)；A0：0 min的吸光度值；A10：10 min的吸光度值。

1.2.3 紫蘇蛋白熱改性對(duì)乳化性的影響 (1)紫蘇蛋白的加熱溫度對(duì)乳化性的影響：加熱溫度設(shè)置成60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃和100 ℃，濃度設(shè)置成5%，加熱時(shí)間設(shè)置成30 min，測(cè)定其乳化特性。(2)紫蘇蛋白的加熱時(shí)間對(duì)乳化性的影響：紫蘇蛋白濃度設(shè)置成5%，加熱溫度設(shè)置成80 ℃，加熱時(shí)間設(shè)置成10 min、20 min、30 min、40 min和50 min，測(cè)定其乳化特性。(3)紫蘇蛋白的濃度對(duì)乳化性的影響：紫蘇蛋白的加熱溫度設(shè)置成80 ℃，加熱時(shí)間設(shè)置成40 min，紫蘇蛋白的濃度設(shè)置成2%、3%、4%、5%和6%，測(cè)定其乳化特性。

1.2.4 熱改性紫蘇蛋白乳化特性的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì) 以乳化活性為響應(yīng)值，根據(jù)單因素試驗(yàn)確定加熱溫度、加熱時(shí)間及底物濃度三個(gè)因素，分別以X1、X2、X3表示。設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，因素編碼水平，見(jiàn)表1。

表1 因素編碼水平

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 采用Design-Expert V 8.0.6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)紫蘇蛋白乳化性的影響

溫度對(duì)紫蘇蛋白乳化性的影響見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，隨著溫度的升高，乳化

圖1 溫度對(duì)紫蘇蛋白乳化性的影響

圖2 加熱時(shí)間對(duì)紫蘇蛋白乳化性的影響

活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，60 ℃～70 ℃下加熱處理的乳化活性相對(duì)較小，可能是此時(shí)紫蘇分離蛋白的分子相對(duì)比較集中，蛋白的分子結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化。劉付[9]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理的乳清分離蛋白的乳化活性沒(méi)有明顯的差異。80 ℃加熱處理下，紫蘇蛋白的乳化活性最大，分析原因可能是蛋白質(zhì)分子受熱舒展，疏水集團(tuán)暴露，其空間位阻作用阻礙了蛋白質(zhì)對(duì)油滴的吸收作用，乳化活性相對(duì)較大。

2.2 紫蘇蛋白的加熱時(shí)間對(duì)乳化活性的影響

紫蘇蛋白的加熱時(shí)間對(duì)乳化活性的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，加熱時(shí)間在10 min～50 min時(shí)間段內(nèi)，紫蘇蛋白的乳化性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。其中在加熱時(shí)間為 40 min時(shí)，乳化活性達(dá)到 57.77 m2/g。在10 min～30 min紫蘇蛋白的乳化活性相對(duì)較小，可能在80 ℃下加熱，蛋白質(zhì)分子暴露變性后其亞基受到阻礙，影響蛋白質(zhì)乳液的粒徑，使蛋白乳液的乳化活性很小。在40 min時(shí)乳化活性最大，由于此時(shí)紫蘇蛋白暴露比較完全，能夠充分接觸。

2.3 紫蘇蛋白的底物濃度對(duì)乳化性的影響

紫蘇蛋白的底物濃度對(duì)乳化性的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，紫蘇蛋白底物濃度在 2%～4%范圍時(shí)，伴隨著紫蘇蛋白濃度的不斷增加，其乳化活性減?。环治鲎咸K蛋白乳化性變小的原因可能是吸附在油水界面上的蛋白大分子含量增多，相對(duì)面積比例中的蛋白乳化液中油的量減少，所以紫蘇蛋白的乳化活性發(fā)生了降低；但隨著蛋白濃度的增加，乳化活性增加，濃度在5%時(shí)乳化性最高。郭鳳仙[10]報(bào)道5%的大豆蛋白在 90 ℃和 100 ℃下，熱處理 15 min 后乳化性迅速增加，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖3 紫蘇蛋白濃度對(duì)乳化性的影響

2.4 熱改性對(duì)紫蘇蛋白乳化性的響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果分析

2.4.1 熱改性對(duì)紫蘇蛋白響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 在以上單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)紫蘇蛋白熱改性進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，應(yīng)用回歸系數(shù)建立紫蘇蛋白的乳化性與加熱溫度(X1)、加熱時(shí)間(X2)和底物濃度(X3)之間的關(guān)系，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

應(yīng)用Design-Expert8.0.6軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到二次多項(xiàng)回歸模型方程：

EAI(m2/g)=72.01-12.04X1-2.07X2+2.91X3-3.77X1X2+4.63X1X3-1.23X2X3-4.03X12-10.67X22-11.15X32

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)紫蘇蛋白乳化性模型方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 結(jié)果方差分析

注：P<0.05差異顯著；P<0.01差異極顯著。

由表3可知，回歸方程各項(xiàng)方差的檢驗(yàn)可以看出，回歸模型p<0.05，模型顯著，而失擬項(xiàng)p值為0.077>0.05，模型失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明模型具有很高的可信度。相關(guān)系數(shù)(Adj R-Squard)R2adj=0.9882、R2=0.973 1，說(shuō)明該模型能反映99%響應(yīng)值的變化。由表3可知，熱處理對(duì)紫蘇蛋白乳化性影響的響應(yīng)值大小為X1>X3>X2,即對(duì)紫蘇蛋白影響的順序?yàn)椋簻囟?底物濃度>時(shí)間，可以看出溫度對(duì)紫蘇蛋白乳化性的影響最大。

2.4.2 響應(yīng)面及等高線分析 根據(jù)熱改性對(duì)紫蘇蛋白乳化性的響應(yīng)面及其等高線圖，對(duì)最佳工藝參數(shù)進(jìn)行探討[11]。仔細(xì)對(duì)擬合響應(yīng)面的形狀及特點(diǎn)進(jìn)行觀察，從中分析加熱溫度(X1)、加熱時(shí)間(X2)和底物濃度(X3)對(duì)紫蘇蛋白乳化性的影響。具體見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 溫度和時(shí)間交互作用的響應(yīng)面和等高線

圖5 溫度和濃度交互作用的響應(yīng)面和等高線

圖6 時(shí)間和濃度交互作用的響應(yīng)面和等高線

采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，得到熱處理的最佳工藝參數(shù)為溫度70 ℃、時(shí)間40.84 min、濃度4.92%，在此條件下乳化性為80.16 m2/g。與對(duì)照組( 未熱處理)紫蘇蛋白的乳化活性40.86 m2/ g 相比提高了96.18%。為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用以上最佳條件對(duì)紫蘇蛋白的乳化活性進(jìn)行3次試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際測(cè)得的乳化活性平均值為79.62 m2/g，與預(yù)測(cè)值接近，證明了模型的可行性。

3 結(jié) 論

本研究以紫蘇分離蛋白為原料，對(duì)紫蘇分離蛋白進(jìn)行熱改性，提高紫蘇分離蛋白的乳化性能，結(jié)果表明: 加熱溫度70 ℃，時(shí)間40.84 min，濃度4.92%，在此條件下乳化性為80.16 m2/g。與對(duì)照組( 未熱處理)紫蘇蛋白的乳化活性40.86 m2/ g 相比提高了96.18%。說(shuō)明熱改性能夠很好地提高紫蘇蛋白的乳化性。