酶解青花椒籽仁谷蛋白的乳液穩(wěn)定性研究

瞿 瑗 侯曉艷 黎杉珊 申光輝 羅擎英 吳賀君 蒲 彪 葉 萌 張志清*

（1 四川農業(yè)大學食品學院 四川雅安625014 2 四川農業(yè)大學林學院 四川溫江611130）

乳液體系在食品、化妝品和藥品中很常見。就食品而言，乳液通常以水包油（O/W）的形式存在，如：酸奶、飲料、蛋黃醬等。由于乳液是由兩種以上不相容的體系構成，所以是熱力學不穩(wěn)定體系，通常易發(fā)生絮凝、聚結和分層[1-2]。一般可以通過添加乳化劑來提高乳液穩(wěn)定性， 常見的乳化劑有蛋白質、多糖、磷脂、小分子表面活性劑。

蛋白質是表面活性化合物，可以吸附在油-水界面，通過降低液滴表面張力來穩(wěn)定乳液[3]。 蛋白質界面膜還可以通過產生排斥力和/或通過在液滴之間形成一個物理屏障來防止液滴發(fā)生聚集[3-4]。在大多數情況下選擇蛋白質作為乳化劑[5]，是因為它們還可以作為增稠劑， 通過增加黏度或改變黏彈性來減少液滴的移動。 因大豆蛋白較好的適用性、 低成本和良好的功能特性而廣泛應用于食品工業(yè)中， 已有許多利用大豆蛋白作為乳化劑的研究[6]。 然而，有的人因豆腥味、過敏、拒絕食用經遺傳修飾的大豆或其它的飲食限制， 故不能接受含有大豆蛋白的食物。開發(fā)一種新型、價格低廉的蛋白質來替代大豆蛋白也是一種選擇。

花椒籽是花椒生產中的主要副產物， 研究表明，脫殼后的花椒籽仁中蛋白質含量豐富[7]，通過進一步分析其組成成分和氨基酸組成， 評定其為一種較優(yōu)質的蛋白質[8]。 此外，花椒籽仁蛋白已被證明具有充當乳化劑的潛力[8-9]。 花椒籽仁谷蛋白是花椒籽仁蛋白的主要成分， 其功能性質往往受到環(huán)境因素的影響， 使得花椒籽仁蛋白的應用受到極大限制， 然而應用改性技術可以提高花椒籽仁谷蛋白的功能性質。酶法改性因條件溫和，產生的副產物少，故比其它改性方法好。 一般來說，酶法改性蛋白受蛋白質水解度、 酶的特異性以及每種底物固有特性的影響[10]。 其中，過度水解會產生大量的游離氨基酸和短肽鏈， 降低蛋白質的乳化性， 而有限的水解可使疏水性和親水性殘基暴露出來，增強蛋白質的兩親性，改善乳化特性[10]。 目前， 尚未見以酶水解花椒籽仁谷蛋白獲得的蛋白水解產物作為乳化劑的研究。 本文研究了pH 值、離子強度、 溫度對胰蛋白酶酶解青花椒籽仁谷蛋白乳液物理穩(wěn)定性的影響， 比較不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液的物理穩(wěn)定性， 分析使用胰蛋白酶酶解花椒籽仁谷蛋白得到的產物形成穩(wěn)定乳液的能力， 為花椒籽仁谷蛋白作為乳化劑應用于食品工業(yè)中提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑 青花椒籽 （Zanthoxylum armatum DC.），采自四川省金陽縣青花椒產地；胰蛋白酶（酶活力>2.5×105U/g），上海瑞永生物科技有限公司； NaCl、NaOH、HCl 等，均為分析純，科龍化工試劑廠。

1.1.2 主要設備與儀器 FW-100 高速萬能粉碎機， 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；SCIENTZ-12N冷凍干燥機， 寧波新芝生物科技股份有限公司；Thermo BR4i 離心機， 美國THERMO 公司；DK-8D 三孔電熱恒溫水槽， 上海齊欣科學有限公司；PHS-3C 酸度計， 上海佑科儀器儀表有限公司；DHG-9101 A 電熱恒溫干燥箱， 上海三發(fā)科學儀器有限公司； JHQ-Q54-P70 高壓均質機，鄭州玉祥食品機械有限公司；FJ-200-SH 型數顯高速分散均質機， 上海右一儀器有限公司；Sartorius CP225D 電子天平， 德國SARTORIUS 公司；Rise系列-2006 型激光粒度分析儀， 濟南潤之科技有限公司；哈克MARS III 流變儀，美國Thermo-Scientific 公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 測試樣品制備

1.2.1.1 青花椒籽仁谷蛋白制備 參考Dash 等[11]的方法并適當修改。 稱取10 g 的脫脂青花椒籽仁，加入10 倍的蒸餾水，攪拌30 min，然后以8 000 r/min 離心20 min，離心去除上清液；接著向離心管里加入10 倍2% NaCl 溶液， 重復以上操作，去除上清液；再次向離心管里加入10 倍70%乙醇溶液，重復以上操作，去除上清液；最后向離心管里加入10 倍0.5% NaOH 溶液， 重復以上操作，收集上清液，提取谷蛋白，將上清液于室溫下調節(jié)pH 至3.3，4 000 r/min 離心20 min 后， 取沉淀物于4 ℃透析48 h。 最終取沉淀物冷凍干燥備用。 花椒籽仁谷蛋白純度達96.25%（干基，N%×6.25）。

1.2.1.2 不同水解度青花椒籽仁谷蛋白制備 參考Elavarasan 等[12]的方法并適當修改。 取1 g 花椒籽仁谷蛋白，按料液比1 ∶20 加入蒸餾水，于室溫下水化 1 h。 調節(jié)pH=8， 置于50 ℃下保持15 min 后按酶底比為1∶50 添加胰蛋白酶進行水解。酶解完畢后于95 ℃加熱5 min 使酶失活，迅速冰浴冷卻至室溫， 離心取上清液后凍干備用。 采用pH-stat 法[13]測定水解度。 本研究根據預試驗結果選取水解時間分別為0.5，22，146 min 即水解度DH 依次為3%，6%和8%的酶解產物作后續(xù)研究（分別表示為DH3 ZADSKG、DH6 ZADSKG、DH8 ZADSKG）。

1.2.1.3 乳液制備 參考Tan 等[14]的方法并適當修改。 將蛋白質樣品分散到10 mmol/L 磷酸鹽緩沖液（pH 7.0）中并攪拌2 h 以確保完全水化。 采用高速分散均質機將10 mL 玉米油與90 mL 蛋白溶液（5 mg/mL）預混勻來制備粗乳劑，12 000 r/min攪拌2 min，然后使用高壓均質機，在30 MPa 下高壓均質3 次。 然后將質量濃度為0.2 mg/mL 的疊氮化鈉加入到乳劑中以防止微生物生長。

1.2.2 乳液穩(wěn)定性影響因素分析

1.2.2.1 不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液儲藏穩(wěn)定性 分別取不同水解度的蛋白乳液10 mL于玻璃瓶中，置于25 ℃下儲藏7 d。測定樣品平均粒徑變化，觀察其乳析現(xiàn)象。

1.2.2.2 pH 對不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液穩(wěn)定性的影響 將不同水解度的蛋白乳液用0.5 mol/L HCl 或0.5 mol/L NaOH 調節(jié)pH 為3～9，室溫下放置1 d 后測定樣品的粒徑大小，觀察其乳析現(xiàn)象。

1.2.2.3 離子強度對不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液穩(wěn)定性的影響 分別添加不同濃度的Na-Cl（0，50，100，200，300 mmol/L）于樣品中，室溫下放置1 d 后測定樣品的粒徑大小， 觀察其乳析現(xiàn)象。

1.2.2.4 熱處理對不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液穩(wěn)定性的影響 將10 mL 新鮮制備的乳液置于玻璃瓶中。 分別于30，50，70，90 ℃下水浴30 min 后迅速冷卻。 室溫下放置1 d 后測定樣品的粒徑大小，觀察其乳析現(xiàn)象。

1.2.3 指標測定

1.2.3.1 流變性測定 根據趙強忠等[15]的方法，采用流變儀進行測定。將250 μL 左右蛋白乳液置于夾具底部，所用轉子為C35/1°Til，設置板間距為0.052 mm，持續(xù)時間為13.26 min，測定溫度為25℃，測定剪切速率（5～100 s-1）隨剪切應力的變化。根據power-law 模型對黏度系數K 和流動特性指數n 進行擬合。

τ=Kγn

式中：τ——剪切應力（mPa）；K——黏度系數（mPa·sn）；γ——剪切速率 （s-1）；n——流動性指數。

1.2.3.2 乳液平均粒徑的測定 采用Rise 系列-2006 型激光粒度分析儀對乳液的平均粒徑進行測定[16]。 樣品用相同pH 及離子強度的緩沖液稀釋100 倍以消除光散射效應，在25 ℃條件下進行測定。

1.3 數據統(tǒng)計處理

每次試驗重復3 次，最終數據以平均值±標準偏差表示， 采用SPASS20.0 進行Tukey 檢驗分析樣品之間的顯著性差異，P＜0.05 表示具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液儲藏穩(wěn)定性

不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液儲藏穩(wěn)定性如圖1 所示。 從圖1b 可以看出，從1 d 開始，3 種水解度蛋白乳液均出現(xiàn)明顯的分層，2 d 前下層較渾濁，從3 d 開始下層較透明。 從圖1a 可以看出，新鮮蛋白乳液平均粒徑隨著水解度的增加而增大，DH3、DH6、DH8 的平均粒徑依次為1.55，1.64，1.75 μm。 這表明在均質過程中水解度較低的蛋白質更易吸附到液滴表面， 更有效地抑制液滴聚結[17]。 隨著儲藏時間的延長，不同水解度蛋白乳液的平均粒徑均增大。 儲藏7 d 以后，DH3 的平均粒徑增加到3.27 μm，DH6 增加到2.72 μm，DH8 增加到3.50 μm。由此可見，在儲藏過程中，不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液在抑制液滴聚集的能力有顯著不同， 水解度最佳的蛋白乳液在儲藏期間可以更好地抑制液滴聚集。 這與Thaiphanit 等[18]和Mokni 等[19]的研究結果一致。 Thaiphanit 等[18]研究表明，水解度為8.25%～10.17%的椰子蛋白比水解度為11.04%～14.22%的能形成更穩(wěn)定的乳液。Mokni 等[19]指出DH4%的鷹嘴豆分離蛋白乳化性最高， 而進一步水解導致蛋白分子結構破壞從而降低了乳化性。因此，本研究中可能是由于過度水解使DH8 花椒籽仁谷蛋白結構破壞，使其不能在乳狀液的制備過程中提供維持空間結構穩(wěn)定的作用力， 也不能在乳液液滴界面間形成強有力的界面膜，從而導致乳液穩(wěn)定性較差。 另外，不同水解度蛋白乳液的液滴平均粒徑隨著儲藏時間的增加，液滴絮凝導致粒徑增加，這與2.5 節(jié)中的流變性實驗樣品黏度增加的結果一致。

圖1 不同儲藏時間對花椒籽仁谷蛋白乳液平均粒徑（a）和表觀特性變化（b）的影響Fig.1 Influence of storage time on the characteristics of oil-in-water ZADSKGH emulsions （a）mean particle size and （b）visual appearance of emulsions

2.2 不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液的pH穩(wěn)定性

pH 對不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液平均粒徑及放置1 d 后表觀特性的影響如圖2 所示。從圖2a 可以看出，3 種乳液平均粒徑在pH 3～4之間均顯著增大，在pH 6～9 之間變化較??；DH6的平均粒徑在pH 3～9 范圍內， 都低于DH3 和DH8 的乳液。 從圖2b 也可以看到，3 種乳液在pH 3～4 之間出現(xiàn)明顯分層， 上層為白色乳析層，下層為透明乳清層，其中DH6 的乳液較其它兩種下層乳清層更透明； 在 pH 6～9 之間，DH3 和DH8 的乳液也有分層，下層較渾濁，而DH6 乳液保持穩(wěn)定。 在低pH 下，乳液不穩(wěn)定易于分層，此時乳液pH 接近花椒籽仁蛋白質等電點（PI=3.3），蛋白質凈電荷的缺失導致乳滴間缺乏靜電斥力而發(fā)生絮凝和聚結[20]，使得乳液粒徑變大，進而加快了乳析速率[2]。Bucˇko 等[21]研究表明，南瓜種籽分離蛋白乳液在接近等電點處乳液極不穩(wěn)定而發(fā)生聚集。 Ventureira 等[17]指出，DH 1.7%和DH 9.5%的莧菜蛋白乳液在pH 值接近等電點時， 乳液粒徑最大，乳液不穩(wěn)定發(fā)生絮凝和聚集，但是DH 1.7%的乳液在pH 2 和pH 8 水平上較DH 9.5%表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。

圖2 pH 對不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液平均粒徑（a）和放置1d 后表觀特性（b）的影響Fig.2 Influence of pH value on the characteristics of oil-in-water ZADSKGH emulsions （a）mean particle size and （b）visual appearance of emulsions after 1 d storage

2.3 不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液離子強度穩(wěn)定性

離子強度對不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液的粒徑及放置1 d 后表觀特性的影響如圖3 所示。 從圖3a 可以看出，隨著離子強度的增加，3 種水解度的花椒籽仁谷蛋白乳液平均粒徑呈增加趨勢。 圖3b 與平均粒徑變化結果一致，所有乳液因添加鹽而不穩(wěn)定，出現(xiàn)明顯的分層，鹽離子的加入使乳液失穩(wěn)主要是由于其屏蔽了負電液滴之間的靜電斥力所導致的[22]。DH3 的乳液在NaCl 濃度為200 mmol/L 時出現(xiàn)明顯的色澤變化， 而DH6 和DH8 的乳液在NaCl 濃度為300 mmol/L 時才發(fā)生明顯的色澤變化， 該現(xiàn)象是由于水解程度不同使得蛋白質親電基團的暴露程度不一樣所導致的。當水解度為3%時，蛋白質水解不完全，親電基團較少的暴露出來。 而水解度為6%時，蛋白質水解完全，使得其親電基團完全暴露，所以對NaCl 的耐受能力提高。 當水解度為8%時，蛋白質水解過度，肽鏈發(fā)生聚集，使得親電基團包埋起來，整體暴露程度較DH3 的低， 所以對NaCl 的耐受力較DH3 的低。 當NaCl 濃度增加到300 mmol/L 時，DH8 的花椒籽仁谷蛋白乳液的平均粒徑微微增大，DH6 的平均粒徑顯著增大，但是水解度為6%的乳液平均粒徑隨NaCl 濃度（0～500 mmol/L）的增加變化最小（從2.06 μm 增加到3.18 μm）。

圖3 NaCl 對不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液平均粒徑（a）和放置1 d 后表觀特性（b）的影響Fig.3 Influence of NaCl on the characteristics of oil-in-water ZADSKGH emulsions （a）mean particle size and（b）visual appearance of emulsions after 1 d storage

2.4 不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液熱穩(wěn)定性

圖4 溫度對不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液平均粒徑（a）和放置1 d 后表觀特性（b）的影響Fig.4 Influence of temperature on the characteristics of oil-in-water ZADSKGH emulsions （a）mean particle size and （b）visual appearance of emulsions after 1 d storage

不同溫度處理對不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液穩(wěn)定性的影響如圖4 所示。 從圖4a 可以看出，隨著溫度的增加，3 個水解度花椒籽仁谷蛋白乳液平均粒徑隨著溫度的增加呈顯著增加趨勢，水解度為6%的花椒籽仁谷蛋白乳液平均粒徑變化最?。?.19 μm 增加到2.82 μm）。 圖4b 與平均粒徑變化結果一致，從圖中可以看出，經過較低溫度（30、50 ℃）處理后，水解度為6%的花椒籽仁谷蛋白乳液較穩(wěn)定， 水解度為3%和8%的乳液出現(xiàn)了分層，上層為乳析層，下層為乳清層，但經相對較高的溫度（70，90 ℃）處理后的3 種乳液均出現(xiàn)了明顯的分層， 水解度為3%和8%的乳清層顏色較6%的深。 這是因為加熱使得蛋白質分子展開，將其疏水基團暴露于周圍的水相中， 這大大增加了液滴之間的表面疏水性， 通過疏水作用促進液滴聚集[23]。 當蛋白質被加熱到其變性溫度后，巰基被暴露出來， 通過二硫鍵促進液滴之間發(fā)生聚集[24]。 在加熱過程中，分子熱運動會更劇烈，這將導致乳液液滴之間的碰撞頻率更高， 乳滴進而易于聚結。 Singh 等[25]研究表明，高度水解的乳清蛋白形成的乳液經120 ℃處理后穩(wěn)定性極差。 但是，由于水解度不同經較低溫度（30、50 ℃）處理后，乳液的穩(wěn)定性會產生兩種不同的結果。 DH6%的乳液經較低溫度（30，50 ℃）處理后具有比DH3%更高的穩(wěn)定性。 可能的原因是：（1）花椒籽仁谷蛋白本來的球狀結構已被破壞， 從而降低它們變性和聚集的能力，進而使其熱穩(wěn)定性提高；（2）加熱使得蛋白質分子展開， 將其疏水基團暴露于周圍的水相中，增加吸附的可能性，而親水基團不可能發(fā)生聚集， 所以使得熱穩(wěn)定性增加。 當水解度達到8%時，蛋白質過度水解使其乳化性降低，在液滴表面易發(fā)生聚集，所以經較低溫度（30，50 ℃）處理后，DH8%乳液也出現(xiàn)了明顯的分層。

2.5 不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液流變性差異

不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液的稠度系數以及流動性指數結果如表1 所示， 顯示了不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液的流變性差異。 目前已建立了多種模型來描述蛋白的流變特性， 冪律模型是最常使用的模型之一[26]。 流動曲線通過power-law 模型進行擬合， 并計算稠度系數和流動特性指數。 從表中可以看出，3 種水解度乳液的流動性指數n 均小于1，所以其為剪切變稀流體。 這與Thaiphanit 等[18]的研究結果一致，堿性蛋白酶酶解椰子蛋白得到不同水解度產物（8.25%～14.22%），以其制備的蛋白乳液都表現(xiàn)出剪切變稀行為。 隨著剪切速率的增大，表觀黏度不斷降低，這是由于流體團簇或聚集體的變形、 破壞以及它們在流場內的排序導致的[2]。經過7d 的貯存，DH6 花椒籽仁谷蛋白乳液的稠度系數K 未發(fā)生明顯變化，DH3和DH8 的花椒籽仁谷蛋白乳液在貯存期間稠度系數K 顯著增加，流動特性指數n 顯著降低，表明乳液在貯存7d 后發(fā)生了剪切變稀行為，乳液中發(fā)生了液滴絮凝現(xiàn)象， 進一步驗證了儲藏期間乳液平均粒徑的變化。

表1 不同水解度花椒籽仁谷蛋白乳液稠度系數（K）以及流動性指數（n）變化Table 1 The consistency coefficient （K）and flow behaviour index （n）of oil-in-water ZADSKGH emulsions

3 結論

本文研究了pH、溫度、離子強度對不同水解度青花椒籽仁谷蛋白乳液穩(wěn)定性的影響。 結果表明，蛋白水解度顯著影響其形成穩(wěn)定乳液的能力，不同青花椒籽仁谷蛋白乳液的貯藏穩(wěn)定性均較差， 在pH 3～9 下的平均粒徑相似， 在等電點附件、高離子濃度下非常不穩(wěn)定。 水解度為6%的花椒籽仁谷蛋白乳液對鹽離子濃度和熱處理有較強抵抗力。 本文結果表明水解后的花椒籽仁谷蛋白可以作為天然乳化劑形成穩(wěn)定乳液。但是，應對復雜的環(huán)境條件， 未來還需要進一步的研究來提高乳液穩(wěn)定性。