溫度和pH值對茶多酚-紫米蛋白體系功能特性的影響

張娜寧，丁曉倩，申姣姣，云少君，馮翠萍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷，030801）

茶多酚是茶葉中多羥基酚類化合物的復(fù)合物，由30種以上的酚類物質(zhì)組成［1］，是一種良好的天然抗氧化劑，具有抗氧化性、抑菌性和抗突變等特性［2］，因此茶多酚在食品體系中的運用是現(xiàn)在食品科學(xué)的研究熱點之一。紫米作為有色稻米之一，含有大量的蛋白質(zhì)以及花色苷、總黃酮等多種生物活性物質(zhì)［3］，常被制作成功能性的植物蛋白食品。

蛋白質(zhì)作為紫米中重要的成分，是食品體系中的一大主要營養(yǎng)素，其功能特性對食品的品質(zhì)有重要影響。近年來人們對提高和改善蛋白質(zhì)功能特性進行了大量研究，目前多數(shù)研究針對茶多酚如何影響雞蛋蛋白［4］、大豆分離蛋白［5］、β-乳球蛋白和酪蛋白巨肽［6］、乳清蛋白［7］、小麥面筋蛋白［8］以及肉蛋白［9］的功能特性進行探討并揭示其機理。梁征等［3］進一步研究了紫米蛋白-多酚化合物的結(jié)構(gòu)組成及分子形貌，增進了對紫米食物的進一步開發(fā)和利用的認識。在紫米加工過程中添加茶多酚，不僅能夠增加其營養(yǎng)價值，還可以影響紫米的品質(zhì)，但現(xiàn)階段利用茶多酚改善紫米蛋白功能特性的研究較少。因此，本文將天然抗氧化劑茶多酚添加到紫米蛋白溶液中，研究不同濃度的茶多酚對紫米蛋白泡沫性、失水率、乳化性以及乳化穩(wěn)定性的影響，并進一步探討溫度和pH值對茶多酚-紫米蛋白體系的影響，旨在為實際應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

茶多酚購自深圳恒生生物科技有限公司；紫米粉購自無錫市躍安食品有限公司；葵花籽油購自中糧福臨門食品營銷公司；實驗所用其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

電子天平（奧豪斯儀器有限公司，AR224 CN）；磁力攪拌器（金壇市城東新銳儀器廠，78HW-1）；離心機（上海安亭科學(xué)儀器廠，SPSPAQ-LXJ02）；高速剪切乳化機（深圳市優(yōu)米儀器設(shè)備有限公司，F(xiàn)J-300S）；數(shù)顯恒溫水浴鍋（國華電器有限公司，HH-8）；pH計（奧斯豪儀器有限公司，ST3100）。

1.2 紫米蛋白的提取

參考姜珊珊等［10］的研究方法，以堿提酸沉法提取紫米蛋白。稱取5 g紫米粉，加入50 mL、0.05 mol·L-1、pH為12.7的NaOH溶液，磁力攪拌浸提1 h，于4℃下4 000 r·min-1離心20 min，之后棄去沉 淀。用HCl將pH調(diào) 至4.8后，靜置1 h，再次離心20 min，棄取上清后，用蒸餾水清洗沉淀3遍，進行冷凍干燥之后，將所提取的蛋白質(zhì)放至4℃保存待用。

1.3 茶多酚對紫米蛋白起泡度、失水率以及乳化性、乳化穩(wěn)定性的影響

首先配制2%的紫米蛋白溶液，之后添加不同濃 度 的 茶 多 酚（0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%），溫度分別選取20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，pH分別選取2、4、6、8、10，參照郭興鳳等［11］的研究方法，按照如下公式計算紫米蛋白的起泡度及失水率：

其中，V為泡沫和液體總體積，V1為下層析出液體。

紫米蛋白的乳化性與乳化穩(wěn)定性參照以下公式進行計算：

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差表示，采用SPSS 17.0軟件進行分析，同一處理水平下不同處理組進行方差齊性檢驗之后選用單因素方差分析，采用Duncan檢驗進行組間的兩兩比較，若P＜0.05則判定為差異顯著。其中，同樣條件下，添加及不添加茶多酚體系之間的比較以兩獨立樣本t檢驗進行，P＜0.05則判定為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶多酚對紫米蛋白泡沫性的影響

2.1.1 茶多酚濃度對紫米蛋白起泡度以及泡沫

失水率的影響

在溫度為30℃，pH為6的條件下測定不同濃度茶多酚對紫米蛋白的起泡度與失水率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，添加不同濃度的茶多酚后，紫米蛋白的起泡度和泡沫失水率均發(fā)生不同程度的變化。隨著茶多酚的添加量增大，當濃度為0.08%時體系的起泡度達到最大值，而體系的失水率呈現(xiàn)相反的變化，濃度為0.08%時為最低值。

圖1 茶多酚濃度對紫米蛋白起泡度和失水率的影響Fig.1 Effects of TP concentration on the foaming degree and driage of purple rice protein

2.1.2 溫度對紫米蛋白起泡度及泡沫失水率的影響

在茶多酚濃度為0.08%，pH為6的條件下測定不同的溫度下紫米蛋白溶液的起泡度及泡沫失水率，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，不同的溫度能夠影響茶多酚-紫米蛋白體系的起泡度和失水率，當溫度為30℃時起泡度達到最大值，且此溫度下，茶多酚-紫米蛋白體系的失水率最低。

圖2 溫度對茶多酚-紫米蛋白起泡度和失水率的影響Fig.2 Effects of temperature on the foaming degree and driage of TP-purple rice protein system

2.1.3 pH對紫米蛋白起泡度、泡沫失水率影響

在茶多酚濃度為0.08%，溫度為30℃的條件下測定不同pH值下紫米蛋白的起泡度與泡沫失水率，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，不同的pH值對茶多酚-紫米蛋白體系的起泡度和泡沫失水率產(chǎn)生了不同程度的影響。當pH值為4（紫米蛋白等電點附近）時，蛋白質(zhì)的起泡度和失水率都是最小的，然而等電點兩側(cè)，兩者的數(shù)值都增大。

圖3 pH值對茶多酚-紫米蛋白泡沫性和失水率的影響Fig.3 Effects of pH on the foaming degree and driage of TP-purple rice protein system

選取茶多酚濃度為0.08%、溫度30℃、pH為6的條件下，測得2%的紫米蛋白溶液的起泡度和失水率分別是27.69%±0.74%和1.53%±0.16%；在同樣的條件下，不添加茶多酚的紫米蛋白溶液的起泡度和失水率分別是12.96%±0.60%和2.38%±0.15%，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01）。說明一定劑量茶多酚的添加能夠影響紫米蛋白體系的起泡度和失水率。

2.2 茶多酚對紫米蛋白乳化性的影響

2.2.1 茶多酚濃度對紫米蛋白乳化性與乳化穩(wěn)定性的影響

在溫度為30℃，pH為6的條件下測定不同濃度的茶多酚溶液對紫米蛋白乳化性與乳化穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，隨著茶多酚濃度的增加，紫米蛋白體系的乳化性和乳化穩(wěn)定性發(fā)生不同程度的變化。當茶多酚的濃度為0.04%時，紫米蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性均達到最大值。

圖4 茶多酚濃度對紫米蛋白乳化性與乳化穩(wěn)定性影響Fig.4 Effects of TP concentration on the emulsibility and emulsification stability of purple rice protein

2.2.2 溫度對紫米蛋白體系的乳化性與乳化穩(wěn)定性的影響

由圖5可見，在20～30℃的范圍內(nèi)，紫米蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性逐漸增加；在30～60℃范圍內(nèi)，乳化性和乳化穩(wěn)定性逐漸下降。當溫度為30℃時，紫米蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性達到最大值。

圖5 溫度對茶多酚-紫米蛋白乳化性與乳化穩(wěn)定性影響Fig.5 Effects of temperature on the emulsibility and emulsification stability of TP-purple rice protein system

2.2.3 pH對紫米蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定的影響

在茶多酚濃度為0.04%，溫度為30℃的條件下測定不同pH值下的茶多酚-紫米蛋白復(fù)合體系的乳化性與乳化穩(wěn)定性，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，不同的pH值對茶多酚-紫米蛋白體系的乳化性與乳化穩(wěn)定性產(chǎn)生了不同程度的影響，其中在pH值為4（紫米蛋白的等電點附近）時，紫米蛋白的乳化性及乳化穩(wěn)定性為最低值，等電點兩側(cè)，體系的乳化性及乳化穩(wěn)定性呈現(xiàn)不同程度增加。

圖6 pH對茶多酚-紫米蛋白乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effects of pH on the emulsibility and emulsification stability of TP-purple rice protein system

在茶多酚濃度0.04%、溫度30℃、pH為6的條件下，測得2%的紫米蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性71.92%±1.42%和70.00%±1.24%；在同樣的條件下，不添加茶多酚的紫米蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性分別是68.69%±1.20%和57.39%±1.29%，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05或P＜0.01）。同樣說明一定劑量茶多酚的添加能夠影響紫米蛋白體系的乳化性及乳化穩(wěn)定性。

3 討論

研究食品體系中多酚與蛋白質(zhì)之間的相互作用對于改善蛋白質(zhì)特性以及提高食品多酚類物質(zhì)的生物利用性和健康功能性，促進含多酚類健康食品的加工制造具有重要的意義。

本試驗表明添加了一定濃度茶多酚的紫米蛋白體系與未添加茶多酚的紫米蛋白相比，起泡性與起泡穩(wěn)定性都有不同程度的改善。當茶多酚濃度為0.08%時起泡度達到最大值，體系中的失水率為最低值。這可能是由于在一定的茶多酚添加范圍內(nèi)，茶多酚提供了足夠的活性羥基和疏水基，它們可以與蛋白質(zhì)的殘基通過非共價鍵結(jié)合，使得蛋白質(zhì)內(nèi)部排斥展開，增加了紫米蛋白的柔性，故紫米蛋白的起泡性增加。而茶多酚的添加量越大，其包含的羥基容易破壞紫米蛋白的結(jié)構(gòu)，使其柔韌性降低，從而又使紫米蛋白的起泡特性降低。蛋白質(zhì)的起泡性取決于分子柔性，而泡沫穩(wěn)定性則取決于所形成的黏膜的剛性和彈性，適量茶多酚的添加使得紫米蛋白定向吸附在氣-液界面上，降低界面張力，使穩(wěn)定氣泡聚集在泡沫體、發(fā)泡劑分子中，從而使失水率降低，增加了泡沫的穩(wěn)定性。而蛋白質(zhì)分子內(nèi)平均疏水性基團所占的比例是蛋白質(zhì)發(fā)泡能力的重要因素之一［12，13］，在溫度逐漸升高的情況下，蛋白質(zhì)分子疏水相互作用力增大，在茶多酚所提供羥基和疏水基的共同作用下，使得蛋白質(zhì)分子構(gòu)型展開，有利于發(fā)泡，在30℃時達到最大值，此時泡沫的穩(wěn)定性最好。當溫度繼續(xù)上升時，會讓體系的黏度下降、氣體膨脹、泡沫解體以及泡沫破裂，所以導(dǎo)致紫米蛋白的起泡性下降，泡沫穩(wěn)定性變差。另外pH也對茶多酚-紫米蛋白體系產(chǎn)生影響，而紫米蛋白在溶解狀態(tài)下能表現(xiàn)出很多功能性質(zhì)，起泡形成能力的強弱取決于蛋白質(zhì)的溶解部分［14～16］。茶多酚添加到蛋白質(zhì)溶液中，提供了許多活性基團，使蛋白質(zhì)分子有更大的吸附到界面的能力。在蛋白質(zhì)等電點兩側(cè)，蛋白質(zhì)溶解越多，形成的泡沫膜越厚、越硬。同時由于蛋白質(zhì)表面活性的作用，使蛋白質(zhì)表面的界面張力降低，最終提高了蛋白質(zhì)的發(fā)泡能力。在等電點兩側(cè)，蛋白質(zhì)的泡沫失水率亦增加，這可能是因為在0.08%茶多酚的添加濃度下，pH值的變化影響了蛋白質(zhì)的電荷和疏水基團，進而影響了所形成的黏膜的剛性和彈性，從而影響了其泡沫穩(wěn)定性，其具體機制有待進一步探討。郭興鳳等［17］研究表明，茶多酚在大豆分離蛋白中的添加量及添加條件為：濃度為1%大豆分離蛋白溶液中茶多酚濃度0.088%，混合溫度為21℃，pH值為4.85時，蛋白質(zhì)溶解性提高。另有研究表明，在1.0%（w/v）的雞蛋蛋白溶液中加入0.25%（w/v）的綠茶茶多酚可以使雞蛋蛋白的發(fā)泡能力和發(fā)泡穩(wěn)定性增加4～5倍［15］，這些均與本研究結(jié)果一致。覃思［18］等認為這是由于活性羥基或羧基的存在使得蛋白質(zhì)有更大的形成氫鍵的能力，能夠形成更多的有一定機械強度的薄膜，從而更大降低液相的表面張力，提高了發(fā)泡能力和泡沫的穩(wěn)定性。同時食品的加工環(huán)境，包括酸度、鹽度、甜度以及溫度等因素，它們的改變對蛋白質(zhì)特性的改變也有很大的影響，是食品加工中不容忽視的因素。

添加不同濃度的茶多酚后，茶多酚與蛋白質(zhì)互相作用，當茶多酚濃度為0.04%時，茶多酚為紫米蛋白提供了合適的活性羥基，它們與蛋白質(zhì)殘基結(jié)合后使蛋白質(zhì)在脂肪-蛋白質(zhì)界面上更加牢固，這樣使得包住脂肪球的膜更厚更穩(wěn)定，從而提高了蛋白質(zhì)的乳化能力。紫米蛋白肽鏈伸展開，疏水性降低，復(fù)合乳液中油滴可穩(wěn)定的存在于水相中，進而使復(fù)合乳液的乳化穩(wěn)定性加強。當茶多酚添加量增大時，其會慢慢與蛋白質(zhì)結(jié)合形成少量的不溶性絡(luò)合物，最終，復(fù)合乳液的乳化活性與乳化穩(wěn)定性會降低。因此，適量濃度的茶多酚會對紫米蛋白溶液的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性有所改善。劉澤宇等［9］研究亦表明，添加0.05%以上濃度的茶多酚能顯著提高草魚魚肉蛋白質(zhì)的乳化穩(wěn)定性，并延緩乳化能力的降低。而在加熱情況下，適量的茶多酚及蛋白質(zhì)體系會吸收熱量，從而使蛋白質(zhì)分子內(nèi)能增加，最終使蛋白質(zhì)分子構(gòu)型展開，功能基團暴露，因此蛋白質(zhì)的乳化性增強。但在高溫處理以及極端處理（如高壓均質(zhì)等）條件下，多酚會發(fā)生氧化和裂解，蛋白的二級結(jié)構(gòu)也同時改變［17］，所以蛋白質(zhì)的乳化穩(wěn)定性會逐漸降低。在等電點附近，紫米蛋白的溶解性最低，當遠離等電點時，乳液帶電荷排斥力大，使雙電層加厚，溶解性增加，氨基酸若暴露程度增加，多酚則會與蛋白質(zhì)之間生成不可逆的化學(xué)鍵，因此，本實驗中茶多酚-紫米蛋白體系的乳化活性與乳化穩(wěn)定性在等電點時最低，等電點兩側(cè)呈現(xiàn)不同程度的升高。研究表明，影響茶多酚與蛋白質(zhì)相互作用的主要因素包括多酚/蛋白質(zhì)比例［20］、多酚的結(jié)構(gòu)和分子量［21］、溫度［22］與蛋白質(zhì)的種類［23］等，本試驗進一步表明了茶多酚濃度、溫度以及pH值均會對茶多酚-紫米蛋白體系的功能特性產(chǎn)生影響。因此，在實際的食品加工體系中，應(yīng)注意加工環(huán)境對二者相互作用的影響，從而將茶多酚更廣泛的應(yīng)用于食品加工、機體保健等方面。

4 結(jié)論

在茶多酚濃度為0.08%、溫度30℃、pH為6的條件下，2%的紫米蛋白體系的起泡性和失水率分別為27.69%±0.74%和1.53%±0.16%；茶多酚濃度為0.04%、溫度30℃、pH為6的條件下，2%的紫米蛋白體系的乳化性和乳化穩(wěn)定性分別為71.92%±1.42%和70.00%±1.24%。茶多酚濃度、溫度以及pH對紫米蛋白的起泡性、失水率、乳化性以及乳化穩(wěn)定性均有不同程度的影響，在蛋白質(zhì)-多酚加工體系中，適宜的茶多酚濃度、溫度以及pH值的選取是至關(guān)重要的。