瓜爾豆膠和甲基纖維素對大豆分離蛋白乳析和絮凝穩(wěn)定性的影響

瓜爾豆膠和甲基纖維素對大豆分離蛋白乳析和絮凝穩(wěn)定性的影響

中性糖作為增稠劑、添加劑或乳化劑，廣泛應(yīng)用于乳液和食品蛋白質(zhì)的乳液體系。最常用的中性多糖是從植物種子中提取的水溶性多糖(如瓜爾豆膠)和改性纖維素(如甲基纖維素)。瓜爾豆膠(guargum)是由Cyamopsistetragonolobus種子提取的半乳甘露聚糖。這種非離子型多糖由β(1→6)連接的D-甘露糖骨架和β(1→4)連接的分支或側(cè)鏈構(gòu)成。甘露糖與半乳糖的比率為2:1。溶液中低濃度的瓜爾豆膠分子以展開的隨機卷曲的構(gòu)象分散于水中,并且多糖分子可以自由移動或改變分子構(gòu)象。當(dāng)瓜爾豆膠濃度增加時,分子間的接觸增加而相互纏結(jié),導(dǎo)致水相粘度急劇增加。這種高粘度對食品體系的流變特性及穩(wěn)定性有顯著的影響。甲基纖維素(methylcellulose,MC)是由纖維素經(jīng)過疏水改性的水溶性高分子。由于具有表面活性及溶于冷水而受熱形成可逆凝膠的獨特性能,甲基纖維素廣泛用于許多工業(yè)。在蛋白質(zhì)乳濁液中,加入甲基纖維素增加了體相的粘度,但由于甲基纖維素的乳化活性較高,對蛋白質(zhì)乳濁液的穩(wěn)定影響較復(fù)雜。本文比較了這兩種典型的中性多糖對大豆分離蛋白乳濁液穩(wěn)定性的影響并探討了其作用機理。1材料和方法1.1實驗材料和儀器瓜爾豆膠印度進(jìn)口;甲基纖維素(食品級,55RT600)泰安瑞泰纖維素有限公司;廚寶粟米油購自本地超市;碩森大豆分離蛋白哈爾濱黎明植物蛋白廠;磷酸二氫鈉,磷酸氫二鈉,氫氧化鈉,鹽酸,疊氮鈉均為分析純。FJ-200高速分散均質(zhì)器上海標(biāo)本模型廠;高壓均質(zhì)機上海張堰輕工機械廠;pHS-3C精密pH計上海雷磁儀器廠;XS-18型實驗室生物顯微鏡南京江南光電(集團)有限公司;Nikon995數(shù)碼相機日本;Mastersizer2000MalvernInstrumentsLtd.英國。1.2實驗方法1.2.1磷酸鹽緩沖液t將一定量的瓜爾豆膠(含水量14.50%,wt)分散于20mmol/L的磷酸鹽緩沖液中,加熱到80℃,攪拌保溫20min。充分溶解后用自來水冷卻到室溫,補水定量。1.2.2均質(zhì)器分散將一定量的甲基纖維素(含水量6.60%,wt)加到85℃的少量20mmol/L的磷酸鹽緩沖液中,用均質(zhì)器分散。然后逐漸加入4℃的相同濃度的緩沖液到預(yù)定的甲基纖維素濃度。此時形成澄清透明的多糖溶液。1.2.3壓力的確定將1.5%的大豆分離蛋白分散于瓜爾豆膠或甲基纖維素的緩沖溶液中,用1.0mol/L的NaOH和HCl調(diào)節(jié)pH到預(yù)定值。加入0.04%的疊氮鈉抑制微生物繁殖,密封放置過夜。向大豆分離蛋白分散液中加入油:水=1:9(V/V)的粟米油。用高速分散均質(zhì)器分散預(yù)均質(zhì)。然后用高壓均質(zhì)機一次均質(zhì)(均質(zhì)前用同pH條件的緩沖液清洗均質(zhì)機,均質(zhì)壓力為:一級30MPa,二級10MPa)。新鮮制備的乳濁液經(jīng)調(diào)節(jié)pH值后備用。1.2.4乳液分析的穩(wěn)定性試驗取上述新鮮制備的乳濁液10ml于具塞刻度試管中。25℃靜置,定期記錄乳析層高度。1.2.5水相環(huán)境條件移取1ml放置6d后的乳濁液到燒杯中,同等水相環(huán)境條件稀釋50倍。在顯微鏡下以400倍率觀察脂肪滴絮凝體的變化,用Nikon995數(shù)碼相機拍片。1.2.6平均粒徑參數(shù)設(shè)定用Mastersizer2000(MalvernInstrumentsLtd.,UK)粒度測定儀測定室溫放置9d的乳濁液液滴的平均粒徑d3,2(μm)。測定參數(shù)設(shè)定為:分析模式常規(guī)分析;附件名稱Hydro2000MU(A);液滴粒子折射率1.530;水折射率1.330;相對折射率1.530/1.330=1.150;測定粒徑范圍0.020～2000.0μm;乳濁液粒子吸光度0.1;體-面平均粒徑(averagevolume-surfacediameter)d3,2:其中ni為直徑為di(μm)的液滴的數(shù)量。2結(jié)果與分析2.1u3000添加0.突出蛋白乳析層相對高度的影響不同pH條件下瓜爾豆膠對大豆分離蛋白乳析穩(wěn)定性的影響見圖1。由圖中看出,隨著pH從6.5增加到7.5,乳濁液的乳析層相對高度逐漸下降。這是由于隨著pH值的增加,大豆分離蛋白的溶解度增加,乳化性能增加的緣故。從圖中還可以看出,隨著瓜爾豆膠的濃度從0.005%增加到0.04%,大豆分離蛋白乳濁液的乳析穩(wěn)定性大大提高。特別是在pH6.5時,隨著瓜爾豆膠濃度的增加,體系的乳析層相對高度顯著降低。當(dāng)瓜爾豆膠濃度增加到0.08%時,所有體系乳析層相對高度又急劇增加。高于0.13%的體系都發(fā)生明顯的相分離現(xiàn)象。上層主要為濃縮液滴層,下層為富含瓜爾豆膠的澄清溶液層。瓜爾豆膠濃度較高時,相分離現(xiàn)象與pH值的變化沒有明顯的規(guī)律性,僅在pH6.5時下層清液的高度比pH7.0和7.5的體系高出很多。這可能是在pH6.5時液滴強烈絮凝導(dǎo)致與瓜爾豆膠的不相容性增加,相分離加劇。不同pH條件下甲基纖維素對大豆分離蛋白乳濁液穩(wěn)定性的影響見圖2。在pH6.5時,隨著多糖濃度的增加,體系的乳析層相對高度呈現(xiàn)U型變化。在MC濃度≤0.13%的范圍內(nèi),隨著MC濃度的增加,體系的乳析層相對高度逐漸下降。當(dāng)MC濃度增加到0.18%以上時,體系的乳析層相對高度急劇增加。此時體系宏觀上分為三層:上部為乳白色的乳析層,中部為較清的漿液層,而下部為沉淀層。pH7.0的體系乳析層相對高度隨MC濃度的變化也表現(xiàn)出與pH6.5的體系相似的U型曲線。但在MC濃度達(dá)到0.25%時才出現(xiàn)乳析層相對高度急劇增加的現(xiàn)象,此時的體系宏觀上也分成乳析層、漿液層和沉淀層。當(dāng)體系pH值增加到7.5時,隨著MC濃度的增加,體系的乳析層相對高度在0.005%～0.01%時比未加MC的體系稍有增加,然后隨著MC濃度的增加而逐漸下降。在實驗的濃度范圍內(nèi)未出現(xiàn)宏觀上分成三層的現(xiàn)象。從圖中還可以看出,在MC濃度為0.04%～0.13%的范圍內(nèi),乳析層的相對高度不明顯依賴于pH值的變化。2.2催化劑的影響為了進(jìn)一步研究瓜爾豆膠和甲基纖維素影響大豆分離蛋白乳濁液穩(wěn)定性變化的原因,觀察了乳析層相對高度不同的體系液滴的絮凝現(xiàn)象。圖3～5是pH7.0的條件下,瓜爾豆膠濃度對乳濁液液滴絮凝穩(wěn)定性影響的顯微照片。由圖看出,當(dāng)瓜爾豆膠濃度為0%時(圖3),體系呈現(xiàn)輕度的絮凝。隨著瓜爾豆膠濃度增加到0.04%,體系未出現(xiàn)明顯的絮凝現(xiàn)象,液滴分布較均勻(圖4)。而當(dāng)瓜爾豆膠濃度為0.08%時(圖5),液滴又形成明顯的絮凝。pH6.5和7.5的體系液滴絮凝現(xiàn)象與pH7.0的體系相似,但在0.08%的瓜爾豆膠濃度時,pH6.5的體系絮凝現(xiàn)象較強烈。這是由于液滴的蛋白質(zhì)吸附層表面正電荷較多,絮凝液滴間相互吸引作用較強的緣故。當(dāng)瓜爾豆膠濃度為0.25%時,體系的液滴發(fā)生強烈的絮凝(照片未刊出)。結(jié)合圖1看出,乳濁液乳析層相對高度于體系的絮凝強烈程度呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。隨著乳濁液液滴的絮凝程度由較強到弱再強的變化,體系的乳析層相對高度相應(yīng)的由高到低再到高的變化。這表明瓜爾豆膠引起液滴的絮凝是造成體系乳析穩(wěn)定性下降的主要原因。甲基纖維素對pH6.5的大豆分離蛋白乳濁液液滴絮凝穩(wěn)定性的影響見圖6、7。含0.005%的甲基纖維素的體系絮凝程度較輕(照片未刊出)。隨著濃度增加到0.04%,體系的絮凝程度進(jìn)一步降低,但出現(xiàn)大粒徑的液滴(圖6),當(dāng)多糖濃度為0.25%時,體系的液滴絮凝程度加劇,同時出現(xiàn)較多的大粒徑液滴(圖7)。pH7.0的體系絮凝現(xiàn)象與pH6.5的體系相似(照片未刊出),極少量的MC不能顯著降低體系液滴的絮凝現(xiàn)象,當(dāng)MC濃度達(dá)到0.04%時,能有效的抑制絮凝現(xiàn)象,同時體系也出現(xiàn)大粒徑的液滴,隨著MC濃度達(dá)到0.25%,體系的絮凝現(xiàn)象加劇,大粒徑的液滴也增多。當(dāng)pH值增加到7.5時,甲基纖維素濃度為0.005%的體系出現(xiàn)輕度絮凝,而濃度為0.04%的體系表現(xiàn)出良好的絮凝穩(wěn)定性,液滴較均勻的分散于水相中,也未見大粒徑的液滴出現(xiàn)(照片未刊出)。濃度為0.25%的體系的絮凝現(xiàn)象也不明顯,但已經(jīng)出現(xiàn)大粒徑的液滴。與pH6.5和7.5的體系相比,大液滴的數(shù)量和粒徑都顯著下降。瓜爾豆膠和甲基纖維素對體系液滴平均粒徑的影響見表1。由表看出,在研究的pH值范圍內(nèi),隨著pH值的增加,液滴的平均粒徑逐漸下降,體系的乳析穩(wěn)定性逐漸增加。隨著瓜爾豆膠濃度由0.005%增加到0.04%,液滴的平均粒徑逐漸降低。由絮凝體的顯微結(jié)構(gòu)可知,粒徑的降低是由體系絮凝現(xiàn)象降低引起的;隨著MC濃度的增加,液滴的平均粒徑一般都降低。不同的是pH6.5時含0.005%MC的體系粒徑顯著高于未加MC的體系,這可能是此濃度下MC吸附到液滴表面引起橋連絮凝的緣故。3甲基纖維素在乳濁液中的吸附機理一般認(rèn)為非離子型多糖與蛋白質(zhì)不發(fā)生相互作用,當(dāng)這兩種高分子共存于乳濁液體系中時,多糖分子不吸附到蛋白質(zhì)覆蓋的界面上。相反,多糖分子被蛋白質(zhì)分子排斥,在液滴周圍形成排斥多糖分子的排斥區(qū)。在兩個液滴相互接近時,排斥區(qū)相互重疊,液滴間多糖分子的濃度比體相的多糖分子濃度低。由此產(chǎn)生一個滲透壓梯度,這種滲透壓梯度增加了液滴間溶劑流出排斥區(qū)。結(jié)果排斥區(qū)的體積下降,液滴更加接近,從而形成排斥絮凝。這種絮凝體的相互吸引相互作用相當(dāng)弱[4～6]。非吸附的大分子(穩(wěn)定劑)也可以通過排斥穩(wěn)定作用穩(wěn)定乳濁液。當(dāng)足量未被吸附的高分子對液滴接近造成滲透壓障礙時,排斥穩(wěn)定作用就能發(fā)生。這種排斥穩(wěn)定作用通過具有一種自由的聚結(jié)高分子以足夠高的濃度占據(jù)液滴間的空間而達(dá)到(當(dāng)造成排斥絮凝時,則需要更高的高分子濃度)。如果大分子是一種水溶膠,這意味著同時增加體系的粘度。生物多糖分子為線性高分子,除了導(dǎo)致乳濁液體系發(fā)生絮凝現(xiàn)象外,還引起乳濁液體系的相分離。當(dāng)兩個膠體粒子表面間的距離小于自由卷曲的高分子的直徑時,高分子從這兩個膠體粒子間的區(qū)域排斥出來。由此造成的滲透壓不平衡增加了膠體粒子間有效吸引的排斥力。在足夠高的高分子濃度下,這種排斥力使分散液分成富含膠體的相和貧含膠體的相。乳濁液的液滴粒徑遠(yuǎn)比線性高分子的直徑大,當(dāng)體系中存在足夠高濃度的高分子時,乳濁液滴間的排斥現(xiàn)象就會發(fā)生。Koczo等認(rèn)為球形液滴和桿狀穩(wěn)定劑分子間幾何形狀的差異造成體系的熱力學(xué)不穩(wěn)定性及由此導(dǎo)致相分離。這種相分離與排斥絮凝造成的相分離相似。實驗表明,瓜爾豆膠濃度較低時(≤0.04%),明顯改善了大豆分離蛋白乳濁液的穩(wěn)定性。微觀照片和平均粒徑的變化表明這種在多糖濃度下,瓜爾豆膠降低了液滴的絮凝現(xiàn)象,提高了體系的乳析穩(wěn)定性。這是由于非吸附的多糖分子充斥于蛋白質(zhì)包被的油滴之間形成“次級保護(hù)層”的緣故,油滴間因多糖的存在而保持分散狀態(tài)。在這種情況下,多糖的濃度還不能高到足以引起液滴的排斥絮凝。但當(dāng)瓜爾豆膠濃度增加到0.08%以上時,足夠高的多糖分子導(dǎo)致液滴呈現(xiàn)強烈的排斥絮凝,使乳濁液的乳析層相對高度急劇增加,更高濃度的瓜爾豆膠分子因熱力學(xué)不相容性最終導(dǎo)致乳濁液發(fā)生各向同性和各向異性相分離。甲基纖維素在較低濃度時能顯著增加大豆分離蛋白乳濁液的乳析穩(wěn)定性,并且隨著多糖濃度的增加,乳析穩(wěn)定性逐步增加。Dipak等認(rèn)為甲基纖維素能和蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物。在蛋白質(zhì)乳濁液體系中,如果存在較低濃度的甲基纖維素,則被吸附到液滴的蛋白質(zhì)吸附層上形成復(fù)合膜。這種復(fù)合膜穩(wěn)定液滴不發(fā)生絮凝。當(dāng)甲基纖維素濃度較高時,甲基纖維素可以置換出液滴表面的蛋白質(zhì)。由圖1和表1說明,加入較低濃度的甲基纖維素導(dǎo)致體系的乳析穩(wěn)定性明顯增加,液滴的平均粒徑顯著降低。顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)體系具有良好的的絮凝穩(wěn)定性。這可能是甲基纖維素吸附到液滴的蛋白質(zhì)吸附層而形成一個次級吸附層,從而保護(hù)液滴不發(fā)生絮凝。較高濃度的甲基纖維素導(dǎo)致pH6.5的體系發(fā)生蛋白質(zhì)沉積現(xiàn)象。顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)體系的絮凝現(xiàn)象并不很明顯,但卻形成了粒徑遠(yuǎn)比蛋白質(zhì)包被的液滴大的高亮度大液滴。這種大液滴可能是甲基纖維素置換出蛋白質(zhì)而形成的。因為在pH6.5時,大豆分離蛋白的乳化活性較低,而甲基纖維素是具有良好乳化活性的多糖。因此,兩種乳化劑共存與同一體系而發(fā)生競爭吸附的可能性是存在的。隨著pH值的增加,大豆分離蛋白的乳化活性和乳濁液的穩(wěn)定性增加,需要更高濃度的甲基纖維素才能發(fā)生置換作用,因此在pH7.0時發(fā)生置換作用的甲基纖維素的濃度要比pH6.5時的體系高,而pH7.5時大豆分離蛋白的乳化活性和乳濁液的穩(wěn)定性大大提高,在實驗的多糖濃度范圍內(nèi)不發(fā)生明顯的置換現(xiàn)象。隨著甲基纖維素濃度的增加,乳析穩(wěn)定性逐步增加,顯微鏡下觀察到的大液滴的數(shù)量和粒徑也明顯降低。4甲基纖維素吸附法分離乳濁液瓜爾豆膠和甲基纖維素對大豆分離蛋白乳濁液穩(wěn)定性的影響機理不同。前者可能的作用機理是,在低濃度時(≤0.04%),非吸附的多糖分子充斥于蛋白質(zhì)包被的液滴之間,液滴間因多糖的存在而保持分散狀態(tài)。當(dāng)瓜爾豆膠濃度增加時(0.