超声对魔芋葡甘聚糖与花生蛋白复合体系流变与结构的影响_高俊炉.pdf

研究报告 年第 卷第 期（总第 期）：引用格式：高俊炉，田学智，王智颖，等 超声对魔芋葡甘聚糖与花生蛋白复合体系流变与结构的影响 食品与发酵工业，（）：，（）：超声对魔芋葡甘聚糖与花生蛋白复合体系流变与结构的影响高俊炉，田学智，王智颖，周燚，张甫生（西南大学 食品科学学院，重庆，）摘 要为了探究超声作用对多糖蛋白复合体系流变与结构的影响，采用超声对魔芋葡甘聚糖（，）与花生蛋白（，）的复合体系进行处理，研究了不同超声功率和超声处理时间对 复合体系流变与结构的影响。结果表明，随着超声功率的增加和时间的延长，复合体系的流变黏度呈先增大后减小的趋势。超声处理复合体系 后，其乳化活性指数、乳状液稳定指数分别显著提高了 和 ；吸热焓值提高了 ；复合体系的平均粒径降低了 。热力学研究证实，中等强度（）与短时的超声处理能够较好地提高复合体系的热稳定性；傅里叶红外与 射线衍射分析也表明中低强度超声处理使 复合体系的衍射峰强度降低，的二级结构更多地向 螺旋方向转变，促进了 复合体系内部结构的互作交联；扫描电镜分析结果同样显示中等强度的超声处理可使复合体系的三维薄壁状结构由松散卷曲变得致密平整，且孔洞的直径变小。因此，超声可作为改善多糖蛋白质复合体系功能特性的处理手段，使其更好地运用于乳制饮料、可食用薄膜等新型蛋白基食品的开发。关键词 超声处理；魔芋葡甘聚糖；花生蛋白；理化特性；结构特性第一作者：本科生（张甫生副教授为通信作者，：）基金项目：重庆市级大学生创新创业计划（）；重庆市自然科学基金项目（）收稿日期：，改回日期：魔芋葡甘聚糖（，）是一种水溶性膳食纤维多糖，具有许多独特的理化性质，如保水性、增稠性等，同时其具有一定的生物活性，对健康有促进作用。花生蛋白（，）含有多种人体必需氨基酸，是一种优质的蛋白质补充剂；但 的溶解度较低，持水性、乳化性和凝胶性难以满足实际生产需求，限制了 在蛋白食品加工领域的应用。魔芋葡甘聚糖与花生蛋白复合或物理改性可以有效弥补花生蛋白的缺点，改善其流变性、乳化特性、热稳定性以及许多其他功能特性。目前关于多糖蛋白质复合体系的物理改性方法有热处理、高压以及辐照等，虽然这些方法能够改善多糖蛋白质复合体系的理化特性，但存在着时间周期长、营养流失多、高温加工下感官质量下降、成本过高等缺点。而超声波物理改性，既高效又环保，且不需要额外的化学添加剂，在食品成分提取、改性的领域得到了广泛的应用。目前已有一些关于超声处理对多糖蛋白复合物的研究，在 的研究上也大多集中在探究超声处理对 的接枝程度以及部分结构的影响，未有系统地探讨不同超声功率和时间对于 流变学特性以及微观结构等方面的研究。为此，本实验探讨了不同输出功率和处理时间的超声处理对 复合体系流变学、乳化性能、热力学、粒径和结构等方面的影响，系统地研究超声对 复合体系理化和结构特性；研究结果将拓宽超声技术在多糖蛋白质复合体系功能性质改善方面的应用，也有望为后期多糖蛋白质复合体系的研究提供理论参考。材料与方法 材料与试剂纯化食品级（纯度 ），重庆鑫来农产品开发有限公司；（凯氏定氮法测定蛋白质含量为），河南地新食品有限公司；其他使用的化学试剂均为分析纯，市售。仪器与设备 超声细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司；全自动射线衍射仪，德国布鲁克有限公司；扫描电子显微镜，日立精密仪器有限公司；激光粒度分析仪，英国马尔文有限公司；型流变仪、差示扫描量热仪，美国 仪器；热重分析仪，美国赛默飞世尔科技公司；型数显恒温水浴锅，常州奥华食品与发酵工业 （）仪器有限公司。实验方法 复合体系的制备及超声处理将（）和（）的新鲜样品分散在 超纯水中，在 条件下以 搅拌，搅拌完成后冷却至室温，放置于真空冷冻干燥机中冻干处理，将冻干后的样品磨成细小的粉末。在冰浴中使用超声细胞粉碎机进行处理。设置占空比为，即工作时间和间隔时间均为 。超声频率为 ，钛合金探头浸入液面以下 处。基于前期实验的研究结果，将一组 样品在输出功率为、时处理 ，另一组 样品在输出功率为 时分别处理、。设置非超声组为对照组。流变特性流变特性测定方法按照 的方法稍加修改，流变仪采用直径为 的平行板。将新鲜配制的 的 复合体系置于平台上，间隙设为 。测量剪切速率从 增加到 时 复合体系的表观黏度。当剪切速率稳定在 时，分析各组的表观黏度。所有的测量过程都在 下进行，测量前让样品在 保持 。样品边缘用硅油覆盖，以减少测量过程中水分的蒸发。乳化活性乳化活性的测定方法根据 的方法稍做修改，采用浊度法对 复合体系的乳化活性指数（，）和乳化稳定性指数（，）进行分析。将 法制备的新鲜 复合体系与大豆油以体积比 混合，、离心 。分别从离心管底部取 样品，在静置、时，用 的十二烷基硫酸钠（，）溶液将样品稀释 倍，在 处用分光光度计进行吸光度测定。以水为空白对照，和 的计算如公式（）、公式（）所示：（）（）（）式中：，稀释系数；，蛋白质质量浓度，；，豆油体积分数；和 分别为在、时测量的复合体系的吸光值。热重分析（，）热重分析按照 等的方法略有改动。称取 的干粉样品放入陶瓷坩埚中，在热分析仪中以 的速率从 加热到 ，氮气流速为 。系统自动记录试样在加热过程中的质量损失，并计算失重率和分解率。差示扫描量热法（，）称取 的干粉样品密封在铝制平底锅中。样品盘在 的流动氮气中以 的速率加热，从 加热到 。计算起始温度（）、峰值温度（）、结束温度（）和吸热焓变（），以不带样品的铝锅为对照，每个样品重复测量 次。粒径分析取 法制备的新鲜 复合体系溶液，用去离子水稀释 倍，在 下测量粒径，光源为 激光，探测角度为，平衡时间为 。傅里叶变换红外光谱（，）将 置于 的烘干箱中烘干，将水分完全去除。将脱水后的 与 复合体系样品按质量比 混合，轻轻研磨后压成半透明的薄片。测量范围为 ，共进行 次扫描，分辨率为 ，以空气为参考扫描背景。射线衍射测量（，）将制备好的冻干样品磨碎，过 目筛。样品的 射线衍射采用 射线衍射仪，在 和 下对 （）样品的衍射强度进行扫描。扫描速率为 。扫描步长。实验管压力为，电流为。选用铜靶和石墨单色仪进行试验。扫描电子显微镜（，）将 复合体系粉末固定在铜样品台上，在真空压力为 ，溅射电压为 条件下，镀金约 。将涂布后的样品在电压为 的扫描电子显微镜下进行分析，扫描电镜的放大倍数为 倍。数据处理所有测试数据都是从 次重复测量中收集并使用 进行分析；数据以平均值和标准差表示，的水平表示显著性差异；使用 绘制图像。研究报告 年第 卷第 期（总第 期）结果与分析 复合体系的黏度分析 复合体系经不同功率和时间的超声处理后，其表观黏度均呈现先增后减的趋势（图）。随着各处理组功率的增加，处理组的黏度逐渐增加，而 处理组黏度下降。和 处理组的表观黏度差异不显著，但显著高于其他处理组。当超声功率为 时，适宜的超声强度使复合体系中蛋白质的结构展开，暴露其内部基团，溶胀后与 相互作用形成紧密的网络结构，复合体系流动性降低，黏度增加；但过高的能量（）可能会阻止 和 的互作交联，复合体系结构被破坏，二者分离导致黏度下降。在相同的超声功率（）下，随着各组处理时间的延长，复合体系的黏度同样呈现先增后减的趋势。在超声处理时间为 时复合体系的黏度最大，说明适当的超声处理时间有利于 复合体系交联结构的形成与维持，从而提高其黏度。当超声处理时间延长至 时，复合体系的黏度大幅度下降，可能是长时间的超声作用产生的空化效应提供大量能量和压力引起多糖或蛋白分子主链中结合较弱的非共价键断裂，与 之间的交联结构破坏，从而导致 复合体系的黏度下降。超声功率；超声时间图 超声对 复合体系黏度的影响 注：图中不同小写字母表示差异显著（）（下同）复合体系的乳化性能分析随着各组超声功率的增加，复合体系的 和 在 呈上升趋势，在 呈下降趋势（图）；时 复合体系乳化性能达到最佳，和 分别提高了 和。复合体系的乳化性能增强可能与 溶解性的改变有关。超声处理后，内部结构逐渐暴露，与 的互作增强；同时因 内部结构变化，亲水性基团增加，更多的 吸附在油水界面上，提高了复合体系溶解度，导致乳化活性增加。当多糖分子与肽链连接时，空间位阻增加，阻碍了蛋白质在界面上的聚集，导致表面张力降低，从而提高了 复合体系的乳化稳定性。但是较高功率（）超声处理可能会导致蛋白质变性，影响分子间的交联反应，从而又导致乳化性能下降。在相同的超声功率（）下，随着各组处理时间的延长，和 同样呈先增后减的趋势（图）。复合体系在 ，和 增加，超过 后，和 减少，并在 时 复 合 体 系 的 乳 化 性 能 达 到 最 佳。的超声处理使 复合体系分散成微小的颗粒，溶解性提高，与水分接触的面积增大，更容易在油水界面被吸收。当超声时间延长至 后，复合体系中非共价键被破坏，疏水基团暴露，分子之间相互聚集，溶解性下降，部分降解，导致乳化性能降低。因此，对 复合体系进行 的超声处理，能够提高其乳化稳定性。复合体系的热性能分析 整个过程分为 个阶段（图）。在 ，随着温度的升高，试样中游离水逸出，失重速率较慢，此时超声处理对失重速率影响不大。曲线在 附近出现了一个小峰。在 ，样品重量急剧下降，说明 复合体系开始分解，分解速率在 左右达到最大值，这与 等的研究一致。在 ，随着温度的升高，试样失重的下降趋势减缓，这可能是由于材料分解完全，随后的碳化消耗了较大的能量。在功率的影响上，各超声功率处理的 复合体系的分解速率呈先降低后增加趋势，超声功率处理的 复合体系分解速率低于对照组，并且分解速率随着功率的增大而减小，表明此食品与发酵工业 （）时 复合体系内部的交联作用不断增强，热稳定性提高，时分解速率最小，说明此超声功率范围内 复合体系的热稳定性最佳。高超声功率产生的空化效应释放巨大能量高速剪切 复合体系，导致其结构被破坏，热稳定性降低。超声功率；超声时间图 超声对 复合体系乳化活性和乳化稳定性的影响 在超声时间的影响上，各超声时间处理的 复合体系的分解速率均逐渐增大，仍低于对照组；其中处理时间为 时分解速率最小，说明此组处理能够更好地改善 复合体系的结构，形成更致密的体系，提高 复合体系的热稳定性。而当超声时间超过 后，长时间的超声处理使 和 分子互作破坏重聚，复合体系内部交联程度减弱，热稳定性下降，分解速率增大。复合体系的变性温度（）在 左右，高于花生球蛋白的变性温度（约 ）。变性温度 越高，热稳定性越好。因此，复合体系比单独的 更耐热。在 ，各组的熔融温度（）、变 性 温 度（）、吸 热 焓（）随超声处理功率的增大而升高（表）。的值与复合体系内部结构有序度有关。处理的 复合体系的 值明显高于对照组和 处 理 后 的 复 合 体 系，表 明 超声功率能够使复合体系的内部结构保持稳定；过高的功率会破坏复合体系内部稳定结构，使其焓值降低。超声处理 复合体系的 在 左右，显著高于其他超声处理组（、）及对照组。复合体系的热稳定性增强与超声作用下多糖蛋白质交联结构的形成有关。超声功率；超声时间图 超声对 复合体系的热重和微商热重的影响 表 复合体系超声前后的 参数 样品熔化温度 变性温度 吸热焓（）对照组 注：熔化温度，；变性温度，；吸热焓，；同一列中相同小写字母表示差异不显著（）（下同）超声时间在 内复合体系的 逐渐降研究报告 年第 卷第 期（总第 期）低，热稳定性降低。超声处理 时的、达到最大值，此时的 与 分子交联程度较强，内部结构稳定性好，复合体系的热稳定性高。超声处理 的 比对照组高了 ，说明短时的超声处理能够提高 复合体系的热稳定性，但与 的长时超声处理相比，分别降低了 、以及 ，差异显著，说明长时超声处理导致 复合体系的 逐渐降低，与 的交联作用减弱，内部结构遭到破坏。复合体系的粒径分析 复合体系的粒径主要分布在 和 （图）。不同超声功率作用 下 复 合 体 系 平 均 粒 径 显 著 减 小（表），说明超声作用能让 和 颗粒分散更均匀，促进 和 分子之间的作用，使其结合更加稳定。随着超声功率的增加，、处理的 复合体系颗粒在 的分布比例增加，在 的分布比例减小，可能是