动态高压微射流技术对β-乳球蛋白微观结构的影响

钟俊桢，刘成梅，刘 伟，蔡小飞，徐雨佳

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，南昌大学中德食品工程中心，江西南昌 330047)

动态高压微射流技术对β-乳球蛋白微观结构的影响

钟俊桢，刘成梅*，刘 伟，蔡小飞，徐雨佳

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，南昌大学中德食品工程中心，江西南昌 330047)

采用动态高压微射流技术(DHPM)处理β－乳球蛋白，研究DHPM对β－乳球蛋白微观结构的影响。实验结果表明，未处理的β－乳球蛋白的微观结构表现为球体且分布紧凑。随着DHPM处理压力的逐渐增大，β－乳球蛋白分子被逐渐打散，大部分颗粒逐渐变细。然而仅有小部分β－乳球蛋白分子在经过100MPa和150MPa处理后，发生了部分团聚现象，分别形成不同聚集体的形貌结构。

动态高压微射流技术，β－乳球蛋白，微观结构，原子力显微镜

β－乳球蛋白(β－Lg)是乳清中的主要成分，它被广泛应用于食品中作为一种功能性原料。天然的β－Lg是一种球形蛋白，总共包含162个氨基酸分子，分子量大约为18ku［1］。β－乳球蛋白在经过高压、热处理等物理手段处理后，其构象会发生一定程度的改变，导致一个或多个半胱氨酸残基失活，促使蛋白质与蛋白质间的交互作用发生改变，从而引起其微观结构变化［2］。近几年，高压技术被广泛应用于食品及蛋白质构象变化研究中，它主要包含静高压(HHP)和动态高压［3］。其中，动态高压微射流技术(DHPM)是一种新兴的动态高压技术。动态高压微射流技术是集输送、混合、湿法粉碎、均质等多单元操作于一体的全新技术，能对物料(液－液相或液－固相)进行强烈剪切、高速撞击、压力瞬时释放、高频振荡、膨爆和气穴作用等一系列的综合作用，从而起到超微细化、乳化和均一化效果，进而对其理化性质产生影响［4］。目前，这项技术已应用于一些蛋白质和酶的活性与结构的研究中，Hayes等报道脱脂牛乳经200MPa高压均质后其酪蛋白胶态离子的粒径有一定程度的降低［5］;Floury等发现动态高压处理大豆11S球蛋白可导致蛋白质伸展和聚合［6］;本课题组也报道了动态高压微射流对乳清蛋白的功能及结构影响［7］和β－乳球蛋白的过敏性影响［8］。本实验着重探讨经动态高压微射流技术处理后的β－乳球蛋白微观结构的变化，以期为改性β－乳球蛋白在乳制品中的应用提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

β－乳球蛋白 购于上海Sigma公司，其纯度为90%以上。

M－7125Microfluidics微射流均质机 美国Microfluidics公司;S－750型扫描电镜 日本日立公司;AJ－V型原子力显微镜 上海卓伦微纳米设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 动态高压微射流处理方法 将β－乳球蛋白配成一定浓度的溶液，采用微射流均质机在0、50、100、150、200MPa下对β－乳球蛋白分别处理三次。每个压力水平下获取50mL β－乳球蛋白溶液［9］。

1.2.2 扫描电子显微镜(SEM)形貌分析 将0、50、100、150、200MPa微射流技术处理后的β－乳球蛋白溶液经冷冻干燥后，将样品粘于台上并喷镀电导层，然后在高分辨率扫描电子显微镜下观察β－乳球蛋白的形貌变化［10］。

1.2.3 原子力显微镜(AFM)成像观测 将10μL的样品溶液滴在新解离的云母表面，成像之前在空气中干燥1～2h。AFM成像观测是在超净工作间的室温中进行的，所有的测量都是在空气中进行的。因此，在实验中选用轻敲模式下的原子力显微镜(AJV－AFM)，共振频率大约为 80kHz，弹性系数为1.8N/m，扫描速率为0.2～2line/s。采用原子力显微镜自带数据处理软件对图像进行处理［11］。

实验都在超净间实验室进行，实验温度为25℃，空气湿度为40%～50%。

2 结果与分析

2.1 扫描电子显微镜形貌分析

不同压力处理后的β－乳球蛋白的微观形貌图如图1所示。图1(a)显示的是未处理的β－乳球蛋白的电镜扫描图，从此图中可见，未处理的β－乳球蛋白表现为许多小球体紧凑地团聚在一起，并同时伴随着一些纤维状的聚集体。当样品经过DHPM 50MPa压力处理后，如图1(b)所示，β－乳球蛋白的团聚体被打散，结构变得松散。从此图中还可以看出，β－乳球蛋白的微观结构表现为单个球体的特征，球体的大小相较于未处理样品变小。随着处理压力的持续增大达到100MPa时，大部分的β－乳球蛋白分子被打散形成更细小的球体微观结构，但同时小部分的分子在压力作用下发生了团聚现象，表现为块状结构及纤维状聚集体。当DHPM压力增加到150MPa时，如图1(d)所示，大部分的β－乳球蛋白分子进一步被细化形成微小的颗粒状，然而仍有一些分子在动态高压作用下，聚集形成三个球体状的微观结构。当β－乳球蛋白经过200MPa高压处理后，β－乳球蛋白的球体状结构遭到破坏，大部分的分子均被打散，形成更细小的颗粒状。

本课题组在前期利用DHPM处理乳清蛋白研究其功能性质与聚集体的关系中发现，SEM结果图显示未处理的乳清蛋白呈现球状且紧凑的结构。随着DHPM处理压力的持续上升，乳清蛋白的球体结构消失且会形成块状结构，压力越大，块状结构越小［7］。此外，Tunich等研究发现将牛奶等乳制品经过高压处理后，乳制品中大的脂肪球颗粒也会被打散形成细小的颗粒［12］。

2.2 原子力显微镜成像分析

图2呈现了经DHPM不同压力处理后的β－乳球蛋白的AFM成像三维图，反映了不同的处理压力对样品表面成像的影响。从图2中可以看出，未处

图1 不同压力处理后β－乳球蛋白SEM图

图2 未压力处理的β－乳球蛋白的AFM图

图3 DHPM50MPa处理后β－乳球蛋白的AFM图

然而当动态高压微射流压力上升至100MPa时，其AFM图显示，大部分颗粒大小得到进一步的减小并分布均匀，仅有小部分颗粒发生了聚集现象。此外，大部分颗粒的高度消失，少数颗粒聚集成块状结构且仍有一定的高度，其高度峰型趋于柱体。随着压力的持续增大达到150MPa时，由图5可见，大部分颗粒被细化且均匀的分布在表面，高度图消失。仅有少数分子交联在一起形成两个分子或三个分子、均一等高的柱形体。当DHPM压力达到200MPa后，如图6所示，β－乳球蛋白分子绝大部分被细化，形成细小的颗粒状，均匀的分布在表面上，此外，立体图反映其颗粒被细化的同时，其高度完全消失，β－乳球蛋白分子均匀地分布在云母表面，压力使颗粒变得很细小。

图4 DHPM 100MPa处理后β－乳球蛋白的AFM图

图5 DHPM150MPa处理后β－乳球蛋白的AFM图

图6 DHPM200MPa处理后β－乳球蛋白的AFM图

β－乳球蛋白分子通过非共价键连接两个单体形成稳定的β－折叠二聚体形式存在［13］。天然β－乳球蛋白在高温、低pH及低离子强度情况下容易形成纤维状聚集体［14］。Oboroceanu［15］等人采用 AFM研究β－乳球蛋白从2min至20h的聚集过程中发现，从0～85min，β－乳球蛋白单体解聚并扩大形成一些聚集体。当时间超过85min后，β－乳球蛋白形成纤维状结构，长度增加至10μm。此外，Oboroceanu［16］等研究了高压微射流对乳清蛋白纤维体的结构和长度分布影响，研究发现，50MPa及以上高压微射流压力能破坏β－乳球蛋白纤维体结构但不影响纤维体高度。

3 结论

本文采用动态高压微射流技术处理β－乳球蛋白，利用扫描电子显微镜和原子力显微镜研究了动态高压微射流技术对β－乳球蛋白微观形貌结构的影响。未处理的β－乳球蛋白分子表现为球体状且紧凑地团聚在一起。随着DHPM处理压力的逐渐增大，β－乳球蛋白分子被逐渐打散，大部分颗粒逐渐变细。仅有少量β－乳球蛋白分子在经过100MPa和150MPa处理后，发生了部分团聚现象，分别形成不同的形貌结构。

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Effects of dynamic high－pressure microfluidization technology on microstructure of β－lactoglobulin

ZHONG Jun－zhen，LIU Cheng－mei*，LIU Wei，CAI Xiao－fei，XU Yu－jia
(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Sino－German Food Engineering Center，Nanchang University，Nanchang 330047，China)

β－lactoglobulin(β－Lg)was treated by dynamic high－pressure microfluidization(DHPM).The effect of DHPM on the microstructure of β－lactoglobulin was investigated.The results showed that the microstructure of untreated β－Lg was consisting of globules，which were compact in the texture.With DHPM pressure increasing，the microstructure became looser and the size of β－Lg was much smaller.However，only a little β－Lg molecule，after treated at 100MPa and 150MPa，reaggregated and formed different morphology，respectively.

dynamic high－pressure microfluidization technology;β－lactoglobulin;microstructure;atomic force microscopy

TS201.2

A

1002－0306(2011)11－0072－04

2011－08－25 *通讯联系人

钟俊桢(1984－)，女，博士研究生，研究方向:食物(含生物质)资源的开发与利用。

国家自然科学基金项目(31071573);博士点基金项目(20103601110002)。