醇法芝麻浓缩蛋白的物理改性研究

张 涛，魏安池，牛新培，代红丽，汪学德

（河南工业大学 粮油食品学院，河南%郑州 450001）

醇法芝麻浓缩蛋白的物理改性研究

张 涛，魏安池*，牛新培，代红丽，汪学德

（河南工业大学 粮油食品学院，河南%郑州 450001）

采用加热、微波和超声波3种物理方法对芝麻浓缩蛋白进行改性，将改性后浓缩蛋白的功能特性进行比较分析，结果表明超声波的改性效果最好.在蛋白浓度10 g/100 mL、pH10、超声功率400 W和超声时间3 min的条件下，超声波处理能将芝麻浓缩蛋白的NSI从3.43%提高到43.32%，吸油性从0.61 g/g提高到2.62 g/g，乳化性从0.15提高到0.22，乳化稳定性从19.10 min提高到36.37 min，起泡性从30.78%提高到44.45%，泡沫稳定性从38.89%提高到54.18%.

芝麻浓缩蛋白；物理改性；加热；微波；超声波

0 前言

芝麻蛋白具有良好的风味，几乎不含抗营养因子，并且硫氨基酸的含量较高，可广泛地添加到大豆、花生及其他缺乏蛋氨酸和色氨酸的植物蛋白食品中，增强营养价值［1-2］.但是芝麻皮中含有大量的草酸，会降低钙的生物利用率，并且皮的存在也使饼或粕的颜色变深和产生苦味，所以开发芝麻蛋白产品需先将芝麻进行脱皮处理［3］.经过脱皮、冷榨-浸出后的芝麻粕，采用醇法生产得到的芝麻浓缩蛋白风味清淡、蛋白含量高，但NSI很低，严重限制了其在食品工业中的应用，需采用改性技术来提高蛋白质的功能特性.

目前，国内外对醇法浓缩蛋白的改性方法主要有物理改性、化学改性和酶改性等，其中物理改性具有费用低、作用时间短、无毒副作用及对产品营养性能影响较小等优点，在食品加工业中应用广泛.笔者主要研究在碱性条件下，加热、微波和超声波3种物理方法对醇法芝麻浓缩蛋白的改性效果.

1 材料与方法

1.1 主要试验材料和仪器

醇法芝麻浓缩蛋白(NSI为3.43%)：实验室自制；一级大豆油：市售.氢氧化钠、硫酸、硼酸、盐酸、十二烷基磺酸钠(SDS)等，均为分析纯.

%AY120电子天平：上海亚荣生化仪器厂；HH-S电子恒温水浴锅：苏州威尔试验用品有限公司；松下微波炉：上海松下微波炉有限公司；XO-SM50型探头式超声装置：南京先欧仪器制造有限公司；B-290小型喷雾干燥仪：瑞士步琦有限公司；2300型自动定氮仪：瑞典FOSS公司；Biofuge Stratos型台式离心机：德国Heraeus公司；PHS-3C型酸度计：上海精密科学仪器有限公司；FA25型均质机：巩义市科瑞仪器有限公司；UV-2401PC型紫外分光光度计：日本岛津公司.

1.2 试验方法

准确称取一定量的芝麻浓缩蛋白，加入蒸馏水中配成蛋白浓度 (g/mL)为10%的溶液，用2 mol/L的NaOH调节溶液pH=10，然后分别采用水浴加热、微波、超声波3种物理方法进行改性，改性结束后用2 mol/L的HCl调节溶液pH至中性，喷雾干燥得改性芝麻浓缩蛋白，测定其NSI.在蛋白浓度与pH值相同的前提下，分别考察加热温度、加热时间,微波功率、微波时间,超声功率、超声时间对改性后的芝麻浓缩蛋白NSI的影响.

以改性后蛋白的NSI为评价指标，在最佳的加热、微波及超声波条件下对芝麻浓缩蛋白进行改性.分别测定未经改性的芝麻浓缩蛋白(SESPC)、加热改性的芝麻浓缩蛋白(SESPC1)、微波改性的芝麻浓缩蛋白(SESPC2)和超声波改性的芝麻浓缩蛋白(SESPC3)的溶解性、吸水性、吸油性、乳化及乳化稳定性、起泡及泡沫稳定性.

1.3 分析方法

1.3.1 溶解性(NSI)测定

准确称取2.0 g芝麻浓缩蛋白，加入200 mL蒸馏水中配成浓度为1%的溶液，室温下振荡1 h，然后3 000 g下离心20 min，取上清液进行凯氏定氮(N, 6.25)，NSI为水溶性氮与样品中总氮的比值［4］.

1.3.2 吸水性的测定

称取1.0 g左右的芝麻浓缩蛋白，放入预先称重的离心管中，加入10 mL蒸馏水，漩涡混合2 min，室温下放置30 min，然后3 000 g下离心20 min，除去上层水.

式中：W0为称取的样品质量，W1为离心管与样品的质量，W2为离心管与沉淀物的质量［5］.

1.3.3 吸油性的测定

称取1.0 g左右的芝麻浓缩蛋白，放入预先称重的离心管中，加入10 mL一级大豆油，漩涡混合2 min，室温下放置30 min，然后3 000 g下离心20 min，将上层大豆油完全倒出.

式中：W0为称取的样品质量，W1为离心管与样品的质量，W2为离心管与沉淀物的质量［5］.

1.3.4 乳化及乳化稳定性的测定

准确称取0.2 g芝麻浓缩蛋白，加入40 mL蒸馏水中配成浓度(g/mL)为0.5%的蛋白溶液，10 000 r/min预先均质30 s，然后加入40 mL一级大豆油，10 000 r/min均质2 min.用微量移液器快速吸取40 μL乳化液，与10 mL 0.1%的SDS溶液混合，以SDS溶液为空白，在500 nm处测定吸光值(E0)，用E0表示乳化性.10 min后再次取40 μL乳化液，迅速与10 mL 0.1%的SDS溶液混合，测定吸光值(Et).

1.3.5 起泡及泡沫稳定性的测定

准确称取1.0 g芝麻浓缩蛋白，加入100 mL(V0)蒸馏水中配制成蛋白溶液，使用均质机以10 000 r/min高速搅拌2 min后，记录泡沫体积(V1)和下层液体体积(V2)，放置30 min后再次记录泡沫体积(V3).

1.3.6 统计分析

采用统计软件SPSS进行显著性分析，并采用Duncan氏法进行多重比较，测定结果以“3次测定的平均值±标准差”表示.%

2 结果与分析

2.1 加热改性试验

2.1.1 加热温度对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

改性条件：蛋白浓度(g/mL，下同)10%，pH10，加热时间40 min.加热温度对芝麻浓缩蛋白NSI的影响见图1.

图1 加热温度对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

芝麻浓缩蛋白在制备过程中，因受到乙醇的变性作用，溶解性较差，NSI只有3.43%.由图1可以看出，经加热改性后，芝麻浓缩蛋白的NSI有明显提高，能达到40%左右；改性样品的NSI随着加热温度的升高先是上升，在70℃时达到最大，然后又下降.原因是芝麻浓缩蛋白受乙醇的变性作用，使其内部结构变得较紧密，而加热可以破坏蛋白质分子间的非共价键，打开其内部结构，使溶解性增强；但是温度继续升高，蛋白质分子之间的相互作用力增强，将使溶出困难，导致NSI又有所下降［8］.因此，选定加热温度为70℃.

2.1.2 加热时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

改性条件：蛋白浓度10%，pH10，加热温度70℃.加热时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响见图2.

图2 加热时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

由图2可以看出，当加热到40 min时，芝麻浓缩蛋白的NSI达到最大，继续加热其NSI又有所降低，这是由于受热时间过长又使得蛋白质发生了不可逆的热变性，导致其溶解性变差.因此，选定加热时间为40 min.

2.2 微波改性试验

2.2.1 微波功率对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

改性条件：蛋白浓度10%，pH10，微波时间90 s，微波功率对芝麻浓缩蛋白NSI的影响见图3.

图3 微波功率对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

微波是一种高频率的电磁波，对蛋白质中的极性侧链能产生高速的振荡作用，致使分子间因频繁碰撞而产生大量的摩擦热，改变蛋白质的空间结构，从而改变蛋白质的功能特性［9］.由图3可以看出，微波功率在200～300 W之间时，芝麻浓缩蛋白的NSI较高，当微波功率超过300 W时，其NSI急剧下降.分析原因可能是，微波功率低于300 W时，微波的热作用将醇变性芝麻浓缩蛋白紧密的内部结构部分打开，蛋白功能性得到改善；而随着微波功率的升高，蛋白质结构被打开的较多，原来分子内部的一些非极性基团暴露于分子表面，导致蛋白质分子间发生聚合和沉淀，溶解性急剧下降.因此，选定微波功率为300 W.

2.2.2 微波时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

改性条件：蛋白浓度10%，pH10，微波功率300 W.微波时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响见图4.

图4 微波时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

由图4可以看出，随着微波时间的延长，芝麻浓缩蛋白的NSI先上升后降低，在90 s时达到最大.这是因为在0～90 s内，随着微波处理时间的延长，蛋白质极性侧链在电磁场中做剧烈的极性运动而产生的热量逐渐增多，破坏维持蛋白空间结构的非共价键，使原本结构紧密的蛋白质分子被展开的部分也在逐渐增多，在处理时间90 s时，溶解性被改善得最为理想.但是，当微波时间超过90 s后，浓缩蛋白分子被进一步展开，内部疏水基团暴露更多，疏水残基相互作用形成网络，又会使蛋白质的溶解性降低.因此，选定微波时间为90 s.

2.3 超声波改性试验

2.3.1 超声功率对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

改性条件：蛋白浓度10%，pH10，超声时间4 min.超声功率对芝麻浓缩蛋白NSI的影响见图5.

图5 超声功率对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

超声改性是利用超声波的“声空化”作用，它能在水相介质中产生强大的压力、剪切力和高温，可使蛋白质发生一系列的化学反应［10］.Morel等［11］认为大功率超声波能增强蛋白质的溶解性是因为超声处理改变了蛋白质的空间结构，将亲水性的氨基酸暴露出来.

由图5可以看出，随着超声功率的增加，芝麻浓缩蛋白的NSI先增大后减小，在400～500 W时达到最大值.乙醇诱导蛋白质变性导致扩展螺旋区域的稳定，内部疏水性侧链暴露，极性氨基酸被溶剂所屏蔽，因此溶解性较差［12］.作者认为，低功率的超声波会改变芝麻浓缩蛋白的三级结构，使已经被屏蔽的极性氨基酸基团转移至分子表面，恢复表面亲水基团的水化层，提高其溶解性.当功率增强时，超声波产生的“声空化”作用加强，将蛋白质解聚成较小相对分子质量的蛋白质或是亚基，在超声结束后，这些亚基重新聚集生成了高溶解性的聚集体，此时蛋白质的NSI达到最大.随着超声功率继续增大，芝麻浓缩蛋白的NSI又有所降低，分析原因可能是，高于500 W的超声波会抑制重聚体的生成.因此，选定超声功率为400 W.

2.3.2 超声时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

改性条件：蛋白浓度10%，pH10，超声功率400 W.超声时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响见图6.

图6 超声时间对芝麻浓缩蛋白NSI的影响

由图6可以看出，超声波处理2 min，芝麻浓缩蛋白的NSI即可达到40%以上，随着超声时间的延长，其NSI虽有所升高，但变化不大，这说明超声时间对芝麻浓缩蛋白的溶解性影响不显著.因此，综合考虑改性效果与节约能耗，选定超声时间为3 min.

2.4 3种物理方法的改性效果比较

由表1可以看出，3种物理改性方法都能显著提高芝麻浓缩蛋白的溶解性、吸油性、乳化稳定性、起泡性及泡沫稳定性(P＜0.05)，且通过多重比较发现超声波改性的效果最好(P＜0.05)，能将芝麻浓缩蛋白的NSI从3.43%提高到43.32%，吸油性从0.61 g/g提高到2.62 g/g，乳化稳定性从19.10 min提高到36.37 min，起泡性从30.78%提高到44.45%，泡沫稳定性从38.89%提高到54.18%.

表1 4种芝麻浓缩蛋白的功能性比较分析

相比于加热处理，微波和超声波改性不能有效地提高芝麻浓缩蛋白的吸水性(P＞0.05)，但可以显著改善其乳化性(P＜0.05).因此，超声波改性是最理想的可用于芝麻浓缩蛋白改性的一种物理方法.

3 结论

在蛋白浓度10 g/100 mL，pH10的条件下，3种物理方法的最佳改性条件分别为：加热温度70℃、加热时间40 min；微波功率300 W、微波时间90 s；超声功率400 W、超声时间3 min.

3种物理方法中，超声波改性的效果最好，能将芝麻浓缩蛋白的NSI从3.43%提高到43.32%，吸油性从0.61 g/g提高到2.62 g/g，乳化性从0.15提高到0.22，乳化稳定性从19.10 min提高到36.37 min，起泡性从30.78%提高到44.45%，泡沫稳定性从38.89%提高到54.18%.

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STUDY ON PHYSICAL MODIFICATION OF SESAME PROTEIN CONCENTRATES EXTRACTED BY ALCOHOL METHOD

ZHANG Tao,WEI An-chi,NIU Xin-pei,DAI Hong-li,WANG Xue-de
(School of Food Science and Technology,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

In this paper,we carried out physical modification of sesame protein concentrates by heating,microwave and ultrasonic,and analyzed the modified sesame protein concentrates.The results showed that ultrasonic had the best modification effect.Under the conditions of protein concentration 0.1 g/mL,PH value 10,ultrasonic power 400 W and ultrasonic time 3 minutes,NSI of the modified sesame protein concentrates was improved from 3.43%to 43.32%,the oil absorption was improved form 0.61 g/g to 2.62 g/g,the emulsifying capacity was improved from 0.15 to 0.22,the emulsifying stability was improved from 19.10 minutes to 36.37 minutes,the foaming ability was improved to 30.78% to 44.45%,and the foam stability was improved to 38.89%to 54.18%.

sesame protein concentrates;physical modification;heating;microwave;ultrasonic

TS201.2%

B

1673-2383(2012)04-0052-05

http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20120829.1722.201204.52_012.html

网络出版时间：2012-08-29 05:22:00 PM

2012-03-14

现代农业产业技术体系（芝麻）建设专项资金资助（CARS-15-1-10）

张涛（1986—），男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为油料资源开发与利用。

*通信作者