动态超高压微射流均质对大米蛋白功能特性的影响

万红霞，孙海燕，刘　冬

（深圳职业技术学院深圳市发酵精制检测系统重点实验室，广东深圳518055）

动态超高压微射流均质对大米蛋白功能特性的影响

万红霞，孙海燕，刘冬*

（深圳职业技术学院深圳市发酵精制检测系统重点实验室，广东深圳518055）

以大米蛋白为原料，在不同料液比（1∶100～12∶100）和不同pH（2～12）的条件下，采用动态超高压微射流进行均质处理，研究不同均质压力（40～200 MPa）和均质次数（1～5次）对大米蛋白功能特性（溶解性、乳化性及稳定性、起泡性及稳定性和粘度）的影响。结果表明：不同料液比和不同pH的大米蛋白溶液经动态超高压微射流均质后其溶解性、起泡性、粘度均有显著的提高，而不同料液比和不同pH的大米蛋白溶液的起泡稳定性均无显著的提高。不同pH的固定料液比（3∶100）大米蛋白溶液经动态超高压微射流均质后其乳化性及稳定性有显著的改善，而不同料液比（尤其是料液比较高时）的固定pH（pH=7）大米蛋白溶液的乳化性及稳定性无显著性改善。均质压力对固定料液比（3∶100）和pH（pH=7）大米蛋白溶液的溶解性、乳化性及稳定性、起泡性、粘度的提高影响显著，而对其起泡稳定性无显著性作用。均质次数对固定料液比（3∶100）和pH（pH=7）大米蛋白溶液的溶解性、乳化性稳定性、起泡性及稳定性、粘度的提高影响显著，而对其乳化性无显著性作用（1～3次），甚至在均质次数较多（4～5次）时有负面性影响。

动态超高压微射流，大米蛋白，功能特性

大米蛋白是一种营养界公认的优质谷物蛋白，具有氨基酸配比平衡合理、生物价高、抗营养因子少和过敏性低等特点，用作开发婴幼儿和特殊人群补充蛋白的营养食品的原料非常安全可靠［1］。另外，大米蛋白具有抗糖尿病、抗胆固醇和抗癌变等多种重要保健功能［2］，因此国内外高度重视大米蛋白的研究和产品开发。淀粉糖生产和有机酸发酵过程中的副产品米渣，其蛋白质质量分数在60%以上。但由于米渣中蛋白中的主要成分谷蛋白存在较多的二硫键、表面疏水性氨基酸残基等，而且大米蛋白经历过高温处理，因而其在中性条件下的溶解性差，即使用碱溶液或酶水解也难以达到理想的溶解状态，进而影响到它的其他功能性质乳化性及稳定性、起泡性及稳定性等［3］。由于以蛋白质为配料的产品中，蛋白质的功能特性比营养价值更重要，大米蛋白的功能特性直接限制了其在食品领域中的应用。

超高压微射流技术目前已经是在食品加工与保藏领域最具潜力的一种物理改性技术，在动态超高压微射流均质过程中，大分子物质（如蛋白质）的料液在超高的压力下通过只有几十微米的喷嘴时受到强烈的垂直撞击或Y型撞击，巨大的压力降使得液体颗粒从喷嘴喷出瞬间高度破碎［4］。在这种均质过程中，剧烈的处理条件如液体高速撞击、高剪切、空穴爆炸、高速振荡和压力瞬间释放等力学作用均可能会导致大分子结构键的破坏和重组，从而使大分子的功能特性发生变化［5］。

国内已有研究动态超高压微射流均质处理对花生蛋白［6-7］、大豆分离蛋白［8-11］、小麦蛋白［12］等大分子物质功能特性的影响，结果都表明，超高压微射流均质可改变蛋白分子的微观结构，从而导致蛋白部分功能性质发生不同程度的改变，而动态超高压微射流均质处理大米蛋白研究的较少。本文研究了动态超高压微射流在不同均质次数和不同均质压力下对不同料液比和不同pH条件下的大米蛋白溶解性、乳化性及稳定性、起泡性及稳定性和粘度等功能性质的影响，为大米蛋白的研究和开发提供理论依据，使大米蛋白能更好地应用于食品加工领域中。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

大米蛋白（蛋白质含量76.35%） 深圳市银波米业有限公司；Folin-ciocalteu试剂购自美国Sigma-Aldrich公司；牛血清白蛋白（BSA）北京索莱宝科技有限公司。

Nano DeBEE动态超高压微射流纳米均质机美国DeBEE公司；GJJ动态超高压均质泵上海诺尼轻工机械有限公司；Spectra Max M5e多功能酶标仪美国Molecular Devices公司；T25 digital ULTRA-TURRAX匀浆器德国IKA公司；NDJ-1旋转粘度计上海精密科学仪器有限公司；5180 R冷冻离心机德国Eppendorf公司。

1.2实验方法

1.2.1超高压微射流均质对不同料液比大米蛋白功能特性的影响称取定量的大米蛋白粉，其大米蛋白分别为10～120 g，加入1000 mL蒸馏水，配制成料液比为1∶100、2∶100、3∶100、4∶100、5∶100、6∶100、8∶100、10∶100、12∶100的大米蛋白溶液，pH调节为7.0，在50℃，400 r/min搅拌条件下，充分溶胀1 h，用GJJ动态超高压均质泵（普通均质机）30 MPa循环均质5 min。本实验对不同料液比的大米蛋白溶液均设立了对照组和微射流组（下同），对照组即只用GJJ动态超高压均质泵30 MPa循环均质5 min，微射流组即用GJJ动态超高压均质泵30 MPa循环均质5 min后，再将大米蛋白均质液于Nano DeBEE动态超高压微射流纳米均质机中100 MPa均质2次。将不同料液比的大米蛋白均质液（对照组和微射流组）分别测定其溶解性、乳化性及稳定性、起泡性及稳定性和粘度。

1.2.2超高压微射流均质对不同pH大米蛋白功能特性的影响称取大米蛋白30 g，加入1000 mL蒸馏水，配制成料液比为3∶100的大米蛋白溶液，将其pH分别调节为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0，在50℃，400 r/min搅拌条件下，充分溶胀1 h，用GJJ动态超高压均质泵30 MPa循环均质5 min，本实验对不同pH的大米蛋白溶液均设立了对照组和微射流组，处理方法同1.2.1。将不同pH的大米蛋白均质液（对照组和微射流组）分别测定其溶解性、乳化性及稳定性、起泡性及稳定性和粘度。

1.2.3超高压微射流不同压力均质对大米蛋白功能特性的影响称取大米蛋白30 g，加入1000 mL蒸馏水，配制成料液比为3∶100的大米蛋白溶液，将其pH调节为7.0，在50℃，400 r/min搅拌条件下，充分溶胀1 h，用动态超高压均质泵30 MPa循环均质5 min后，再于动态超高压微射流纳米均质机中分别在0（对照）、40、80、120、160、200 MPa条件下均质2次。将不同均质压力条件得到的大米蛋白均质液分别测定其溶解性、乳化性及稳定性、起泡性及稳定性和粘度。

1.2.4超高压微射流不同均质次数对大米蛋白功能特性的影响称取大米蛋白30 g，加入1000 mL蒸馏水，配制成料液比为3∶100的大米蛋白溶液，将其pH调节为7.0，在50℃，400 r/min搅拌条件下，充分溶胀1 h，用动态超高压均质泵30 MPa循环均质5 min后，再于动态超高压微射流纳米均质机中100 MPa条件下分别均质0（对照）、1、2、3、4、5次。将不同均质次数的大米蛋白均质液分别测定其溶解性、乳化性及稳定性、起泡性及稳定性和粘度。

1.2.5大米蛋白均质液溶解性的测定将上述各单因素实验的大米蛋白均质液分别量取10 mL，恒温20℃，12000 r/min离心20 min，取上层清液，测上清液体积，采用Folin-酚法［13］测定蛋白质含量，以牛血清白蛋白（BSA）为标准品做标准曲线。则大米蛋白的溶解性以溶解百分数来表示，计算公式如下：

溶解百分数（%）=上清液中总蛋白的质量（g）/蛋白溶液中总蛋白的质量（g）×100

1.2.6大米蛋白均质液乳化性及稳定性的测定采用文献［14］方法并稍作改进。乳化性的测定采用经典的比浊法。将上述各单因素实验的大米蛋白均质液分别量取30 mL，加入玉米油10 mL，在20000 r/min高速均浆1 min制成乳状液，于0 min和10 min各从底部抽取乳状液50 μL，用0.1%的十二烷基硫酸钠（SDS）溶液进行适当稀释，在500 nm下测吸光度，以0.1%的SDS溶液为空白。用0 min的乳化活力指数（EAI，m2/g）表示其乳化性，用乳化稳定指数（ESI，min）表示乳化稳定性，计算公式如下：

EAI=2×2.303×A0×DF/［ρφ（1-θ）×10000］

ESI=A0/（A0-At）×t

式中：A0为0 min时的吸光度值；At为10 min的吸光度值；t为时间间隔10 min；DF为稀释因子100；ρ为蛋白质的起始浓度（g/mL）；φ为透光路径0.01 m；θ为油脂体积分数0.25。

1.2.7大米蛋白均质液起泡性测定采用文献［15］方法并稍作改进。将上述各单因素实验的大米蛋白均质液分别量取50 mL，用高速匀浆机10000 r/min，均质1 min，立即记录溶液起泡后体积V0（mL），静置30 min后，再次记录溶液体积V30（mL）。起泡性（FC，%）和起泡稳定性（FS，%）按以下公式计算：

FC（%）=（V0-50）/50×100

FS（%）=（V30-50）/（V0-50）×100

1.2.8大米蛋白均质液粘度的测定用旋转粘度计对上述各单因素实验的大米蛋白均质液的黏度进行测定，所有待测液均在25℃条件下进行测定。

1.2.9统计分析数据结果以平均值±SD表示，用SYSTAT.Sigmaplot v 10.0软件进行作图，实验数据的差异显著性用SPSS 11.0统计软件中的one-way ANOVA法检验，p＜0.05视为有显著差异。对照组与微射流组两个样本之间的差异显著性用SPSS 11.0统计软件中的配对样本T检验，Sig.＜0.05视为有显著差异。

2　结果与分析

2.1高压微射流均质对大米蛋白溶解性的影响

为判断不同料液比和不同pH的大米蛋白溶液经动态超高压微射流均质后其功能特性是否有显著性提高，采用配对样本T检验法对微射流组和对照组差异的显著性进行检验，检验结果如表1所示。

表1　微射流组与对照组的配对样本T检验结果（95%置信区间）Table 1　Test results of paired samples of microfluidization group and control group（95%confidence interval）

溶解性被认为是其最重要的一个功能性质，蛋白质的其他功能性如乳化性、起泡性等都与其溶解性有关，动态超高压微射流均质对大米蛋白溶解性的影响见图1。由图1（a）可知，大米蛋白的溶解性随料液比的增加而增大，当料液比为2∶100时，溶解性到最大（对照组1.507%±0.034%，微射流组1.758%± 0.029%）。然后随料液比的增加而降低。图1（b）显示，大米蛋白的溶解性随溶液pH的增加而降低，大米蛋白分子是两性分子，当溶液pH较低时（pH2～3）蛋白质分子以正离子状态存在，电荷互相排斥，溶解性较大。但随着pH的升高，当溶液pH为4～5之间（等电点附近）时，大米蛋白分子的净电荷为零，分子间相互间吸引力最大，蛋白质聚集体而沉淀，溶解性最小。当pH继续升高（pH6～12），溶解性又随着pH的升高而增大。由表1可得，对于不同料液比和不同pH的大米蛋白溶液，微射流组的溶解性与对照组相比均有显著差异，表明不同料液比和不同pH的大米蛋白经动态超高压微射流均质后其溶解性均有显著的提高。图1（c）和1（d）显示，大米蛋白溶液经动态超高压微射流均质后，与对照组（0 MPa和0次）相比，其溶解性有显著的提高。大米蛋白的溶解性随均质压力和均质次数的增加而增大，因为超高压微射流均质能使大米蛋白颗粒（分子）的发生结构解聚、疏水基团和极性基团暴露及蛋白所带电荷发生变化，蛋白质的水化作用增强，从而使大米蛋白的溶解性得到改善。

2.2高压微射流均质对大米蛋白乳化性及稳定性的影响

乳化现象的产生依赖于物质的快速吸收、在内部展开和复位［16］，动态超高压微射流均质对大米蛋白乳化性的影响见图2。由图2（a）可知，大米蛋白的乳化性随料液比的增加而升高，这是因为蛋白质浓度的增加，增加了界面膜的厚度，从而提高了膜的强度，增加了乳化性。当料液比为10∶100时，乳化活性指数达到最大［对照组（292.6±7.7）m2/g，微射流组（290.1±7.0）m2/g］，随后乳化活性指数再次减小，这可能是溶液中可利用的水分子变少造成的。图2（b）显示，当溶液pH为2～5时，大米蛋白的乳化活性指数无显著性差异，当溶液pH为6～7时，乳化活性指数最小，可能与蛋白分子表面的结构和带电荷有关，因为大米的乳化性与其溶解性有着密切的关系。由表1可得，对于不同料液比的大米蛋白溶液，微射流组与对照组的乳化性无显著差异，表明动态超高压微射流均质对不同料液比（尤其是较高的料液比）大米蛋白乳化性的提高无显著作用。对于不同pH的大米蛋白溶液，微射流组的乳化性与对照组相比有显著差异，表明不同pH的大米蛋白经动态超高压微射流均质后其乳化性有显著的改善。这是因为在偏离中性pH且料液比不高的的条件下，大米蛋白经过动态超高压微射流均质后蛋白质更容易发生颗粒解聚变小、极性侧链基团和疏水基团暴露，极性侧链基团的水合作用增强，亲水性增强，疏水基团则可以很好的与油滴结合，亲水性增高，总体表现为乳化性提高。图2（c）显示，大米蛋白溶液经动态超高压微射流均质后其乳化性比对照组有显著的提高，大米蛋白的乳化性随均质压力的增加而升高。图2（d）表明，均质次数（1～3次）对大米蛋白的乳化性无显著性作用，均质次数较多（4～5次）时对其乳化性产生了负面的影响。均质次数增加而乳化性降低的原因可能是过度的均质使大米蛋白分子的二级结构遭到破环，使蛋白与油滴不易结合，导致其乳化性降低。

图1　动态超高压微射流对大米蛋白溶解性的影响Fig.1　Effect of DHPM homogenization on solubility of rice protein

图2　动态超高压微射流对大米蛋白乳化性的影响Fig.2　Effect of DHPM homogenization on emulsibility of rice protein

图3　动态超高压微射流对大米蛋白乳化稳定性的影响Fig.3　Effect of DHPM homogenization on emulsifying stability of rice protein

乳化稳定性取决于物质内部自由能的减少和膜的流变学特性［16］，动态超高压微射流均质对大米蛋白乳化稳定性的影响见图3。由图3（a）可知，大米蛋白的乳化稳定性随料液比的增加而减小，当料液比为5∶100～6∶100时，乳化稳定性最小，可能是因为蛋白质在油水界面的吸附力不稳定，而后随料液比的增加而升高。图3（b）显示，大米蛋白的乳化稳定性先随溶液pH的增加缓慢降低，在pH为4～5时乳化稳定性最低，因为大米蛋白此时处于等电点状态，乳状液颗粒之间缺乏排斥作用，容易发生聚集而使乳状液滴破裂。在pH＞6时，乳化稳定性随溶液pH的增加而升高，这是因为随着pH增加，蛋白质分子的电荷增加，水化层的厚度增加，因此乳化颗粒间的静电斥力随之增加，形成的乳状液较稳定。大米蛋白在酸性范围的乳化稳定性远远小于碱性范围的乳化稳定性。由表1可知，对于不同料液比的大米蛋白溶液，微射流组的乳化稳定性与对照组相比无显著差异，表明不同料液比的大米蛋白经动态超高压微射流均质后其乳化稳定性无显著提高。对于不同pH的大米蛋白溶液，微射流组与对照组的乳化性差异显著，表明不同pH的大米蛋白经动态超高压微射流均质后其乳化性有显著提高。图3（c）和图3（d）表明，在均质压力和均质次数小于160 MPa和3次时，大米蛋白溶液的乳化稳定性与对照组相比无显著提高，但随均质压力的增加和均质次数的增多，大米蛋白的乳化稳定性有显著性提高。

2.3高压微射流均质对大米蛋白起泡性及稳定性的影响

动态超高压微射流处理对大米蛋白乳起泡性的影响见图4，由图4（a）可知，大米蛋白的起泡性随料液比的增加而升高，当料液比为3∶100时，起泡性达到最大（对照组41.00%±1.00%，微射流组44.00%± 2.00%），随后起泡性再次减小，大米蛋白的起泡性与溶解性密切相关。图4（b）显示，大米蛋白的起泡性随pH的增加而升高。凡有利于起泡性的pH，也大多都有利于蛋白质的溶解，尤其是pH较高时最为显著。由表1可知，对于不同料液比和不同pH的大米蛋白溶液，微射流组的起泡性与对照组相比差异显著，表明不同料液比和不同pH的大米蛋白经超高压微射流均质后其起泡性有显著提高。图4（c）和（d）表明，经过动态超高压微射流均质后的大豆蛋白溶液，随着均质压力的上升和均质次数的增加其起泡性越好。经过超高压微射流均质处理后大米蛋白的溶解性增强和疏水基团暴露，分子交联程度增加以及粘度的增大都不同程度的促进了泡沫的形成。

动态超高压微射流处理对大米蛋白起泡稳定性的影响见图5（a），大米蛋白的起泡稳定性随料液比的增加而增加。随着料液比的增加不溶性蛋白质也越多，不溶解性的蛋白质对大米蛋白的起泡性贡献甚微，但这些不溶解的蛋白质粒子的吸附使蛋白质膜的粘合力增强，提高了泡沫的稳定性。图5（b）显示，微射流组的大米蛋白起泡稳定性随溶液pH的增加而减小；对照组的大米蛋白起泡稳定性在溶液pH为2～10之间时无显著性差异，随后起泡稳定性随溶液pH的增加而减小。由表1可知，对于不同料液比和不同pH的大米蛋白溶液，微射流组的起泡稳定性与对照组相比无显著差异，表明不同料液比和不同pH的大米蛋白经超高压微射流均质后其起泡稳定性提高不显著。需要指出的是，当pH为2～6时，微射流组的大米蛋白起泡稳定性与对照组相比有显著的增加（p＜0.05），而当pH为8～12时，微射流组的大米蛋白起泡稳定性与对照组相比有显著的减小（p＜0.05），总体来说，微射流组与对照组的配对样本T检验结果为差异不显著。图5（c）表明，均质压力在0～200 MPa之间时，大米蛋白的乳化稳定性无显著性差异。由图5（d）可知，大米蛋白均质1～2次的起泡稳定性与对照组（0次）相比无显著性差异，然后起泡活稳定性随均质次数的增加而升高。大米蛋白经超高压微射流均质后，增加了多肽链的交联，可以增加泡沫的稳定性。

2.4高压微射流均质对大米蛋白粘度的影响

动态超高压微射流处理对大米蛋白溶液粘度的影响见图6，由图6（a）可知，大米蛋白溶液的粘度随料液比的增加而升高。图6（b）显示，微射流组的大米蛋白溶液粘度在溶液pH为2～10之间时缓慢增加，然后随溶液pH的增加而大幅度升高。由表1可知，对于不同料液比和不同pH的大米蛋白溶液，微射流组的粘度与对照组相比差异显著，表明超高压微射流均质对不同料液比和不同pH的大米蛋白经后的粘度有显著影响。由图6（c）可见，微射流组大米蛋白溶液的粘度比对照组（0 MPa）显著升高，但均质压力在40～200 MPa之间时，大米蛋白溶液的粘度无显著性差异。图6（d）表明，对照组（0次）的大米蛋白溶液粘度最小，然后粘度随均质次数的增加而升高，在均质3～5次时达到最大，且无显著性差异。大米蛋白溶液属于高分子溶液，其黏度主要受蛋白分子大小、形状、表面电荷和浓度等的影响［17］。随着均质次数的增加，大米蛋白溶液的平均粒度降低，粒度的降低有利于溶液黏度的提高。

图4　动态超高压微射流对大米蛋白起泡性的影响Fig.4　Effect of DHPM homogenization on foamability of rice protein

图5　动态超高压微射流对大米蛋白起泡稳定性的影响Fig.5　Effect of DHPM homogenization on foaming stability of rice protein

图6　动态超高压微射流对大米蛋白粘度的影响Fig.6　Effect of DHPM homogenization on viscosity of rice protein

3　结论

大米蛋白溶液经动态超高压微射流均质后其功能特性均有显著提高，其中，不同料液比（1∶100～12∶100）和不同pH（2～12）的大米蛋白溶液经动态超高压微射流均质后其溶解性、起泡性、粘度均有显著的提高，而不同料液比（1∶100～12∶100）和不同pH（2～12）大米蛋白溶液的起泡稳定性均无显著的提高。不同pH（2～12）的固定料液比（3∶100）大米蛋白溶液经动态超高压微射流均质后其乳化性及稳定性有显著的改善，而不同料液比（1∶100～12∶100）的固定pH（pH= 7.0）大米蛋白溶液的乳化性及稳定性无显著性改善（尤其是料液比较高时）。均质压力（40～200 MPa）对固定料液比（3∶100）和pH（pH=7.0）大米蛋白溶液的溶解性、乳化性及稳定性、起泡性、粘度的提高影响显著，而对其起泡稳定性无显著性作用。均质次数（1～5次）对固定料液比（3∶100）和pH（pH=7.0）大米蛋白溶液的溶解性、乳化性稳定性、起泡性及稳定性、粘度的提高影响显著，而对其乳化性无显著性作用（1～3次），甚至在均质次数较多时（4～5次）有负面性影响。因此适当调整均质的压力和次数可以使大米蛋白溶液的功能特性得到定向的改善，该流程简单易操作，可广泛应用。

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Effects of dynamic high-pressure microfluidization on functional properties of rice protein

WAN Hong-xia，SUN Hai-yan，LIU Dong*
（Shenzhen Key Laboratory of Fermentation，Purification and Analysis，Shenzhen Polytechnic，Shenzhen 518055，China）

Under the ratio of material to liquid（1∶100～12∶100）and pH of the solution（2～12）conditions，rice protein was homogenized with dynamic high-pressure microfluidizer（DHPM）.The effects of pressure（40～200 MPa）and times（1～5）of high-pressure homogenization on functional properties（solubility，emulsibility and emulsifying stability，foamability and foaming stability and viscosity）of rice protein solution were studied.The results showed that the solubility，foamability and viscosity of rice protein solution with different pH and different ratio of material to liquid were increased significantly after dealing with DHPM，and the foaming stability of rice protein solution with different pH and different ratio of material to liquid were no significant advance.The emulsibility and emulsifying stability of rice protein solution with different pH and fixed ratio of material to liquid（3∶100）were improved significantly after dealing with DHPM，and the emulsibility and emulsifying stability of rice protein solution with fixed pH（pH=7）and different ratio of material to liquid（especially in high material liquid）were no significant improvement.The influence of homogeneous pressure on the solubility，emulsibility and emulsifying stability，foamability and viscosity of rice protein solution with fixed pH（pH=7）and ratio of material to liquid（3∶100）were increased significantly，and the effect on foaming stability were no significant.The effect of homogeneous times on the solubility，emulsifying stability，foamability and foaming stability and viscosity of rice protein solution with fixed pH（pH=7）and ratio of material to liquid（3∶100）were enhanced significantly，while the effect on emulsibility were no significant（1～3 times），even which had negative impact at more times（4～5 times）.

dynamic high-pressure microfluidization；rice protein；functional properties

TS201.2

A

1002-0306（2015）16-0155-08

10.13386/j.issn1002-0306.2015.16.024

2015-01-08

万红霞（1984-），女，硕士，助理工程师，主要从事食品生物技术方面的研究，E-mail：wanhongxias@szpt.edu.cn。

刘冬（1968-），男，博士，教授，主要从事功能性食品，生物活性物质等方面的研究，E-mail：liudongsz@szpt.edu.cn。

深圳市科技计划项目（ZDSY20120619093923525）；深圳市科技创新计划项目（CXZZ20130517145458596）；广东省国际合作项目（2012B050600031）。