谷物蛋白质乳液的研究进展

肖志刚,王可心,王 娜,王依凡,段庆松,霍金杰,江睿生,高育哲

(1.沈阳师范大学 粮食学院,沈阳 110034;2.沈阳农业大学 食品学院,沈阳 110866;3.辽宁大学 轻型产业学院,沈阳 110036)

0 引 言

图1 W/O乳液及O/W乳液示意图Fig.1 Schematic diagram of W/O emulsion and O/W emulsion

乳液是水、油、表面活性剂或类表面活性剂按照一定比例混合后,经过均质或超声处理形成的胶体分散体系[1]。通过表面活性剂亲水亲油的特性在油水界面上形成一层保护膜使其达到水包油(O/W)或油包水(W/O)的状态。乳液的制备方法有高速均质法、反溶剂法和膜乳化法等,其中较为常用的是高速均质法。食品级乳液大多数有2个存在形式,即O/W(水包油型),例如牛奶、冰激凌、蛋黄酱等;和W/O(油包水型),例如人造黄油、黄油等,2种乳液的结构如图1所示。食品级乳液大多采用食品固体颗粒(例如蛋白质、淀粉、酯类等)来替代表面活性剂,从而达到稳定乳液的目的。由于蛋白具有两亲性,可以在油-水界面进行吸附的同时二级和三级结构重排,疏水链段和亲水链段相继暴露出来与对应的基团相结合;蛋白质分子之间通过疏水作用或二硫键吸附作用,进一步聚合形成保护层,从而避免液滴之间发生聚结和絮凝。但并不是所有蛋白质分子在界面吸附时都会发生这种变化[2]。蛋白质按照来源可以分为动物蛋白和植物蛋白。2种蛋白质在本质上并无区别,只是氨基酸组成略有不同。谷物蛋白作为植物蛋白,通常可分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白4个组分,有独特的成膜性、凝胶性、自组装特性和生物相容性,作为乳液的稳定剂同样具有结构优势[3]。同时从营养角度考虑,动物性食物中脂肪和胆固醇含量较高,长期食用会增加高血压及心脑血管疾病的患病风险。而植物性食物,尤其是谷物,其蛋白质含量也十分可观。值得注意的是,部分谷物蛋白,例如花生大豆等蛋白质具有致敏性,在应用中应注意避免其食品对过敏人群带来的困扰[4]。

1 谷物蛋白质乳液

谷物大致分为稻麦类、豆类及薯类,蛋白质含量为7%～15%,是目前最丰富、价格最低的蛋白质来源[5]。不同种类蛋白质的氨基酸组成和结构特点都不同,功能性质也各不相同。其中,水稻的蛋白质主要组分为谷蛋白,其分子内及分子间含有许多二硫键,导致蛋白质交联聚合,部分亲水基团被折叠在内;荞麦蛋白中球蛋白占据了较大比重,在盐溶液中有较好的分散性;小麦蛋白中的醇溶蛋白和谷蛋白通常又以交联形式存在,使其在稳定乳液方面颇有难度;玉米醇溶蛋白亲水和疏水基团分区明显,含有一定量的极性氨基酸,因此在包埋活性物质和可食性材料的制备方面具有广阔前景。综上,谷物蛋白在作为乳液稳定剂的同时,需要针对自身特点选择适宜的交联物质和处理方法,并根据乳液稳定性及其他优势选择制备方法和应用途径。此外,制备过程中的温度,可溶蛋白质浓度,盐、糖类物质的添加都会对乳液的性质产生影响[6]。

2 不同来源谷物蛋白质乳液的特点与研究现状

2.1 大米蛋白乳液

大米蛋白具有低过敏性和抗肿瘤活性[7],生物效价高、氨基酸组成符合WHO/FAO推荐的理想模式,近年来得到了广泛的开发和应用。大米蛋白中谷蛋白含量高达80%[8],其溶解性受pH影响很大;同时谷蛋白二级结构复杂,多经巯基及二硫键交联导致结构高度卷曲,界面张力大,蛋白质界面性质差,在乳液的制备过程及稳定过程中均有较大的难度。

针对这一特点,贾潇等[9]采用漆酶催化氧化阿魏酸之后与大米蛋白进行交联,此方法可以使阿魏酸发生催化氧化形成醌类物质,再与大米蛋白中的巯基和氨基发生加成反应,使蛋白质肽链逐渐展开,从而达到降低表面张力和提高界面性质的效果。由于阿魏酸羟基的引入、蛋白质展开后亲水基团的暴露以及共价结合引起色氨酸向亲水区域迁移,蛋白质交联物质的疏水性降低了29%;在碱性环境中溶解性明显升高(同时受蛋白质性质影响);在pH值为5、7、9条件下乳液比较稳定,乳化颗粒间静电斥力增大,乳液粒径较小,生物利用率高。同时此方法还可以提高乳液体系的抗氧化活性,有效提高油脂氧化稳定性。南昌大学的邓忠华[10]利用胰蛋白酶对蛋白质进行水解,改善了大米谷蛋白高度折叠的结构,使其在酶解作用下断裂成肽段,分子形状由紧实球体逐渐转变为线性分子,使得大米蛋白的柔性大大增强。同时邓忠华还对蛋白质的水解度与乳液稳定性的关系进行了研究,发现大米蛋白水解程度越高,蛋白质的溶解性就越好,所制备的乳液的稳定性越强。

2.2 麦类蛋白乳液

麦类谷物包括小麦、大麦、荞麦、藜麦等,其中,荞麦蛋白和藜麦蛋白由于组分之间相对不易交联,氨基酸组成合理而常被用于乳液的制备与研究。

荞麦蛋白具有很高的营养价值,其富含赖氨酸,可以降低血液中胆固醇的含量。荞麦蛋白组分中球蛋白含量较高[11],四级结构相当复杂,易发生凝集聚合和解离反应,导致制备的乳液稳定性不强,极易破乳。为了使荞麦蛋白乳液更加稳定,曹丽霞[12]在60 ℃,24 h和70 ℃,6 h两种条件下制备了荞麦分离蛋白-葡聚糖共价复合物,将糖类物质与蛋白质混合加热使其发生羰氨反应产生共价键,从而引入糖类物质的亲水基团,同时加热作用也使得蛋白质链展开,增加了复合物的表面疏水性。改性后的荞麦蛋白乳化活性及乳化稳定性明显增强,但由于羰氨反应形成的色素导致乳液的颜色呈浅褐色。

藜麦具有相当全面的营养成分。藜麦蛋白主要由2S清蛋白及11S球蛋白组成,还有少部分的醇溶蛋白和谷蛋白[13],大量的球蛋白也导致了藜麦蛋白溶解性差的问题,同时藜麦在食用前脱除皂苷的过程可能会导致蛋白质乳化性受到影响。Qin Xinsheng等[14]将天然藜麦分离蛋白提取后于100 W,25 ℃超声处理20 min,发现超声处理可以增大藜麦蛋白的接触角和表面疏水性;同时蛋白质间的作用类型也变为了二硫键和疏水作用。将超声藜麦蛋白质制备成乳液,并与天然藜麦分离蛋白制备的乳液进行比较,发现蛋白质浓度大于1%时,超声藜麦蛋白的乳液乳化效果更强;乳液粒径更小,具有更好的生物相容性;同时具有更高的液滴表面填充率和界面吸附能力。同时,秦新生[15]还研究了藜麦蛋白乳液中盐离子浓度对乳液冻融稳定性的影响,发现0～500 mM的盐离子,添加到100 W超声处理20 min的2%藜麦蛋白制得的乳液中可以提高蛋白质二级折叠结构的含量,增强疏水相互作用。在水油比例1∶1的藜麦蛋白乳液中添加盐离子可以使液滴粒径更小,同时发生盐析作用在界面形成凝胶结构从而提高乳液的冻融稳定性。

2.3 玉米蛋白乳液

玉米蛋白来源于玉米加工的副产物酒糟及玉米蛋白粉,其蛋白质含量高达27%～65%。由于玉米醇溶蛋白具有自组装特性、良好的成膜性和凝胶性,疏水基团和亲水基团分区明显,成为了目前谷物蛋白质乳液的主要研究对象。相较于其他谷物蛋白乳液,玉米醇溶蛋白乳液已经有比较广泛的研究结果和应用。但在乳液制备过程中,玉米醇溶蛋白也具有一定的局限性,比如缺乏带电氨基酸和极性的氨基酸等等。唐瑜婉等[16]将玉米醇溶蛋白与多酚复合后形成了纳米颗粒,并利用纳米颗粒作为稳定颗粒制备了乳液。研究表明多酚与玉米醇溶蛋白复合后可以起到提高乳液的稳定性的作用,同时增加了乳液的抗氧化活性。

由于玉米醇溶蛋白具有独特的自组装特性,所以常用反溶剂法来制备乳液。因此,玉米醇溶蛋白可以作为活性物质的包埋物,提高活性物质在食品体系中的稳定性[17]。黄晓霞[18]利用反溶剂法制备了一种荷载姜黄素的玉米醇溶蛋白纳米颗粒,并添加了浓度为0.11%(w/v)的果胶多糖溶液,采用静电沉积法使多糖吸附到纳米颗粒表面形成一种核/壳型复合纳米颗粒,此种颗粒具有很高的稳定性,且粒径均小于250 nm,生物利用率较高。王丽娟[3]利用反溶剂法将70%(v/v)玉米醇溶蛋白加入到乙醇溶液中,将此溶液滴加到每分钟6 000 rpm剪切的含有壳聚糖的溶液中制备了玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合胶体颗粒。壳聚糖与玉米醇溶蛋白在剪切作用下逐渐接触产生静电作用和疏水相互作用,在界面发生絮凝和聚集,这对乳液的稳定起到了重要的作用,且当壳聚糖比例为20∶1～10∶1时,三相接触角更加接近90°,形成的乳液更加稳定。

3 豆类蛋白乳液

农业上的豆类作物有大豆、花生、豌豆、绿豆等,其蛋白含量较高,具有一定的加工价值。其中,大豆是食用非常广泛的豆类作物,其蛋白组分大多为球蛋白和伴球蛋白,分子量较大,结构卷曲度高,分子柔性较差,其结构不稳定性也导致了界面性质较差的现象[19]。

郑建璋等[20]通过胃蛋白酶处理大豆分离蛋白以达到水解蛋白质,将卷曲结构展开,增加分子柔性的目的。将酶解后的大豆蛋白再与磷脂交联,形成复合乳液体系。磷脂作为一种表面活性剂,适当添加可与大豆蛋白交联,增强界面性质;但过量添加将会导致未自组装的磷脂游离于体系中影响体系稳定性。研究结果表明,当pH=2、酶解蛋白浓度2%、磷脂浓度0.1%、油相体积10%时,其交联物质制备的复合乳液最稳定。刘鹏等[21]将大豆蛋白和乳清蛋白复合,增强了大豆蛋白质的自身稳定性。之后再进行高压处理使得复合蛋白质内部基团逐渐暴露,结构伸展。在压力为150 MPa时处理的蛋白质小分子聚集在油水界面上,降低了表面张力,乳液也更加稳定。这也与Molina等[22]研究的结果一致。

花生蛋白大部分为盐溶性蛋白,由花生球蛋白和伴花生球蛋白组成,同样因为结构折叠复杂,具有较差的柔性。焦博[23]利用花生蛋白与多糖之间的交互作用及凝胶特性,制备了花生分离蛋白-多糖复合凝胶颗粒并将其作为乳液的稳定颗粒。热处理首先破坏了花生球蛋白的三级和四级结构,其次糖接枝作用可以使蛋白质小分子结构更加紧凑,从而增大颗粒的溶解性,使得乳液体系更加稳定[24]。当颗粒浓度大于0.2%,内相比例为70%时,制备的乳液具有强凝胶网络结构和高粘度,这些由于花生蛋白质糖接枝带来的特性共同阻止了乳液中油脂的聚结和上浮,使得乳液相对稳定。

4 薯类蛋白乳液

薯类包括红薯、马铃薯、山药、芋类等。薯类谷物中的蛋白质同样具有很高的营养价值,易于人体消化吸收。马铃薯贮藏蛋白中含有25%的马铃薯球蛋白和40%的马铃薯糖蛋白,其中,糖蛋白的营养成分更接近于蛋清,并被认为具有比大豆蛋白更好的乳化性能[25]。与其他谷物蛋白相同,马铃薯球蛋白和糖蛋白同样具有乳化性和凝胶性等性质,但由于二级结构为不规则卷曲导致溶解性均较差。刘兴丽等[26]将2%～6%的蛋白质溶液加热制备了微凝胶颗粒。凝胶化热处理将马铃薯蛋白卷曲的二级和三级结构展开,更多的氨基酸基团暴露在外,表面电荷明显升高,制备的乳液稳定性大大加强。

虽然目前看来马铃薯蛋白由于糖蛋白组分的功能特性,具有广阔的研究前景,但薯类中淀粉含量多、蛋白质含量较少,这一特点极大地限制了薯类蛋白在乳液研究领域中的开发与应用。

5 展 望

谷物由于品种和生长环境不同,主要贮藏蛋白质的含量和组分也具有明显差异,同一类谷物的不同作物蛋白质也有着千差万别。例如大米蛋白质组分中谷蛋白含量较高,但麦类和豆类蛋白质组分中,含量较高的是球蛋白;小麦蛋白中的醇溶蛋白和谷蛋白组分极易产生交联形成复合物;玉米醇溶蛋白具有独特的自组装特性;马铃薯蛋白中的糖蛋白具有更好的界面性质等,这些特点都需要学者们逐个开发和进一步利用。但大多数谷物蛋白具有同一特性,即蛋白质柔性差、结构高度折叠卷曲、球蛋白含量较多等,需要辅助改性手法来提高蛋白质的界面性质,以达到稳定乳液的目的。

谷物蛋白质作为最广泛和最廉价的植物蛋白质来源,其开发潜力巨大。而乳液作为日常食品中较为多见的形式,不同原料也会导致其制备的乳液形态和性质各不相同。未来,谷物蛋白乳液应在提高蛋白质界面性质及乳液稳定性的研究基础上,更加注重制作成本及安全性的问题,注意新基团的引入以及化学成分对乳液安全性的影响,使蛋白乳液更好更快的进入到人们的视线,增加谷物蛋白的利用价值;同时,应注重小众谷物蛋白的开发,结合其蛋白质特点进行研究,为其他谷物蛋白研究开发作参考。这对于谷物蛋白,尤其是谷物蛋白乳液的研究具有重要意义。