高酯柑橘果胶-大豆分离蛋白复合凝胶制备及质构性质研究

张慧敏, 许馨予, 贾 斌, 王 坤,2, 李 丹,2, 左 锋,3

(黑龙江八一农垦大学食品学院1,大庆 163119) (黑龙江八一农垦大学国家杂粮工程技术研究中心2,大庆 163119) (粮食副产物加工与利用教育部工程研究中心3,大庆 163119)

果胶是一种从天然植物中提取出的阴离子型多糖,具有较高营养价值的功能性成分[1]。CP主要是从柑橘的皮渣中提取制备,具有良好的凝胶性、乳化稳定性,因此常被作为胶凝剂广泛用在果汁饮料、果酱、乳制品、蜜饯食品中[2]。根据酯化程度,通常可将果胶分为高甲氧基(HM)果胶[酯化度(DE)>50%]和低甲氧基(LM)果胶(DE<50%)[3]。目前,CP胶凝化主要依靠柑橘分子间的氢键、范德华力及静电引力,HM凝胶的形成需要低pH,较高浓度的可溶性固形物,LM凝胶的形成需要Ca2+的参与且少量离子存在。HM相比LM不需要在Ca2+条件下可以通过调节酸糖的浓度比例形成凝胶,且在较高浓度的糖条件下,HM分子与水分子相互作用减弱,而果胶分子之间的相互作用更有利,从而形成了空间网络结构,使果胶的凝胶稳定性增强。国内外学者对果胶凝胶形成进行了广泛的研究,Kahlile等[4]研究发现从百香果中制备的HM不需要改变蔗糖的浓度,可以通过调整pH形成稳定的凝胶。李素芬等[5]对佛手瓜复配柚子果酱研究发现柚子皮中提取出来的果胶应用在果酱中可进行胶凝,胶凝效果较好,进一步提高柚子皮的利用价值。但果胶凝胶的制备放一段时间后由于氢键、范德华力及静电引力的作用,易产生凝胶不均匀、脱水收缩现象、形成预凝胶溶液不稳定等问题,这制约了果胶凝胶在食品生产中的应用[6]。

多糖和蛋白质之间可以通过疏水作用、静电等相互作用形成稳定的复合物,构建形成的复合物不仅具有良好的凝胶均匀稳定性,而且凝胶网络结构致密,能够改善食品功能、构建新型功能性食品[7]。Xu等[8]研究结果表明SPI与CP主要通过疏水作用形成复合物,SPI与CP结合,导致氨基酸残基的微环境及整个蛋白质构象发生改变。汪少芸等[9]研究表明蛋白质和多糖作为食品原料中重要的生物大分子,经过分子间相互作用形成的复合物比二者单独使用功能性质更好,两者复合物比例的不同对复合物凝胶也有着重要作用。Molina等[10]对蛋白与HM进行静电复合物表征,发现果胶中可电离的羧基可以改变蛋白表面结构,形成致密的复合物。张予心等[11]研究发现乳清蛋白-海藻酸钠制备的不同比例复合物其凝胶特性存在显著差异,当海藻酸钠添加2%时复合物显示出较好的凝胶特性。

为提高SPI-CP复合凝胶溶液的稳定性,改善复合凝胶质构特性,实验以SPI和CP为原料,通过制备稳定的SPI-CP复合物,并通过单因素、响应面实验探究不同pH、蔗糖质量分数、复合物质量浓度对凝胶质构特性的影响,确定最佳凝胶制备工艺参数,构建一种蛋白质-多糖复合凝胶体系,以期为新型凝胶的制备提供思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

CP(DE纯度为77.99%)、SPI(>90%)、蔗糖(食品级);盐酸、柠檬酸:分析纯。

1.2 仪器与设备

TA-XT2i质构仪, UV-2910紫外分光光度计, Nano-v4电位仪, Nano-v4粒度仪。

1.3 方法

1.3.1 复合物制备

取10 g的SPI溶解在蒸馏水(500 mL)中,搅拌均匀,制备SPI溶液(20 mg/mL)溶液在90 ℃下加热30 min,在4 ℃保存过夜。

将CP取10 g溶解在500 mL蒸馏水中搅拌均匀,制备果胶溶液(20 mg/mL),在4 ℃保存过夜。

将SPI和CP的体积比分别为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3,将溶液调pH至4.5后,搅拌均匀备用。

1.3.1.1 复合物浊度测定

采用分光光度法[12],将配制好的复合物溶液在吸光度550 nm处测定吸光度值,浊度值被定义为:

式中:τ为浊度值/cm;L为1 cm;I0;It分别为入、透射光光强,测3次取平均值。

1.3.1.2 复合物粒径测定

采用Malvern Nano-v4电位仪,将样品添加到配备有电极的反应杯中,温度保持在25 ℃下,测定平均粒径。将待测复合物用磷酸盐缓冲液稀释至蛋白质质量浓度为2 mg/mL,所有样品测定3次。

1.3.1.3 复合物Zeta电位测定

采用Malvern Nano-v4电位仪,将样品添加到配备有电极的反应杯中,温度保持在25 ℃下测定Zeta电位。将待测复合物用磷酸盐缓冲液稀释至蛋白质质量浓度为2 mg/mL,所有样品测定3次。

1.3.2 凝胶的制备

参考喻靖[13]的实验方法,选取SPI-CP体积比1∶1的冻干样品,将SPI-CP复合物分别配制成0.02、0.03、0.04、0.05 g/mL的溶液,于80 ℃水域条件下加热1 h,补充水分维持样品浓度,再用柠檬酸调节pH,加入蔗糖并搅拌均匀后在室温下静置10 min。

1.3.2.1 单因素实验

以硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性为测定指标,探究不同pH(2.4、2.6、2.8、3.0、3.2)、蔗糖质量分数(20%、25%、30%、35%、40%)、复合物质量浓度(0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 g/mL)对复合物凝胶质构的影响,采用质构仪对凝胶体系进行测定,测定参数AOAC 12.7 mm凝胶专用柱形探头,测定时探头速度60 mm/min,形变10%,触发力5 g,测试3次,取平均值。

1.3.2.2 响应面优化实验

在单因素实验结果的基础上,设计响应面实验,选择pH、蔗糖和复合物质量浓度进行响应面实验,以硬度作为响应值,探究凝胶制备最佳工艺条件,响应面因素水平见表1。

表1 因素水平编码表

1.4 数据处理

所有数据测定3次,使用SPSS软件进行显著性分析。采用Origin 2018软件和Excel绘图。

2 结果与分析

2.1 SPI-CP复合物稳定性分析

2.1.1 浊度分析

浊度大小能够表征复合物中颗粒的分散状态,也是评价分子间是否相互聚集形成稳定复合物的重要指标,SPI-CP复合物在不同体积比下的浊度变化如图1所示。随着复合物中CP浓度的增加,复合物的浊度值呈先下降后上升趋势,在SPI-CP体积比达到1∶1时浊度值达到最小值(0.26±0.01),这主要是由于当复合物中SPI比例较高时,蛋白分子间相互作用形成大量不溶性复合物,此时溶液浊度值较高。随着CP比例的增加,SPI与CP之间发生较为强烈的静电相互作用,较强的静电排斥力抑制了蛋白分子间相互聚集,此时复合物体系稳定[13]。此时进一步提高SPI-CP复合物中CP比例,浊度值呈上升趋势,这主要是由于进一步提高复合物中CP比例,复合体系中与单位蛋白结合的CP分子增加,改变了蛋白原有的伸展结构,导致复合物光散射强度的增加[14,15],当达到一定值后复合物浊度值趋于平缓。

图1 SPI-CP不同比例复合物浊度曲线

2.1.2 Zeta电位分析

复合物的稳定性是由颗粒间的静电排斥力决定,颗粒间静电排斥力越大,形成复合物不容易聚集,电位绝对值越大,溶液越稳定。SPI-CP复合物在不同体积比下的电位变化如图2所示。在SPI-CP体积比为3∶1和2∶1时,复合物的电位差异不显著(P>0.05)。随着复合物中CP浓度的增加,复合物的电位绝对值值呈现先增加后减小的趋势,在SPI-CP体积比达到1∶1时电位绝对值达到最大值(39.6±0.5)mV,这主要是由于蛋白质是两性电解质,在复合物中高比例SPI条件下,蛋白质分子间可发生以疏水作用为主体的聚集作用,但随着带负电荷果胶增加与蛋白质带负电荷聚集体结合,静电排斥作用逐渐增强并阻止蛋白质分子间的相互吸附,致使电位绝对值增大[16]。当SPI-CP体积比达到1∶2和1∶3时电位绝对值逐渐下降,复合物的电位差异显著(P<0.05)。这可能由于随着CP比例的添加,蛋白分子与果胶分子由于疏水性作用而发生聚集,静电排斥作用减弱而使复合物的电位绝对值逐渐减小,体系稳定性会降低[17]。

图2 不同体积比SPI-CP的电位图

2.1.3 粒径分析

SPI-CP复合物在不同比例过程中的平均粒径变化如图3所示。在SPI-CP体积比为3∶1和2∶1时,复合物的粒径差异性不显著(P>0.05),但随着复合物中CP浓度的增加,复合物的平均粒径呈现先下降后上升的趋势,在SPI-CP体积比达到1∶1时平均粒径达到最小值(106±4)nm,这主要是由于较高比例的SPI分子聚集形成了大颗粒分子间的复合物,此时平均粒径较高。但是随着复合物果胶浓度增加,带有负电荷的SPI和CP发生静电排斥,抑制了SPI液滴间的聚集,复合物粒径减小,与喻靖[13]对复合物粒径的研究结果一致。在复合物比例达到1∶3时复合物粒径差异显著(P<0.05),平均粒径变大,这主要由于随着复合体系中CP浓度增多,体系中疏水作用增强导致分子颗粒聚集,并且CP通过疏水作用吸附在SPI颗粒的表面而使颗粒的粒径进一步变大[18]。

图3 SPI-CP不同体积比平均的粒径图

2.2 复合凝胶的质构特性分析

2.2.1 单因素结果

2.2.1.1 pH对复合凝胶质构的影响

pH对复合凝胶质构影响如表2所示。当pH为3.2时,形成较弱的凝胶体系,凝胶硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性均较低,Siew等[19]报道在较弱的酸性介质中,体系缺少氢键导致不能形成凝胶,说明此时凝胶网络结构较弱;随着pH降低,复合凝胶性能显著升高(P<0.05),凝胶性能逐渐改善,在pH为2.6时达到最优,产生静电相互作用,从而使凝胶性能都显著提高;当pH继续降低时,pH超出形成凝胶临界值条件之后,凝胶性质开始降低,因此选择最优pH为2.6。

表2 pH对凝胶质构特性的影响

2.2.1.2 蔗糖浓度对复合凝胶质构的影响

由表3可知,当蔗糖质量分数为20%时,凝胶性能较差,随着蔗糖浓度增加,凝胶性能有所提升,在蔗糖质量分数为25%时,硬度、胶黏性和咀嚼性呈现最大值,此时凝胶性能最好,Mouna等[20]研究蔗糖浓度对凝胶的影响结果表明蔗糖浓度增大,凝胶强度增强;随着持续增加,体系凝胶性能复降低,过量蔗糖会改变果胶分子间立体的空间结构,最终致使凝胶变软,因此选择最优蔗糖质量分数为25%。

表3 蔗糖浓度对凝胶质构特性的影响

2.2.1.3 复合物质量浓度对复合凝胶质构的影响

复合物质量浓度对复合凝胶质构影响见表4。果胶本身具有黏附性,不易溶于水,通过前期预实验得出SPI-CP复合物最大溶解质量浓度为0.05 g/mL,因此选择果胶质量浓度为0.01～0.05 g/mL,随着SPI-CP复合物质量浓度升高,体系凝胶性能逐渐增强,复合物质量浓度越高,分子间作用力增大,形成的凝胶网络的结点数变多,结构越紧密,凝胶质构强度变大,因此选择最优复合物质量浓度为0.05 g/mL。

表4 SPI-CP复合物质量浓度对凝胶质构特性的影响

2.2.2 响应面实验

2.2.2.1 响应面设计结果

从表5中分析可得,模型的回归方程Y=5.31-0.25A+0.24B+0.99C+0.43AB-0.13AC-0.19BC-0.47A2-0.70B2+0.22C2。

表5 复合凝胶硬度响应面实验设计与结果

由表6可知,模型极显著(P<0.01),失拟项不显著,相关系数R2=0.973 6,表明模型与实际拟合度较高,因素A、B的P值均小于0.05,影响显著;因素C、AB、A2和B2的P值均小于0.01,影响极显著。根据F值可知对凝胶硬度的影响的因素顺序为复合物质量浓度>pH>蔗糖浓度。

表6 复合凝胶硬度回归模型的方差分析表

结合实验,将凝胶硬度作为指标,进行响应面优化实验,结果见表5、表6。

2.2.2.2 各因素之间的交互作用分析

通过复合凝胶硬度响应面分析得到:复合凝胶硬度随着各因素的改变呈现先上升后下降,表明复合凝胶的硬度值存在最大值。此外,AB交互的响应面曲图向下趋势较大且等高线较接近于椭圆形,表明二者交互作用极显著;AC和BC间的二维响应面等高线向下曲折较小,表明二者交互作用不显著。因此,AB间的交互作用对CP凝胶性能影响更大,二者的交互作用使复合凝胶性能网络结构更加稳定,凝胶性能增强。

2.2.3 验证实验

响应面模型优化复合物凝胶最优工艺,在pH为2.51、蔗糖质量分数为23.76%、SPI-CP复合物质量浓度为0.05 g/mL时硬度为6.58 N。为检验实验数据的准确性进行实际实验验证,实际值为6.54 N与预测值接近,此时凝胶的弹性、胶黏性、咀嚼性分别是3.95 mm、5.05 N、17.44 mJ,表明在该实验模型下得到的最佳工艺条件具有较高的可行性,对复合物凝胶质构特性工艺优化具有一定应用价值。

3 结论

通过添加CP来探究不同比例SPI-CP复合物稳定性及复合凝胶的制备质构性质,随着SPI-CP复合物比例变化,当SPI-CP复合物比例1∶1时,浊度较低,粒径最小,电位绝对值最大,复合物体系稳定。通过响应面优化分析发现对复合凝胶硬度的影响的因素顺序为复合物质量浓度>pH>蔗糖浓度,并且pH和蔗糖浓度间的交互作用对复合物凝胶性质构特性存在显著影响。SPI-CP复合凝胶可以作为一种新型的凝胶,在食品应用领域具有广阔的发展前景。