喷雾干燥对大豆分离蛋白与γ-聚谷氨酸复合物的影响

李嘉慧,谢新华,齐 蕾,朱鸿帅,张波波

(河南农业大学食品科学技术学院,河南 郑州 450002)

喷雾干燥技术广泛应用于食品成分的微胶囊化制备,用于保护和控制活性化合物的释放,但在干燥过程中,由于雾化和汽化使食品成分受到热机械应力作用[1],引起食品成分的聚集或解离。当食品成分为蛋白质时,汽化过程的加热可引起蛋白质变性[2]。

近年来蛋白质与聚电解质形成复合物成为食品配料研究的热点[3-5],二者形成的复合物可用于保护蛋白结构[6]。γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是一种由D-或L-谷氨酸通过α-氨基和γ-羧基形成γ-酰胺键结合而成的阴离子聚电解质[7],具有良好的水溶性且无毒无味透明度高,它因具有良好的增稠性、保水性、抗冻性以及可食用性被广泛应用于食品中[8]。大豆分离蛋白(SPI)具有良好的氨基酸配比,在pH值为4.5时易聚沉,为了提高大豆分离蛋白在酸性条件下的应用,利用带正电荷的SPI和带负电荷的γ-PGA静电相互作用形成复合物,采用喷雾干燥方法研究雾化和加热过程对SPI-γ-PGA复合物形成的影响,提高蛋白质的热稳定性。

1 材料与方法

1.1 材料

大豆分离蛋白(蛋白质质量分数90%)购于山东禹王实业有限公司;γ-聚谷氨酸购于西安四季生物科技有限公司。

1.2 SPI溶液与γ-PGA复合体系的制备

准确称取5.0 g SPI和γ-PGA分别溶于1 000 mL蒸馏水中,得到浓度为0.5%的SPI溶液和γ-PGA溶液作为储液[9]。分别取合适体积的SPI和γ-PGA储液混合,制备SPI与γ-PGA浓度比为10∶1、3∶1、5∶6的混合溶液,制备完成后用2 mol/L的HCL以及NaOH调节复合溶液的pH值至3.5。

1.3 雾化过程

使用Labplant SD-Basic喷雾干燥仪对SPI-γ-PGA复合体系进行雾化。为探究喷雾干燥过程中施加的剪切作用对复合体系的影响,SPI-γ-PGA复合物以0.4 L/h的速度通过0.5 mm的雾化器喷嘴,通过喷嘴后的雾化液用容器收集进行测试。

1.4 热处理过程

将不同浓度比的复合体系于80℃下进行水浴加热,加热时间分别为1 min(T1)、2 min(T2)、3 min(T3)和4 min(T4)。将未经加热的复合物(T0)作为对比[10]。

1.5 喷雾干燥过程

使用Labplant SD-Basic喷雾干燥仪对SPI-γ-PGA复合体系进行干燥,液体样品以0.4 L/h的速度进行干燥,得到的粉末制备复合物悬浮液进行指标测定。

1.6 浊度的测定

使用分光光度计于600 nm处测定制备的混合液的吸光度值,每个样品重复3次测量[11]。

1.7 粒径的测定

复合体系粒度分布使用Beckman Coulter激光粒度分析仪进行测定,由3个独立样品的3次进样计算出体积加权平均直径D[4,3][12]。

1.8 ζ-电位的测定

采用Malvern Nano ZS仪对复合体系的ζ-电位进行测定,将复合溶液放入样品池中进行测定,每个样品重复3次[13]。

1.9 表面疏水性的测定

使用ANS荧光探针法测定蛋白质表面疏水性。将制备好的不同复合体系以4 000 r/min的速度离心20 min,上清液用pH3.5的蒸馏水依次稀释,使用Lowry法测定稀释后上清液中蛋白质的质量浓度,使其在0.07～0.67 mg/mL之间。取稀释后的样品4 mL,加入50 μL浓度为8 mmol/L的ANS溶液,充分混匀后静置10 min,在330 nm的激发波长和490 nm的发射波长下测定其荧光强度,狭缝为5 nm。以蛋白质质量浓度为横坐标,荧光强度为纵坐标作图,曲线初始阶段的斜率即为蛋白质分子的表面疏水性[14]。

1.10 数据分析

使用SPSS16.0对数据进行统计分析,用Origin8.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 雾化过程对SPI-γ-PGA复合物性质的影响

由图1(a)、(b)可知,雾化前,随着γ-PGA浓度增大,SPI-γ-PGA复合体系的浊度增大,而复合体系的粒径在3∶1时达最大,这说明随着γ-PGA增大,SPI与γ-PGA形成更多的复合物,引起浊度增大。当γ-PGA添加过量时(SPI与γ-PGA浓度比为5∶6),复合体系的粒径降低,这是由于γ-PGA过量时,使复合物含有大量的负电荷,产生静电斥力导致粒径降低,可由图1(c)证实,在SPI与γ-PGA浓度比为5∶6时,复合体系ζ-电位为负值;同时复合体系疏水性也呈增大的趋势,可由图1(d)证实,这是因为恒定数量的带正电的SPI分子被增加的带负电的γ-PGA中和,复合体系ζ-电位的绝对值增大,蛋白质较稳定地分散开来,表面疏水性基团暴露较多[15]。

图1 雾化过程对SPI-γ-PGA复合物浊度(a)、粒径(b)、ζ-电位(c)和表面疏水性(d)的影响

雾化后,在SPI与γ-PGA比例为10∶1和3∶1时,粒径均显著降低,这是因为复合物在经过喷嘴时的剪切力作用而部分分解[16],大尺寸的复合物分解成众多尺寸较小的复合物,体系浊度并未明显降低,而在γ-PGA过量时,由于复合物本身粒径微小,部分分解后浊度显著降低,而粒径变化较小。雾化后,在SPI与γ-PGA比例为10∶1和5∶6时,ζ-电位绝对值显著降低,而在SPI与γ-PGA比例为3∶1,ζ-电位绝对值反而增大了,这是因为雾化后SPI与γ-PGA形成的复合物部分解离,导致复合体系电荷量发生变化,雾化后表面疏水性的变化与ζ-电位绝对值的变化相一致,这是因为此时ζ-电位绝对值越大,蛋白质分子聚集的倾向越小,团聚后表面疏水基团相应增大[17]。

2.2 加热过程对SPI-γ-PGA复合物性质的影响

由图2(a)、(b)可知,加热对SPI与γ-PGA复合物的浊度和粒径有显著影响。当SPI与γ-PGA浓度比为10∶1时,随着加热时间的增加,复合物浊度值由1.914增加至2.196,粒径也由90.54 μm增至163.66 μm。当SPI与γ-PGA浓度比为3∶1时,热处理也使复合物的粒径有所增加,粒径从92.335 μm增至164.077 μm。这是因为在γ-PGA低浓度时,加热使得过多的蛋白质分子内部的疏水性基团暴露,发生了疏水性聚集(这由图2 (d)显示随加热时间延长复合体系的表面疏水性显著性增大证实),引起蛋白质分子粒径变大,浊度也相应增高[14]。在SPI与γ-PGA浓度比为5∶6时,复合物的浊度和粒径变化不明显,说明复合物对大豆蛋白的热变性有保护作用[18]。

图2 加热过程对SPI-γ-PGA复合物浊度(a)、粒径(b)、ζ-电位(c)和表面疏水性(d)的影响

图2(c)、(d)显示,当SPI与γ-PGA浓度比为10∶1时,随着加热时间的增加,热处理降低了复合物的ζ-电位,其表面疏水性有增加;在SPI与γ-PGA浓度比为5∶6时,复合物的ζ-电位差异不显著,而表面疏水性增加,这是因为热处理破坏了复合物的结构,使复合物中的γ-PGA及蛋白质的疏水位点的阴离子基团暴露引起的[19]。

2.3 雾化后加热对SPI-γ-PGA复合物性质的影响

为了更好地模拟喷雾干燥过程,对复合物进行了喷雾后加热处理,结果如图3所示,SPI与γ-PGA比例为10∶1时,热处理使复合物的浊度显著增大,粒径基本保持在60 μm左右,这可能是因为加热使游离的SPI分子部分聚集引起的,这与复合物仅经过热处理结果一致;SPI与γ-PGA比例为3∶1时,热处理使雾化后的SPI-γ-PGA复合物浊度略有降低,粒径却显著增大至317.19 μm,说明此时热处理使SPI暴露更多的正电荷基团与γ-PGA负电荷结合,这可由图3(c)ζ-电位绝对值降低证明,也说明雾化后的复合物对热处理更敏感;当SPI与γ-PGA比例为5∶6时,复合物的浊度和粒径都略有降低,这也是由于复合物的热解离造成的,且此时γ-PGA过量,带有负电荷的复合物可通过静电排斥作用防止分子间的聚集[20]。

图3 雾化后加热对SPI-γ-PGA复合物浊度(a)、粒径(b)、ζ-电位(c)和表面疏水性(d)的影响

图3(c)、(d)显示,当SPI与γ-PGA浓度比为10∶1时,热处理使ζ-电位由负值变为正值,且随着加热时间的增加逐渐减小,疏水性也呈现出骤然增大后又逐渐减小的趋势,这是因为加热使SPI分子发生热变性导致蛋白质内部的一些带电基团以及疏水性残基暴露到分子外部,随着加热时间的延长,ζ-电位及疏水性下降。当SPI与γ-PGA浓度比为3∶1和5∶6时,复合物的ζ-电位绝对值和表面疏水性均逐渐减小,这是由于加热使形成的复合物进一步聚集[21],这也体现出添加足够的γ-PGA对蛋白质的保护作用。

2.4 喷雾干燥对SPI-γ-PGA复合物性质的影响

由图4(a)、(b)可知,复合物经过喷雾干燥后,复合物的浊度和粒径与图1(a)、(b)喷雾的变化趋势一致,而在三组浓度下复合物粒径均显著降低,这是因为复合物不仅受剪切力作用,同时也受瞬间高温影响,使料液水分快速蒸发,颗粒表面收缩,引起粒径的减小[22]。与雾化后再进行水浴加热的样品相比,通过整个喷雾干燥过程的复合物粒径更小,在高浓度的γ-PGA下,浊度也降至更低的数值,这是因为水浴加热是使体系的温度缓慢升高,而喷雾干燥使雾状液滴与热空气均匀混合,瞬间完成干燥过程,伴随着更大的热机械应力[23]。由图4(c)、(d)可知,经过喷雾干燥复合物的ζ-电位绝对值增大,表面疏水性增加,是由于雾化使得复合物部分解离,负电荷量增大[24]。

图4 喷雾干燥对SPI-γ-PGA复合物浊度(a)、粒径(b)、ζ-电位(c)和表面疏水性(d)的影响

3 结论

在pH值为3.5条件下制备了SPI与γ-PGA浓度比为10∶1、3∶1及5∶6的复合物,雾化由于剪切力的作用使复合物的解离形成小的复合物;在浓度比为10∶1时,加热使过量的蛋白质分子聚集;SPI与γ-PGA浓度比3∶1时,加热使复合物聚集;SPI与γ-PGA浓度比为5∶6时,加热使复合物发生解离。喷雾干燥的复合物与雾化后再进行加热的复合物相比解离程度更大,ζ-电位绝对值增大,表面疏水性增大,说明高浓度的γ-PGA与SPI形成的复合物可避免蛋白质的聚集,有利于保护蛋白质,防止蛋白质变性。