超声处理对大豆分离蛋白溶解性和乳

超声处理对大豆分离蛋白溶解性和乳 2011年7月第26卷第7期 中国粮油学报 JournaloftheChineseCerealsandOilsAssociationNo．7Vol．26，Jul．2011 超声处理对大豆分离蛋白溶解性和乳化活性的影响 孙燕婷 黄国清 肖军霞 仇宏伟 （青岛农业大学食品科学与工程学院，青岛266109） 采用超声波处理大豆分离蛋白，观察对其溶解性和乳化活性的影响。结果明，超声处理时的 NaCl浓度以及大豆分离蛋白浓度均会影响其溶解性和乳化活性。0．01g/mL的大豆分离蛋白溶温度和时间、 摘 要 液调节pH6．0，在室温（23～25℃）下采用500W超声功率处理5min时，其溶解度最大达1023μg/mL，是未 超声处理（805．9μg/mL）的1．3倍，乳化活性达18．3mL/g，是未超声处理（11．9mL/g）的1．5倍。超声处理可以显著提高SPI的溶解性和乳化活性，这为拓宽其在食品工业中的应用提供了理论依据。 关键词 大豆分离蛋白超声处理溶解性乳化活性 中图分类号：TS201文献标识码：A文章编号：1003－0174（2011）07－0022－05SPI）因具有较大豆分离蛋白（Soyproteinisolate， 高的营养价值和功能特性而成为食品加工中的重要原料。但生产过程中采用碱溶酸沉的提取方法，造 ［1－2］ ，成部分蛋白质变性而降低或丧失某些功能特性 如溶解性和乳化性，这在一定程度上限制了它的应用范围。对SPI进行功能特性的改善是目前研究的热点，国内外学者主要是通过物理或化学手段来改善其溶解性和乳化性能，包括加热、酸沉、酶改性、磷 ［3－6］ ，但这些方法反应激烈、副酸化和乙酰化等方法 产物多，效果不太理想，而超声波是一种物理改性方法，通过改变蛋白质的次级结构来改变蛋白质的理化性能，从而达到改善或者加强蛋白质功能的目的。超声波处理的主要原理是超声波在液体中能产生空化作用，超声空化是指在超声场中液体中的微小气泡随声压变化而产生强烈振荡，膨胀及崩溃的一系列动力学过程，该过程所产生的瞬时强压力和局部温度升高能对溶液中悬浮的粒子产生强烈声化 ［7］ 学效果。本研究主要观测超声处理对SPI溶解性及乳化活性的影响，拟找到提高大豆分离蛋白溶解性和乳化活性的方法，从而拓宽其在食品工业中的应用范围。 剂有限公司；福临门大豆色拉油：食用级，中粮东海粮油工业（张家港）有限公司；牛血清蛋白：天津市巴斯夫化工有限公司；考马斯亮蓝G－250（AR）：天津市巴斯夫化工有限公司；十二烷基磺酸钠（AR）：烟台市三和化学试剂有限公司；其他试剂均为分析纯。1．2 仪器与设备 KQ－500B型超声波清洗器（功率为500W）：昆 山市超声仪器有限公司；LG10－2．4A高速离心机：北京医用离心机厂；UV－2000分光光度计：上海尤尼科仪器有限公司；DK－98－II型恒温水浴锅：天津市泰斯特仪器有限公司；90－3型双向定时恒温磁力搅拌器：上海泸西分析仪器厂有限公司；迷你多功能漩涡混合振荡器：上海人和科学仪器有限公司；万分之一分析天平：上海方瑞仪器厂。1．3 试验方法 1．3．1SPI溶液的超声处理 在超声功率500W下，配制一定浓度的SPI溶液，设置试验需要的不同超声处理条件包括处理时间，处理温度等，将盛有SPI溶液的锥形瓶放入超声使SPI溶液面浸入清洗器液面约2～波清洗器中，3cm进行超声处理。1．3．2 牛血清白蛋白曲线的绘制 ［8］ 1 1．1 材料与方法 材料与试剂 SPI（纯度为90%）：食品级，青岛天新食品添加 基金项目：山东省自然科学基金（6210a7）收稿日期：2010－08－13 1986年出生，作者简介：孙燕婷，女，硕士，食品科学1977年出生，通讯作者：肖军霞，女，副教授，硕士生导师，功能性 成分与微囊化 采用考马斯亮蓝G250染色法 。取6支10mL 的带塞试管，分别加入1000μg/mL的牛血清白蛋白0．1、0．2、0．3、0．4、0．5mL后补足蒸馏水到1溶液0、mL，从而得到0～500μg/mL的牛血清白蛋白稀释溶取各浓度的稀释液0．1mL置另外6支带塞试管液，中，分别加入5mL100μg/mL的考马斯亮蓝G250 第26卷第7期孙燕婷等超声处理对大豆分离蛋白溶解性和乳化活性的影响 2．2 23 2min后测定595nm下各试管漩涡振荡混匀，溶液， 并绘制标准曲线。的吸光值，1．3．3 溶解度的测定参考1．3．2的方法，测定SPI溶液中可溶性蛋白 未经超声处理时pH对SPI溶解性及乳化活性 的影响 室温（23～25℃）下配制0．008g/mL的SPI溶 液7份，每份20mL，分别调节到不同pH，不同pH对SPI溶解度和乳化活性的影响见图2。由图2可知，各pH组之间SPI溶液的溶解度都呈极显著差异（P＜0．01），说明pH严重影响到SPI的溶解性。pH1、pH3、pH4．5、pH5组之间的SPI乳化活性呈极显著差异（P＜0．01）。SPI在等电点4．5时其溶解性和乳 与其他pH组都呈极显著性差异（P＜0．化活性最低， 01），这主要是因为蛋白质在等电点刚好呈电中性， 分子之间缺乏静电推斥力，因疏水相互作用导致蛋降低了此条件下蛋白质的溶解白质的聚集和沉淀，［13］ 性。在pH4．5以上，随着pH的升高SPI的溶解SPI在弱酸性环境中的溶解度和乳化活性同时增加，度和乳化活性偏低，限制了在食品工业中的应用范围，提高SPI在弱酸性条件下溶解度和乳化活性是亟待解决的问题，因此以下试验环境选用SPI溶液的pH为6．0 。 质的浓度，用每毫升水溶液中溶解的SPI的微克数来 ［9－10］ 。将不同条件下得到的SPI溶液摇表示溶解度 10000r/min离心10min，取上清液0．1mL于10匀， mL带塞试管中加入5mL100μg/mL的考马斯亮蓝G250溶液，2min后以考马斯亮蓝漩涡振荡混匀，G250溶液调零，在595nm下测定其吸光值。1．3．4 乳化活性的测定 SPI的乳化性可用乳化活性EAI来表示，采用Molina［11］及Tang［12］的方法测定乳化活性（EAI），取一定体积一定质量浓度的SPI溶液，加入1/3体积的大豆色拉油，以10000r/min的速度高速搅拌5min后，取1mL乳化液加入9mL蒸馏水稀释，另取1mL稀释液与9mL1g/kg的十二烷基磺酸钠（SDS）溶液用SDS（1g/kg）做空白对照在500nm下混合均匀， 测吸光值。按下列公式计算： EAI=2×T× A0×NC×φ×10000 EAI为乳化活性/mL/g；T=2．303；C为乳式中， 化液形成前蛋白质水溶液中蛋白浓度/g/mL；φ为乳化液中油的体积分数；N为稀释倍数。1．4 数据处理 试验平行测定3次，采用SAS8．1对数据进行显著性及相关性分析。 2 2．1 结果与分析 牛血清白蛋白标准曲线 a：P＜0．05，注：（1）A：P＜0．01，与pH1比较； （2）B：P＜0．01，b：P＜0．05，与pH3比较；（3）C：P＜0．01，c：P＜0．05，与pH4．5比较；（4）D：P＜0．01，d：P＜0．05，与pH5比较；（5）E：P＜0．01，e：P＜0．05，与pH7比较；（6）F：P＜0．01，f：P＜0．05，与pH9比较图2 pH对SPI溶解性及乳化活性的影响 牛血清白蛋白标准曲线如图1所示。该标准曲线的线性方程为：y=0．0009x+0．0143，回归系数R2=0．9916，线性良好，因此可通过该标准曲线计算出SPI溶液中蛋白质的浓度 。 2．3 超声处理对SPI溶解性及乳化活性的影响 2．3．1超声处理时间对SPI溶解性及乳化活性的影响 室温下配制0．008g/mL的SPI溶液8份，每份20mL，调节pH6．0，在功率为500W下分别超声处理不同时间测定其溶解度及乳化活性，结果如图3所示。当超声处理5min时SPI的溶解度和乳化活 图1 牛血清白蛋白标准曲线 性分别最大达928．9μg/mL和22．3mL/g，且与其他组比较均具有极显著性差异（P＜0．01）。原因可能 24 中国粮油学报2011年第7期 是超声处理产生强有力的空化和机械作用打断了可溶蛋白成分的四级结构，短时间内释放出的小分子亚基或肽分散到溶剂中，使溶解度出现最大值，当处理时间过长时，超声浸提完全后能量不足以将原有的小分子继续打断，从而溶解度变化不大，而此时乳化能力下降后趋于平稳，这可能是由于溶液经超声处理后，蛋白质三级结构破坏较完全且充分溶解，形 ［10］ 成足够的界面来稳定油滴所致。因此以下试验过程选用超声处理时间为5min。 SPI溶液的溶解著性差异。当处理温度为50℃时， 30℃组比较分别呈极显度达1013μg/mL，与20℃、著（P＜0．01）、显著（P＜0．05）性差异；50℃时乳化 30、40℃）比较呈活性最大达13．6mL/g，与低温组（20、极显著性差异（P＜0．01），但相对于室温下只超声处理 5min的样品来说，乳化活性却明显降低了，考虑到温度太高容易导致SPI的热变性影响其溶解性和乳化活［14］性，所以以下试验选用室温。2．3．3 超声处理下NaCl浓度对SPI溶解度和乳化 活性的影响 室温下配制0．008g/mL的SPI溶液5份，每份10mL，0．10、调节pH6．0，分别向其中加入0．05、0．15、0．20、0．30g的NaCl，充分溶解，在超声功率500W的条件下超声处理5min，并与未经超声处理的样品组进行对照比较，结果如图5，图6所示。超声处理前后SPI的溶解度和乳化活性都随NaCl的变化呈先增加后降低的趋势。经超声处理后，0．015g/mLNaCl的SPI溶液的溶解度和乳化活性均 a：P＜0．05，注：（1）A：P＜0．01，与1min比较； （2）B：P＜0．01，b：P＜0．05，与3min比较；（3）C：P＜0．01，c：P＜0．05，与5min比较；（4）D：P＜0．01，d：P＜0．05，与7min比较图3 超声处理时间对SPI溶解性及乳化活性的影响 并与其他各组相比都呈极显著性差异取得最大值， （P＜0．01），此时SPI的溶解度达587．4μg/mL，是未超声处理（318．6μg/mL）的1．8倍；而乳化活性达9．1mL/g，是未超声处理（7．6mL/g）的1．2倍。0．008g/mL的SPI溶液中不含有NaCl时，在同样条件下，其溶解性和乳化活性分别是928．9μg/mL和22．3mL/g。由此可知，0．015g/mLNaCl降低了SPI的溶解性和乳化活性，而超声处理虽然可以提高其 但相比不经过NaCl处理的SPI溶解性和乳化活性， 溶液，其溶解性和乳化活性还是偏低。这说明SPI溶 液中的NaCl浓度偏高，大部分水分子与NaCl牢固的使之不能满足SPI溶剂化所需水分子的要求，结合， 2．3．2影响 超声处理温度对SPI溶解性及乳化活性的 每份20mL，配制0．008g/mL的SPI溶液5份， 调节pH6．0，在功率为500W下以不同温度超声处理5min，冷却至室温后测定溶解度及乳化活性，结果如图4所示，温度对溶解度和乳化活性的影响程度不一致。SPI的溶解度随着温度升高而不断增加，60℃时SPI的溶解度最大，但与50℃组比较没有显 a：P＜0．05，注：（1）A：P＜0．01，与0．005g/mLNaCl比较； a：P＜0．05，注：（1）A：P＜0．01，与20℃比较； b：P＜0．05，（2）B：P＜0．01，与30℃比较；（3）C：P＜0．01，c：P＜0．05，与40℃比较 图4 超声处理温度对SPI溶解性及乳化活性的影响 （2）B：P＜0．01，b：P＜0．05，与0．01g/mLNaCl比较；（3）C：P＜0．01，c：P＜0．05，与0．015g/mLNaCl比较；（4）D：P＜0．01，d：P＜0．05，与0．02g/mLNaCl比较图5 NaCl浓度对SPI溶解性及乳化活性的影响 第26卷第7期孙燕婷等超声处理对大豆分离蛋白溶解性和乳化活性的影响 25 SPI－SPI的相互作用比SPI－水的相互作用更因此，强，这样便导致SPI分子聚集，从而使SPI的溶解度 ［4］ 和乳化活性降低。 ［15］ 度增加而增多，以至乳化活性不再升高。经超声处理的SPI溶液乳化活性随其浓度的变化而变化， 0．008g/mL溶液的乳化活性最大，但与0．01g/mLSPI比较没有显著差异。当SPI为0．01g/mL时，超声处理后的SPI溶解度最大达1023μg/mL，是未超声处理（805．9μg/mL）的1．3倍，乳化活性达18．3mL/g，是未超声处理（11．9mL/g）的1．5倍，这说明超声处理可以显著提高SPI的溶解性和乳化活性 。 a：P＜0．05，注：（1）A：P＜0．01，与0．005g/mLNaCl比较； b：P＜0．05，（2）B：P＜0．01，与0．01g/mLNaCl比较；（3）C：P＜0．01，c：P＜0．05，与0．015g/mLNaCl比较；（4）D：P＜0．01，d：P＜0．05，与0．02g/mLNaCl比较图6 超声处理下NaCl浓度对SPI溶解性及乳化活性的影响 2．3．4的影响 超声处理下SPI浓度对其溶解度和乳化活性 a：P＜0．05，注：（1）A：P＜0．01，与0．001g/mLSPI比较； （2）B：P＜0．01，b：P＜0．05，与0．002g/mLSPI比较；c：P＜0．05，（3）C：P＜0．01，与0．004g/mLSPI比较；（4）D：P＜0．01，d：P＜0．05，与0．006g/mLSPI比较；（5）E：P＜0．01，e：P＜0．05，与0．008g/mLSPI比较图8 超声处理下SPI浓度对其溶解性及乳化活性的影响 室温下配制不同浓度的SPI溶液6份，每份10 mL，调节pH6．0，在超声功率500W的条件下超声与未经超声处理的样品组进行对照比处理5min，较，结果如图7，图8所示。在试验浓度范围以内，SPI的溶解性都随其浓度的增加而增加，且各组之间都呈极显著性的差异（P＜0．01）。未经超声处理的SPI溶液乳化活性在浓度为0．002g/mL时最大，随着SPI浓度的增加，乳化活性呈下降趋势，这说明低浓度时蛋白质分子彼此靠在一起形成胶束，此时胶束的形成有利于乳化活性的提高，但乳化液达到临界胶束浓度（CMC）时，油水界面上的乳化剂不随浓 3结论 SPI在蛋白质等电点时，其溶解度和乳化活性最 小。随着pH的升高SPI的溶解度和乳化活性同时 增加。为了提高SPI在pH6．0弱酸性条件下溶解度和乳化活性，采用功率为500W的超声波处理不同条件下的SPI溶液，观察其溶解度和乳化活性的变化SPI的溶解度情况。结果表明，在超声处理5min时，和乳化活性取得最大值，且与其他各组均具有极显著性差异（P＜0．01），因此确定最佳超声时间为5min；而当超声处理温度为50℃时，虽然SPI的溶解度和乳化活性相比于低温度组差异显著，但与室温下只经过超声处理5min的样品相比较，溶解性变化不大，乳化活性却明显降低了，选用室温经超声处理仍然符合试验的要求。 a：P＜0．05，注：（1）A：P＜0．01，与0．001g/mLSPI比较； （2）B：P＜0．01，b：P＜0．05，与0．002g/mLSPI比较；（3）C：P＜0．01，c：P＜0．05，与0．004g/mLSPI比较；d：P＜0．05，（4）D：P＜0．01，与0．006g/mLSPI比较；（5）E：P＜0．01，e：P＜0．05，与0．008g/mLSPI比较图7 SPI浓度对其溶解性及乳化活性的影响 0．008g/mL的SPI溶液，室温下采用500W超 0．015g/mLNaCl降低了SPI的溶声功率处理5min， 解性和乳化活性；当SPI浓度在0．001～0．01g/mL SPI时，室温下采用500W超声功率处理5min时， 的溶解性都随其浓度的增加而增加，且各组之间都呈极显著性的差异（P＜0．01）；而SPI乳化活性随其 26 中国粮油学报 Chem，2008，111（1）：29－37 2011年第7期 0．008g/mLSPI溶液的乳化活浓度的变化而变化， 性最大，但与0．01g/mLSPI比较没有显著差异；SPI在0．01g/mL时，溶解度和乳化活性分别达1023μg/mL和18．3mL/g，分别是未超声处理的1．3倍和1．5倍，这说明超声处理可以显著提高SPI的溶解性和乳化活性，该研究为SPI在酸性食品中的应用提供了理论基础。 参考文献 ［1］DeliaAS，JorgeRW．Comparativestudyoffoamingproper-tiesofwheyandisolatesoybeanprotein［J］．Foodresearchin-ternational，2002，35：721－729 ［2］谢良，王璋，蔡宝玉．大豆分离蛋白的组成与功能性质 ［J］．中国粮油学报，2000，12（6）：6－10 ［3］．中国油脂，周瑞宝，周兵．蛋白质的生物和化学改性［J］ 2000，25（6）：181－185 ［4］李秀川，迟玉杰．大豆分离蛋白溶解性能与水解度相关的 J］．中国粮油学报，2009，24（7）：38－40研究［ ［5］海日罕，迟玉杰．微波辅助磷酸化改性提高大豆分离蛋白 J］．中国粮油学报，2009，24（6）：37－39乳化性的研究［ ［6］LiuC，WangXS，Mah，etal．Functionalpropertiesofproteini-solatesfromsoybeansstoredundervariousconditions［J］．Food ［7］．中国粮油学报，郑家丰．大豆蛋白的功能特性研究［J］ 1996（4）：21－24 ［8］．北京：中国轻工业出版社，2004：张水华．食品分析［M］ 164 ［9］朱建华，杨晓泉，邹文中，等．超声处理对大豆分离蛋白功 J］．食品科学，2004，25（7）：58能特性的影响［ ［10］袁道强，杨丽．超声波改性提高大豆分离蛋白酸性条件 J］．粮食与饲料工业，2008，1：28下溶解性的研究［ ［11］MolinaE，PapadopoulouA，LedwardDA．Emulsifying propertiesofhighpressuretreatedsoyproteinisolateandJ］．FoodHydrocolloids，2001（15）：7Sand11Sglobulins［263－269 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yingpropertiesofsoyproteinisolate（SPI）．Theresultsshowedthatultrasonictreatmenttemperature，duration，andNaClandSPIconcentrationsignificantlyinfluencedthesolubilityandemulsifyingpropertiesofSPI．Themaximumsol-ubilitywasobtainedintheSPIconcentration0．01g/mL，pH6．0，ultrasonicpower500W，andexposureduration5mininroomtemperature（23～25℃），whichreachedupto1023μg/mL，1．3timeshigherthanuntreatedSPI （805．9μg/mL）．Undertheseconditions，theemulsioncapacityreached18．3mL/g，1．5timeshigherthanuntreatedSPI（11．9mL/g）．Hence，ultrasonicexposurecansignificantlyimprovethesolubilityandemulsifyingpropertiesofSPI．Thispaperhasprovidedatheoreticalbasisfortheapplicationofultrasonictreatmentinthefoodprocessingindustry． Keywords soyproteinisolate，ultrasonictechnology，solubility，emulsifyingproperty