高压均质对大豆分离蛋白-多糖混合体系功能特性的影响

谭 慧，韩建春，2，*，张 媛，何 畔，崔 宪，刘容旭

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030；2.国家大豆工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨150030）

高压均质对大豆分离蛋白-多糖混合体系功能特性的影响

谭 慧1，韩建春1，2，*，张 媛1，何 畔1，崔 宪1，刘容旭1

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030；2.国家大豆工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨150030）

采用亚麻籽胶（FG）、魔芋粉（KGM）、羧甲基纤维素钠（CMC）三种多糖与大豆分离蛋白（SPI）建立SPI-多糖混合体系，研究了不同均质压力（1～120 MPa）对SPI以及上述三种体系的功能特性的影响。结果表明：亚麻籽胶的添加使SPI的溶解性和乳化性显著（p＜0.05）提高，在压力120 MPa时达到最大值，但是其乳化稳定性随压力升高而降低；SPIKGM体系的起泡性和泡沫稳定性在均质压力30 MPa时最佳；均质作用使SPI的持水性下降，添加多糖也没有明显改善SPI的持水性；SPI-FG的持油性在90 MPa时达到最高值。添加CMC的SPI在高压均质作用下各功能性质也有提升，但效果不是十分明显。高压均质对SPI和SPI-多糖体系的功能性质有不同程度的改善。

大豆分离蛋白，高压均质，多糖，功能特性

食品体系中，蛋白质和多糖是两种重要的大分子组份，两者之间的相互作用影响着食品体系的结构和稳定性[1]。大豆分离蛋白是营养丰富、价格低廉的植物蛋白[2]。不仅如此，它还具有很多重要的功能性质，其功能特性主要有溶解性、持水性、乳化性、起泡性和吸油性等。大豆蛋白因具有良好的功能性质而被广泛应用于面制品、肉产品、水产品、饮料和乳品等的生产加工中。功能特性影响着大豆蛋白的组织结构特性和感官特征，为了提高它的附加值，人们试图研究大豆蛋白和其他食用高分子的复合物[3]。

高压均质技术是一种成熟的食品加工技术，当液体物料流过狭缝时会产生强大的剪切力，液体冲击到金属环上产生强大撞击力以及压力突变生成的空穴爆炸力，这些作用会影响生物大分子的结构，改变分子间和分子内的非共价作用力，从而使大豆蛋白功能特性发生变化[4-6]。Floury等发现高压均质处理的大豆蛋白样品变性温度升高，表明动态高压均质增加了大分子结构的稳定性[7]。

大分子之间的相互作用有可能是相互吸引或相互排斥，作用力强或者弱，具有特异性或非特异性[8]。到目前为止，有研究利用高压均质技术获得了较好性质的蛋白质、多糖等单体，表明了高压均质能改善单一物质的理化性质，但其对蛋白质和多糖复合体系影响的研究鲜有报道[9]。本实验以大豆分离蛋白（SPI）和三种多糖为对象，采用高压均质技术对SPI和多糖混合体系进行作用，并对反应产物的功能性质进行研究，为引入多糖分子改善大豆分离蛋白的功能特性提供方法和理论依据，并能推动高压均质技术在工业上的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆分离蛋白（SPI） 哈高科大豆食品有限责任公司；羧甲基纤维素钠（CMC） 上海化学试剂站分装厂；亚麻籽胶（FG） 新疆立世得生物科技有限公司；魔芋粉（KGM） 北京多爱特生物科技有限公司；牛血清白蛋白（BSA） 上海伯奥生物科技有限公司，分析纯。

AH-100D型超高压均质机 ATS工业系统有限公司；TU-1900双光束紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；FSH-2高速匀浆机 丹瑞仪器公司；Alpha1-2 LDplus冷冻干燥机 德国Martin Christ公司；Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪 丹麦FOSS公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备 将5%（W/V）大豆分离蛋白和0.2%（W/V）多糖（FG、KGM、CMC）溶解于0.05 mol/L pH8磷酸盐缓冲溶液，用高速匀浆机混匀，使多糖和蛋白溶液充分接触，4℃条件下水化24 h。高压均质处理方法：将SPI与SPI-多糖混合溶液分别分成五份，一份为对照，对照组溶液在不设定压力条件下经过高压均质机（均质机最小工作压力为1 MPa），其余四份设定不同压力经过高压均质机，均质的压力分别为30、60、90、120 MPa进行均质处理，将对照组和高压均质处理后的部分液体于4℃保存备用，其余冷冻干燥成粉末。

1.2.2 溶解性的测定 测定高压均质处理前后蛋白样品的溶解度。溶解性的测定采用考马斯亮蓝法[10]，有少许改动。以牛血清白蛋白（BSA）为标准品，绘制蛋白质标准曲线。用分析天平称取干燥的蛋白样品，用去离子水溶液配制成1%的蛋白溶液，磁力搅拌10 min，使其充分溶解，用0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH调节pH，使其pH=7.0。10000×g离心20 min，上清液稀释后，取1 mL于试管中，加入5 mL考马斯亮蓝试剂，振荡摇匀后，在595 nm处测定吸光值。原样品的总蛋白质含量则使用凯氏定氮法测定。上清液中蛋白质含量与原蛋白含量的比值即为溶解度指标，溶解度用氮溶解度指数NSI（%）表示，具体按下式计算：

1.2.3 乳化性及乳化稳定性的测定 用0.1 mol/L，pH7.0磷酸盐缓冲液配制蛋白浓度为0.1%的样品溶液，以蛋白∶油为3∶1（V/V）比例加入大豆油，室温下用高速匀浆机在10000 r/min搅拌1 min，立即从乳化液的底部取样50 μL，以0.1%（W/V）SDS溶液稀释100倍，经快速混匀器混匀5 s后测定500 nm处的吸光值A0。在室温下放置10 min后，按上述方法测定的吸光值记为A10，用作空白对照组的是0.1%的SDS溶液[11]。乳化性用EAI表示，公式为：

其中，c—乳化前的蛋白浓度（g/mL），φ—光学路径（1 cm），θ—油相比例0.25，DF—稀释倍数100。

乳化稳定性用ESI表示，计算公式为：其中，A10和A0分别代表10 min和0 min时的吸光值。

1.2.4 起泡性及泡沫稳定性的测定 均质前后蛋白样品用0.1 mol/L、pH7.0磷酸盐缓冲液配制成1%的溶液，量取溶液50 mL，在室温下经过高速匀浆机以10000 r/min搅打2 min，然后快速将溶液移至250 mL量筒。分别记录下搅打后0、30 min泡沫的体积[12]。起泡性用FAI表示，泡沫稳定性用FSI表示，计算公式为：

其中，V0—搅打前溶液体积；V1—搅打后形成泡沫体积；V2—30 min后泡沫体积。

1.2.5 持水性和持油性的测定 持水性：准确称取冷冻干燥后样品0.2 g于10 mL的离心管中，此时记录离心管和蛋白的合重W1，缓慢加入4 mL的去离子水，静置30 min，之后5000×g离心20 min，去除上清液，记录蛋白、水以及离心管的总重量为W2，用每克样品结合的去离子水的质量（g）来表示样品的持水性。计算公式为：WHC=（W2-W1）/0.2。

持油性：准确称取样品0.2 g于10 mL的离心管中，此时记录离心管和蛋白的合重W3，缓慢加入4 mL的豆油，用快速混匀器分散至无明显颗粒，静置30 min，之后10000×g离心20 min，将上清液去除，记录蛋白、油以及离心管的总重量为W4，用每克样品（g）结合的油的质量（g）来表示样品的持水性[13]。计算公式为：FAC=（W4-W3）/0.2。

1.2.6 统计分析 所得数据均为三次测定的平均值，用Origin 8.0做图，SPSS 20.0软件运用One-way ANOVO方法对数据进行显著性比较统计分析。

2 结果与讨论

2.1 高压均质对SPI与SPI-多糖混合体系溶解性的影响

SPI及其与多糖混合溶液的溶解性随均质压力变化的趋势如图1所示，其中溶解性用氮溶解指数（NSI）表示。由图1可知，随着均质压力的增大，大豆分离蛋白溶液溶解性也显著提高（p＜0.05），在120 MPa时SPI的NSI有了明显的提升，与未均质时相比提升了24.4%。这是因为高压均质的空化和剪切等作用破坏了大豆蛋白的结构，大的蛋白质分子解聚成一些小的亚基单位，并且亚基结构进一步地伸展，暴露出更多的疏水基团，蛋白质分子表面的电荷分布增强，新暴露的极性基团与水相互作用增强，溶解性也得到改善[14]。并且由图1可以得出由于FG的引入使得SPI的亲水性增强。高压均质促进了蛋白和多糖的相互作用，使混合体系结合水的能力增强，所以SPI-多糖的溶解性与SPI相比有所提高。但是不同多糖对SPI的NSI变化影响不同。SPI-FG体系的溶解性与其他体系相比有较大提高，FG是一种亲水胶体，分子内部含有多个羟基，其较强的亲水特性也促使SPI-FG体系NSI的提高。并且随着均质压力的增大，SPI-FG的NSI保持上升趋势，溶解性比高压均质前提高了17.99%。SPI-KGM的NSI在30～60 MPa时明显提高（p＜0.05），压力继续升高，NSI曲线仍然呈上升趋势，高压均质使得SPI-KGM的NSI提高了26.37%。在均质压力较低时，SPI-CMC的溶解性也有显著提高（p＜0.05），均质压力超过60 MPa后其溶解性出现降低趋势，原因可能是压力的提高产生了热作用，使SPI和CMC两种大分子发生静电相互作用，发生热力学不相容性，导致SPI-CMC溶解性降低[15]。同样处理条件下三种SPI-多糖体系的溶解性大小为：SPI-FG＞SPI-KGM＞SPICMC。

图1 均质压力对SPI与SPI-多糖混合体系溶解性的影响Fig.1 Effect of homogeneous pressure on the solubility of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

2.2 高压均质对SPI与SPI-多糖混合体系乳化性及乳化稳定性的影响

图2 均质压力对SPI与SPI-多糖混合体系乳化性的影响Fig.2 Effect of homogeneous pressure on the emulsification of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

如图2可知，随着均质压力的提高，SPI及SPI-多糖体系的乳化性有不同程度的提高。均质压力在60 MPa时，SPI乳化性显著提高（p＜0.05），达到59.5 m2/g。原因是压力的作用，使得埋藏在蛋白分子内部的疏水残基暴露出来，使得SPI表面疏水性增加，增强了其亲油性，同时高压均质加快了其在溶液中的扩散速度，使蛋白更快的吸附至油水界面，因此提高了蛋白质的乳化性能。但是随着均质压力的继续升高，SPI的乳化性反而呈现下降趋势，可能是由于蛋白发生了进一步聚集，导致蛋白不易吸附到到油水界面上，所以乳化性下降。SPI-多糖体系的乳化性也随着均质压力的升高而呈现上升趋势。由前边论述也可推断，高压均质作用促使蛋白质与多糖的反应改善蛋白质的溶解性，进而对其乳化特性起到积极的影响。SPI和KGM的混合物在较低均质压力时的乳化性反而低于SPI的乳化性。当压力提高到一定值时，均质作用提高了SPI与KGM的相互作用，使得乳化性得到显著提高（p＜0.05），由33.8 m2/g提高到69.3 m2/g。SPI-FG混合溶液的乳化能力随着压力的提高而明显提高（p＜0.05），从43.5 m2/g提高到79.1 m2/g，并且优于SPI与其他组的乳化性，FG的添加使大豆分离蛋白乳化性提高的原因可能是FG的加入能增加体系的粘稠度，防止油滴发生聚集。并且随着压力的增加，SPI与FG的作用增强，进而提高了其乳化性。在60～90 MPa之间，大豆分离蛋白与CMC混合体系的乳化性低于SPI的乳化性，这是由于随着均质压力的提高，体系的吉布斯自由能发生变化，导致两相分离，阻隔了大豆分离蛋白与油的亲和。

图3 均质压力对SPI与SPI-多糖混合体系乳化稳定性的影响Fig.3 Effect of homogeneous pressure on the emulsion stability of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

图3是大豆分离蛋白混合溶液的乳化稳定性随均质压力大小的变化趋势。从图3中可以得出，各组样品在30 MPa以内，乳化稳定性下降的速度都较快。随着均质压力的提高，各样品乳化稳定性下降速度减缓，稳定性逐渐保持不变，添加KGM的蛋白样品乳化稳定性好于未添加的分离蛋白样品。在60 MPa以内，SPI-CMC的乳化稳定性随着压力的提升变化不明显，所以在此压力范围内SPI-CMC的乳化稳定性较SPI要好。FG的添加使得SPI的乳化稳定性在均质过程中一直处于较低的水平。而乳化稳定性降低可能是由于压力使得粒子之间进一步聚集，导致吸附在油水界面上粒子数量降低，使得乳化稳定性降低。

2.3 高压均质对SPI与SPI-多糖混合体系起泡性和泡沫稳定性的影响

图4 均质压力对SPI与SPI-多糖混合体系起泡性的影响Fig.4 Effect of homogeneous pressure on the foaming properties of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

SPI与SPI-多糖混合物起泡特性如图4所示。随着均质处理压力增加，大豆分离蛋白的起泡特性（FAI）也逐渐增加，高压均质作用使SPI的起泡性提高了50.8%，与对照相比明显增加（p＜0.05）。一般地，起泡能力与样品在水中的溶解度是呈正相关的[16]。图1说明SPI的溶解性随着压力的提高而增大，从而其起泡性也提高。没有均质作用时，添加了CMC和KGM的大豆分离蛋白的起泡性明显增强，这是因为CMC和KGM溶液粘稠度较大，而蛋白质溶液的起泡性能与其溶解度、粘度以及蛋白质的展开和聚集等都有关，因此在未高压均质时这两种混合体系的起泡性增加可能主要来源于CMC和KGM的性质。SPI-KGM的起泡能力在均质压力30 MPa时达到了最高，为165%。但是随着均质压力继续增大，SPI-KGM的起泡性有所下降，可能是此时蛋白质溶液的粘度超过了一定范围，对泡沫体积的增大有一定的抑制作用。在60 MPa以内，SPI与FG混合溶液的起泡性随着均质压力提高而有所提高，但是与SPI相比，起泡能力提升不明显。当均质压力继续增大，SPI与FG混合溶液的起泡性下降，这可能与高压均质对SPI-KGM的作用原理相同。SPI-CMC的起泡性随着均质压力的升高反而降低，这可能是因为SPI-CMC体系在均质压力升高时溶解性降低。

图5 均质压力对SPI与SPI-多糖混合体系泡沫稳定性的影响Fig.5 Effect of homogeneous pressure on the foam stability of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

图5表示不同均质压力下SPI-多糖混合物的泡沫稳定性。由图5可以看出，SPI以及添加多糖的复合体系的泡沫稳定性随着均质压力的增大而增加，压力超过60 MPa后，SPI的泡沫稳定性有了显著提高（p＜0.05），SPI的泡沫稳定性从60 MPa时的17.3%提高到120 MPa时的50.5%，这可能是在均质过程中高压以及其他的作用力，使蛋白质分子变得柔韧，所以能快速吸附在空气-水界面，因而泡沫稳定性较好。并且在压力作用下（除120 MPa外），几种混合体系的起泡稳定性均明显优于大豆分离蛋白。在30 MPa时，SPI-KGM的泡沫稳定性达到48.4%，当压力继续升高到60 MPa后，SPI-KGM的泡沫稳定性下降，此后均质压力对SPI-KGM的泡沫稳定性没有明显的影响。并且通过比较图4和图5发现，在没有均质作用时，SPIKGM和SPI-CMC的起泡性虽然较好，但是其泡沫持续时间短，而均质作用明显改善了SPI-KGM的泡沫稳定性。SPI-FG泡沫稳定性在120 MPa时达到最大值55.9%，明显比同样处理下SPI的泡沫稳定性要好。由此可以看出，高压均质能够很好地促进SPI与FG的相互作用。在60 MPa之后，SPI-FG的泡沫稳定性趋于平稳。SPI-CMC混合体系的泡沫稳定性的变化规律与SPI-FG体系泡沫稳定性的变化规律相似，在60 MPa内，其泡沫稳定性由15.8%提升到44.6%。

2.4 高压均质对SPI与SPI-多糖混合体系持水性和持油性的影响

图6 均质压力对SPI和SPI-多糖混合体系持水性的影响Fig.6 Effect of homogeneous pressure on the water retention of SPI and SPI-polysaccharide mixture

大豆蛋白持水性和持油性也是两类极其重要的功能性质。如图6所示，大豆分离蛋白的持水特性随着压力增加而小幅度降低，在120 MPa处理时与对照SPI相比差异显著（p＜0.05），可能由于溶解性的增加，测量过程中因为蛋白在离心后倾倒上清液时被除去，从而使所测持水性下降。由于FG的添加，体系的持水性有小幅度提高。SPI-FG的持水性在均质压力60 MPa时最高，与对照的SPI-FG相比提高了11%，差异显著（p＜0.05）。这可能是因为两种物质的相互作用，导致蛋白结构发生变化，混合物在溶液中充分溶胀，所形成的网络结构能结合更多的自由水。随着压力的继续升高，SPI-FG体系的持水性有所降低，这是因为高压均质使得其溶解性提高，导致其溶解在水中，离心后随着水倾倒出去。由图6中还可以发现，SPI-CMC与SPI-KGM的持水性都低于SPI的持水性，高压均质作用也没有使这两种混合物质的持水性有明显的改善。

图7 均质压力对SPI与SPI-多糖混合体系持油性的影响Fig.7 Effect of homogeneous pressure on the oil retention of SPI and SPI-polysaccharide mixtures

从图7可以看出，单纯的SPI样品随着压力的提升持油性提高，120 MPa处理后提高了57.5%，与对照SPI相比差异显著（p＜0.05）。这是由于均质作用使得SPI的疏水性基团暴露，导致其亲油。在未高压均质作用时，FG的添加对于大豆分离蛋白持油性的改善有明显的作用，高压均质各压力对SPI-FG持油性影响不显著（p＞0.05），在90 MPa时达到最高值，每克蛋白持油量为3.65 g。从图7中还发现在30 MPa时，与对照相比SPI-KGM体系和SPI-CMC体系的持油性都显著提高（p＜0.05），分别提高了20.4%和23.2%。但是压力继续升高，SPI-KGM体系的持油性有小幅度的降低，而SPI-CMC体系的持油性基本保持不变。原因可能是均质压力较低时，SPI-多糖体系形成带网状结构的大颗粒结构，因此体系束缚了较多的水和油，有利于持水和持油性的增加，压力的增大，导致这种结构遭到不同程度的破坏，从而导致SPI-多糖的持水性和持油性略有降低[17]。

3 结论

通过对不同高压均质压力作用下的SPI功能性质比较发现，高压均质作用能够较好的改善大豆分离蛋白的功能性质，在均质压力60 MPa下同时改善了大豆分离蛋白的溶解性、乳化性、起泡性和持油特性。均质压力120 MPa时，SPI的溶解性提升了24.4%；均质压力60 MPa时，SPI的乳化性达到最大值59.5 m2/g；相对于高压均质未处理的SPI，处理后的SPI起泡性提高了50.8%；SPI的持油性提高了57.5%。高压均质作用使得大豆分离蛋白的持水性和乳化稳定性都降低。

高压均质作用不同程度地促进了大豆分离蛋白与多糖的相互作用，并改善体系的功能性质。FG在SPI溶解性和乳化性改善上的贡献要大于KGM、CMC，SPI-FG的NSI溶解性随着均质压力的提高而升高，相对于未均质的SPI-FG体系提高了17.99%；SPIFG在压力为120 MPa时，乳化性达到最大值79.1 m2/g； SPI-KGM的起泡性在均质压力30 MPa时最好，达到165%；SPI-FG的泡沫稳定性在120 MPa时最好，达到55.9%；均质压力在60 MPa以内，高压均质作用使SPI的持水性降低，而FG的添加弥补了这一影响。SPIFG的持水性在均质压力60 MPa时最高，提高了11%；高压均质对于SPI-FG持油性的提高不是十分明显，在90 MPa时达到最高值，每克蛋白持油量为3.65 g。均质作用虽然降低了SPI的乳化稳定性，但是由于CMC和KGM的加入，其乳化稳定性较未添加多糖的SPI要好。

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Effect of high pressure homogenization on the function properties of soybean protein isolate-polysaccharide mixtures

TAN Hui1，HAN Jian-chun1，2，*，ZHANG Yuan1，HE Pan1，CUI Xian1，LIU Rong-xu1
（1.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.The National Research Center of Soybean Engineering and Technology，Harbin 150030，China）

Functional properties of soy bean protein isolated（SPI）by high pressure homogenization（1～120 MPa），adding flaxseed gum（FG），konjac powder（KGM），carboxymethylcellulose sodium（CMC）were studied.The results showed that the addition of flaxseed gum made SPI solubility and emulsification increased significantly，reaching the maximum pressure of 120 MPa，but the emulsion stability with high pressure reduction.SPI-KGM system showed best foamability and foam stability at 30 MPa homogenization pressure.The water holding capacity decreased after homogenization，and adding polysaccharide did not improve the water holding capacity of SPI.The fatbinding capacity of SPI-FG reached the highest value at 90 MPa.The functional properties of SPI-CMC had been raised at high pressure homogenizati-on，but the effect was not very obvious. In summary，high pressure homogenization had different degrees of improvement for the functional properties of SPI and SPI-polysaccharide system.

soy protein isolate；high pressure homogenization；polysaccharide；functional properties

TS201.1

A

1002-0306（2015）22-0092-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.010

2014-03-19

谭慧（1990-），女，硕士研究生，研究方向：食品工程，E-mail：tanhuiruby@163.com。

*通讯作者：韩建春（1973-），男，博士，教授，研究方向：蛋白质工程和发酵工程，E-mail：hanjianchun@hotmail.com。

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2013AA102208）。