果胶-乳清蛋白混合比例和pH值对体系流变学特性的影响

白英，杨月娇，谢瑞鹏

(内蒙古农业大学 食品科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特，010018)

由于具有明显的凝胶特性，乳清蛋白(whey protein,WP)常被用做发酵乳制品加工中的增稠剂，提高发酵乳的持水力，改善组织状态，提高产品的蛋白质含量。研究者将热聚合乳清浓缩蛋白添加到发酵酸豆奶中，改善了产品的黏度和硬度，提高了产品的稳定性[1]。通过添加变性乳清蛋白，改善发酵羊奶的稳定性和脱水收缩作用[2]。以聚合乳清蛋白作为增稠剂，改善燕麦饮料的加工特性[3]。多糖是一种食品中常见的大分子组分，能够影响蛋白凝胶的形成过程，从而影响食品的质构特性。果胶具有良好的胶凝特性，广泛应用于发酵乳及饮料制品的加工中，提高产品的稳定性。分离乳清蛋白与甜菜果胶共价复合，可形成较稳定的β-胡萝卜素乳液[4]。聚合乳清蛋白与多糖相互作用形成络合物，影响体系中乳清蛋白聚集体存在情况[5]。多糖的添加，增加了凝胶的孔隙度。导致持水能力的降低，同时改变了流变学特性[6]。但有研究显示，明胶的添加并不会明显增加凝胶的紧实度[7]。凝胶化过程是一个复杂的过程，受多种因素影响，如乳清蛋白初始浓度、多糖的添加量、加热时间、加热温度、pH值和离子强度等。

本文以果胶-乳清蛋白凝胶体系为研究对象，对钙离子诱导条件下，乳清蛋白浓度、果胶浓度和pH值对果胶-乳清蛋白体系凝胶形成及流变学特性的影响进行了研究。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

恒天然乳清蛋白(蛋白含量80%)，郑州万博化工产品有限公司；食品级果胶(半乳糖醛酸含量66.7%)，河南恒锐食品添加剂有限公司；CaCl2(分析纯)、NaOH(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Haake RS6000旋转流变仪，Thermo Fisher 公司；HJ-6多头磁力加热搅拌器，江苏杰瑞尔电器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 乳清蛋白和果胶贮备液的制备

乳清蛋白溶液(200 g/L)：称取20 g乳清蛋白粉缓慢加入超纯水中，连续搅拌2 h，充分溶解后，待用。

果胶溶液(10 g/L)：称取1 g果胶加入超纯水中，加热至50 ℃，保持搅拌2 h至完全溶解，待用。

以上溶液贮藏于4 ℃条件下，待用。

1.3.2 乳清蛋白-果胶混合液的制备

参照王翠娜[5]的方法，分别取20%的乳清蛋白溶液和1.0%的果胶混合，使最终混合体系中乳清蛋白质量浓度40～100 g/L，果胶质量浓度1～5 g/L，搅拌2 h充分溶解，制备果胶-乳清蛋白混合溶液。用0.5 mol/L NaOH调整体系pH值。85 ℃加热30 min，冷却至室温。

试验中乳清蛋白体系质量浓度分别为4%、8%和10%， pH值分别为7、8和9，果胶体系质量浓度分别为1、2、3、4和5 g/L，CaCl2体系浓度分别为50、100、150和200 mmol/L。实验组设计如表1所示。

1.3.3 流变学特性的测定

参照白英等[8]的流变参数，在 Haake RS6000 流变仪中以旋转和振荡模式进行混合体系的初始黏度等流变学指标检测。通过在固定频率(1 Hz)下的应力扫描，测试确定线性黏弹性区域。在线性范围内的应变(0.01%～100%)下评价储能模量(G′)和损耗模量(G″)。

表1 实验组设计Table 1 Experimental design

2 结果与分析

2.1 聚合乳清蛋白液的初始黏度

如图1所示，乳清蛋白溶液在85 ℃下,受热30 min后,100 g/L乳清蛋白溶液黏度明显高于未受热100 g/L乳清蛋白溶液(100 g/L-NH)。蛋白质的重组结构以及蛋白质分子之间的相互作用决定了乳清蛋白的凝胶特性。α-乳白蛋白存在半胱氨酸残基，其热变性与β-乳球蛋白相似[9]。研究表明，温度大于60 ℃时，乳清蛋白的球状结构发生改变，折叠结构打开，巯基(—SH)外露。当温度达到75 ℃时，随着β-乳球蛋白折叠结构的进一步打开[10]。当温度为85 ℃ 时，超过了蛋白质的耐受温度，其结构和生物活性或溶解度发生了改变，二硫键断裂，分子内疏水基团暴露，α-螺旋内部含有的半胱氨酸残基暴露，易与其他分子交联成二硫键[11]。而加热引起的去折叠化β-乳球蛋白与α-乳白蛋白也能发生巯基-二硫化物交换反应，发生乳清蛋白间变性[12-13]。

图1 聚合乳清蛋白黏度Fig.1 Viscosity of polymerized whey protein

溶液中蛋白聚集体尺寸会随着乳清蛋白浓度的升高而增加[14]。JU等[15]研究表明，随着乳清蛋白浓度的增大，聚合乳清蛋白的平均粒径也相应增大从而导致热聚合溶液黏度会随着乳清蛋白浓度的增大逐渐增加。

2.1 果胶-乳清蛋白混合体系初始黏度的影响因素

果胶是一种带有负电荷的阴离子多糖[16]。它可以与热诱导聚合乳清蛋白(polymerized whey protein, PWP) 的阳离子区域发生连接并形成坚实的网状结构[17]。乳清蛋白浓度达到一定程度时才能形成热诱导凝胶[18]。pH值影响聚合乳清蛋白溶液的形成以及热诱导凝胶的特性。通常情况下，乳清蛋白在远离β-乳球蛋白等电点处进行加热聚合[19]。由图2～图4可看出，混合体系的初始黏度在不同pH值条件下，随着果胶浓度的增加，呈现不同程度的增加。然而，随着pH值的升高和乳清蛋白浓度的增大，混合体系的初始黏度呈下降趋势。在pH=7时，疏水性作用相对于碱性pH值小，混合液初始黏度值最大，为2.304 Pa·s。pH=8和pH=9时，黏度较小且数值接近。在碱性条件下，静电斥力较中性条件下大，阻碍了分子间的接近，进而影响凝聚作用的发生。当pH值较小破坏了蛋白聚合体的稳定性，减少了乳体系中酪蛋白表面的静电荷，最终导致了蛋白质凝聚沉淀[20]。在适宜pH值下，蛋白质分子才能相互接近到有利于分子间发生疏水性键结合的距离，形成分子间交联，生成不可逆性的蛋白质凝胶[6]。

图2 果胶-乳清蛋白体系初始黏度的变化曲线(pH=7)Fig.2 Curves of initial viscosity on mixed pectin- WP system (pH=7)

图3 果胶-乳清蛋白混合体系初始黏度的变化曲线(pH=8)Fig.3 Curves of initial viscosity on mixed pectin- WP system (pH=8)

图4 果胶-乳清蛋白体系初始黏度的变化曲线(pH=9)Fig.4 Curves of initial viscosity on mixed pectin- WP system (pH=9)

2.2 钙离子对果胶-乳清蛋白体系黏度的影响

有研究表明，85 ℃及以上温度进行热处理时，蛋白构象展开，活性氨基酸暴露，对钙离子敏感的 ɑs-酪蛋白暴露，疏水作用增强，与游离的钙离子结合，从而减少表面电荷量，产生活性位点，胶束平衡发生破坏，促进乳清蛋白与钙离子结合形成Ca2+-蛋白复合物，分子间的静电斥力减小，溶液产生絮凝，乳清蛋白热稳定性降低[21]。40～100 g/L体系的纯乳清蛋白溶液在低离子强度条件下，可以形成较小的聚集颗粒，但不会出现大规模的凝胶现象[22]。一般情况下，当体系pH=7时，离子强度为50 mmol/L NaCl或者10 mmol/L CaCl2时,在较低浓度乳清蛋白条件下加热即可形成热诱导凝胶[23]。对于热诱导凝胶，离子强度对凝胶强度的影响表现在，当CaCl2浓度为11 mmol/L，而NaCl浓度为200 mmol/L 时，凝胶强度达到最大值[24]。从图5可以看出，在pH=7，乳清蛋白质量浓度40 g/L的条件下，随果胶浓度的增大，混合体系的初始黏度值逐渐增大。在较低的Ca2+浓度下，其诱导形成的凝胶主要是通过分子间电荷量的相互损耗作用，分子间结合的比较充分；较高的Ca2+浓度下，破环了分子间的电荷量平衡，分子间聚集的体系结构不稳定，从而导致黏度逐渐减小[25]。本实验结果显示，在同一果胶浓度的条件下，当Ca2+浓度为100 mmol/L时，黏度值均达到最大值，随着Ca2+体系浓度的继续增大，黏度趋于平稳。

2.3 pH值及果胶浓度对果胶-乳清蛋白混合体系剪切流变特性的影响

在以剪切速率为变量，添加果胶未影响40 g/L乳清蛋白体系浓度的果胶-乳清蛋白的流体类型，混合体系表现出剪切稀变的特性(图6～图8)。在pH=7时，体系黏度最大，说明对于果胶-乳清蛋白混合体系来说，在溶液呈中性的条件下，溶液有最好的胶凝性。pH为8和9时，黏度差异较小。随着剪切速率的加大，果胶和乳清蛋白之间形成的微弱结构被破坏，使溶液中的微小颗粒之间的摩擦作用变小，从而降低了黏度值[26]。在一定的pH值条件下，随着剪切速率的增加，对于果胶-乳清蛋白混合体系中果胶的体系浓度越大，黏度变化越大，最终趋势平缓。其中1 g/L果胶体系变化较小，因为果胶浓度低，与乳清蛋白之间分子斥力较小，结合充分，体系相对比较稳定[27]。

图5 Ca2+浓度对果胶-40 g/L乳清蛋白混合体系黏度的影响Fig.5 Effect of Ca2+ concentration on viscosity of mixed pectin-40 g/L WP system

图6 果胶质量浓度对剪切黏度的影响(pH=7)Fig.6 Effect of pectin concentration on shear viscosity (pH=7)

图7 果胶质量浓度对剪切黏度的影响(pH=8)Fig.7 Effect of pectin concentration on shear viscosity (pH=8)

图8 果胶质量浓度对剪切黏度的影响(pH=9)Fig.8 Effect of pectin concentration on shear viscosity (pH=9)

2.4 pH值及果胶浓度对果胶-乳清蛋白混合体系动态流变特性的影响

物料体系在受到外力的作用下会发生形变，由于弹性(可逆)形变而储存能量的大小叫作弹性模量(G′)，又称储能模量，以后可以恢复；由于黏性形变(不可逆)而引起损耗能量的大小叫作黏性模量(G″)，又称损耗模量，初始流动所用能量转变为剪切热；当弹性模量G′大于黏性模量G″时，物料主要发生弹性形变，会表现出固态特性；反之，物料主要发生黏性形变，则会呈现液态特性[28]。为了考察果胶的添加量对果胶-乳清蛋白混合体系凝胶进程的影响，对果胶-乳清蛋白混合体系进行了动态模量测定。不同pH值及果胶的添加量对40 g/L乳清蛋白体系G′和G″的影响如图9～图11所示，果胶含量对混合体系的损耗模量影响趋势与弹性模量趋势相类似。在同等pH值条件下，随着果胶体系质量浓度的增大(1～5 g/L)，果胶-乳清蛋白混合体系的弹性模量(G′)逐渐增加，体系黏度增大。随着剪切时间的延长，所有样品的损耗模量有明显的上升趋势，这说明果胶的浓度增加，样品黏度增大，需更大的能量消耗，因此损耗模量(G″)变大。pH值的变化对模量有很大影响。由初始黏度可知pH值可改变体系的黏性，随着pH值的增加，损耗模量先上升再下降。在pH=7的条件下，弹性模量远远大于损耗模量，混合体系的弹性远远大于样品的黏性。在pH=8和pH=9时，样品损耗模量大于弹性模量，说明此时样品的黏性流动性逐渐加强。由实验结果可知，随着体系pH值的增加，混合体系的黏性流动性加强。随着果胶浓度的增大，出现明显触变环(图11)。升速与降速剪切曲线所围成的触变环(又称滞后环)，即物料在剪切作用下组织结构会发生变化，撤去剪切作用后体系结构需要滞后一段时间才会恢复到原来的状态[29]。触变环的面积大小表示破坏触变结构所需要能量的大小[30]。从触变环面积可知，随着果胶浓度的增加，破坏混合体系触变结构所需要的能量增大，体系稳定性增强。

图9 果胶质量浓度对果胶-40 g/L乳清蛋白混合体系G′和G″的影响(pH=7)Fig.9 Effect of pectin concentration on G′and G″of mixed pectin-40 g/L whey protein system (pH=7)

图10 果胶质量浓度对果胶-40 g/L乳清蛋白混合体系G′和G″的影响(pH=8)Fig.10 Effect of pectin concentration on G′and G″of mixed pectin-40 g/L whey protein system (pH=8)

图11 果胶质量浓度对果胶-40 g/L乳清蛋白混合体系G′和G″的影响(pH=9)Fig.11 Effect of pectin concentration on G′and G″of mixed pectin-40 g/L whey protein system (pH=9)

3 结论

当混合体系pH=7时，Ca2+可诱导果胶-40 g/L乳清蛋白混合体系形成凝胶。果胶-乳清蛋白混合体系表现出剪切稀化的流体特征。在同等pH值条件下，随着果胶体系浓度的增大，果胶-乳清蛋白混合体系的G′和G″都有明显的上升趋势。在pH=7的条件下，G′>G″；在pH=8和pH=9时，样品G′