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湿热条件下低聚木糖-乳清分离蛋白的美拉德反应及 产物乳化性与流变性研究
发布时间 : 2022.12.09
低聚木糖 乳清分离蛋白 美拉德反应 流变学性质

试验设计

 分别称取适量低聚木糖与乳清分离蛋白(WPI)分散在去离子水中制备固形物浓度为10%(W/V)的溶液,改变低聚木糖与WPI质量比分别为1:1、1:2、1:3、1:4,在4℃冰箱中充分水合12 h得到溶液。反应前用0.1 mol/LNaOH调节溶液的pH为8.0,90℃水浴加热,不同时间分别取样后迅速冰浴终止反应,所得溶液经冷冻干燥留待后用。取反应过程中 0 min、30 min、60 min、90 min、120 min、150 min样品通过冰浴终止反应后测定体系的 pH 值变化;在294 nm处测定WPI和低聚木糖的美拉德反应产物(MRPs)的吸光度,作为非酶促褐变中间产物形成的指标;在420 nm处测定MRPs的吸光度,作为在更高级阶段形成棕色聚合物的指标;采用比浊法计算MRPs乳化活性指数(EAI)和乳液稳定性指数(ESI);采用DHR-2流变仪对MRPs的动态和静态流变学性质进行测定。

试验结果

1)反应中溶液pH变化

 如图1所示,随着反应时间的延长,4个体系的pH均呈现下降趋势。在反应最初的 0.5 h内体系pH迅速下降,此后pH缓慢下降直至反应结束,并且pH从8.01降至7.77~7.51,其中低聚木糖与WPI比例为1:4时,pH变化最小,比例为1:1时变化最大。                                                                       


2UV-Vis吸光度的变化

 如图2a、2b所示,分别为不同比例的反应体系(低聚木糖:WPI)初始时刻和反应2.5 h时在294 nm和420 nm处的吸光度,四种体系反应后在两种吸光波长处的吸光度都有所增加。从294 nm处吸光度的增加来看,比例为1:2的反应体系增量最大(0.075±0.025);而比例为1:1的反应体系增量最小(0.030±0.0073),这说明比例为1:2 的体系在反应中产生的酮类和醛类等高活性中间产物最多,而比例为1:1的体系产生的中间产物最少;从420 nm处吸光度的增加来看,比例为1:2的反应体系增量最大(0.076±0.0082),说明该比例下反应产生的类黑素最多,而另外三个比例吸光度的增量无显著性差异,这与294 nm处结果相对应。类黑素是由上述产物经过环化、异构化、缩合等反应形成的棕色含氮聚合体,因此类黑素的含量与中间产物的积累量有关,这与本文研究结果一致。

 

3)低聚木糖-WPI美拉德产物粒径分析

 如图3所示,WPI经过湿热法美拉德反应前,各体系的平均粒径范围均在200~450 nm;反应2.5 h后,分子量增大,而平均粒径减小,各体系的平均粒径范围均在80~250 nm,其中比例为1:3的平均粒径最小为94.88±1.88 nm,比例为1:2的平均粒径最大为 214.83±4.80 nm。

 

4)低聚木糖-WPI美拉德反应产物的乳化性能

 如图 4a、4b所示,分别为不同比例的低聚木糖-WPI体系美拉德反应前后乳化特性的变化,其中湿热处理前后的WPI 作为对照组。

 由图4a可知,反应前各体系乳化活性(平均为35.65±1.45 m2/g)差异性不显著,而相较初始体系,经美拉德反应2.5 h的体系乳化活性稍有提高,其中比例为1:3的体系乳化活性最好(乳化活性指数为40.18±1.12 m2/g),比例为1:1的体系乳化活性最差(乳化活性指数为35.80±0.15 m2/g),但与之相反的是,WPI 经热处理后乳化性反而降低(34.10±0.75m 2 /g)。

 由图4b可知,反应前各体系的乳化稳定性范围为60.06±0.88~42.30±5.88 m2/g,其中低聚木糖-WPI比例为1:1时乳化稳定性最大,比例为1:3时最小,这可能是多糖含量不同造成的差异;而美拉德反应后各体系乳化稳定性均增加,比例为1:2的乳化稳定性最好(65.23%),比例为1:3时最差(56.85%),同时热处理后的WPI乳化稳定性也降低(41.64%±0.77%)。

 

5)低聚木糖-WPI美拉德反应产物的流变学性质

 如图5所示,WPI及4种比例低聚木糖-WPI美拉德反应产物的储能模量G'和损耗模量G''随温度和时间的变化曲线。

 由图5a可知,当升温温度在25.80~55.29℃时,WPI溶液G''>G',表现为流体特征,即溶胶状态;当温度在55.78℃时,WPI溶液开始出现G'>G'',在88.64℃时G'的急剧增大,说明在这个阶段发生了溶液-凝胶的转变,同时在初始的温度上升阶段(温度范围约为25~88.64℃),G'和 G''的值都非常小(<1 Pa)。随后G'始终大于 G'',在90℃下保持30 min期间,可能是热诱导更多的蛋白质分子聚集,WPI凝胶网络增强,从而提高了升温初始形成的弱凝胶弹性。随着温度从90℃降至25℃,G'进一步增大,最终达到13000 Pa以上,这种现象表明胶体网络强度在冷却过程中逐渐增强,这可能是由于变性蛋白质之间形成了额外的非共价相互作用(如凝胶结构中的分子间氢键、范德华力);在接下来的25℃平衡期间,G'和 G''几乎没有进一步的改变,保持相对平行,说明此时已经形成稳定的蛋白质凝胶网络结构。

 不同比例的低聚木糖-WPI美拉德反应产物溶液体系的模量随温度和时间的变化与 WPI的凝胶形成过程有所不同。在升温阶段中(25~90℃),G'和G''的变化较小,并且该值均小于10 Pa。在90℃下加热后才观察到MRPs溶液G'和G''显着增加,相比WPI曲线(125 s、88.64℃时开始急剧增大)MRPs溶液G'和G''显著增加的时间和温度均出现延迟(比例为 1:1、1:2、1:3、1:4 的体系分别在 147 s、154 s、167 s、129s),这种现象可能与低聚木糖的附着导致蛋白质变性温度升高有关。另一方面,G'和 G''在冷却过程中继续增加,在接下来的 25℃平衡期间G'和 G''值逐渐变得稳定,其中比例为1:3的体系G'值高达约 97000Pa(约WPI的7倍),其次是1:2的G'值约为38000 Pa,1:4和1:1的G'值分别为 18000 Pa和13000 Pa。同时整个升温和降温过程,G'始终大于G'',表明低聚木糖-WPI美拉德反应产物体系可能在25℃之前就表现出类固体性质。

  

 如图6所示,分别为WPI和4种比例低聚木糖-WPI美拉德反应产物溶液的流动行为,数据显示了溶液的表观粘度随剪切速率的变化情况。在0.1~100 s-1的剪切速率范围内,剪切速率不断升高,5种体系表观粘度不断降低,表现出剪切稀化行为,呈现出一种典型的假塑性流体流变特性。此外,在相同剪切速率下,WPI的表观粘度最小;虽然美拉德反应使得体系表观粘度增加,但体系中WPI所占比例越大,其假塑性特征越明显;随着WPI占比的降低,剪切速率不断增大,表观粘度下降逐渐减小。 


试验结论

 低聚木糖-WPI质量比为1:2时,体系美拉德反应程度最高,平均粒径最大,乳化活性和乳化稳定性也得到最大程度的提高。此外,本实验研究了糖基化修饰对WPI凝胶行为的影响,发现美拉德反应导致了各体系模量不同程度的增加,其中比例为1:3的低聚木糖-WPI美拉德反应产物的粘弹性最强,G'值约为原始WPI的7倍,结果证明美拉德反应可改善WPI的乳化特性和凝胶特性。

 

 

参考资料:

廖阳, 胡居吾, 马永花, 熊华, 赵强. 湿热条件下低聚木糖-乳清分离蛋白的美拉德反应及产物乳化性与流变性研究[J].现代食品科技,2019,35(12):20-27+111.