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利用LUMiSizer®评估羧甲基魔芋葡甘露聚糖对豌豆蛋白水分散液的稳定性影响

更新更新时间:2023-05-26      点击次数:865

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近年来,消费者对中性与酸性植物蛋白饮料的需求不断增加。豌豆蛋白作为一种植物来源的天然可持续性蛋白质,是代替动物蛋白用于食品配方的可靠原料之一。然而,豌豆蛋白因表面疏水性强且电荷量低,导致其在水中的溶解度低、物理稳定性差。尤其在酸性条件下,当体系pH值接近蛋白质等电点时,豌豆蛋白易发生聚集,使体系稳定性进一步大幅降低,因此豌豆蛋白在酸性蛋白饮料中的应用受到很大限制。

天然生物大分子多糖与蛋白质相互作用,可以阻止或减缓蛋白质的聚集和沉降,提高蛋白分散液的物理稳定性。多糖对蛋白分散液体系的稳定主要有2 种作用机制:一是在酸性条件下,聚阴离子多糖,如果胶、羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)或大豆可溶性多糖,可与带正电荷的蛋白颗粒形成静电复合物,通过静电排斥和空间位阻保持蛋白质分散液的稳定性。这些多糖与酪蛋白胶束发生静电吸附,在蛋白胶束表面形成了刷状或环状吸附结构,从而阻止了蛋白胶束的酸诱导聚集使体系稳定。二是,添加的多糖在体系中形成高分子物理缠结网络,增加了连续相的黏度,从而阻碍和迟滞了蛋白颗粒的聚集和沉降。

近期对魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan,KGM)、 CMC 和玉米纤维胶以及羧甲基改性的玉米纤维胶(carboxymethylated corn fiber gum,CMCFG)提高豌豆蛋白分散液(pea protein dispersion,PPD)稳定性的能力进行比较研究发现,KGM的添加可通过增黏作用实现PPD在中性和酸性(pH 3.5)条件下的物理稳定,羧甲基化的CMC和CMCFG则通过与豌豆蛋白的静电吸附促成了体系的稳定。


1 材料和方法


KGM 湖北一致魔芋生物科技股份有限公司;NUTRALYS® S85F豌豆分离蛋白(纯度85%)

法国罗盖特公司;盐酸和柠檬酸等化学试剂均为国产分析纯;超纯水为实验室自制;CMKGM为基于已知方法,制备7 种不同分子质量和不同取代度的样品。

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2 仪器与设备


ME204/02电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;MZ3004磁力搅拌器 上海志威电器有限公司;Milli-Q Plus超纯水系统美国Millipore公司;HAAKE MARSIII旋转流变仪 美国Thermo Fisher公司;高压均质机 美国NanoDeBEE公司;LUMiSizer稳定性分析仪 德国LUM GmbH公司;Zetasizer Nano-ZS90粒径分析仪 英国马尔文仪器公司。


3 方法


PPD的制备

称取一定量的豌豆分离蛋白分散于超纯水中,在室温下搅拌1 h,并用高压均质机在50 MPa下循环均质7 次,获得质量分数1%的PPD。将CMKGM样品溶于超纯水中,配制不同质量分数的多糖溶液,然后将1% PPD与多糖溶液以1∶1的质量比混合后搅拌1 h,采用500 g/kg的柠檬酸调节pH值至3.5,继续搅拌1 h,获得多糖稳定的蛋白分散液。

不稳定指数测试

采用稳定性分析仪对新鲜制备的PPD-多糖复合物(中性和p H 3.5)进行稳定性测试。测试条件:转速3 000 r/min,光源865 n m,测试时长1.0 h,温度25 ℃。


4 结果与讨论


质量分数一定条件下不同CMKGM对PPD体系的稳定效果比较。

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A.空白;B. KGM;C. CMKGM-1;D. CMKGM-2;E. CMKGM-3;F. CMKGM-4;G. CMKGM-5;H. CMKGM-6;I. CMKGM-7;下标1. pH 7.0;下标2. pH 3.5。

图 1 中性和pH 3.5条件下质量分数1%的KGM和CMKGM的 1% PPD的透过率变化

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如图1所示,在透射曲线上,红线表示样品初始状态的透过率,绿线代表测试进行过程中样品的透过率。在离心过程中,密度大的分散相逐渐迁移到样品管底部,从而使上清液部分的透过率增加。通过透射曲线的变化可以反映出分散液的稳定性。一般而言,在离心过程中,透过率变化越大,样品越不稳定。基于透射曲线还能获得样品的不稳定指数,可定量表征不同样品稳定性的大小(图2)。不稳定指数的数值介于0~1之间,其中0表示体系非常稳定,而1代表体系非常不稳定。在稳定性评估中,以不稳定指数达到0.2或以下为稳定标准。

由图1、2可知,在不添加稳定剂的情况下,PPD在中性和pH 3.5下均不稳定,且酸性条件下的不稳定程度远大于中性条件。这是由于豌豆蛋白在水中的溶解度低,在离心过程中容易发生聚集,特别是当pH值降低,接近豌豆蛋白等电点(~pH 4.5)时,蛋白颗粒之间的静电斥力减弱,更加剧了蛋白胶束的聚集和沉降。多糖的添加在很大程度上改善了体系的稳定性。仅质量分数1%的中性KGM,PPD在中性和酸性条件下都能表现出良好的稳定性。由于不产生有效吸附,这主要是由于KGM的增黏作用。在中性条件下,当添加1%的具有不同取代度和不同分子质量的CMKGM样品时,仅有CMKGM-1能够有效稳定PPD,其他样品(CMKGM-2~CMKGM-7)均不能起到稳定作用。由于在中性条件下,豌豆蛋白颗粒和多糖分子均带负电荷,多糖的稳定作用主要来源于其增黏作用,然而对于CMKGM-2~CMKGM-7样品,由于分子质量逐渐降低,在相同质量分数下(1%)不能起到有效的增黏作用,故不能稳定PPD。在pH 3.5条件下,CMKGM-1、CMKGM-2和CMKGM-3均能在一定程度上保持PPD的稳定,这是因为在酸性条件下豌豆蛋白带正电,带负电的CMKGM能够与豌豆蛋白发生静电吸附使PPD-多糖复合物带负电,从而通过静电排斥作用和空间位阻作用阻碍蛋白颗粒的聚集。再加上未吸附多余多糖分子的增黏作用,两者共同维持了PPD体系的稳定。然而,尽管CMKGM-4~CMKGM-7这4 个样品的羧甲基的取代度增加有利于发挥其在酸性条件下稳定PPD体系中的静电排斥作用,但是由于分子质量过低导致增黏作用大幅减弱,使这些样品在质量分数1%的条件下不能稳定酸性PPD体系。


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