CN114098050B - 一种基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于大豆分离蛋白与卡拉胶的亚麻木酚素水凝胶及其制备方法，属于食品加工技术领域。该方法包括以下步骤：(1)将大豆分离蛋白粉末溶于水中，得到水合蛋白质溶液，然后加热得到蛋白质聚集体，冷却后备用；(2)将亚麻木酚素溶液与上述蛋白质聚集体混合，再加入卡拉胶，得到预凝胶溶液；(4)预凝胶溶液中加入葡萄糖酸‑δ‑内酯，得到基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶。本发明所述方法制备的凝胶具有良好的持水性、粘弹性和控制释放木酚素的能力。
Description
技术领域
本发明涉及到一种基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶及其制备方法，属于食品加工技术领域。
背景技术
亚麻木酚素是亚麻籽中的一类生物活性成分，研究表明，亚麻木酚素需经肠道微生物代谢转化为动物木酚素才能被人体吸收利用，具有抗癌、预防骨质疏松、预防心血管疾病、抗衰老等作用。许多生物活性分子包括木酚素，由于在食品加工过程中遇到的环境条件(如光照、温度和氧气)或胃肠道中(消化酶、pH等)的环境条件下缺乏稳定性等因素，经口服给药后存在稳定性差、生物利用度低等问题。
水凝胶由亲水大分子在水溶液中通过交联形成，具有三维聚合物网络的特征，能在水中膨胀并保留大量的水。由于具有良好的保水性和生物相容性，水凝胶可应用于传递功能性成分、装载药物和固定细胞等，可保护生物活性化合物不受胃肠道恶劣环境的影响，从而实现它们的可控释放。蛋白质基水凝胶具有突出的特性，如高营养价值、优异的功能性、可生物降解性和较低的毒性，其中大豆分离蛋白因成本低及良好的功能特性在食品工业中得到广泛应用。但单纯的蛋白质凝胶存在一定的局限性，如机械强度较低，在胃酸环境下易被胃蛋白酶快速降解，在体内的转运效率不高。
克服这一局限性的有效方法是形成蛋白质/多糖混合凝胶，使之能够在胃肠道内更有效地运输营养物质。目前的研究大多集中在蛋白质/多糖混合凝胶的微观结构、质地等方面，而对其释放特性和消化率的研究较少，且目前关于大豆分离蛋白-κ-卡拉胶混合凝胶包埋木酚素的研究尚未见报道。
发明内容
鉴于上述木酚素生物利用度低及蛋白基凝胶的不稳定等问题，本发明提供了一种基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶及其制备方法，改善了大豆分离蛋白凝胶的理化性能，对亚麻木酚素具有更好的控制释放作用。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将大豆分离蛋白溶于超纯水中，磁力搅拌过夜，使其充分水合，得到水合蛋白质溶液；
(2)将步骤(1)中所得大豆分离蛋白溶液置于水浴锅加热一定时间，用流水冷却至室温，得到蛋白质聚集体溶液，置于0-7℃冷藏备用；
(3)取亚麻木酚素粉末溶于超纯水中，得到木酚素溶液；将木酚素溶液逐滴滴加到步骤(2)所得蛋白质聚集体溶液中，在室温下避光磁力搅拌均匀；
(4)将步骤(3)得到的混合溶液预热后，在磁力搅拌条件下将κ-卡拉胶粉末加入混合溶液中，搅拌5-10min后于45-60℃水浴保温，得到预凝胶溶液；
(5)在步骤(4)所得预凝胶溶液中加入葡萄糖酸-δ-内酯溶液，然后在室温磁力搅拌10-15min后置于0-7℃冷却12-24h，得到大豆分离蛋白-木酚素-卡拉胶混合水凝胶，即基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶。
按上述方案，步骤(1)中，大豆蛋白在水中的质量浓度为8％-12％。
按上述方案，步骤(2)中，加热温度为80-90℃，加热时间为30-40min。
按上述方案，步骤(3)中，木酚素溶液浓度为2-8mg/mL，避光搅拌的时间为2-3h；木酚素溶液与蛋白质聚集体溶液的体积比为1：(8-12)。
按上述方案，步骤(4)中，预热温度为45-60℃，预热时间为2-5min；预凝胶溶液中κ-卡拉胶的质量浓度为0％-0.6％，且不能为0，优选0.1％-0.6％。
按上述方案，步骤(5)中葡萄糖酸-δ-内酯水溶液的质量浓度为10％-30％；预凝胶溶液与葡萄糖酸-δ-内酯溶液的体积比为(15-25)：1，优选20：1。
按上述方案，步骤(5)中，混合水凝胶中葡萄糖酸-δ-内酯的质量浓度为1％-1.5％，大豆分离蛋白与木酚素的质量比为(100-200):1，卡拉胶与木酚素的质量比为(1-10):1。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
与传统的大豆蛋白凝胶相比，本发明所述利用葡萄糖酸-δ-内酯作为酸化剂形成冷定型凝胶，以大豆分离蛋白和卡拉胶为壁材包埋生物活性物质木酚素，因其良好的生物相容性和类固体结构，不仅改善了大豆分离蛋白凝胶的理化性质，提高了凝胶的持水性、粘弹性等；同时，在模拟胃肠道的恶劣环境下对木酚素起到一定保护作用和有效的控释作用，拓展了作为蛋白-多糖凝胶递体系在食品工业领域的应用。
附图说明
图1是混合凝胶的扫描电镜图及经过经冷冻干燥后的图，其中A代表对比例1制备的SPI水凝胶，B代表对比例2制备的SPI-G水凝胶，C、D、E、F、G分别代表实施例1添加了0.05％、0.1％、0.2％、0.4％和0.6％κ-卡拉胶得到的最终混合水凝胶；
图2是混合水凝胶的持水性和脱水收缩率；
图3是凝胶样品的储能模量G′、损耗模量G″和损耗角正切tanδ随频率的变化；
图4是凝胶样品经体外模拟消化系统模型消化后的木酚素释放率。其中A代表无消化酶条件下的释放率，B表示有消化酶条件下的释放率。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面通过实施例的方式进一步阐明本发明的内容，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶的制备方法，具体步骤如下：
(1)制备大豆分离蛋白溶液：称取0.84g大豆分离蛋白(SPI)溶于9mL超纯水中，磁力搅拌过夜，使其充分水合；
(2)大豆分离蛋白聚集体的制备：将步骤(1)中所得水合蛋白质溶液置于80℃恒温水浴锅加热30min，用流水冷却至室温，置于4℃冰箱备用；
(3)大豆分离蛋白聚集体-木酚素的混合溶液的配制：取52.5mg亚麻木酚素粉末溶于10mL超纯水中得到5.25mg/mL木酚素溶液，取木酚素溶液1mL用注射器逐滴滴加到步骤(2)所得的蛋白质聚集体溶液(约10mL)中，在室温下避光磁力搅拌3h；
(4)大豆分离蛋白聚集体-木酚素-卡拉胶的预凝胶溶液的制备：将步骤(3)得到的混合溶液在60℃集热式恒温磁力搅拌器中预热2min，在磁力搅拌条件下将κ-卡拉胶粉末加入到溶液中，使κ-卡拉胶浓度为0.05％、0.1％、0.2％、0.4％、0.6％，样品分别命名为SPI-0.05K、SPI-0.1K、SPI-0.2K、SPI-0.4K、SPI-0.6K，磁力搅拌10min后于45℃水浴保温，得到预凝胶溶液；
(5)葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)溶液的配制：称取2.1g葡萄糖酸-δ-内酯粉末溶于10mL超纯水中，得到质量浓度为21％的GDL溶液；
(6)大豆分离蛋白-木酚素-卡拉胶混合凝胶的制备：在步骤(4)得到的10mL预凝胶溶液SPI-0.05K、SPI-0.1K、SPI-0.2K、SPI-0.4K、SPI-0.6K中分别加入0.5mL GDL溶液，使GDL在混合溶液中最终浓度约为1％，将溶液在25℃磁力搅拌10min后置于4℃冰箱冷却24h，得到大豆分离蛋白-木酚素-卡拉胶混合水凝胶C、D、E、F、G(混合水凝胶C、D、E、F、G分别对应SPI-0.05K、SPI-0.1K、SPI-0.2K、SPI-0.4K、SPI-0.6K)，即为基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶。
对比例1
本对比例提供了未加葡萄糖酸-δ-内酯作为交联剂和未加κ-卡拉胶的大豆分离蛋白凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
(1)制备大豆分离蛋白溶液：称取0.84g大豆分离蛋白(SPI)溶于9mL超纯水中，磁力搅拌过夜，使其充分水合；
(2)大豆分离蛋白聚集体的制备：将步骤(1)中所得水合蛋白质溶液置于80℃恒温水浴锅加热30min，用流水冷却至室温，置于4℃冰箱备用；
(3)大豆分离蛋白-木酚素混合溶液的配制：取52.5mg亚麻木酚素粉末溶于10mL超纯水中得到5.25mg/mL木酚素溶液，取木酚素溶液1mL用注射器逐滴滴加到步骤(2)所得的蛋白质聚集体溶液中，在室温下避光磁力搅拌3h；
(4)大豆分离蛋白-木酚素混合凝胶的制备：将步骤(3)所得溶液在25℃磁力搅拌10min后置于4℃冰箱冷却24h，得到大豆分离蛋白-木酚素混合水凝胶，样品命名为SPI水凝胶。
对比例2
本对比例提供了未添加κ-卡拉胶的大豆分离蛋白凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
(1)制备大豆分离蛋白溶液：称取0.84g大豆分离蛋白(SPI)溶于9mL超纯水中，磁力搅拌过夜，使其充分水合；
(2)大豆分离蛋白聚集体的制备：将步骤(1)中所得水合蛋白质溶液置于80℃恒温水浴锅加热30min，用流水冷却至室温，置于4℃冰箱备用；
(3)大豆分离蛋白-木酚素混合溶液的配制：取52.5mg亚麻木酚素粉末溶于10mL超纯水中得到5.25mg/mL木酚素溶液，取木酚素溶液1mL用注射器逐滴滴加到步骤(2)所得的蛋白质聚集体溶液中，在室温下避光磁力搅拌3h；
(4)将步骤(3)得到的混合溶液在60℃集热式恒温磁力搅拌器中预热2min，磁力搅拌10min后于45℃水浴保温；
(5)葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)溶液的配制：称取2.1g葡萄糖酸-δ-内酯粉末溶于10mL超纯水中，得到质量浓度为21％的GDL溶液；
(6)大豆分离蛋白-木酚素混合凝胶的制备：在步骤(4)得到的预凝胶溶液中加入0.5mL GDL溶液，使其在混合溶液中最终浓度为1％，将溶液在25℃磁力搅拌10min后置于4℃冰箱冷却24h，得到大豆分离蛋白-木酚素混合水凝胶，样品命名为SPI-G水凝胶。
性能测试
1、混合凝胶表面形貌分析
对实施例1和对比例1、2提供得到混合凝胶的物理特性进行研究。
(1)扫描电镜
取适量冷冻干燥后的凝胶样品，均匀铺在导电胶的一面，并在样品表面喷金。用场发射扫描电子显微镜(ZEISS MERLIN Compact)在10.0kV加速电压条件下扫描，并观察样品的微观形态。扫描电镜和冷冻干燥后的凝胶图见图1。
如图1所示，所有凝胶样品显示出一个具有不规则交联链和空腔的网络结构。实施例1中，随着卡拉胶的浓度的增加，混合水凝胶网络趋于致密，0.4％和0.6％的卡拉胶可诱导凝胶形成稳定、连续的三维网络结构，凝胶的性能得到改善。在加热过程中，浓缩的大豆分离蛋白分子更加充分地展开和交联，且卡拉胶可促进蛋白聚集物通过弱键形成凝胶网络，并在网络中起到一定的填充作用。在冷却阶段，卡拉胶在整个混合系统中进一步加强蛋白质网络结构。卡拉胶的浓度超过0.6％，粘度很大，反而不容易形成凝胶。
由冷冻干燥后的凝胶图可以观察到，对比例1SPI水凝胶表面结构粗糙，结构零碎无序，说明在本发明的制备条件下，SPI分子在胶凝过程中没有完全展开，未与相邻的蛋白质很好地连接。对比例2SPI-G水凝胶样品存在较多裂缝，可能是因其存在的水通道会破坏凝胶的完整性，降低凝胶的质量。而本发明实施例加入卡拉胶则结合了部分水，稳定凝胶的水分相，形成表面较光滑、孔隙紧密的网络，且卡拉胶浓度的增加使大豆分离蛋白-木酚素-卡拉胶混合水凝胶形成更密集、更均匀的结构，可对木酚素起到更好的保护和缓释作用。
(2)混合凝胶的持水性(WHC)和脱水收缩性(syneresis)
将凝胶样品置于10mL离心管中，在室温下离心(3000×g，10min)，排出多余的水，并用滤纸仔细干燥样品表面。凝胶的持水性计算公式为：持水性(％)＝(凝胶质量-排出的水质量)/凝胶质量×100。
凝胶样品在室温下倒置放置120min后，称量多余的水的质量，脱水收缩率(％)＝排出的水质量/凝胶质量×100。
因纯SPI水凝胶样品(对比例1)无法形成稳定的类固体凝胶，流动性较强，故无法测定持水性及脱水收缩率。具有更高持水性的凝胶更适合应用于食品工业中，因为失水会导致凝胶的收缩和质量下降。对于添加了GDL作为交联剂的样品(实施例1及对比例2)，随着卡拉胶浓度的增加，持水性逐渐增加，卡拉胶浓度为0.1％-0.6％时，脱水收缩率显著低于卡拉胶浓度为0％和0.05％的水凝胶，表明卡拉胶的添加提高了凝胶三维网络结构的稳定性，改善了凝胶的物理稳定性，更加有利于凝胶内木酚素的稳定。
2、混合凝胶流变性能分析
用流变仪(Thermo HAAKE MARS 60)对各水凝胶样品进行动态流变的频率扫描测定。样品装载在底板上，在测试前平衡1分钟。SPI样品用35毫米2度锥板，其余样品用20毫米锯齿平板在25℃下测定了储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗角正切(tanδ)，振荡频率为0.01Hz至100Hz，固定应变为5％，横坐标取对数log10处理。测定结果如图3所示。
频率扫描中储能模量(G′)和损耗模量(G″)分别反应了水凝胶的弹性行为和粘性行为。如图3所示，随着频率的增加，水凝胶样品的G′和G″逐渐增加，且在相同频率下，G″值显著低于G′值，揭示了凝胶样品的弹性行为。SPI水凝胶样品的G′和G″远小于添加了GDL作为交联剂的水凝胶，表明纯SPI水凝胶的弹性较低，样品抵抗外应力的能力较弱。对于实施例1制备的大豆分离蛋白-木酚素-卡拉胶混合水凝胶，G′、G″值均随着卡拉胶浓度的增加而增加，且tanδ(损耗模量与储能模量之比)始终小于1，表明该体系呈现出一种凝胶典型的类固体行为，卡拉胶填充了蛋白凝胶网络的空隙，增强了大豆分离蛋白凝胶的弹性行为和硬度。
3、混合凝胶在体外模拟胃肠道消化条件下对木酚素的释放
(1)模拟胃肠液的配制：分别称取7.0128g氯化钠，0.3728g氯化钾，0.8821g二水合氯化钙和3.2g胃蛋白酶，溶于1000mL蒸馏水中，将溶液pH调至2.5，得到模拟胃液；分别称取0.0441g二水合氯化钙，1.7532g氯化钠，5g猪胆盐和8g胰酶，溶于1000mL蒸馏水中，将溶液pH调至7.0，得到模拟肠液。
无消化酶的模拟消化介质的配制：未添加胃蛋白酶与胰酶，其余步骤与模拟胃肠液一致。
(2)木酚素释放率的测定：将200mg实施例与对比例制备的水凝胶冻干样品与40mL模拟胃液(pH＝2.5)混合(模拟胃相)，在黑暗中37℃，100rpm振摇孵育2h，随后从模拟胃相中收集的20mL反应物与等体积释模拟肠液(pH＝7.0)混合，混合物在黑暗中37℃，100rpm振摇孵育2.5h。在模拟消化的过程中，每隔30min取出小份(1.5mL)消化液，沸水浴10min对酶进行灭活，立即在5000rpm离心30min收集上清液。每次取样后，向混合物中添加等量的释放介质，以保持恒定的体积。取各样品上清液1mL加入3倍体积的5％磷钼酸乙醇溶液，在80℃水浴1h蒸去溶剂，移入沸水浴中加热15min，流水冷却后加入15mL蒸馏水，超声至完全溶解，于740nm处测定吸光值。木酚素的累积释放率由以下公式计算得到：
式中，Q为木酚素的累积释放率，V1为释放介质的体积，V2为取样的体积(1.5mL)，C为木酚素的浓度(由标准曲线计算)，n为取样的次数，W为冻干样品中木酚素的质量(200mg)。分别在无消化酶和有消化酶的释放介质中模拟消化，结果如图4所示。
由图4可知，可以看到含消化酶的水凝胶中，木酚素的释放率均高于不含消化酶的样品，表明该水凝胶在模拟胃肠道中的释放特性受消化酶的影响，消化酶能够破坏蛋白质网络，因此加快了木酚素的释放，释放曲线的差异与凝胶的溶胀特性和微观结构有关。与纯SPI水凝胶相比，添加了GDL的凝胶样品(实施例1和对比例2)在整个模拟消化过程中的释放率较低，呈现缓慢的释放趋势，在模拟释放过程结束时，对于样品SPI、SPI-G、SPI-0.05K、SPI-0.1K、SPI-0.2K、SPI-0.4K和SPI-0.6K，模拟胃肠液中木酚素的累积释放率分别为77.43％、58.24％、58.30％、55.13％、47.36％、49.42％和46.00％，凝胶样品对木酚素在模拟胃肠道消化的环境中起到一定的保护作用，且卡拉胶的添加增强了这一作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (4)
1.一种基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：
（1）将大豆分离蛋白溶于水中，使其充分水合，得到水合蛋白质溶液；其中，大豆蛋白在水中的质量浓度为8%-12%；
（2）将步骤（1）中所得大豆分离蛋白溶液加热，加热温度为80-90 ℃，加热时间为30-40min，得到蛋白质聚集体溶液，冷却至室温，置于0-7 ℃冷藏备用；
（3）将木酚素粉末溶于水中得到木酚素溶液，浓度为2-8 mg/mL；将木酚素溶液逐滴滴加到步骤（2）所得蛋白质聚集体溶液中，避光搅拌均匀；
（4）将步骤（3）得到的混合溶液预热后，在搅拌条件下将κ-卡拉胶粉末加入混合溶液中，然后于45-60 ℃ 水浴保温，得到预凝胶溶液；其中，预热温度为45-60 ℃，预热时间为2-5 min；预凝胶溶液中κ-卡拉胶的质量浓度为0%-0.6%，且不能为0；
（5）在步骤（4）所得预凝胶溶液中加入葡萄糖酸-δ-内酯水溶液，混合均匀后于0-7℃冷却12-24 h，得到大豆分离蛋白-木酚素-卡拉胶混合水凝胶，即基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶；其中，混合水凝胶中葡萄糖酸-δ-内酯的质量浓度为1%-1.5%，蛋白质与木酚素的质量比为（100-200）:1，卡拉胶与木酚素的质量比为（1-10）：1。
2. 根据权利要求1所述基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，避光搅拌的时间为2-3 h。
3.根据权利要求1所述基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（5）中葡萄糖酸-δ-内酯水溶液的质量浓度为10%-30%。
4.一种由权利要求1-3中任意一项所述方法制得的基于大豆分离蛋白与卡拉胶的木酚素水凝胶。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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