CN114246326A - 一种改性蛋清蛋白的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性蛋清蛋白的制备方法及其应用，属于蛋白质改性技术领域。本发明以蛋清蛋白粉为原料，通过添加水苏糖进行干热反应制备改性蛋清蛋白。再将改性蛋清蛋白酸热诱导处理后制备改性蛋清蛋白纳米颗粒，并用制成的改性蛋清蛋白或改性蛋清蛋白纳米颗粒制备O/W乳液。本发明的方法可以大大提高蛋清蛋白的乳化性，并且极大的缩短了干热接枝的时间，提高蛋清蛋白改性效率。采用本发明方法制备的O/W乳液的具有良好稳定性和包封率性能，具有用于包埋生物活性物质的食品或保健品的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性蛋清蛋白的制备方法及其应用，属于蛋白质改性技术领域。
背景技术
蛋清蛋白作为一种功能性食品原料，不仅具有很高的营养价值，还具有良好的功能特性，包括凝胶性和起泡性等，被广泛应用于食品加工领域，如常被用于鱼糜、肉制品、焙烤食品及饮料中，用以改善食品的口感、质地、营养成分及风味。但是这些功能特性在实际生产中还不能满足产品的需求，尤其是较差的乳化性和热稳定性等特性大大限制了蛋清蛋白的应用范围。目前国内外许多学者通过对其进行改性，来提高或者改善蛋清蛋白的功能特性从而提高蛋清蛋白的利用价值。蛋白质的改性方法主要包括物理改性、化学改性和酶法改性。蛋清蛋白的物理改性方法多为超高压处理和脉冲电/磁场改性，主要是对蛋白质结构和聚集方式的改变。此方法虽然高效，绿色环保，但消耗能源多、设备昂贵、难以用于实际生产；化学改性主要包括磷酸化等，此方法可以引入特定功能基团如亲水、亲油、负电荷基团等定向的改变蛋白的凝胶性、热稳定性和乳化性等功能特性。但由于此法需要引入化学试剂，存在较多的安全隐患故而难以运用到食品中；酶法改性也是蛋清蛋白改性中应用较广的一种方法，可以温和有效的降低蛋白相对分子质量，使蛋白质内部疏水基团暴露。但是过度水解产生大量小分子多肽，难以在水油界面稳定吸附，故而会降低蛋白的乳化性。美拉德反应作为一种天然发生，安全绿色的化学反应近些年来受到越来越多国内外学者的广泛关注。
美拉德反应(Maillard reaction)，又称为非酶糖基化反应(non-enzymaticglycation)，是指蛋白质分子中氨基酸侧链上的自由氨基与糖分子还原末端的羰基以共价键的形式连接，而产生糖基化蛋白的羰氨反应。该反应很容易进行，不需催化剂，在蛋白质与糖分子间可自发进行。研究表明，糖基化反应可改善蛋白质的功能特性但反应包括一系列非常复杂的反应，产物种类繁多、结构复杂、性能差异较大。其制备方法主要有干热法和湿热法。湿热法具有温度易控制、反应时间短等优点，但反应较为激烈常伴随着形成糖基化中后期产物，直接影响了接枝产物的功能特性和安全性。而干热法恰好弥补了这一缺陷。干热法的特点是反应条件温和、温度较低，但其所耗用时间较长。
现阶段对于蛋清蛋白改性的研究多采用麦芽糊精等多糖与蛋白接枝以改变其功能特性，但由于这几种糖本身分子结构较大，往往要72h以上的反应时间才能达到较理想的蛋清蛋白改性效果，大大的增加了生产成本。
发明内容
【技术问题】
本发明要解决的技术问题是：提供一种蛋清蛋白的高效改性方法并且在此基础上通过后续处理进一步提高改性蛋清蛋白的乳化性和乳化稳定性。
【技术方案】
水苏糖是由2分子α－半乳糖、1分子α－葡萄糖和1分子β－果糖构成的四糖，是一种非还原糖。本发明以水苏糖为原料对蛋清蛋白进行改性，既可以避免小分子还原性糖与蛋清蛋白反应剧烈，反应不易控制，副反应多的缺点，又与蛋清蛋白具有较高的反应效率，只需与蛋清蛋白反应数小时，其接枝产物便可具有优良的乳化性和乳化稳定性，可以极大提高蛋清蛋白改性效率。因而采用水苏糖改性蛋清蛋白，并进一步对改性蛋清蛋白进行酸热诱导处理制备改性蛋白酸热聚集体，将酸热聚集体作为水相乳化剂应用于O/W乳液的制备，所制得的O/W乳液在低温和常温下可以稳定60天以上，包封率高，安全性好，具有较好的应用前景。
本发明的第一个目的是提供一种高效制备改性蛋清蛋白的方法，所述方法是以水苏糖为原料对蛋清蛋白进行改性；所述改性指的是将水苏糖和蛋清蛋白混合后进行热处理。所述方法只需将水苏糖与蛋清蛋白反应数小时，其接枝产物便可具有优良的乳化性和乳化稳定性，可以极大提高蛋清蛋白改性效率。
在本发明的一种实施方式中，所述热处理条件为：温度55-65℃，时间为4-6h。
在本发明的一种实施方式中，蛋清蛋白与水苏糖的质量比为7：3-9：1(w/w)。
在本发明的一种实施方式中，热处理前水苏糖和蛋清蛋白为粉末状。
在本发明的一种实施方式中，将蛋清蛋白粉与水苏糖混合，然后将混合物在水中溶解；对得到的混合物溶液进行pH调节后进行澄清除去不溶性沉淀物，得到蛋清蛋白与水苏糖混合溶液；对得到的混合物进行喷雾干燥，得到蛋清蛋白与水苏糖混合物的干燥粉末。
本发明的第二个目的是提供一种根据上述方法制备得到的改性蛋清蛋白。
本发明的第三个目的是提供一种改性蛋白纳米颗粒，所述纳米颗粒是以上述改性蛋清蛋白为原料，经酸热诱导得到纳米颗粒。由于蛋白的可食用性和两亲性质，蛋白制备的热诱导纳米颗粒被广泛用做皮克林乳液稳定剂和活性物质递送体系，且球状蛋白热诱导形成的纳米颗粒可以显著提高其乳化能力以及与疏水生物活性化合物的结合能力。
在本发明的一种实施方式中，酸热诱导条件为：pH为3.0～4.0；加热条件为：温度为50-60℃，时间10～20min。
本发明的第四个目的是提供一种含有上述改性蛋清蛋白或上述改性蛋白纳米颗粒的乳液。
本发明的第五个目的是提供一种O/W乳液，所述O/W乳液包含上述改性蛋清蛋白或上述改性蛋白纳米颗粒的溶液。
在本发明的一种实施方式中，水相与油相体积比为90：10-50：50；O/W乳液中改性蛋白或改性蛋白纳米颗粒的含量为0.5％-2％。
在本发明的一种实施方式中，所述方法包括以下步骤：
(1)预处理：将蛋清蛋白粉与水苏糖混合，然后将混合物在水中溶解。
(2)澄清分离：对(1)得到的混合物溶液进行pH调节，然后进行澄清除去不溶性沉淀物，得到蛋清蛋白与水苏糖混合溶液；
(3)干燥：对(2)得到的混合物进行喷雾干燥，得到蛋清蛋白与水苏糖混合物的干燥粉末；
(4)干热改性：对(3)得到的喷雾干燥粉末进行干热处理，得到水苏糖改性蛋清蛋白产物；
(5)精制：对(4)得到的改性蛋清蛋白溶解，然后陶瓷膜过滤后得到改性蛋清蛋白精制液；
(6)酸热诱导聚集体制备：对(5)得到的改性蛋清蛋白精制液进行pH调节后加热，得到改性蛋清蛋白热诱导聚集体溶液；
(7)O/W乳液制备：将油加入水相中，高速剪切后进行高压均质，得到O/W乳液；
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中蛋清蛋白粉与水苏糖为7：3-9：1(w/w)
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的陶瓷膜的孔径为50-500nm，陶瓷膜澄清分离的参数为：压力为0.1-1MPa，温度为20-65℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中所述喷雾干燥的条件为进风温度160-180℃，出风温度70-90℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)中所述干热处理条件为，温度55-65℃，相对湿度79％，时间为4-6h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(5)中所述的陶瓷膜的孔径为50-500nm，陶瓷膜澄清分离的参数为：压力为0.1-1MPa，温度为20-65℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(6)中所述pH调节范围为：pH 3.0～4.0；加热条件为：温度为50-60℃，时间10～20min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(7)中高速剪切条件为：转速为9000–11000rpm,时间为2-3min；高压均质条件为25-30MPa，2-3次；油相体积为10-50％(v/v)；改性蛋清蛋白或改性蛋白纳米颗粒含量为0.5％-2％(w/v)。
本发明的第六个目的是提供一种上述改性蛋清蛋白或上述改性蛋白纳米颗粒在制备包埋剂、食品、医药品、化妆品中的应用。其中，改性蛋清蛋白或改性蛋白纳米颗粒可作为包埋材料或乳化剂。
本发明的有益效果：
(1)采用水苏糖干热接枝改性蛋清蛋白并进一步制备改性蛋白酸热诱导聚集体，与传统蛋清蛋白糖接枝改性反应相比，在有效提高蛋清蛋白乳化性的同时可显著缩短改性反应时间，极大提高蛋清蛋白的改性效率。
(2)本发明采用水苏糖干热接枝改性蛋清蛋白的酸热诱导聚集体作为亲水性表面活性剂制备O/W乳液具有良好的稳定性，可以在常温下稳定至少60天。
附图说明
图1为本发明实施例1的O/W乳液的显微图片(物镜放大倍数为100×)。
图2为本发明实施例1的O/W乳液的激光共聚焦图片(物镜放大倍数为63×)。
图3为本发明实施例1的O/W乳液的表观图片。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
测试方法：
1、乳化活性指数(EAI)和乳化稳定性指数(ESI)
EAI和ESI通过比浊法测定。将样品溶解至蛋白含量为0.1％(w/v)，并用1M NaOH或HCl调节pH至7.0。通过高速剪切机在室温下以11,000r/min的转速将3 0mL样品溶液与10mL玉米油乳化1min。乳化后，取100μL第0min和10min的管底乳液，并移入5mLSDS溶液(0.1％(w/v))中。然后用紫外-可见光分光光度计在500nm下测定稀释溶液的浊度。EAI是乳化0min后测定的吸光值。ESI值通过公式计算。
ESI ＝A0×10/(A0-A10) (1)
其中，A0和A10分别是0和10min时稀释乳液的吸光值。
2、储藏稳定性：
通过测量乳液在4℃下储存60天内的乳析指数来表示乳液的稳定性。
乳析指数：量取10mL乳液转移到玻璃瓶中，然后在4℃下储存，然后在储存60天后记录乳清相的高度(乳白色外观)和总样品高度。乳析指数表示了相分离程度，其计算按照如下公式：
乳析指数(％)＝100×Hs/Ht (2)
其中，Hs是乳清相的高度，Ht是样品的总高度。
3、包封率和包封稳定性：
以虾青素作为包埋指示物，0.1mL O/W乳液加入正己烷和乙醇混合液(正己烷：乙醇＝3：1(v/v)，在4℃，4000×g的条件下离心10min，吸取上层清液后过0.22μm有机滤膜得到滤液。用紫外-可见光分光光度计在476nm下测吸光度，计算得到包埋进油相的虾青素含量。根据公式计算出包封率和包封稳定性。
包封率％＝新鲜乳液中虾青素的含量/添加虾青素的含量×100％ (3)
包封稳定性％＝第x天乳液中虾青素的含量/添加虾青素的含量×100％ (4)
实施例1：水苏糖改性蛋清蛋白制备方法
将70g蛋清蛋白粉(凯氏定氮测得蛋白含量80.34％)与水苏糖30g混合后溶解于800g水中，然后用0.1M HCl或者0.1M NaOH调节溶液至pH 7.0。混合液用孔径为50-500nm的陶瓷膜进行分离，除去不溶物。陶瓷膜澄清分离的参数为：压力为0.5MPa，温度为25℃，收集滤过液后进行喷雾干燥。喷雾干燥条件为进风温度170℃，出风温度90℃。将得到的蛋清蛋白和水苏糖粉末放入恒温恒湿箱中在60℃，相对湿度为79％的条件下干热反应6h。将获得的改性蛋清蛋白置于–18℃储存。
测量改性蛋清蛋白的EAI和ESI指数，分别为0.831和0.642。
实施例2：水苏糖改性蛋清蛋白制备方法
将70g蛋清蛋白粉(凯氏定氮测得蛋白含量80.34％)与水苏糖30g混合后溶解于800g水中，然后用0.1M HCl或者0.1M NaOH调节溶液至pH 7.0。混合液用孔径为50-500nm的陶瓷膜进行分离，除去不溶物。陶瓷膜澄清分离的参数为：压力为0.5MPa，温度为25℃，收集滤过液后进行喷雾干燥。喷雾干燥条件为进风温度170℃，出风温度90℃。将得到的蛋清蛋白和水苏糖粉末放入恒温恒湿箱中在65℃，相对湿度为79％的条件下干热反应24h。将获得的改性蛋清蛋白置于–18℃储存。
测量改性蛋清蛋白的EAI和ESI指数，分别为0.825和0.619。
实施例3：水苏糖改性蛋清蛋白制备方法
参照实施例1的方法制备水苏糖改性蛋清蛋白，区别在于，调整干热反应温度为45-70℃，其他条件同实施例1。
表1不同干热反应温度对乳化活性(EAI)和乳化稳定性(ESI)的影响
由表1可知，温度过低美拉德反应速度缓慢，导致蛋清蛋白乳化活性或/和乳化稳定性不理想，温度过高会加剧美拉德反应，蛋清蛋白乳化活性和乳化稳定性逐渐降低。因此，优选地干热反应温度为60℃。
实施例4：水苏糖改性蛋清蛋白制备方法
参照实施例1的方法制备水苏糖改性蛋清蛋白，区别在于，调整干热反应时间为1-12h，其他条件同实施例1。
表2不同干热反应时间对乳化活性(EAI)和乳化稳定性(ESI)的影响
由表2可知，反应时间过短则美拉德反应不充分，反应时间过长会使反应过度乳化性不理想。因此，优选地干热反应时间为6h。
实施例5：水苏糖改性蛋清蛋白制备方法
参照实施例1的方法制备水苏糖改性蛋清蛋白，区别在于，调整水苏糖和蛋白质的质量比，其他条件同实施例1。
表3不同水苏糖和蛋清蛋白比例对乳化活性(EAI)和乳化稳定性(ESI)的影响
由表3可知，随着水苏糖比例增加，蛋清蛋白的乳化活性逐渐降低，乳化稳定性先增高后降低。因此，综合考虑优选水苏糖：蛋白质质量比为3：7。
实施例6：一种改性蛋清蛋白纳米颗粒
(1)水苏糖改性蛋清蛋白制备
按照实施例1中的步骤进行制备。
(2)改性蛋清蛋白纳米颗粒的制备
用去离子水配置2％的改性蛋清蛋白溶液，后用孔径为50-500nm的陶瓷膜进行澄清，除去不溶物。陶瓷膜澄清分离的参数为：压力为0.5MPa，温度为20-65℃。收集滤过液并用0.1MHCl或者0.1MNaOH调节溶液至pH3.8。将改性蛋清蛋白溶液置于60℃热处理10min,然后立刻冰浴冷却，冷却后至4℃保藏，得到改性蛋清蛋白纳米颗粒。
实施例7：一种利用改性蛋清蛋白纳米颗粒制备的O/W乳液
取99.9g玉米油和0.1g虾青素在室温下避光搅拌10min，使虾青素充分溶解制得油相；将水相中改性蛋清蛋白纳米颗粒(实施例6制备得到的)的浓度调整至1.5％(w/v)；
将水相和油相按照体积比90：10混合后先用高速机剪切机以9000rpm剪切2min得到O/W粗乳液。再将粗乳液在25MPa压力下通过高压均质机均质3次得到O/W乳液。
制得的乳液在4℃下储存60天后无乳清析出，乳液的包封率为98.1％，第60天后的包封稳定性为93.7％。
实施例8：一种利用改性蛋清蛋白制备的O/W乳液
取99.9g玉米油和0.1g虾青素在室温下避光搅拌10min，使虾青素充分溶解制得油相；将1.5g实施例1制备得到的改性蛋清蛋白溶入去离子水中，定容至100mL，得到水相。
将水相和油相按照体积比90：10混合后先用高速机剪切机以9000rpm剪切2min得到O/W粗乳液。再将粗乳液在25MPa压力下通过高压均质机均质3次得到O/W乳液。
制得的乳液在4℃下储存60天后无乳清析出，乳液的包封率为97.6％，第60天后的包封稳定性为91.8％。
实施例9：水相与油相比例对利用改性蛋清蛋白纳米颗粒制备的O/W乳液的影响
参照实施例7中的O/W乳液制备：调整水相与油相比例，其他条件同实施例7，得到的数据见表4。从表4可以看出水相：油相(v/v)比例为90：10-50：50时乳液均无相分离现象发生，包封率均＞95％，包封稳定性范围为89-94％，其中水相：油相(v/v)比例为80：20时包封性和包封稳定性最好。
表4不同水相与油相比例对乳析指数、包封率和第60天包封稳定性的影响
实施例10：水相与油相比例对的利用改性蛋清蛋白制备的O/W乳液的影响
参照实施例8中的O/W乳液制备：调整水相与油相比例，其他条件同实施例8，得到的数据见表5。从表5可以看出水相：油相(v/v)比例为90：10-50：50时乳液无相分离现象发生，包封率均＞93.5％，包封稳定性范围为88-92％，其中水相：油相(v/v)比例为80：20时包封性和包封稳定性最好。
表5不同水相与油相比例对乳析指数、包封率和第60天包封稳定性的影响
实施例11：改性蛋清蛋白纳米颗粒添加量的影响
参照实施例7中的O/W乳液制备：添加不同含量的改性蛋清蛋白纳米颗粒，其他条件同实施例7，得到的数据见表6。从表6可以看出改性蛋清蛋白纳米颗粒添加量为0.5-2％时储藏60天后乳液无相分离现象发生，包封率均＞97％，包封稳定性范围为92-94％，减少改性蛋清蛋白纳米颗粒含量乳液的包封率和第60天包封稳定性也明显降低。
表6改性蛋清蛋白纳米颗粒添加量对乳析指数、包封率和第60天包封稳定性的影响
实施例12：改性蛋清蛋白添加量的影响
参照实施例8中的O/W乳液制备：添加不同含量的改性蛋清蛋白，其他条件同实施例8，得到的数据见表7。从表7可以看出改性蛋清蛋白添加量为0.5-2％时储藏60天后乳液无相分离现象发生，包封率均＞92％，包封稳定性范围为86-92％，减少改性蛋清蛋白含量乳液的包封率和第60天包封稳定性也明显降低。
表7改性蛋清蛋白纳米颗粒添加量对乳析指数、包封率和第60天包封稳定性的影响
同时，通过实施例7-12结果的对比可以看出，水苏糖改性蛋清蛋白经过酸热诱导处理制备改性蛋清蛋白纳米颗粒后用于O/W的制备可以进一步提高乳液的包封率和包封稳定性。
对照例1
将实施例1中水苏糖的添加量改为0g，其他条件或参数与实施例1一致。
对照例2
将实施例1中水苏糖改为低聚异麦芽糖，其他条件或参数与实施例1一致。
对照例3
将实施例1中干热处理时间改为1h，其他条件或参数与实施例1一致。
对照例4
将实施例1中干热处理时间改为10h，其他条件或参数与实施例1一致。
对照例5
将实施例1中干热处理时间改为12h，其他条件或参数与实施例1一致。
对照例6
将实施例1中调整水苏糖和蛋白质的质量比为8:2，其他条件或参数与实施例1一致。
将对照例1-7得到的改性蛋清蛋白进行性能测试，测试结果见表8。由表8中结果可知，对照组EAI和/或ESI无法达到理想数值。
表8对照例1-7的测试结果
对照例7
将实施例7中改性蛋清蛋白纳米颗粒替换成1.5％(v/w)的未改性的蛋清蛋白，其他条件或参数与实施例7一致。
对照例8
将实施例7中改性蛋清蛋白纳米颗粒替换成4％(v/w)的未改性的蛋清蛋白，其他条件或参数与实施例7一致。
对照例9
将实施例7中改性蛋清蛋白纳米颗粒添加量降低为0.1％(v/w)，其他条件或参数与实施例7一致。
对照例10
将实施例8中改性蛋清蛋白添加量降低为0.1％(v/w)，其他条件或参数与实施例8一致。
对照例11
将实施例7中油相添加量改为60％(v/v)，其他条件或参数与实施例7一致。
对照例12
将实施例7中油相添加量改为70％(v/v)，其他条件或参数与实施例7一致。
表9对照例7-12的测试结果
表9中对照例7-12的结果显示，在对照例条件下制得的乳液，包封率均低于实施例，且储存60天后，乳液出现明显的乳析分层，包封稳定性显著下降，说明乳液稳定性较实施例显著降低。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种制备改性蛋清蛋白的方法，其特征在于，所述方法是以水苏糖为原料对蛋清蛋白进行改性；所述改性指的是将水苏糖和蛋清蛋白混合后进行热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理条件为：温度55-65℃，相对湿度79％，时间为4-6h。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，蛋清蛋白与水苏糖的质量比为7：3-9：1。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的方法制备得到的改性蛋清蛋白。
5.一种改性蛋白纳米颗粒，其特征在于，所述纳米颗粒是以权利要求4所述的改性蛋清蛋白为原料，经酸热诱导得到纳米颗粒。
6.根据权利要求5所述的改性蛋白纳米颗粒，其特征在于，酸热诱导条件为：pH为3.0～4.0；加热条件为：温度为50-60℃，时间10-20min。
7.一种含有权利要求4所述的改性蛋清蛋白或权利要求5或6所述的改性蛋白纳米颗粒的乳液。
8.一种权利要求4所述的改性蛋清蛋白或权利要求5或6所述的改性蛋白纳米颗粒在制备包埋剂、食品、医药品、化妆品中的应用。
9.一种O/W乳液，其特征在于，所述O/W乳液含有权利要求4所述的改性蛋清蛋白或权利要求5或6所述的改性蛋白纳米颗粒的溶液。
10.根据权利要求9所述的O/W乳液，其特征在于，水相与油相体积比为90：10-50：50；O/W乳液中改性蛋白或改性蛋白纳米颗粒含量为0.5％-2％。
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| CN115777940A (zh) * | 2022-12-16 | 2023-03-14 | 东北农业大学 | 一种经多糖混合物改良的咸蛋清蛋白及制备方法与应用 |
| CN115777940B (zh) * | 2022-12-16 | 2023-05-23 | 东北农业大学 | 一种经多糖混合物改良的咸蛋清蛋白及制备方法与应用 |
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