CN114903113B - 不同形貌植物蛋白纳米颗粒、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了不同形貌植物蛋白纳米颗粒、其制备方法及应用，属于食品制备技术领域。本发明首先通过碱性微环境处理植物蛋白，驱动蛋白分子变为“熔球态”，然后通过加热促使其结构自组装形成具有特定形貌和尺寸的植物蛋白纳米颗粒。根据处理条件的不同，可形成不同形貌和尺寸的植物蛋白纳米颗粒。这些植物蛋白纳米颗粒具有良好的水分散性、乳化特性，可以作为功能因子的运载体，并作为天然表面活性剂使用，乳化油脂，提升植物蛋白的附加值，拓宽其本身的应用渠道和方向。
Description
技术领域
本发明属于食品制备技术领域，具体涉及不同形貌植物蛋白纳米颗粒、其制备方法及应用。
背景技术
植物蛋白具有来源广泛、成本低廉、致敏性低、氨基酸组成均衡等优点，但由于大部分为加工副产物，其变性程度高，功能性质较差，在食品中的应用受到限制，一般用作饲料使用，造成了资源的极大浪费。因此，开发功能性质良好的植物蛋白为可持续发展战略的实施提供重要支撑。
对蛋白质进行结构修饰可改变其功能特性，而颗粒化制备是一种较为重要的加工方式，在纳微米尺度上进行结构改变，可有效改变其表面疏水性等结构特性，提升功能特性，尤其是乳化特性。目前关于蛋白纳米颗粒的制备方法主要有反溶剂、超声均质法等。例如，专利CN110917064A公开了一种采用乙醇反溶剂法制备南瓜籽蛋白纳米颗粒，但此方法会消耗大量有机试剂，且增加了有机试剂残留的危险，其安全性有待考究。而超声均质法所需能耗大、对设备要求较高，工业化生产较难实现。
此外，颗粒的形貌也会影响其乳化特性。与球形颗粒相比，非球形颗粒因具有各向异性毛细管作用，可在油-水界面自组装形成独特结构，具有更好的稳定乳液的能力。但目前关于非球形纳米颗粒与乳化特性的研究主要为无机纳米颗粒，如立方体颗粒、花生颗粒(de Folter,J.W.,et al.,Particle shape anisotropy in pickering emulsions:Cubesand peanuts.Langmuir,2014.30(4):955-964)、棒状颗粒等。但无机颗粒生物相容性和生物降解性低，其并不适用于食品的制备和应用。植物蛋白非球形颗粒的形貌主要为纤维、纳米管、笼形、锥形(Dai H.,et al.,Fabrication of cross-linked β-lactoglobulinnanoparticles as effective stabilizers for Pickering high internal phaseemulsions.Food Hydrocolloids,2020,109:106151)，而关于其它形貌的植物蛋白颗粒及绿色安全的加工制备手段和应用尚未见报道。
发明内容
本发明提供了一种不同形貌植物蛋白纳米颗粒的制备方法，是将植物蛋白通过微环境驱动生成形貌和尺寸可控的植物蛋白纳米颗粒。
具体地，上述制备方法步骤如下：
将植物蛋白与水充分混合，使蛋白含量为0.1-10wt％，在25-40℃下搅拌0.5-2h，获得植物蛋白悬浮液；调节蛋白液pH为8-12，在25-85℃下加热0.5-3h，进行自组装；待蛋白液温度降至室温后，将pH回调至6.5-7.5，搅拌0.5-1h；将所得蛋白液离心，取上清液冷冻干燥，获得形貌和尺寸可控的植物蛋白纳米颗粒。
上述制备方法中，植物蛋白选自豌豆蛋白、鹰嘴豆蛋白、花生蛋白、藜麦蛋白、马铃薯蛋白中的一种或几种。
上述制备方法中，将蛋白液pH调至碱性所采用的物质，可选自如下一种或几种：氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙；将蛋白液pH回调至中酸性所采用的物质，可选自如下一种或几种：盐酸、柠檬酸、乳酸。
上述制备方法中，离心条件选自：离心力为3000-5000rpm，离心时间为10-30min。
上述制备方法所制备的植物蛋白纳米颗粒具有规则形貌，包括但不限于多边形、长方形以及簇形，颗粒尺寸为145-300nm。其中，在不同的制备条件下，植物蛋白纳米颗粒的形貌和尺寸也各不相同，例如，在pH 8-12，25-45℃加热条件下，获得的是尺寸为145-165nm的多边形植物蛋白纳米颗粒；在pH 10-12，50-65℃加热条件下，获得的是尺寸为190-230nm的长方形植物蛋白纳米颗粒；在pH 10-12，75-85℃加热条件下，获得的是尺寸为260-300nm的簇形植物蛋白纳米颗粒。
上述植物蛋白纳米颗粒具有良好的水分散性和乳化特性，可将其应用在植物蛋白乳饮料、3D打印奶油油墨等领域，以制备植物蛋白高含量的乳饮料和3D打印奶油。
本发明提供了一种植物蛋白乳饮料的制备方法，步骤如下：
将植物蛋白纳米颗粒分散在水中，使其浓度为5-20wt％，4℃水化6-8h，然后缓慢加入5-10wt％油脂，高速分散形成粗乳液，将粗乳液进行空化射流处理，灭菌，获得植物蛋白乳饮料。
上述植物蛋白乳饮料的制备方法中，油脂选自玉米油、米糠油、葵花籽油、橄榄油、菜籽油、亚麻籽油中的一种或几种。
上述植物蛋白乳饮料的制备方法中，高速分散条件选自：10000-20000rpm分散1-5min。
上述植物蛋白乳饮料的制备方法中，空化射流处理条件选自：空化压力80-120Mpa，循环15s。
上述植物蛋白乳饮料的制备方法中，灭菌方式选自热杀菌，灭菌条件为，在60-90℃下灭菌15-30min。
由上述方法制备的植物蛋白乳饮料，口感细腻，营养价值高，热稳定性好，不含添加剂，而且蛋白含量高。
本发明还提供了一种植物基乳3D打印奶油油墨的制备方法，步骤如下：
将植物蛋白纳米颗粒分散在蒸馏水中，使其浓度为2-20wt％，4℃水化6-8h，调节pH 2.5-3.5，缓慢加入植物油使其浓度为40-70wt％，10000-20000rpm高速分散1-3min，形成乳液，即所述植物基乳3D打印奶油油墨。
上述植物基乳3D打印奶油油墨可被用于打印奶油，具体操作可选自如下方法：
将植物基乳3D打印奶油油墨填充在3D打印机内，打印喷嘴直径为500-900nm，打印速度为5-10mm/s，打印压力为4.5-9.5KPa，填充80％正方形镂空心形图案，打印层数为6层。经打印获得植物蛋白乳3D打印奶油
目前植物基乳3D打印奶油普遍采用高内相乳液(油脂含量＞74％)，油脂含量高，蛋白含量低，而由上述方法制备的植物基乳3D打印奶油，其结构稳定，无反式脂肪酸，饱和脂肪酸低，油脂含量低，蛋白含量高，是人造奶油和动物奶油的良好替代品。
本发明的有益效果为：
本发明首先通过碱性微环境处理植物蛋白，驱动植物蛋白分子变为“熔球态”，然后通过加热促使其结构自组装形成具有一定形貌和尺寸的植物蛋白纳米颗粒。根据处理条件的不同，可形成不同形貌和尺寸的植物蛋白纳米颗粒。这些植物蛋白纳米颗粒具有良好的水分散性、乳化特性，可以作为功能因子的运载体，并作为天然表面活性剂使用，乳化油脂，提升植物蛋白的附加值，拓宽其本身的应用渠道和方向。
由于蛋白纳米颗粒具有较好的润湿性，其形成的油包水乳液在高蛋白浓度下具有较好的热稳定性，这使得本发明所制备的植物蛋白乳饮料具有口感细腻、营养价值高、热稳定性好以及储存稳定高等特性。同时，通过本发明所述方法，可使制备的植物蛋白乳饮料和3D打印奶油油墨中的蛋白含量分别高达19％和12％。此外，整个植物蛋白乳饮料和3D打印奶油油墨制备过程简单，易操作，组成原料仅包含植物蛋白和植物油脂，无需添加其他稳定剂及增稠剂，不仅解决了高蛋白植物乳饮料在热加工过程中的失稳、凝胶等问题，3D打印奶油支撑性和稳定性较好，且低脂、低饱和脂肪酸、无反式脂肪酸，还符合清洁标签型产品的流行趋势，绿色安全，成本低廉，利于成果推广应用。
附图说明
图1为豌豆蛋白纳米颗粒的制备及应用流程；
图2为豌豆蛋白纳米颗粒扫描电镜图；其中，左图形貌为长方形，中图形貌为多边形，右图形貌为簇形；
图3为各种形貌豌豆蛋白纳米颗粒的尺寸；
图4为各种形貌豌豆蛋白纳米颗粒与豌豆蛋白的三相接触角；
图5为豌豆蛋白乳饮料的倒置外观图；
图6为豌豆蛋白乳饮料在贮存0天和7天后的粒径；
图7为实施例1所述豌豆蛋白乳饮料经过热处理前后的粒度分布图。
图8为实施例4中放置0天和7天后的豌豆蛋白基3D打印奶油，其中，左图为贮存0天，右图为贮存7天；
图9为对比例2中放置0天和7天后的豌豆蛋白基3D打印奶油，其中，左图为贮存0天，右图为贮存7天。
具体实施方式
豌豆蛋白的氨基酸比例较为均衡、赖氨酸含量较高，消化率较高，且不易过敏，是一种优质的植物蛋白，但是，作为淀粉加工的副产物，豌豆蛋白的水溶性较差，由其制备的产品中蛋白含量低，从而限制了其在工业生产中的应用。
为了更好地阐释本发明的技术方案，下面以豌豆蛋白为植物蛋白源，展示植物蛋白纳米颗粒的制备及应用过程。
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
制备豌豆蛋白乳饮料，步骤如下：
将豌豆蛋白分散在蒸馏水中，使蛋白含量为10wt％，采用1mol/L的KOH调节pH为8，在40℃下加热0.5h。待温度降至室温，采用1mol/L的柠檬酸将pH回调为7，搅拌1h。离心取上清液冷冻干燥，获得多边形豌豆蛋白纳米颗粒。
将豌豆蛋白纳米颗粒分散在蒸馏水中，使其浓度为6wt％，4℃水化8h，然后缓慢加入玉米油使其浓度为10wt％，10000rpm高速分散5min形成粗乳液，将粗乳液进行空化射流处理(空化压力80Mpa，循环15s)，90℃灭菌30min，获得豌豆蛋白乳饮料。豌豆蛋白乳饮料中蛋白含量为5.4％。
实施例2
制备豌豆蛋白乳饮料，步骤如下：
将豌豆蛋白分散在蒸馏水中，使蛋白含量为1.5wt％，采用1mol/L的NaOH调节pH为12，在85℃下加热2h。待温度降至室温，采用1mol/L的HCl将pH回调为6.5，搅拌0.5h。离心取上清液冷冻干燥，获得簇形豌豆蛋白纳米颗粒。
将豌豆蛋白纳米颗粒分散在蒸馏水中，使其浓度为20wt％，4℃水化6h，然后缓慢加入菜籽油使其浓度为5wt％，15000rpm高速分散3min形成粗乳液，将粗乳液进行空化射流处理(空化压力120Mpa，循环15s)，90℃灭菌30min，获得豌豆蛋白乳饮料。豌豆蛋白乳饮料中蛋白含量为19％。
实施例3
制备豌豆蛋白乳饮料，步骤如下：
将豌豆蛋白分散在蒸馏水中，使蛋白含量为0.1wt％，采用1mol/L的NaOH调节pH为12，在55℃下加热2h。待温度降至室温，采用1mol/L的HCl将pH回调为7，搅拌0.5h。离心取上清液冷冻干燥，获得长方形豌豆蛋白纳米颗粒。
将豌豆蛋白纳米颗粒分散在蒸馏水中，使其浓度为8wt％，4℃水化7h，缓慢加入米糠油使其浓度为5wt％，20000rpm高速分散1min形成粗乳液，将粗乳液进行空化射流处理(空化压力100Mpa，循环15s)，60℃灭菌30min，获得豌豆蛋白乳饮料。豌豆蛋白乳饮料中蛋白含量为7.6％。
实施例4
制备豌豆蛋白乳3D打印奶油，步骤如下：
将豌豆蛋白分散在蒸馏水中，使蛋白含量为0.1wt％，采用1mol/L的NaOH调节pH为12，在85℃下加热2h。待温度降至室温，采用1mol/L的HCl将pH回调为7，搅拌1h。离心取上清液冷冻干燥，获得簇形豌豆蛋白纳米颗粒。
将豌豆蛋白纳米颗粒分散在蒸馏水中，使其浓度为2wt％，4℃水化6h，调节pH 3，缓慢加入米糠油使其浓度为70wt％，20000rpm高速分散1min，形成乳液，即植物基乳3D打印奶油油墨。植物基乳3D打印奶油油墨中蛋白含量为0.6％。
将乳液填充在3D打印机内，打印喷嘴直径为800nm，打印速度为6mm/s，打印压力为7.50KPa，填充80％正方形镂空心形图案，打印层数为6层。经打印获得豌豆蛋白乳3D打印奶油。
实施例5
制备豌豆蛋白乳3D打印奶油，步骤如下：
将豌豆蛋白分散在蒸馏水中，使蛋白含量为0.1wt％，采用1mol/L的NaOH调节pH为12，在80℃下加热2h。待温度降至室温，采用1mol/L的HCl将pH回调为7，搅拌1h。离心取上清液冷冻干燥，获得簇形豌豆蛋白纳米颗粒。
将豌豆蛋白纳米颗粒分散在蒸馏水中，使其浓度为20wt％，4℃水化8h，调节pH 3，缓慢加入米糠油使其浓度为40wt％，20000rpm高速分散1min，形成乳液，即植物基乳3D打印奶油油墨。植物基乳3D打印奶油油墨中蛋白含量为12％。
将乳液填充在3D打印机内，打印喷嘴直径为800nm，打印速度为6mm/s，打印压力为7.50KPa，填充80％正方形镂空心形图案，打印层数为6层。经打印获得豌豆蛋白乳3D打印奶油。
对比例1
制备豌豆蛋白乳饮料，步骤如下：
将豌豆蛋白分散在蒸馏水中，使蛋白含量为16wt％，4℃水化8h，缓慢加入玉米油使其浓度为5wt％，15000rpm高速分散3min形成粗乳液，将粗乳液进行空化射流处理(空化压力100Mpa，循环15s)，60℃灭菌30min，获得豌豆蛋白乳饮料。
对比例2
将豌豆蛋白分散在蒸馏水中，使蛋白含量为2wt％，4℃水化8h，调节pH 3，缓慢加入玉米油使其浓度为70wt％，20000rpm高速分散1min形成乳液。将乳液填充在3D打印机内，打印喷嘴直径为800nm，打印速度为6mm/s，打印压力为7.50KPa填充80％正方形镂空心形图案，打印层数为6层，经打印获得3D打印奶油样品。
(一)豌豆蛋白纳米颗粒的物理性能
1、形貌和尺寸
采用扫描电镜分析豌豆蛋白纳米颗粒的形貌，将实施例1～3中豌豆蛋白颗粒样品均匀涂抹固定于导电双面胶上，喷金后在场发射扫描电镜(SU9000)上进行形貌观察，测试结果如图2所示。采用纳米粒度电位仪(Zetasizer Lab)测定豌豆蛋白纳米颗粒的尺寸，测试结果如图3所示。
由图2和图3可知，实施例1中豌豆蛋白纳米颗粒形貌为多边形，平均粒径为159nm；实施例2中豌豆蛋白纳米颗粒形貌为簇形，平均粒径为277nm；实施例3中豌豆蛋白纳米颗粒形貌为长方形，平均粒径为200nm。
2、三相接触角
采用光学接触角测量仪(KRUSS DSA100)测定实施例1～3中豌豆蛋白纳米颗粒和对比例1中豌豆蛋白的三相接触角，测试如图4所示。实施例1-3的接触角接近于90°，说明其具有较好的亲水-亲油平衡，形成的乳液稳定性最好，而对比例1的接触角为134°，远大于90°，说明其疏水性更强，更易被油润湿，稳定性差。
(二)豌豆蛋白乳饮料的稳定性
1、倒置性能分析
将实施例1～3和对比例1制备的豌豆蛋白乳饮料于室温静置12h，然后倒置观察，测试结果如图5所示。实施例1-3中豌豆蛋白乳饮料经加热灭菌后仍能保持原有流动性，而对比例1中豌豆蛋白乳饮料发生失稳，凝固。说明本发明的豌豆蛋白纳米颗粒是高蛋白乳饮料良好的乳化剂，具有较好的热稳定性，对比例1中豌豆蛋白乳饮料稳定性较差。
2、粒径分析
采用激光粒度仪Mastersizer 3000测定实施例1～3所述豌豆蛋白乳饮料在储存0天和7天后的粒径变化，以及实施例1中加热前后(90℃处理30min)豌豆蛋白乳饮料粒径分布。测试结果分别如图6和图7所示。由图6可知，实施例1-3的豌豆蛋白乳饮料经贮存后粒径变化不显著，且实施例1中粒径分布向右偏移较小，说明实施例1-3的豌豆蛋白乳饮料贮存稳定性较好。
3、稳定性测定
将豌豆蛋白乳饮料40g置于恒重离心管(m0)中，于3500rpm下离心20min，去除清液和乳析层，将含有沉淀的离心管倒置5h，称重(m1)后计算离心沉淀率。
离心沉淀率(％)＝100％×[(m1-m0)/35]
结果如表1所示：
表1
| 样品 | 离心沉淀率(％) |
| 实施例1 | 0.12 |
| 实施例2 | 0.34 |
| 实施例3 | 0.19 |
由表1可知，实施1-3中的离心沉淀率较低，说明其具有较好稳定性。
(三)豌豆蛋白乳3D打印奶油稳定性
将豌豆蛋白乳3D打印奶油贮存7天后，观察结果，如图8和图9所示。实施例4中豌豆蛋白乳3D打印奶油经7天贮存，其结构和支撑性并未有明显变化，结构依旧完整，3D打印奶油纹路依旧清晰，支撑性好。而对比例2中豌豆蛋白乳3D打印奶油在贮存0天打印形状即改变，偶见心形形状，未见明显打印纹路，贮存7天后结构即崩塌。说明本发明的豌豆蛋白纳米颗粒是一种植物基乳3D打印奶油的良好的原料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种不同形貌植物蛋白纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤如下：
将植物蛋白与水充分混合，使蛋白含量为0.1-10 wt%，在25-40℃下搅拌0.5-2h，获得植物蛋白悬浮液；调节蛋白液pH为8-12，在25-85℃下加热0.5-3h，进行自组装；待蛋白液温度降至室温后，将pH回调至6.5-7.5，搅拌0.5-1h；将所得蛋白液离心，取上清液冷冻干燥，获得形貌和尺寸可控的植物蛋白纳米颗粒；
当自组装条件为pH 8-12、25-45℃时，最终制备的是多边形植物蛋白纳米颗粒；当自组装条件为pH 10-12、50-65℃时，最终制备的是长方形植物蛋白纳米颗粒；当自组装条件为pH 10-12、75-85℃时，最终制备的是簇形植物蛋白纳米颗粒；
所述植物蛋白为豌豆蛋白。
2.权利要求1所述方法制备的植物蛋白纳米颗粒。
3.权利要求2所述植物蛋白纳米颗粒在制备植物蛋白乳饮料或3D打印奶油油墨中的应用。
4.一种植物蛋白乳饮料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
将权利要求2所述的植物蛋白纳米颗粒分散在水中，使其浓度为5-20wt%，4℃水化6-8h，然后缓慢加入5-10wt%油脂，高速分散形成粗乳液，将粗乳液进行空化射流处理，灭菌，获得植物蛋白乳饮料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，油脂选自玉米油、米糠油、葵花籽油、橄榄油、菜籽油、亚麻籽油中的一种或几种。
6.权利要求4或5所述方法制备的植物蛋白乳饮料。
7.一种植物基乳3D打印奶油油墨的制备方法，其特征在于，步骤如下：
将权利要求2所述的植物蛋白纳米颗粒分散在蒸馏水中，使其浓度为2-20wt%，4℃水化6-8h，调节pH 2.5-3.5，缓慢加入植物油使其浓度为40-70wt%，10000-20000rpm高速分散1-3min，形成乳液，即所述植物基乳3D打印奶油油墨。
8.权利要求7所述方法制备的植物基乳3D打印奶油油墨。
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