CN114957676A - 一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，首先，将多糖与加水润湿后的蛋白质混合均匀，得预混料；将无水乙醇加入到预混料中，搅拌混匀，静置，移除上清液，即可得到调整水分活度的沉积物；再将沉积物密封后加热，进行美拉德反应，即可。与现有技术相比，本发明通过水醇法准确快速调控蛋白质和多糖美拉德反应体系的最佳水分活度范围0.2‑0.8，有效解决了干热法需要长时间调整水分活度以及湿热法底物浓度受限的问题，以近似干热法的底物高浓度和湿热法的高热传导效率，实现高反应速率、低能耗和少废水排放量；本发明中的乙醇可以回收循环使用，有利于降低生产成本，体现了美拉德反应工艺过程中节能减排工程设计的理念。

Description

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物 的方法

技术领域

本发明属于食品科学，具体设计一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法。

背景技术

美拉德反应又称非酶褐变反应，本质上是羰氨间的缩合反应，1912年法国化学家Maillard Louis Camille首先报道了这一现象。1953年，Hodge正式命名该反应为美拉德反应，并首次报道了美拉德反应途径的复杂网络系统图。美拉德反应不仅影响食品的色香味，还可提高产品质量的稳定性。美拉德反应显著提高蛋白质的功能特性，如溶解性、耐热性、乳化性、起泡性、抗氧化性、成膜性等，溶解性是蛋白质功能特性的基础，而稳定性决定蛋白质产品的质量品质。但目前传统的美拉德反应产物制备方法存在能耗高、废水排放量大的问题，限制了美拉德反应产物的生产和广泛应用。

美拉德反应主要有两种方法：干热法和湿热法。干热法是将蛋白质和多糖分别溶解在水中或缓冲液中，两者混合均匀后冷冻干燥，然后在一定温度(通常60℃)和相对湿度(79％)条件下反应，反应时间从几小时到几周，这主要依赖于蛋白质和多糖的种类和性质。干热法美拉德反应难以控制在初始阶段容易导致过度褐变，同时反应过程能耗高和废水排放量大，不符合工业生产对节能减排的要求。湿热法是将蛋白质和多糖溶液调整至合适pH，然后在水浴或油浴中加热，以冰水浴结束反应。相对于干热法，湿热法采用更高的反应温度，可以将反应时间缩短至几个小时以内，且容易将反应停止在初始阶段，但也存在反应底物浓度较低，脱水干燥过程能耗高、废水排放量大的问题。两种方法制备获得的蛋白质-多糖共价接枝物的功能性质并无显著差异，但是都存在能耗高、废水排放量大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，通过水醇法准确快速调控蛋白质和多糖美拉德反应体系的最佳水分活度范围，有效解决了干热法需要长时间调整水分活度以及湿热法底物浓度受限的问题，以近似干热法的底物高浓度和湿热法的高热传导效率，实现高反应速率、低能耗和少废水排放量；本发明中的乙醇可以回收循环使用，有利于降低生产成本，体现了美拉德反应工艺过程中节能减排工程设计的理念。

本发明具体技术方案如下：

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，包括以下步骤：

1)将多糖与加水润湿后的蛋白质混合均匀，得到水化的蛋白质和多糖预混料；

2)将无水乙醇加入到预混料中，搅拌混匀，静置，移除上清液，即可得到调整至目标水分活度的沉积物；

3)再将沉积物密封后加热，进行美拉德反应，反应后产物经自然晾干或加热干燥，即得到蛋白质-多糖美拉德反应接枝物。

步骤1)中加水润湿后蛋白质是指：将蛋白质加水润湿，以调整其水分含量；蛋白质湿润所加的水为使用0.1mol/L醋酸(食品级)或0.1mol/L碳酸钠(食品级)调整至pH 5.0-10.0的水溶液，加水后与蛋白质混合10-15min。美拉德反应的最佳pH通常在5.0-10.0的范围。使用的醋酸或碳酸钠为食品级，使用食品级酸碱试剂调整水的pH，以满足食品工业对安全性的需求。

步骤1)中蛋白质和多糖质量比1:1～1:6；此质量比中所述的蛋白质是指润湿之前的蛋白质的质量。

步骤1)中，多糖与润湿前的蛋白质的总质量与润湿蛋白质所用的水的体积比为：3-7g:7-3mL；

步骤1)中，混合时间10-15min，得到预混料。

所述蛋白质为水溶性蛋白质，优选为乳清分离蛋白或大豆分离蛋白；所述多糖为水溶性多糖，优选为葡聚糖、果胶或壳聚糖。

步骤1)中，先将蛋白质加水润湿再与多糖混合，加水顺序对美拉德反应具有重要影响，主要是因为多糖比蛋白质具有更高的亲水性，在该步骤加水量下，如果先加水润湿多糖，多糖与水结合强度大于蛋白质与水结合强度，加水润湿后多糖的黏度高于加水润湿后蛋白质的黏度，从而导致蛋白质与水结合的程度低，降低预混料中蛋白质的水分活度，无法取得最佳美拉德反应速率。因此，本发明先加水润湿蛋白质，再混合多糖。

步骤1)中润湿蛋白质所用的水的体积占润湿蛋白质所用的水的体积与步骤2)中所用无水乙醇的体积之和的3％～35％。

优选的，步骤2)中所用无水乙醇体积是润湿蛋白质所用的水的体积的2～32倍；

进一步的，步骤2)中所用无水乙醇体积分2-3次加入到预混料中，每次均混合3-5min。

步骤2)中所述静置是指：无水乙醇与预混料混匀后静置1-3h，再移除上清液。通过静置将蛋白质、多糖通过重力沉降下来，以便进行上清液的分离。在静置过程中，通过乙醇的脱水效应，实现沉积物中水分活度快速调整至美拉德反应最佳水分活度的0.2-0.8范围。上清液中乙醇可以回收循环再使用，有利于降低生产成本，实现节能减排、绿色快速高效生产美拉德反应产物。加入无水乙醇的目的一是调整堆积密度，二是调整水分活度。水溶性蛋白质和多糖不溶于乙醇，在加入乙醇过程中，通过反溶剂沉积调整蛋白质和多糖沉积物的堆积密度。乙醇破坏蛋白质、多糖与水形成的氢键并与之形成新的氢键，进而调整水分活度在0.20～0.80范围，在该堆积密度和水分活度范围条件下美拉德反应速率高，同时实现降低能耗和减少废水排放。

步骤2)中，预混料中无水乙醇的加入使蛋白质、多糖脱水，快速将预混料的水分活度准确调整至最佳美拉德反应的水分活度。乙醇与水的亲和性更强，再加上乙醇的快速脱水作用，如果先加入无水乙醇与蛋白质、多糖混合，再加入水，无法达到快速调整蛋白质、多糖混合料的水分活度至最佳美拉德反应的水分活度。

步骤3)中沉积物密封后加热条件为50-75℃水浴，时间为3-24h。美拉德反应的温度越高其反应速率越高，但是当温度高于75℃时，沉积物的水分活度将迅速下降到0.2以下，美拉德反应速率和反应效率将会显著降低。因此，加热温度应控制在75℃以下，同时保持水分活度在0.2-0.8范围以获得较高的反应速率。

步骤3)中沉积物的水分活度在0.2-0.8范围。

步骤3)中加热干燥是指在50-80℃条件下在干燥箱中干燥以加速除去水分。

优选的，步骤3)反应结束后产物进行自然晾干或加热干燥后粉碎，得到粉末状产物。

步骤3)中，密封的目的是维持美拉德反应过程中水分活度不变，美拉德反应结束后自然晾干或加热干燥除去水分，一方面为获得美拉德反应产物粉末，另一方面将水分含量降低到安全水分含量以下便于美拉德反应产物的贮藏。

本发明利用反溶剂沉积快速调控蛋白质和多糖美拉德反应体系的水分活度以制备美拉德反应产物的方法，可将传统方法利用饱和盐溶液调整蛋白质或蛋白质/多糖体系的水分活度至0.2-0.8的时间由一周至半个月缩短为1小时以内(从蛋白质和水混合开始计时，到加入无水乙醇混合的时间不超过1小时)，具有快速、低能耗、少废水、高反应速率的特点。与传统干热法美拉德反应相比，本发明公开的方法中样品前处理无需冷冻干燥，既降低了能耗和废水排放量，又具有类似湿热法的高热传导效率和反应速率。与传统湿热法美拉德反应相比，本发明公开的方法具有类似干热法的高底物浓度，表现出更高的反应速率和更低的能耗和废水排放量。本发明方法实现了反应底物水分活度的快速精准调控，同时具有反应效率高、生态环保、能耗低、废水排放量少，所得到的糖基化蛋白具有良好的溶解性、稳定性。

与现有技术相比，本发明提供的方法，可在1小时内快速准确调控蛋白质和多糖美拉德反应体系的最佳水分活度范围，这将有效解决干热法调整水分活度耗时较长以及湿热法底物浓度较低的问题，兼具干热法的底物高浓度和湿热法的高热传导效率的优点，表现出更高的反应速率和更低的能耗和废水排放量；在制备过程中不使用有毒有害试剂，反应条件温和，无有毒有害物质产生；本发明公开的方法，时间短、简单易行，所制备的美拉德反应产物具有良好的溶解性和稳定性，有利于拓展产品的应用范围，提高产品的附加值。

具体实施方式

实施例1

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，包括以下步骤：

所用的蛋白质为乳清分离蛋白、多糖为葡聚糖，蛋白质和多糖等质量；按蛋白质和多糖总质量与水溶液体积比3g:7mL向乳清分离蛋白中加入pH 10.0水溶液，混合10min，得到润湿后的蛋白质。再加入与蛋白质等质量的葡聚糖，混合10min，得到水化的蛋白质和多糖预混料。然后将润湿蛋白质所用的水溶液30倍体积的无水乙醇分三次加入到预混料中，每次均搅拌分散物料3min，再将所得物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置1h，自然沉降分层，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.235，密封沉积物并于水浴74℃加热反应3h，反应物经自然晾干，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例2

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，包括以下步骤：

所用的蛋白质为乳清分离蛋白、多糖为果胶，蛋白质和多糖质量比1:2；按蛋白质和多糖总质量与水溶液体积比1g:1mL向乳清分离蛋白中加入pH 8.0水溶液，混合10min，得到润湿的蛋白质。再加入2倍蛋白质质量的果胶，混合10min，得到水化的蛋白质和多糖预混料。然后将润湿蛋白质所用的水溶液15倍体积的无水乙醇分两次加入到预混料中，每次均搅拌分散物料5min，再将物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置1h，通过1000rpm、5min离心加速固液两相分离，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.415，密封沉积物并于60℃加热反应18h，反应物经自然晾干，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例3

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其步骤如下：

所用的蛋白质为乳清分离蛋白、多糖为壳聚糖，蛋白质和多糖质量比1:4；按蛋白质和多糖总质量与水溶液体积比7g:3ml向乳清分离蛋白中加入pH 7.0水溶液，混合12min,得到润湿的蛋白质。再加入4倍蛋白质质量的壳聚糖，混合12min，得到水化的蛋白质和多糖预混料。然后将润湿蛋白质所用的水溶液5倍体积的无水乙醇分两次加入到预混料中，每次均搅拌分散物料4min，再将物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置1h，通过1000rpm、5min离心加速固液两相分离，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.696，密封沉积物并于65℃加热反应12h，反应物经80℃下干燥1h，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例4

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其步骤如下：

所用的蛋白质为大豆分离蛋白、多糖为葡聚糖，蛋白质和多糖质量比1:2；按蛋白质和多糖总质量与水溶液体积比1g:2ml向大豆分离蛋白中加入pH 6.0水溶液，混合13min，得到润湿的蛋白质。再加入2倍蛋白质质量的葡聚糖，混合13min，得到水化的蛋白质和多糖预混料，然后将润湿蛋白质所用的水溶液25倍体积的无水乙醇分三次加入到预混料中，每次均搅拌分散物料5min，再将物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置1.5h，自然沉降分层，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.270，密封沉积物并于55℃加热反应24h，反应物经80℃下干燥1h，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例5

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其步骤如下：

所用的蛋白质为大豆分离蛋白、多糖为果胶，蛋白质和多糖质量比1:4；按蛋白质和多糖总质量与水溶液体积比1g:1mL向大豆分离蛋白中加入pH 8.0水溶液，混合13min，得到润湿的蛋白质。加入4倍蛋白质质量的果胶，混合14min，得到水化的蛋白质和多糖预混料；然后将润湿蛋白质所用的水溶液20倍体积的无水乙醇分两次加入到预混料中，每次均搅拌分散物料5min，再将物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置2h，通过1000rpm、5min离心加速固液两相分离，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.323，密封沉积物并于70℃加热反应6h，反应物经自然晾干，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例6

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其步骤如下：

所用的蛋白质为大豆分离蛋白、多糖为果胶，蛋白质和多糖质量比1:2；按蛋白质和多糖总质量与水溶液体积比2g:1mL向大豆分离蛋白中加入pH 5.0水溶液，混合14min,得到润湿的蛋白质。加入2倍蛋白质质量的壳聚糖，混合15min，得到水化的蛋白质和多糖预混料。然后将润湿蛋白质所用的水溶液10倍体积的无水乙醇分两次加入到预混料中，每次均搅拌分散物料4min，再将物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置2h，自然沉降分层移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.542，密封沉积物并于55℃加热反应24h，反应物经80℃下干燥1h，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例7(对比组)

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其步骤如下：

所用的蛋白质为乳清分离蛋白、多糖为葡聚糖，蛋白质和多糖质量比1:1；按蛋白质和多糖总质量与乙醇体积比1g:70mL向乳清分离蛋白中加入无水乙醇，混合11min。加入与蛋白质等质量的葡聚糖，混合14min。然后加入无水乙醇体积1/30的pH 10水溶液，混合13min，分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置1h，自然沉降分层，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.172，密封沉积物并于74℃加热反应3h，反应物自然晾干，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例8(对比组)

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其步骤如下：

所用的蛋白质为乳清分离蛋白、多糖为葡聚糖，蛋白质和多糖质量比1:1；将等质量的乳清分离蛋白与葡聚糖，混合12min，按蛋白质和多糖总质量与水体积比3g:7mL向乳清分离蛋白和葡聚糖中加入pH 10.0水溶液，混合15min。然后分三次加入30倍水体积的无水乙醇，每次均搅拌分散物料4min，再将物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置1h，自然沉降，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.153，密封沉积物并于74℃加热反应3h，反应物自然晾干，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例9(对比组)

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其步骤如下：

所用的蛋白质为乳清分离蛋白、多糖为葡聚糖，蛋白质和多糖质量比1:1；将等质量的乳清分离蛋白与葡聚糖，混合14min，按蛋白质和多糖总质量与水体积比3g:7ml，缓慢加入pH 10.0水溶液与30倍体积无水乙醇的混合液，充分搅拌分散物料14min，再将物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置1h，自然沉降，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.181，密封沉积物并于74℃加热反应3h，反应物经自然晾干，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

实施例10(对比组)

一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其步骤如下：

所用的蛋白质为乳清分离蛋白、多糖为葡聚糖，蛋白质和多糖质量比1:1；按蛋白质和多糖总质量与水体积比3g:7ml向葡聚糖中加入pH 10.0水溶液，混合14min。加入与葡聚糖等质量的蛋白质，混合13min。然后将30倍水体积的无水乙醇分三次加入到物料中，每次均搅拌分散物料5min，再将物料分装于螺旋盖样品瓶中，室温静置1h，自然沉降分层，移除上清液，获得沉积物的水分活度为0.159，密封沉积物并于74℃加热反应3h，反应物经自然晾干，粉碎即得乳清分离蛋白-葡聚糖美拉德反应产物。

以接枝度为指标，对蛋白质糖基化程度进行评价，结果见表1。

表1实施例1-10所得美拉德反应产物的接枝度的测定结果

对实施例1-6、实施例7-10(对比组)所制备的美拉德反应产物进行溶解度和稳定性测试，溶解度测试采用考马斯亮蓝法，结果如表2所示，稳定性测试采用分光光度法，测定2mg/mL糖基化蛋白(以蛋白质浓度计)溶液在90℃下加热30分钟前后633nm下的吸光度值，以未糖基化蛋白为对照，结果如表3所示。

表2实施例1-10所得美拉德反应产物的溶解度的测定结果

表3实施例1-10所得美拉德反应产物的稳定性的测定结果

由表1可以看出，利用本发明公开的方法制备的美拉德反应产物有较好的接枝度，由表2可以看出利用本发明公开的方法制备的美拉德反应产物在蛋白质等电点附近的溶解性得到显著提高，而未调整至适合水分活度范围的实施例对照组7-10在蛋白质等电点附近的溶解度不仅没有提高，而是明显下降了。由表3可以看出利用本发明公开的方法制备的美拉德反应产物在不同pH条件下加热前后稳定性较好，尤其是在靠近蛋白质等电点附近pH范围对热稳定性提高更加显著。由表1-3中的对比实施例还可以看出，蛋白质、水、多糖、乙醇的添加顺序必须按照本发明公开的方法进行，才能实现本发明。添加顺序不同将会对美拉德反应产物的接枝度、溶解性和稳定性产生重要的影响。

上述参照实施例对利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明调整水分活度实现节能减排绿色高效制备美拉德反应产物总体构思下的变化和修改，均属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用反溶剂沉积快速调控水分活度制备美拉德反应产物的方法，其特征在于，所述包括以下步骤：

1)将多糖与加水润湿后的蛋白质混合均匀，得到水化的蛋白质和多糖预混料；

2)将无水乙醇加入到预混料中，搅拌混匀，静置，移除上清液，即可得到调整至目标水分活度的沉积物；

3)再将沉积物密封后加热，进行美拉德反应，反应后产物经自然晾干或加热干燥，即得到蛋白质-多糖美拉德反应接枝物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中加水润湿后蛋白质是指：将蛋白质加水润湿，以调整其水分含量；蛋白质湿润所加的水为pH5.0-10.0水溶液。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中蛋白质和多糖质量比1:1～1:6。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，多糖与润湿前的蛋白质的总质量与润湿蛋白质所用的水的体积比为：3-7g:7-3mL。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蛋白质为水溶性蛋白质；所述多糖为水溶性多糖。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中润湿蛋白质所用的水的体积占润湿蛋白质所用的水的体积与步骤2)中所用无水乙醇的体积之和的3％～35％。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，步骤2)中所用无水乙醇体积是润湿蛋白质所用的水的体积的2～32倍。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述静置时间为1-3h。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中沉积物密封后加热条件为50-75℃水浴，时间为3-24h。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中沉积物的水分活度在0.2-0.8范围。