大豆蛋白热诱导聚集体和κ-卡拉胶混合体系相行为及微观结构的研究.pdf
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1、2 0 0 9 年9 月 第2 4 卷第9 期中国粮油学报J o u r n a lo ft h eC h i n e s eC e r e a l sa n dO i l sA s s o c i a t i o nV 0 1 2 4 ,N o 9S e p 2 0 0 9大豆蛋白热诱导聚集体和K 一卡拉胶混合体系 相行为及微观结构的研究李向红1华欲飞2刘展3李伟3( 长沙理工大学化学与生物工程学院1 ,长沙4 1 0 0 7 6 )( 江南大学食品学院食品科学与技术国家重点实验室2 ,无锡2 1 4 1 2 2 )( 宁波中普检测技术服务有限公司3 ,宁波3 1 5 1 9 2 )摘要研究
2、了室温下,N a C l 浓度0 1m o l L ,p H7 0 时不同大小大豆蛋白热聚集体和K 一卡拉胶混合物的相分离行为,并以天然恕豆蛋白和K 一卡拉胶混合体系作为对照体系。通过离心、化学分析和目测建立了相图,结果表明:较大的聚集体和K 一卡拉胶的混合体系具有较窄的均相区域。采用共聚焦激光扫描显微镜( C L S M ) 观察了相分离体系的微观结构,结果显示出相分离后蛋白质聚集结构间存在交联。对共聚焦图像进行灰度水平变化方差分析表明,不同的混合物间微观结构上具有显著性差异。流变研究进一步证明相分离体系形成了相互交联的网状微观结构。上述研究结果表明。大豆蛋白聚集体和卡拉胶的相分离是由于排空
3、相互作用( d e p l e t i o ni n t e r a c t i o n ) 。关键词相分离微观结构聚集体共聚焦显微镜交联排空相互作用中图分类号:T S 2 0 1 2 + 1文献标识码:A文章编号:1 0 0 3 0 1 7 4 ( 2 0 0 9 ) 0 7 0 0 1 2 0 7许多食品科学家着力于研究蛋白质一多糖相分岛所形成的食品组成。2J ,对这些反应有一定的了解I l 控制有利于设计出具有一定质构的产品一J 。T o l s t o g u z o v 等“ 。o 描述了多达8 0 种不同的蛋白质多糖水三相体系的相行为,研究表明具有相同电荷的球蛋白和多糖间在组分具有
4、较高浓度时会发生相分离,然而,热诱导聚集使蛋白的粒径增加后会增强去混合。C r o g u e n n o c 等一。发现用蛋白质聚集体代替天然蛋白,在较低浓度时就可以发生相分离。T u i n i e r 等一。发现胞外多糖和聚集乳清蛋白混合物显示出相分离,然而天然乳清蛋白和胞外多糖是相容的,这些研究者们认为把相邻蛋白聚集体间的多糖排除出去的熵诱导的排空相互作用是相分离的原因。迄今为止有关大豆蛋白及其聚集体和卡拉胶相分离的研究很少见诸报道。所有大豆制品的加工都包括热处理,因此热处理形成大豆蛋白聚集体是很普遍的,较好的了解大豆蛋白聚集体和多糖混合物的相分离对控制他们在加工和应用过程中的性质是基
5、金项目:国家自然科学资金项目( 2 0 4 7 6 0 4 0 ) ,长沙理工大学博 t - 启动基食( 5 2 1 ) 收稿口期:2 0 0 8 一】0 2 2作者简介:李向红,女,1 9 7 9 年出生,讲师,博士,粮食及植物蛋白必要的。通过前期研究发现,蛋白质的浓度对聚集体大小具有影响,通过改变加热时蛋白质溶液的浓度可以得到不同尺寸的聚集体0 | 。本研究选择K 一卡拉胶这种在食品中比较常用的阴离子多糖作为和大豆蛋白发生相分离的多糖聚合物,在中性p H 条件下( p H7 0 ) ,为了让K 一卡拉胶以无规卷曲存在,选用0 1m o l L 的N a C l 在2 5 时对卡拉胶溶液进行
6、透析,透析后的卡拉胶以无规卷曲存在1 - 1 2 ,因此在这种研究条件下,大豆蛋白和多糖均携带负电荷,控制了两者间的相分离为互斥相分离,有利于研究大豆蛋白热诱导聚集体和K 一卡拉胶混合体系相行为和微观结构及其相分离机理。1材料与方法1 1 材料与试剂低变性脱脂豆粕:山东谷神有限公司;卡拉胶和异硫氰酸酯( F I T C ) :美国S i g m a 公司。所有其他化学试剂均为分析纯。1 2 热诱导大豆蛋白聚集体的制备大豆蛋白和热诱导大豆蛋白聚集体的制备方法参照文献 1 3 ,本研究选择1 的大豆蛋白溶液经热处理后形成的体系( 1 A ) 和5 的大豆蛋白溶液经万方数据第2 4 卷第9 期李向红
7、等大豆蛋白热诱导聚集体和K 一卡拉胶混合体系相行为及微观结构的研究1 3热处理后形成的体系( 5 A ) 来研究大豆蛋白聚集g t , c 一卡拉胶的相分离,因为这两种聚集体的尺寸相差较大,可以作为代表性的聚集体来研究与多糖的相分离。1 A 和5 A 是平均粒径分别为5 6 5n m 和1 4 4 9n n l ,聚集体部分分别为1 4 7 和7 4 7 的多分散性体系。本研究中将预先加热聚集的样品溶液浓缩至一定的浓度以备相分离研究,聚集体在稀释与浓缩过程中均保持稳定,可在不同的阶段采用不同仪器进行分析- 。1 3K 一卡拉胶溶液的制备K 一卡拉胶溶液的制备方法如下:将卡拉胶粉末 分散于去离子
8、水中并在7 0 条件下搅拌2h ,p H 调 至9 0 以防多糖的水解。搅拌后的溶液首先在p H7 0 的去离子水中透析2 4h 以除去多余的盐,透析后的溶液继续在0 1m o l L 的N a C I 溶液中透析2 4h ,添加0 0 2 的叠氮钠以防止细菌的生长,最后溶液通过0 4 5 “m 的醋酸纤维膜以除去任何不溶性的杂质。卡拉胶溶液在一定的盐浓度或温度下会发生构象的改变,溶液中N a C I 的浓度控制为0 1m o l L 时,K 一卡拉胶的无规卷曲一螺旋态的转变温度低于1 1 E 1 2 ,因此在本试验中所选定的2 5 的条件下大豆蛋白和K 一卡拉胶都携带负电荷,不存在二者间的相
9、瓦吸引,体系中的K 一卡拉胶可以看作是一种非吸附性聚合物。1 4 相图的确定相图通过结合离心、化学分析和目测的方法建立。配制大量不同浓度配比的大豆蛋白聚集h t :一卡拉胶混合体系置于具塞试管,在2 5 水浴中放置4 8h 后,30 0 0r m i n 离心1 0m i n ,观察体系是否发生相分离。系( t i e ) 点是平衡时相分离体系的蛋白和多糖的组成,通过化学分析上层相和下层相中的多糖和蛋白含量得到,最终的双节线是直接把这些系点连接起来得到。凝胶点是通过直接观察混合体系所得到,一种混合体系转变成固态时就被认为形成了凝胶1 4J 。以同样的方法制备一系列不同浓度的天然蛋白K 一卡拉胶
10、混合体系,得到天然蛋白和K 一卡拉胶的相图。试验中,蛋白质浓度采用凯氏定氮测得,K 一卡拉胶的浓度采用苯酚一硫酸法测得。1 5 微观结构观察和图像分析因为蛋白质本身不能发射很强的荧光,因此在显微观察前,先用溶于二甲基哑砜中的2 的F I T C对蛋白质进行标记,标记量是每1 0 0m L 蛋白溶液加 入2 5 止的F I T C 并用磁力搅拌器搅拌9 0m i n H 5 - 1 6 。混合物的配制是将不同颗粒大小的蛋白质( 1 A 、5 A 和天然蛋白) 与卡拉胶混合,配制成蛋白质量分数4 、多糖质量分数0 3 5 的混合物。取少量相分离混合物溶液滴在载玻片上,并用盖玻片小心密封,以防气泡产
11、生。制好的玻片用C L S M ( L e i c aT C S4 D 共聚焦显微镜,L e i c aL a s e r t e c h n i kG m b H 公司) 观察,A r K r 激光发生器发射波长为4 8 5n n l 。相分离混合体系的共聚焦图像将会包含高灰值区域( 白色区域) 和低灰值区域( 黑色区域) ,灰值的差异可以通过计算图像的灰度水平变化方差得到,见公式1 17 f :1 1s 22 志;( 矿孟) 2 ,( 1 )式中,戈i 为图像某象素点的灰度水平( 。 2 5 5 ) ;露为图像各象素点灰度水平总和的平均值;N 为图像的象素数;S 2 为图像象素点的灰度水平
12、变化方差。其编程原理是对灰度图像进行一一计算,其中N 为图像的象素数,是固定的1 0 6 个,以5 个象素点为单位,切割图像,菇i 是5 个象素点的小格子中象素值的平 均值( 即这个小格子中所有象素点的值之和除以2 5 ) ,计算图像的每一个以5 个象素点为单位的小格子,求出S 2 。1 6 相分离体系动态模量( G ,G ”) 的变化采用流变仪( A R l 0 0 0 ,T A 公司) 获得相分离混合体系的动态模量,温度恒定在2 5 ,应变l ,频率lH z ,扫描时间为0 2 50 0 0s ,测定随着时间的变化,混合体系动态模量( G 和G ”) 等参数的变化。制 备好的混合物( 蛋白
13、质量分数4 、多糖质量分数0 3 5 ) 混合均匀后直接加在平台上( 相分离发生前) ,选择直径4 0m m 、0 0 的平板并设定狭缝距离lm m ,让板间完全充满蛋白溶液,擦去多余溶液,平板顶部涂上一薄层硅油以防止样品水分蒸发。2结果与分析2 1 大豆蛋白卡拉胶体系的相图室温下,p H7 0 时大豆蛋E 3 卡拉胶混合体系的 相图见图l 。这些体系或者以均匀体系存在,或者相分离形成混浊的下层相和相对透明的上层相,或者转变成凝胶。从相图中可以看到,双节线把混合体系分成两个区域:均相区域( 双节线下部) 和不稳定区域( 相分离区域,双节线上部) ,从3 种体系的相图可以发现:蛋白质浓度越高,相
14、分离需要的卡拉胶浓度越低;增加蛋白质或卡拉胶的浓度,最初是导致体系发生相分离,随着浓度继续增加,体系转变成凝胶万方数据1 4中国粮油学报2 0 0 9 年第9 期( 凝胶点) ,说明胶凝和相分离同时发生,从表观上看是均匀的,但其微观上发生了微相分离。 从图1 中可以发现随着蛋白质颗粒尺寸的增加,相分离所需要的卡拉胶浓度降低;较大的聚集体,即5 A 卡拉胶体系具有较窄的均相区域。当蛋白质浓度为l 时,相分离需要的卡拉胶浓度分别为0 1 9 ( 1 A ) 和0 1 5 ( 5 A ) ;而天然蛋白和卡拉胶混合时,蛋白浓度为1 、卡拉胶浓度为0 2 的混合体系没有显示出相分离,两种生物大分子在这种
15、浓度下具有相容性。摹、督 型业矗爨甾 迥乙壶零、甾 擐址壶天然蛋白注:图中实心线代表的是相分离的双节线;为代表性的用于化学分析的原始大豆蛋白K 一卡拉胶混合物体系;为系点( 原始大豆蛋f t K 一卡拉胶混合物化学分析后的上下层相的组成) ;+ 为均相体系;口为相分离体系;为凝胶体系。天然大萌蛋I ;t K 一卡拉胶体系的相图中,虚线代表的是5 A K 一卡拉胶体系的双节线,细线代表的是1 A K 一卡拉胶体系的双节线。图l 室温下,0 1m o i LN a C I ,p H7 0 时大豆蛋白K 一卡拉胶混合体系的相图天然蛋白和蛋白质聚集体与卡拉胶混合体系的另一个差异是相分离临界浓度的差异。
16、天然蛋白和卡拉胶混合物相分离的临界浓度超过4 ,而蛋白质 聚集体和卡拉胶混合物相分离的临界浓度低于1 2 。可能原因是不同体系中蛋白粒子排除体积不同,粒子的排除体积决定了生物大分子溶液中分子的空间占有及相分离临界浓度。两个聚集体粒子间具有较大的窄隙,空隙中卡拉胶浓度较低( 这种浓度的降低是由于粒子附近聚合物构象熵的减少) 9 | ,体系中的卡拉胶浓度与空隙间的卡拉胶浓度存在很大的差异,产生的渗透压较大,增加了卡拉胶的排空相互作用,体系易相分离,而两个天然蛋白粒子间的空隙较小,渗透压小,体系不易发乍相分离。2 2 微观结构观察和图像分析蛋白质餐分数4 ,多糖质量分数0 3 5 的混合物的共聚焦艮
17、 像见图2 。cd注:a 为均相体系,b 为天然大豆蛋f q K 一卡托胶体系,c 为1 A K 一卡拉胶体系,d 为5 A K 一卡拉胶体系;标尺均为1 0l a , m图2 相分离体系的共聚焦显微镜扫描图像从图2 中可以清楚的看到,白色的区域对应为F I T C 标记的区域,即蛋白质富集1 2 ( 域,相对的黑色区域为卡拉胶富集的区域。图2 a 是均相体系,荧光标记的区域均匀地、有规则地分布在整个体系中,蛋白质和多糖是可混合的;图2 b 图2 d 中3 种混合体系的微观图像,都显示出蛋白质和多糖存在于两个小同的相中,说明3 种混万方数据第2 4 卷第9 期李向红等大豆蛋白热诱导聚集体和K
18、一卡拉胶混合体系相行为及微观结构的研究1 5合物都发生了相分离,进一步验证了相图的结果,3种混合体系都发生了宏观相分离。共聚焦图像也揭示出蛋白质组分间的相互交联,且蛋白质富集的区域取决于蛋白质颗粒粒子的大小。l A 和5 A 与卡拉胶混合体系的微观图像表明,体系中蛋白质组分间的交联程度较大,蛋白质与多糖的分布较不均匀。用共聚焦显微镜向具有较高生物大分子浓度的体系的g 轴方向( 石一Y 轴方向是水平面的观察) 延伸j 1 1 5 l 察( 大约4 0 “m ) 可以发觉,蛋白质交联部分间彼此连接( 图略,即网络结构的形成) ;天然蛋白和卡拉胶的混合体系中蛋白质部分的交联程度较低,卡拉胶富集区域看
19、起来是体系的连续相。从微观结构的观察结果可知,是由于排卒相互作用导致了蛋白质组分间的有效交联,因为一般来说,一种网状结构的形成是由于蛋白质粒子在多糖链的排空相互作用下交联而导致的瑚J 。从表观上看来,3 种混合体系的微观结构相差较大,灰度水平变化方差的结果从客观上提供了3 种 体系结构的差异性。表1 是基于不同混合体系的C L S M 图像得到的灰度水平变化方差( S 2 ) 结果。人的肉眼仪能分辨约4 0 级灰度,对灰度图像进行判断往往容易产生较大误差,而对图像进行数字化处理则町在更大灰度级上,如在2 5 5 阶灰度或真彩色图像水平l 二财图像进行细微差异的客观比较。对共聚集图像来说,其各象
20、素灰度偏离均值离散程度的灰度水平变化方差的大小,较各象素灰度水平的均值及各灰度水平的象素数量分布等,更能反映灰度水平离散程度及统计均匀程度。其值越小,即图像中蛋白富集浓度在各区域的变化越小,那么图像的均匀或一致性程度就越高,反之则代表较不均匀。由于灰度方差大小不受图像灰度均值及各不同灰度象素点分布位置的影响,因而可以表征图像的均匀或一致性程度。5 A 和卡拉胶的混合体系具有最大的灰度水平变化方差值,表明体系具有最不均匀的结构,与图像表面特征一致。表l共聚焦扫描图像的灰度水平变化方差( 变化方差平均强度) 结果注:同一栏小的不同字母表示在P O 0 5 水平上自明显差异研究中观察到随着卡拉胶浓度
21、的增加会导致相分离,而且具塞试管中的下层相( 即蛋白质富集相)的高度也发生了改变,图3 是随着卡拉胶浓度的增加相分离下层相高度的变化曲线,在蛋白质质量分数为4 时,5 A 、l A 与天然蛋白和卡拉胶的混合 物中与双节线交叉的卡拉胶浓度分别为0 1 、0 1 5 和0 3 5 ;随着卡拉胶浓度的继续增加,3 种混合体系下层相的高度都增加。本研究结果与B l o n k 等1 2 以及S p e r r y 瞄。的结果具有很好的一致 性,这些作者表明在较低聚合物浓度时,胶体粒子形成较为紧凑的下层相,高聚合物浓度时,胶体粒子的网络结构形成了,网络结构延伸到较大的空间,多糖镶嵌在网络结构中,因此会导
22、致下层相高度的增加( 见图4 旧o ) ,共聚焦图像的观察结果也证实了体系中网络结构的形成以及在较高浓度时卡拉胶镶嵌在蛋白质富集区域中。图3 中相同卡拉胶浓度时下层相高度的不同归结于蛋白质颗粒尺寸的不同,颗粒尺寸越大( 5 A ) ,下层相高度越大,从共聚焦图像的结果也可以看出,5 A 与卡拉胶的混合体系相分离后,蛋白质富集区域彼此间交联程度较高,可以推测出其延伸的空间也较大。0O 102O 30 4K 一卡拉胶图3 相分离体系中下层相的高度( 蛋白质富集相)随着卡拉胶浓度的变化曲线图曰国国图4S p e r r y 提出的随聚合物浓度增加( c l “ 4 ) 相分离下层相微观结构的变化模型
23、为了进一步证明大豆蛋白和卡拉胶混合体系的相分离是由于排空相互作用,通过振荡已经发生宏观相分离现象的具塞试管闺J ,发现相分离混合物在最初阶段时,下层相很容易通过稀释而分散,说明了相分离过程的可逆性,与排空相互作用的机理一致;随着时间的增加,稀释变得越来越难,而且下层相并没有如预期想象的那样是完全液态的。说明下层相万方数据注为万方数据第2 4 卷第9 期李向红等大豆蛋白热诱导聚集体和K 一卡拉胶混合体系相行为及微观结构的研究1 7a n da s s o c i a t i o no fg l o b u l a rp r o t e i na g g r e g a t e si nt h e
24、p r e s e n c eo fp o l y s a c c h a r i d e s :2 H e a t e dm i x t u r e so fn a t i v e1 3 一l a c t o -g l o b u l i na n dK e a r r a g e e n a n J L a n g T n u i r ,2 0 0 1 ,1 7 :4 3 8 0 4 3 8 5 9 T u i n i e rR ,D eK r u f fCG P h a s es e p a r a t i o n ,c r e a m i n g ,a n dn e t w o r k
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