2021-11-09
引自：Stabilization of O/W emulsions via interfacial protein concentrating
induced by thermodynamic incompatibility between sarcoplasmic proteins
and xanthan gum
Feifei Du 1 , Yue Qi 1 , Hongbing Huang, Peng Wang * , Xinglian Xu, Zongyun Yang
Key Laboratory of Animal Products Processing, Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Meat Processing and Quality Control, Ministry of Education, Jiangsu Synergetic
Innovation Center of Meat Production and Processing, College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu, 210095, PR China
介紹
本研究研究了肌漿蛋白(SPs)與黃原膠(XG)在水溶液中的熱力學(xué)不相容現(xiàn)象，以及誘導(dǎo)界面濃縮對乳狀液穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用。使用法國Formulaction公司的Turbiscan多重光散射儀獲得了穩(wěn)定指數(shù)和delta BS曲線，數(shù)據(jù)表明肌漿蛋白與黃原膠懸浮液中，1%是肌漿蛋白的臨界濃度，超過這個(gè)濃度熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)不相容顯著增強(qiáng)，這意味著肌漿蛋白濃度一旦超過1%就會(huì)導(dǎo)致相分離。在乳液體系中，當(dāng)SP濃度達(dá)到2% (w/v)時(shí)，液滴粒徑分布和絮凝作用減小，0.5% XG的乳液具有較好的物理穩(wěn)定性。
通過分析界面性質(zhì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)XG的加入對乳液界面上的蛋白具有濃縮作用，導(dǎo)致界面壓力增大、ζ電位下降，表明電荷穩(wěn)定效應(yīng)并不是SP/XG乳液的主要穩(wěn)定因素。本研究可能對SPs的循環(huán)利用和肉蛋白乳液的界面濃縮效應(yīng)的調(diào)控具有潛在的意義。
儀器
法國Formulaction公司Turbiscan Tower多重光散射儀、動(dòng)態(tài)光散射粒度儀、Zeta電位分析儀等。
實(shí)驗(yàn)方法
不同濃度的SP/XG懸浮液，含有不同濃度的15%豆油乳液。
結(jié)果與討論
1. SP/XG懸浮液的穩(wěn)定性相圖
圖1中顯示了不同濃度的SP/XG分懸浮液的穩(wěn)定性相圖（○穩(wěn)定，■不穩(wěn)定，▲凝膠），當(dāng)SP/XG處于較低濃度時(shí)，分散體系可以形成均相穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)濃度較大時(shí)，分散體系形成不穩(wěn)定的兩相體系。
2. 蛋白質(zhì)濃度對SP/XG分散體系穩(wěn)定性的影響
在SP/XG分散體系中，當(dāng)SP濃度超過1.0%時(shí)，由于熱力學(xué)不相容的支配，生物聚合物相互排斥，蛋白質(zhì)顆粒的不斷遷移導(dǎo)致混合物溶液的穩(wěn)定性降低。SP濃度越大，TSI值曲線斜率越大，說明樣品更容易發(fā)生相分離。這一結(jié)果得到ΔBS掃描圖譜的支持(下圖)。
背散射強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)更能反映系統(tǒng)穩(wěn)定性的全局和局部變化(Wu, Guo， & Lin, 2020;l;趙，張，陸，呂，2020)。藍(lán)色曲線對應(yīng)0分鐘，紅色曲線對應(yīng)3 h的掃描曲線。蛋白質(zhì)濃度小于1.0%時(shí)，除了ΔBS在曲線底部出現(xiàn)較大波動(dòng)(0 - 6毫米可能有大型黃原膠絮凝體沉積物)，ΔBS曲線的中部和頂部(6-40毫米)的光強(qiáng)度僅有輕微的變化。
而含1.0%、1.5%和2.0% SPs樣品的ΔBS曲線在測試期間發(fā)生了顯著變化。這說明肌漿蛋白與黃原膠發(fā)生了絮凝作用，背散射幾乎在整個(gè)樣品高度出現(xiàn)變化(L. Zhao et al.， 2020)。此外，樣品頂部(37-40 mm)的特殊變化(≥1.0%)表現(xiàn)出產(chǎn)生分相的趨勢。給予足夠的時(shí)間和離心處理,宏觀的相分離就會(huì)發(fā)生。因此，結(jié)合上述結(jié)果，通過測量SP / XG分散體系的穩(wěn)定性，我們認(rèn)為當(dāng)XG存在時(shí)，SP的臨界濃度為1.0%，這意味著一旦這個(gè)濃度超過，熱力學(xué)不相容會(huì)急劇增加，導(dǎo)致宏觀相分離。當(dāng)?shù)陀谠摑舛葧r(shí)，SPs與XG之間的熱力學(xué)相容性使體系處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
3. SP和XG濃度對乳液界面壓力的影響
SPs或SP/XG混合物在油水界面的界面壓力π如圖5所示。可以清楚地看到，無論是否有XG參與，所有π都隨著吸附時(shí)間的延長而增加，表明SPs分子隨時(shí)間逐步吸附在油水界面上(Cai et al.， 2018)。吸附初期，由于SPs在油水界面上的自發(fā)吸附，界面壓力迅速上升。但在吸附后期，吸附接近平衡(但甚至在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)也沒有達(dá)到平衡)(E. Dickinson, Vliet, Benjamins， & Reynders, 2000)，因此π都緩慢而輕微地增加。
在沒有XG的情況下，2%的SPs比1%的SPs更有效地提高了界面壓力，因?yàn)楦嗟牡鞍踪|(zhì)分子有更多的機(jī)會(huì)吸附到油水界面上。然而，在有XG存在的情況下，SPs提高界面壓力的性能比沒有XG時(shí)有很大的提高。
這是由于SPs和XG之間的熱力學(xué)不相容，水相中的XG促使更多的蛋白質(zhì)分子吸附到油水界面上。具體來說，它變成了一種促進(jìn)蛋白質(zhì)吸附的滲透驅(qū)動(dòng)力，這通常會(huì)導(dǎo)致界面壓力的增加(Rodriguez Patino和Pilosof, 2011)。這一結(jié)果被界面蛋白濃度的變化、相圖和ΔBS結(jié)果支持。
4. SP濃度對乳液粒徑的影響
SPs添加量對乳狀液液滴粒徑分布和CLSM形貌的影響分別如上圖所示。在沒有SPs的情況下，乳狀液液滴的平均粒徑相對較大(在約48 μm處有一個(gè)單峰)。隨著SPs濃度的增加(0.5% ~ 2.0%)，主要分布峰明顯向小粒徑(30μm)轉(zhuǎn)移。與SP含量高的乳狀液相比，蛋白質(zhì)含量為0.5%的乳狀液中仍然存在較大的液滴。
這一結(jié)果表明，0.5%的SPs不足以*覆蓋油滴表面，這與油滴之間狹窄區(qū)域的多糖損耗絮凝有關(guān)，導(dǎo)致絮凝和/或聚結(jié)(Albano, Cavallieri， & Nicoletti, 2018;埃里克•迪金森,2009)。隨著SPs濃度的進(jìn)一步提高(1.0% ~ 2.0%)，這種情況得到改善，最終出現(xiàn)細(xì)小而均勻的乳狀液滴。
經(jīng)過10天的儲(chǔ)存，未加XG的乳化液樣品出現(xiàn)了上浮層(上圖A)。油滴聚集并向上漂浮，形成上層富油相。而在添加0.5% XG的情況下，即使儲(chǔ)存10天后，乳液仍保持均勻穩(wěn)定(上圖B)。這一結(jié)果可能說明SP/XG混合物形成了厚而致密的界面層覆蓋油滴，從而防止了油滴在儲(chǔ)存過程中的聚結(jié)、乳化和聚集。該觀察結(jié)果與顆粒分布結(jié)果和顯微組織圖像吻合較好。
結(jié)論
揭示了在黃原膠(XG)存在下，肌漿蛋白(SP)濃度對乳液穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在SP/XG分散體系中， 由于多糖和蛋白質(zhì)所攜帶的負(fù)電荷和排斥體積效應(yīng)的存在,使得溶液具有分離性。TSI和ΔBS數(shù)據(jù)表明，隨著SP濃度的增加，SPs與XG之間的熱力學(xué)不相容加劇，當(dāng)SPs濃度大于1%時(shí)，出現(xiàn)顯著的相分離現(xiàn)象。對SP/XG穩(wěn)定乳液的分析結(jié)果表明，水溶液中SP/XG的相互作用與SP的吸附和乳化密切相關(guān)。雖然XG并沒有直接參與乳化，但隨著SPs加入量的增加，由于熱力學(xué)不相容而產(chǎn)生的斥力使SPs集中形成致密的界面蛋白膜，這表現(xiàn)為滲透壓力π的增加。XG的加入降低了zeta電位，表明XG可以促進(jìn)SP構(gòu)象的改變，從而加速吸附。因此，使用食品級多糖可以改善SPs較差的乳化功能，而無需昂貴的酶修飾或化學(xué)修飾。我們的研究有望擴(kuò)大SPs的綠色應(yīng)用，避免浪費(fèi)和污染。
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