热处理对蛋清蛋白聚集行为及界面性质调控作用机制研究

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本研究受到“十三五”国家重点研发计划项目《方便营养型蛋制品绿色加工关键技术研究及开发》(2018YFD0400300)和吉林省科技发展计划项目《高底物浓度条件下酶解蛋清蛋白工艺研究》(20200801030GH)资助。蛋清蛋白凭借其营养均衡、生物利用度高、价格低廉和来源丰富等特点被广泛应用于食品工业中。热处理是一种常见的食品加工方式,如应用在喷雾干燥、物料混匀和高温杀菌等工艺中。热处理不仅可以杀灭食品中的有害细菌,保证人体健康,还能延长产品的货架期,有利于其运输和储存。然而,加热通常会引起蛋白的变性和聚集,导致其结构和功能特性的改变。本文旨在探究中性条件下,热处理对蛋清蛋白结构和聚集程度及其对界面性质(如发泡性和乳化性质)的影响,并通过圆二色谱、荧光、紫外、动态光散射、电泳和浊度等方法探究其作用机制。同时,以热处理后的蛋清蛋白为载体负载姜黄素,解析递送控制过程中姜黄素生物活性变化规律;此外,以蛋清蛋白中含量最高的卵白蛋白(54%)为基础,研究多酚(咖啡酸和阿魏酸)对热处理后蛋白结构与泡沫特性的调控机制。本文研究结果不仅能够为蛋清蛋白在不同热处理条件下的结构与功能特性变化规律提供一定的理论支持,而且在提高蛋品热加工水平及产品附加值等诸多方面具有一定的科研价值与现实意义。具体研究内容与结果如下:1、研究了热处理对蛋清蛋白结构性质和聚集程度的影响。在中性条件下,将蛋清蛋白分别在55℃、75℃、95℃和120℃加热15 min,通过圆二色谱、荧光光谱、聚丙烯酰氨凝胶电泳(SDS-PAGE)、动态光散射等方法分析不同加热温度对其结构的影响。结果表明,从常温加热到75℃过程中,蛋清蛋白的表面疏水性逐渐增高,而当高于75℃时,表面疏水性则显著下降。这可能与蛋清蛋白在加热(常温-120℃)过程中的聚集行为有关:即从常温加热到75℃过程中,蛋清蛋白随着温度的升高逐渐形成大分子量聚集体;当加热温度高于75℃时,上述聚集体开始裂解为小分子量的寡聚体,粒径更小且分布较均匀。2、研究了热处理对蛋清蛋白泡沫性质的影响。结果表明,在常温到75℃过程中,蛋清蛋白的发泡能力随温度升高逐渐降低,而泡沫稳定性逐渐升高;在75℃-120℃过程中,蛋清蛋白的发泡能力随温度升高逐渐增加,而泡沫稳定性开始降低。总的来说,在25℃-120℃范围内,75℃时蛋清蛋白的发泡能力最低,泡沫稳定性最高;而120℃时其发泡能力最强,泡沫稳定性最低。结合上一章对热处理后蛋清蛋白结构的分析,可以推测热处理对蛋清蛋白泡沫性质(发泡性和泡沫稳定性)的改善是受蛋白本身的聚集行为变化和表面电荷迁移共同调控的。3、研究了热处理(75℃和125℃)对蛋清蛋白乳化性能的影响。结果表明,经75℃热处理后的蛋清蛋白乳液粒径最大,表面疏水性最强,同时乳化性最差;而经125℃加热后的蛋清蛋白乳液粒径较小且分布比较均匀,乳化性最好。这可能是因为125℃处理后的蛋清蛋白主要由大量具有高疏水性和和静电斥力的寡聚体组成,可以迅速地扩散到油-水界面形成稳定层;而75℃处理后的蛋清蛋白则由于较强的刚性结构和体积较大的聚集体组成,难以在油-水界面的的扩散和稳定,导致乳化性较差。同时,还分析了油相比(θ=0.1、0.3和0.5)对不同加热温度的蛋清蛋白乳化性的影响,研究发现油相比的增加有利于乳液稳定性的增强。4、基于蛋清蛋白在加热后表面疏水性显著提高的特征,以热处理后的蛋清蛋白为基础,构建包埋姜黄素类疏水活性物质的复合物递送体系,确定蛋清蛋白可以作为一种新型的纳米复合物。结果表明,姜黄素主要通过疏水作用与蛋清蛋白的疏水区域结合,形成稳定的蛋清蛋白-姜黄素复合物。与蛋清蛋白的结合,显著提高了姜黄素在水溶液中的溶解性,最大提高了3800倍,同时复合物的稳定性和生物可利用率也显著提高。通过对消化液进行SDS-PAGE实验,发现姜黄素的加入可以提高蛋清蛋白在体外的消化率。最后,通过对蛋清蛋白与姜黄素复合物表面性质和结构分析,确定了对复合物相互作用影响较大的因素为疏水位点的数量,经120℃处理后的蛋清蛋白在结合姜黄素方面有着更加显著的效果。5、研究了中性条件下,加热后的卵白蛋白与咖啡酸和阿魏酸的结合对其结构和泡沫性质的影响。结果表明,不同温度对蛋清蛋白结构和泡沫性质的影响有显著差异。其中,多酚的加入均能提高卵白蛋白(未加热和加热的)的发泡能力和泡沫稳定性,并且多酚浓度对其界面性质影响较大。多酚主要通过改善蛋白在水溶液中的溶解度,并使蛋白发生交联而增强其在气-水界面吸附膜的厚度来提高蛋白的泡沫性质。总之,本文研究结果表明热处理通过改变蛋清蛋白的结构,显著影响到蛋白的起泡性和乳化性。加热引起蛋清蛋白显著聚集,在75℃达到最大值;120℃加热时,其聚集体时分解成若干高疏水性、高分子柔性和强静电斥力的寡聚体颗粒。同时,发现加热后的蛋清蛋白是一种优良的纳米载体,可以提高姜黄素的稳定性、溶解度和生物利用度;反之,多酚的添加也可以提高蛋白的起泡性和发泡能力。本研究为拓展蛋清蛋白商业应用的新工艺基础开发提供了重要的理论基础和借鉴意义。
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