酪蛋白具有较好的分散性和表面活性,可作为乳化剂在油水界面形成液膜保护层稳定乳滴。但仅由酪蛋白乳化的乳液是一种热力学不稳定的胶体体系,乳滴液膜易受pH值、温度影响发生破裂,导致破乳分层[1]。此外酪蛋白的低溶解度也会影响其乳化能力。因此,改善酪蛋白的功能特性,如溶解性和乳化能力,一直是食品科学和食品工业亟待解决的问题之一。果胶是一种从柑橘中提取的阴离子多糖,其骨架是1,4-D-半乳糖醛酸,具有良好的溶解性、稳定性和生物相容性[2]。先前的研究表明,酪蛋白与果胶通过水合作用形成的复合物可以在一定程度上提高酪蛋白的溶解度、乳化能力和起泡能力[3-4],但这种静电相互作用形成的果胶- 酪蛋白复合物的稳定性较差。近年来,美拉德反应已经成为一种重要的蛋白质改性方法,可以将蛋白质与果胶共价接枝形成稳定的共价复合物[5],从而显著提高蛋白质的乳化性能和稳定性[6-7]。因此,果胶具有改善酪蛋白功能特性的潜力,然而关于果胶通过美拉德反应改性酪蛋白的研究鲜有报道。

亚麻籽油含有丰富的多不饱和必需脂肪酸,包括亚油酸和α-亚麻酸,对慢性疾病预防和人体健康维持是必要的[8]。由于亚麻籽油易氧化,失去生物功能,使得其在食品工业中未得到充分利用[9]。美拉德反应产物常作为微胶囊壁材被广泛应用于不饱和脂肪酸油脂抗氧化、掩盖不良的口感和气味等方面[10]。与单一壁材微胶囊相比,蛋白质- 多糖复合物作为壁材可以显著抑制微胶囊芯材的氧化。Guo等[11]利用明胶、阿拉伯胶、麦芽糊精制备的微胶囊对松子油的脂质氧化具有显著的抑制作用,延长了松子油的货架期。Carra等[6]发现,以酪蛋白- 果胶复合物为壁材制备的微胶囊可显著提高葡萄皮提取物的热稳定性和抗氧化性。因此,酪蛋白- 果胶复合物具有作为壁材制备亚麻籽油微胶囊增强亚麻籽油抗氧化性的应用潜力。

本研究拟以接枝度和褐变指数为响应值,对美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的工艺条件进行响应面法优化,对优化条件下制得的酪蛋白- 果胶复合物的蛋白质二级结构和功能特性进行研究。以优化工艺条件下制备的酪蛋白- 果胶复合物为壁材制备亚麻籽油微胶囊。通过分析微胶囊的包埋率和微观结构以及微胶囊在亚麻籽油抗氧化中的作用,评价美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物作为微胶囊壁材的可行性,以期开发一种新型的微胶囊壁材。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酪蛋白和果胶(酯化程度66%～72%),北京索莱宝科技有限公司;邻苯二甲醛(OPA)、十二烷基硫酸钠(SDS),上海阿拉丁生化科技有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH),上海源叶生物有限公司;正己烷、异辛烷、异丙醇等试剂(分析纯),广东西陇化工股份有限公司。

1.2 仪器与设备

GLH- 220型高速乳化均质机,美国Omni公司;HCJ- 4A型磁力搅拌油浴锅,常州丹瑞仪器设备有限公司;YW- 20FD真空冷冻干燥机,南京研沃生物科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 美拉德反应制备酪蛋白- 果胶复合物的条件优化

将酪蛋白溶于磷酸盐缓冲溶液(0.1 mol/L、pH值为7),在45 ℃水浴中搅拌2 h,4 ℃下水合12 h,获得质量浓度为20 mg/mL的酪蛋白溶液。按不同质量比例将酪蛋白与果胶混匀加热,反应结束后冷冻干燥,获得酪蛋白- 果胶复合物。

1.3.1.1 不同温度条件下酪蛋白- 果胶复合物的制备

将质量浓度为20 mg/mL的酪蛋白溶液与果胶按质量比1∶1充分混合,用1 mol/L的HCl溶液调节pH值为7.0,分别于80、85 、90 、95 ℃加热1.5 h,加热后的溶液经冷冻干燥得到酪蛋白- 果胶复合物。

1.3.1.2 不同反应时间条件下酪蛋白- 果胶复合物的制备

将质量浓度为20 mg/mL的酪蛋白溶液与果胶按质量比1∶1充分混合,用1 mol/L的HCl溶液调节pH值为7.0,在90 ℃条件下分别加热0.5、1.0、1.5、2.0 h,加热后的溶液经冷冻干燥得到酪蛋白- 果胶复合物。

1.3.1.3 不同质量配比条件下的酪蛋白- 果胶复合物的制备

将质量浓度为20 mg/mL的酪蛋白溶液与果胶按质量比分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1充分混合,用1 mol/L的HCl溶液调节pH值为7.0,在90 ℃加热1.5 h,加热后的溶液经冷冻干燥得到酪蛋白- 果胶复合物。

1.3.1.4 美拉德反应条件响应面法优化实验设计

通过对各单因素实验结果分析,以反应温度、反应时间、酪蛋白与果胶质量比为自变量,采用Box-Behnken设计建立三因素三水平试验,以接枝度与褐变指数为响应值,确定制备酪蛋白- 多糖复合物的优化工艺条件。

1.3.2 酪蛋白- 果胶复合物理化特性的测定

1.3.2.1 接枝度的测定

采用OPA法测定游离氨基含量[12]。用去离子水将样品稀释至质量浓度为10 mg/mL,取200 μL样品溶液加入4 mL的OPA试剂,混合均匀,35 ℃反应2 min,于340 nm波长处测定吸光值。根据式(1)计算接枝度。

接枝度

(1)

式(1)中,A0为酪蛋白在340 nm波长处的吸光度;At为酪蛋白- 果胶复合物在340 nm波长处的吸光度。

1.3.2.2 褐变指数的测定

通过紫外分光光度计测定酪蛋白- 果胶复合物在420 nm波长处吸光值,评估褐变程度[13]。

1.3.2.3 圆二色谱的测定

圆二色谱的测定参考Wang等[14]的方法。

1.3.2.4 溶解度的测定

溶解度的测定参考Meng等[15]的方法。

1.3.2.5 乳化性的测定

乳化活性指数(EAI)和乳化稳定性指数(ESI)的测定参考Xue等[16]的方法,根据式(2)、(3)计算EAI(m2/g)和ESI(min)。

(2)

(3)

式(2)、(3)中,EAI,m2/g;ESI,minA0为均质0 min的稀释乳剂在500 nm波长处的吸光值;DF为稀释指数;d为比色皿宽度,cm;φ为油相体积分数,%;ρ为蛋白质质量浓度,g/mL;A10为均质10 min的稀释乳剂在500 nm波长处的吸光值。

1.3.2.6 热稳定性的测定

热稳定性采用差示扫描量热法(DSC)进行测定[1]。

1.3.2.7 DPPH自由基清除率的测定

参考Wang等[17]的方法稍做修改。将样品溶解于0.1 mol/L磷酸盐缓冲液中,样品质量浓度达到8 mg/mL。将2 mL的DPPH溶液(0.1 mmol/L)与1 mL的蛋白溶液混合,避光静置20 min,5 000 r/min离心10 min,取上清液测定517 nm波长处吸光值As。空白组用磷酸盐缓冲液代替蛋白质样品,对照组用无水乙醇代替DPPH溶液。根据式(4)计算样品的DPPH自由基清除率。

DPPH自由基清除率

(4)

式(4)中,Ab为空白组在517 nm波长处吸光值,Ac为对照组在517 nm波长处吸光值。

1.3.2.8 ABTS+自由基清除率的测定

参考Zhang等[18]的方法稍做修改。将20 μL样品(质量浓度为8 mg/mL)加入2 mL稀释ABTS溶液中,避光静置6 min,测量样品在734 nm波长处吸光度。根据式(5)计算ABTS+自由基清除率。

ABTS+自由基清除率

(5)

式(5)中,A0为空白组在734 nm波长处的吸光值,As为样品组在734 nm波长处的吸光值。

1.3.3 亚麻籽油微胶囊的制备

将酪蛋白- 果胶复合物溶于去离子水中(质量浓度为50 mg/mL),按一定质量比(2∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶2)加入亚麻籽油,经30 MPa和10 MPa高压均质后制成亚麻籽油乳液,将其喷雾干燥制得亚麻籽油微胶囊,喷雾干燥机进口温度为170 ℃、出口温度为130 ℃。

1.3.4 微胶囊理化特性的测定

1.3.4.1 亚麻籽油包埋率的测定

表面油质量的测定参考王文琼[19]的方法。总油含量的测定参考陈正军等[20]的方法。根据式(6)计算亚麻籽油包埋率。

包埋率

(6)

式(6)中,m总为总油质量,g;m表为表面油质量,g。

1.3.4.2 微胶囊微观结构观察

微胶囊平铺压实在进样台上,经喷金处理,用钨灯丝扫描电镜观察微观形态。

1.3.4.3 微胶囊过氧化值的测定

过氧化值样品测定参考徐丹等[21]的方法并作适当修改,取1 mL微胶囊分散液(微胶囊加入水中配制成质量浓度为50 mg/mL)加入5 mL异辛烷- 异丙醇(体积比2∶1)混匀,5 000 r/min离心5 min。取1 mL上清液,分别加入20 μL硫氰酸钾和氯化亚铁溶液,再加入甲醇- 正丁醇(体积比2∶1)溶液定容至5 mL,避光静置20 min后测定510 nm波长处吸光值。根据式(7)计算亚麻籽油过氧化值(meq/kg)。

过氧化值

(7)

式(7)中,过氧化值,meq/kg;A为510 nm波长处吸光值;φ为吸取上清液体积分数,%;k为Fe3+标准曲线斜率;m为样品中油脂质量,g。

1.4 数据处理

所有实验均重复3次,结果用平均值±标准差表示。采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)和Duncan多重检验。P<0.05表示差异具有显著性。

2 结果与分析

2.1 基于美拉德反应制备酪蛋白- 果胶复合物工艺条件的优化分析

2.1.1 美拉德反应单因素实验优化结果

2.1.1.1 酪蛋白与果胶质量比对复合物接枝度和褐变指数的影响

酪蛋白与果胶质量比对接枝度和褐变指数的影响见图1(a)。由图1(a)可知,随着蛋白浓度的增加,接枝度呈现先增加后降低的趋势,当酪蛋白与果胶质量比为3∶1时,美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物接枝度达到最大值(38.33%±0.84%)。当酪蛋白与果胶质量比小于3∶1时,高质量浓度的多糖使得反应体系黏度增大,分子流动性变差,果胶与酪蛋白的空间位阻变大,不利于糖基化反应[22]。当酪蛋白与果胶质量比达到4∶1时,果胶质量浓度减少,使得蛋白质与果胶的接触少,导致酪蛋白与果胶的接枝程度低(P<0.05)[22]。同时多糖质量浓度升高时,褐变指数显著增加(P<0.05),与美拉德产生的副反应(焦糖化)有关[23]。因此,选取酪蛋白与果胶质量比2∶1、3∶1、4∶1作为响应面优化水平因素。

2.1.1.2 反应时间对复合物接枝度和褐变指数的影响

反应时间对接枝度和褐变指数的影响见图1(b)。由图1(b)可知,美拉德反应制备的复合物的接枝度随加热时间的延长接枝度先增加后降低。在反应1.5 h时,复合物的接枝度达到最大值(36.53%±1.03%)。当反应时间超过1.5 h后,复合物的接枝度显著下降(P<0.05)。加热促进了酪蛋白结构部分展开,导致酪蛋白内部的ε-氨基暴露,与果胶分子的还原性基团共价结合[24]。但反应时间过长导致接枝度呈下降趋势,这是由于长时间加热造成蛋白质伸展,导致蛋白质分子之间相互聚集,使得游离氨基含量减少、复合物接枝度下降[25]。此外,由图1(b)可知,褐变指数在0.5～1.5 h内无显著差异(P>0.05),在2 h时显著增加(P<0.05)。综合美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的接枝度与褐变指数,选取1.0、1.5、2.0 h作为响应面优化水平因素。

2.1.1.3 反应温度对复合物接枝度和褐变指数的影响

反应温度对美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的接枝度和褐变指数的影响见图1(c)。由图1(c)可知,随着反应温度的升高,美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的接枝度显著增加(P<0.05),在90 ℃时达到最大值(37.03%±1.15%),而反应温度超过90 ℃时,接枝度显著下降(P<0.05)。随着温度增加,蛋白质中氨基和多糖末端还原羰基反应活性增加,同时蛋白质的结构也受热展开,有利于糖基化反应的发生[24]。超过90 ℃时,复合物的接枝度下降,可能是由于蛋白质分子上共价复合的糖链增长,空间位阻效应使糖基化反应受到限制[26]。此外,由图1(c)可知,反应温度在85～90 ℃内时,褐变指数差异不显著,当反应温度达到95 ℃时,褐变指数显著增加(P<0.05),是由于过高的反应温度加速了美拉德褐变产物的产生,故选取85、90、95 ℃作为响应面优化水平因素。

2.1.2 响应面试验结果

接枝度反映了酪蛋白与果胶的复合程度,其值越大说明共价连接的多糖分子越多,对蛋白功能性质的改善效果越好[27];褐变指数是评价晚期糖基化产物的重要指标,颜色通常随着糖基化程度的增加而增加,但是产品的感官质量会受到其深色的影响,可能会限制其在食品行业的应用[28]。因此,后续应用方面的研究选择较高接枝度并且保证较低褐变指数的美拉德反应条件制备酪蛋白- 果胶复合物。根据单因素试验结果,确定酪蛋白- 果胶比例(A)、加热时间(B)、加热温度(C)为主要影响因素,以复合物接枝度(R1)和褐变指数(R2)作为响应值,进行三因素三水平的响应面试验设计见表1,响应面试验结果见表2。

通过Design-expert 12软件对试验结果进行二次回归分析,利用回归方程预测各因素对响应值R1和R2的影响,结果如式(8)、(9)。

R1=36.06+1.53×A+0.951 2×B+0.692 5×
C-0.092 5×AB+0.085 0×AC-0.380 0×
BC-6.24×A2-3.25×B2-3.60×C2;

(8)

R2=1.07-0.076 3×A+0.043 8×B+0.09×
C-0.017 5×AB-0.01×AC+0.005×BC+
0.028 7×A2+0.038 8×B2+0.066 2×C2。

(9)

式(8)、(9)中,A为酪蛋白- 果胶比例;B为加热时间;C为加热温度。

以美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的接枝度为响应值的回归模型方差分析结果见表3。由表3可知,该模型显著(P<0.05),失拟项不显著(P>0.05),表明建立的回归方程拟合良好。

以美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的褐变指数为响应值的回归模型方差分析结果见表4。由表4可知,该模型极显著(P<0.01),失拟项不显著(P>0.05),表明建立的回归方程拟合良好。

2.1.3 双因素交互效应分析与验证

各因素交互作用对美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的接枝度和褐变指数影响的响应面分析见图2和图3。图中曲线走势和等高线形状可以反映出相互作用的强弱[29]。由图2和图3可知,酪蛋白与果胶比例、加热温度和加热时间对接枝度和褐变指数影响显著,与方差分析结果一致。

依据建立的模型和拟合的多元回归方程,计算得到酪蛋白- 果胶共价复合物的最佳制备条件:酪蛋白与果胶质量比3.11∶1.00,加热时间1.55 h,加热温度90.36 ℃。此条件下共价物接枝度为36.25%,褐变指数为1.08。根据实际情况确定工艺条件,即酪蛋白与果胶质量比3∶1、加热时间1.5 h、加热温度90 ℃,进行3次重复验证,测得此条件下共价物接枝度为37.06%±0.80%,褐变指数为1.050±0.014。验证实验与预测值非常接近,且获得的酪蛋白- 果胶复合物的接枝度较高而褐变指数较低,说明响应面优化美拉德反应制备酪蛋白- 果胶复合物是可行的。

2.2 美拉德反应对酪蛋白理化特性影响

2.2.1 美拉德反应对酪蛋白二级结构的影响

酪蛋白、酪蛋白- 果胶复合物、酪蛋白- 果胶混合物的二级结构见表5。由表5可知,酪蛋白的二级结构,包括α-螺旋(9.17%±0.12%)、β-折叠(23.55%±0.27%)、β-转角(29.10%±0.12%)和无规则卷曲(38.62%±0.21%)。与酪蛋白和酪蛋白- 果胶混合物相比,基于美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的α-螺旋、β-折叠和β-转角含量显著下降(P<0.05),无规则卷曲含量显著提高(P<0.05)。蛋白质和多糖美拉德反应会影响蛋白质的二级结构,蛋白质的分子空间结构展开更有利于糖基化[30]。同时,二级结构的显著变化表明,蛋白质与多糖通过美拉德反应会发生共价相互作用,是由于生物大分子之间的相互作用和反应初级阶段蛋白质热变性,蛋白质结构展开,位于肽链内部的α-区域和β-区域中的ε-氨基与多糖中羰基发生了共价结合[31]。

2.2.2 美拉德反应对复合物溶解度的影响

溶解度是蛋白质最基本的功能特性,对乳化活性、发泡特性和热稳定性有重要影响。根据以前的研究,蛋白质的溶解度可以通过美拉德反应提高[27]。酪蛋白、酪蛋白- 果胶复合物、酪蛋白- 果胶混合物的溶解度见图4(a)。由图4(a)可知,酪蛋白在pH值为4.5时的溶解度最低,随着pH值的增加,酪蛋白的溶解度逐渐增加,但其溶解度仍然较低。与酪蛋白相比,基于美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的溶解度在不同pH值下均显著提高(P<0.05)。Jimenez-Castano等[32]研究表明蛋白质- 多糖复合物比蛋白质本身有更多的亲水基团,溶解度更高。果胶是一种由半乳糖醛酸单元、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖和阿拉伯半乳聚糖组成的亲水杂多糖,附着在蛋白质上会增加复合物的亲水基团的数量和氢键能力,改善蛋白质与水的相互作用,从而提高蛋白质的溶解度[33-34]。研究结果表明,酪蛋白与果胶的共价结合显著提高了酪蛋白- 果胶复合物的溶解度。

2.2.3 美拉德反应对复合物乳化性的影响

乳化能力由EAI和ESI共同表征,EAI表示蛋白质吸附到界面上的能力,ESI表示蛋白质在一定时间内为乳液提供抵抗结构变化的能力。酪蛋白、酪蛋白- 果胶复合物、酪蛋白- 果胶混合物的乳化性见图4(b)。由图4(b)可知,美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的乳化能力显著高于酪蛋白,EAI为(23.65±0.13)g/m2,ESI为(30.02±1.35)min。与酪蛋白和混合物相比,美拉德反应可以提高蛋白质的溶解度,提高蛋白质在水溶液中的质量浓度和流动性,从而增加其在界面处的流动性。蛋白质上接枝的多糖可以在油滴之间产生一定的空间斥力,促进蛋白在油滴表面吸附形成致密的多层结构,抑制乳液之间的聚集和絮凝,从而提高乳液的稳定性[27,31]。此外,二级结构中α-螺旋含量的减少和无规则卷曲含量的增加有利于提高蛋白质分子的灵活性[31]。蛋白质灵活的结构加快了其在油水界面的迁移和吸附,使得乳化能力显著提高[35]。研究结果表明,酪蛋白与果胶的共价结合显著提高了酪蛋白的乳化性。

2.2.4 美拉德反应对复合物热稳定性的影响

当加热温度超过蛋白质的变性温度时,自然结构被破坏,暴露的基团通过共价作用产生低聚物,导致蛋白质的聚集[36]。DSC是通过计算变性温度来测试蛋白质的热稳定性。较高的变性温度表明复合物的热稳定性较好。酪蛋白、酪蛋白- 果胶复合物、酪蛋白- 果胶混合物的热稳定性见图4(c)。由图4(c)可知,酪蛋白的变性温度为76 ℃,美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的变性温度为83.6 ℃。实验结果表明,酪蛋白与果胶通过美拉德复合后,蛋白质的热变性温度被提高,限制了热诱导的聚集。美拉德反应使蛋白质受热展开,多糖链分散在结构松散的蛋白质中,空间位阻可以阻止蛋白质分子之间的聚集,提高蛋白质的稳定性[31]。有研究表明,糖基化可以增加蛋白质的表面亲水性和净电荷,有利于其三级构象的稳定性,从而提高蛋白质的变性温度[12]。因此,研究结果表明,酪蛋白与果胶的共价结合显著提高了酪蛋白的热稳定性。

2.2.5 美拉德反应对复合物抗氧化性的影响

先前的研究发现,美拉德反应产物表现出更好的抗氧化性能,可与常用的合成抗氧化剂丁基羟基茴香醚和丁基羟基甲苯相媲美[31]。糖基化产物抗氧化能力由DPPH自由基清除能力和ABTS自由基清除能力共同表征,酪蛋白、酪蛋白- 果胶复合物、酪蛋白- 果胶混合物的抗氧化性见图4(d)。由图4(d)可知,酪蛋白的DPPH自由基和ABTS自由基的清除能力较弱,而美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的DPPH自由基和ABTS自由基的清除能力分别为51.68%±0.95%和43.90%±0.80%,显著高于酪蛋白- 果胶混合物和酪蛋白。有研究表明,美拉德反应往往伴随褐变发生,进而产生类黑素化合物。类黑素的短肽氨基酸序列结构具有抗氧化肽的特征,因而酪蛋白- 果胶复合物具有抗氧化活性[37]。Tan等[38]研究表明,美拉德反应可以提高蛋清的DPPH自由基和ABTS自由基清除活性,是由于在美拉德反应的中间或最终类黑素化合物作为氢供体,通过捐赠一个氢原子来破坏自由基链,表现出较高的还原性。因此,通过美拉德反应生成酪蛋白- 果胶复合物具有更好的抗氧化性能。

2.3 基于美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物对微胶囊理化性质的影响

2.3.1 芯壁质量比对微胶囊包埋率的影响

通过美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物具有优良的乳化性、溶解性、热稳定性和抗氧化性,是制备微胶囊的良好壁材。因此,本研究以酪蛋白- 果胶复合物为壁材制备亚麻籽油微胶囊,研究其对亚麻籽油微胶囊包埋率和抗氧化性的影响。芯壁比对亚麻籽油微胶囊包埋率的影响见图5。由图5可知,芯壁比对亚麻籽油微胶囊包埋率的影响显著。随着芯壁比的提高,亚麻籽油微胶囊包埋率显著提高(P<0.05)。多糖可以通过提高乳液稳定性来提高微胶囊的包埋率[39]。一般来说,具有更高稳定性和更小液滴尺寸的乳液可能会有利于微胶囊包埋过程[40]。研究表明,多糖与蛋白质形成氢键,从而形成更稳定的蛋白质结构[41]。当酪蛋白- 果胶复合物与亚麻籽油的质量比为1∶1时,包埋率达到最大(77.06%±0.98%),高于常慧敏等[42]报道的亚麻籽油的包埋率。继续增加芯材比例,包埋率显著下降,原因可能是壁材比例过小,降低了乳液的稳定性,使得表面油含量增加,导致微胶囊包埋效率降低,无法有效地包埋亚麻籽油[43]。

2.3.2 微胶囊微观结构

微胶囊微观结构见图6。由图6可知,微胶囊总体呈现圆球状,表面致密,部分表面出现褶皱结构,这是由于喷雾干燥过程水分在高温下会瞬时蒸发,蒸发会使胶囊体形成表面凹陷[44]。但微胶囊并未发生破裂,说明酪蛋白- 果胶复合物作为壁材具有一定韧性,不因蒸汽热膨胀而破裂[45]。此外,图中少量的微小颗粒可能是未包埋的亚麻籽油蒸发后吸附在微胶囊表面[45]。

2.3.3微胶囊储存稳定性

亚麻籽油中主要脂肪酸有5种,分别是棕榈酸、α-亚麻酸、油酸、硬脂酸、亚油酸,其营养价值较高,但易被氧化分解,货架期短[46]。本研究以过氧化值为指标评价微胶囊的储存稳定性,其表示氢过氧化物分解过程中,次生氧化产物产生的挥发性和不饱和醛(主要是2-烯烃和2,4 -碱二醛)的含量[47]。微胶囊的过氧化值见图7。由图7可知,初始亚麻籽油过氧化值是1.06 meq/kg,微胶囊过氧化值为1.50 meq/kg,主要是因为制备微胶囊过程中乳化均质以及喷雾干燥时乳状液暴露在空气中,且喷雾干燥需经过高温瞬时加热,使微胶囊发生了氧化反应[48]。储存初始阶段,未包埋的亚麻籽油过氧化值升高速度较为缓慢,可能是由于α-亚麻籽油中的抗氧化化合物(维生素E和酚类)充当电子供体中断自由基链式反应,在氧化初期可以抑制自由基形成,避免亚麻籽油被氧化分解[49]。由图7可知,经过25 ℃储存7 d后,亚麻籽油过氧化值显著提高。储存28 d时,未包埋的亚麻籽油过氧化值达到(14.70±0.51)meq/kg。过氧化值升高的原因是由于亚麻籽油中的主要脂肪酸α-亚麻酸和亚油酸都存在隔离双键(—CHCH—CH2—CHCH—),隔离双键非常活跃,易引发亚麻籽油自动氧化,从而导致品质劣变和营养价值降低[50]。由图7可知,亚麻籽油微胶囊的过氧化值的变化速率比较缓慢,仅为(3.82±0.07)meq/kg。有研究表明,随着壁材中多糖质量占比的提高,微胶囊表面更加致密,孔洞减少,有效地阻隔亚麻籽油与氧气直接接触,从而提高芯材的氧化稳定性[51]。因此,本研究结果表明以酪蛋白- 果胶复合物为壁材,亚麻籽油为芯材制备的亚麻籽油微胶囊可以显著提高亚麻籽油的储存稳定性。

3 结 论

与酪蛋白相比,通过美拉德反应制备的酪蛋白- 果胶复合物的α-螺旋、β-折叠和β-转角含量显著下降,无规则卷曲含量显著提高,表明酪蛋白与果胶成功共价结合。此外,酪蛋白- 果胶复合物的溶解性、乳化性、热稳定性和抗氧化活性较酪蛋白显著提高。鉴于酪蛋白- 果胶复合物功能性质的改善,以酪蛋白- 果胶复合物为壁材,亚麻籽油为芯材,通过喷雾干燥制备亚麻籽油微胶囊。当酪蛋白- 果胶复合物与亚麻籽油的质量比为1∶1时,亚麻籽油微胶囊包埋率达到77.06%±0.98%,且微观结构表明亚麻籽油被成功包埋。经过常温储存28 d后,亚麻籽油微胶囊过氧化值变化速率缓慢。研究结果表明,酪蛋白- 果胶复合物为壁材制备的亚麻籽油微胶囊可以显著提高亚麻籽油的储存稳定性。研究旨在为酪蛋白在食品微胶囊中的应用提供科学依据。

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Preparation Casein-Pectin Conjugate Based on Maillard Reaction and Its Application in Microencapsulation

YANG Siqi1, LIU Qing1, SONG Yan1, LIU Libo1, ZHANG Guofang1, LI Chun1,2*, DU Peng1, ZHAO Kai3*

(1.College of Food Sciences/Key Laboratory of Dairy Sciences, Ministry of Education, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2.Heilongjiang Academy of Green Food Science, Harbin 150023, China; 3.Inner Mongolia Yi Ying Mei Dairy Co Ltd, Alashan 750308, China)

Abstract: The casein-pectin conjugate was prepared by Maillard reaction, and the effects of pectin on the structural and functional properties of casein was investigated. The optimum process for casein-pectin conjugate was determined by combining response surfaces with single factors taking the grafting degree and browning index as the response values. Flaxseed oil microencapsulation was prepared using casein-pectin conjugate as wall materials. The results showed the optimum process conditions were casein-pectin mass ratio 3∶1, heating time 1.5 h, and heating temperature 90 ℃. The grafting degree of casein-pectin conjugate were 37.06%±0.80% and the browning index was 1.05±0.014. The determination results of secondary structure showed that the α-helixes, β-sheets, and β-turns contents of casein-pectin conjugate was decreased by 26.39%, 9.21%, and 2.23%, respectively, while the random curl content was increased by 12.43%, compared with casein. The functional properties (solubility, emulsification, thermal stability and antioxidant activity) of casein-pectin conjugate were significantly improved compared with casein. Flaxseed oil microencapsulation was prepared by spray drying using casein-pectin conjugate as the wall material and flaxseed oil as the core material. The results showed that the maximum encapsulation efficiency (77.06%±0.98%) was reached at mass ratio of 1∶1 between casein-pectin conjugate and flaxseed oil, and the microencapsulation had a complete spherical structure without fragmentation. In addition, the peroxidation value of free flaxseed oil was (14.70±0.51) meq/kg after stored at 25 ℃ for 28 d, the peroxidation value microencapsulated flaxseed oil was only (3.82±0.07) meq/kg, indicating that the antioxidant activity of flaxseed oil was significantly improved by casein-pectin conjugate. This study aimed to provide a scientific basis for the application of casein in food industry.

Keywords: casein; pectin; Maillard reaction; functional properties; flaxseed oil microencapsulation

中图分类号: TS201.2

文献标志码: A

doi: 10.12301/spxb202300032

文章编号:2095-6002(2023)02-0044-13

引用格式:杨思琪, 刘晴, 宋妍, 等. 基于美拉德反应制备酪蛋白- 果胶复合物及其在微胶囊中的应用[J]. 食品科学技术学报,2023,41(2):44-56.

YANG Siqi, LIU Qing, SONG Yan, et al. Preparation of casein-pectin conjugate based on Maillard reaction and its application in microencapsulation[J]. Journal of Food Science and Technology, 2023,41(2):44-56.

收稿日期: 2023-01-16

基金项目: 科技兴蒙行动重点专项资金项目(2021-国家乳创中心-8);黑龙江省省属科研院所科研业务费项目重点项目(CZKYF2021-2-B017)。

Foundation: Key Project of National Dairy Innovation Research Center of Inner Mongolia (2021-National Dairy Innovation Research Center-8); Key Project of Scientific Research Funds of Heilongjiang Province (CZKYF2021-2-B017).

第一作者: 杨思琪,女,硕士研究生,研究方向为功能性乳基料的研究与应用。

*通信作者: 李 春,男,教授,博士,主要从事功能性乳基料研发、新型发酵食品创制方面的研究;赵 凯,男,工程师,主要从事乳制品、婴幼儿配方乳粉方面的研究。

(责任编辑:郝一铭)