热力学不相容诱导界面蛋白浓缩对水包油乳液的稳定作用

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


介绍

本研究研究了肌浆蛋白(SPs)与黄原胶(XG)在水溶液中的热力学不相容现象,以及诱导界面浓缩对乳状液稳定性的增强作用。使用法国Formulaction公司的Turbiscan多重光散射仪获得了稳定指数和delta BS曲线,数据表明肌浆蛋白与黄原胶悬浮液中,1%是肌浆蛋白的临界浓度,超过这个浓度热力学和动力学不相容显著增强,这意味着肌浆蛋白浓度一旦超过1%就会导致相分离。在乳液体系中,当SP浓度达到2% (w/v)时,液滴粒径分布和絮凝作用减小,0.5% XG的乳液具有较好的物理稳定性。


通过分析界面性质结果,发现XG的加入对乳液界面上的蛋白具有浓缩作用,导致界面压力增大、ζ电位下降,表明电荷稳定效应并不是SP/XG乳液的主要稳定因素。本研究可能对SPs的循环利用和肉蛋白乳液的界面浓缩效应的调控具有潜在的意义。


仪器

法国Formulaction公司Turbiscan Tower多重光散射仪、动态光散射粒度仪、Zeta电位分析仪等。


实验方法

不同浓度的SP/XG悬浮液,含有不同浓度的15%豆油乳液。

 

结果与讨论

1. SP/XG悬浮液的稳定性相图

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图1中显示了不同浓度的SP/XG分悬浮液的稳定性相图(○稳定,■不稳定,▲凝胶),当SP/XG处于较低浓度时,分散体系可以形成均相稳定状态;当浓度较大时,分散体系形成不稳定的两相体系。

 

2. 蛋白质浓度对SP/XG分散体系稳定性的影响

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在SP/XG分散体系中,当SP浓度超过1.0%时,由于热力学不相容的支配,生物聚合物相互排斥,蛋白质颗粒的不断迁移导致混合物溶液的稳定性降低。SP浓度越大,TSI值曲线斜率越大,说明样品更容易发生相分离。这一结果得到ΔBS扫描图谱的支持(下图)。

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背散射强度的动力学更能反映系统稳定性的全局和局部变化(Wu, Guo, & Lin, 2020;l;赵,张,陆,吕,2020)。蓝色曲线对应0分钟,红色曲线对应3 h的扫描曲线。蛋白质浓度小于1.0%时,除了ΔBS在曲线底部出现较大波动(0 - 6毫米可能有大型黄原胶絮凝体沉积物),ΔBS曲线的中部和顶部(6-40毫米)的光强度仅有轻微的变化。

 

而含1.0%、1.5%和2.0% SPs样品的ΔBS曲线在测试期间发生了显著变化。这说明肌浆蛋白与黄原胶发生了絮凝作用,背散射几乎在整个样品高度出现变化(L. Zhao et al., 2020)。此外,样品顶部(37-40 mm)的特殊变化(≥1.0%)表现出产生分相的趋势。给予足够的时间和离心处理,宏观的相分离就会发生。因此,结合上述结果,通过测量SP / XG分散体系的稳定性,我们认为当XG存在时,SP的临界浓度为1.0%,这意味着一旦这个浓度超过,热力学不相容会急剧增加,导致宏观相分离。当低于该浓度时,SPs与XG之间的热力学相容性使体系处于相对稳定的状态。

 

3. SP和XG浓度对乳液界面压力的影响

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SPs或SP/XG混合物在油水界面的界面压力π如图5所示。可以清楚地看到,无论是否有XG参与,所有π都随着吸附时间的延长而增加,表明SPs分子随时间逐步吸附在油水界面上(Cai et al., 2018)。吸附初期,由于SPs在油水界面上的自发吸附,界面压力迅速上升。但在吸附后期,吸附接近平衡(但甚至在实验结束时也没有达到平衡)(E. Dickinson, Vliet, Benjamins, & Reynders, 2000),因此π都缓慢而轻微地增加。

 

在没有XG的情况下,2%的SPs比1%的SPs更有效地提高了界面压力,因为更多的蛋白质分子有更多的机会吸附到油水界面上。然而,在有XG存在的情况下,SPs提高界面压力的性能比没有XG时有很大的提高。

这是由于SPs和XG之间的热力学不相容,水相中的XG促使更多的蛋白质分子吸附到油水界面上。具体来说,它变成了一种促进蛋白质吸附的渗透驱动力,这通常会导致界面压力的增加(Rodriguez Patino和Pilosof, 2011)。这一结果被界面蛋白浓度的变化、相图和ΔBS结果支持。

4. SP浓度对乳液粒径的影响

SPs添加量对乳状液液滴粒径分布和CLSM形貌的影响分别如上图所示。在没有SPs的情况下,乳状液液滴的平均粒径相对较大(在约48 μm处有一个单峰)。随着SPs浓度的增加(0.5% ~ 2.0%),主要分布峰明显向小粒径(30μm)转移。与SP含量高的乳状液相比,蛋白质含量为0.5%的乳状液中仍然存在较大的液滴。

 

这一结果表明,0.5%的SPs不足以完全覆盖油滴表面,这与油滴之间狭窄区域的多糖损耗絮凝有关,导致絮凝和/或聚结(Albano, Cavallieri, & Nicoletti, 2018;埃里克•迪金森,2009)。随着SPs浓度的进一步提高(1.0% ~ 2.0%),这种情况得到改善,最终出现细小而均匀的乳状液滴。

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经过10天的储存,未加XG的乳化液样品出现了上浮层(上图A)。油滴聚集并向上漂浮,形成上层富油相。而在添加0.5% XG的情况下,即使储存10天后,乳液仍保持均匀稳定(上图B)。这一结果可能说明SP/XG混合物形成了厚而致密的界面层覆盖油滴,从而防止了油滴在储存过程中的聚结、乳化和聚集。该观察结果与颗粒分布结果和显微组织图像吻合较好。

 

结论

揭示了在黄原胶(XG)存在下,肌浆蛋白(SP)浓度对乳液稳定性的影响规律。在SP/XG分散体系中, 由于多糖和蛋白质所携带的负电荷和排斥体积效应的存在,使得溶液具有分离性。TSI和ΔBS数据表明,随着SP浓度的增加,SPs与XG之间的热力学不相容加剧,当SPs浓度大于1%时,出现显著的相分离现象。对SP/XG稳定乳液的分析结果表明,水溶液中SP/XG的相互作用与SP的吸附和乳化密切相关。虽然XG并没有直接参与乳化,但随着SPs加入量的增加,由于热力学不相容而产生的斥力使SPs集中形成致密的界面蛋白膜,这表现为渗透压力π的增加。XG的加入降低了zeta电位,表明XG可以促进SP构象的改变,从而加速吸附。因此,使用食品级多糖可以改善SPs较差的乳化功能,而无需昂贵的酶修饰或化学修饰。我们的研究有望扩大SPs的绿色应用,避免浪费和污染。


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