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酪蛋白酸钠—多糖界面相互作用及其对乳状液稳定性的影响

刘丽娅  
【摘要】:蛋白质和多糖是食品乳状液的重要组分,在形成产品的结构和维系体系稳定性方面起着重要作用。蛋白质分子具有典型的两亲结构,因而表现出强的界面活性,具有一定程度的降低界面张力的能力。将多糖添加到蛋白质稳定的乳状液中,可通过改变连续相的流变特性或形成空间网络结构,抑制相分离或重力引起的分层。此外,在乳状液中,界面膜的结构和性质与乳状液的稳定性密切相关。当pH介于多糖分子的解离常数(pKa)和蛋白质的等电点(pI)之间时,蛋白质和阴离子多糖带有电性相反的净电荷。此时,多数食物蛋白(pI~5)可与阴离子多糖通过静电作用发生吸附,形成比蛋白质和多糖更具优良功能特性的复合物,从而改变蛋白质在界面上的吸附行为及界面吸附膜的流变特性,改善乳状液的稳定性。 本论文针对食品乳状液在加工和存放过程中存在的突出问题,以蛋白质和多糖在溶液体系中的相互作用为出发点,深入界面吸附行为层面,分别探讨了两种阴离子多糖—黄原胶(XG)和羧甲基纤维素钠(CMC)作为稳定剂对蛋白质在油-水界面上的吸附动力学特性和界面膜扩张流变特性的影响及变化规律,阐述了蛋白-多糖界面相互作用与乳状液稳定性之间的内在联系。 论文首先通过绘制相图并结合激光共聚焦技术,研究了蛋白质和多糖共混物在溶液体系中的相分离行为及微观结构。结果表明在中性条件下,当蛋白质和多糖浓度较低时(蛋白1 wt%,黄原胶和CMC浓度≤0.5 wt%),带有同种净负电荷的蛋白质和多糖分子之间的热力学不兼容性未诱发体系产生宏观相分离,通过对溶液的微观结构进行观测进一步证明了在这类体系中不存在相分离的微区。酸性条件下,NaCl的添加改善了酪蛋白酸钠和黄原胶之间的相互作用力,显著抑制了单独使用黄原胶调酸过程中不溶性海绵状物质的产生。随着NaCl浓度的增加,形成稳定分散体系的区域逐渐增加,并且当NaCl浓度提高500 mM时,体系仍保持稳定。酪蛋白酸钠和CMC所形成的静电复合物易在中等NaCl浓度下(≥150 mM)发生解离,将酪蛋白胶粒重新释放出来,由于其在等电点附近所带净电荷减小,所提供的静电斥力不足以维持胶粒的稳定,体系发生严重的相分离现象。 通过对蛋白-多糖复合物水力学平均直径(DH)、ζ-电位及复合溶液的剪切流变特性进行研究,探讨了溶液体系中蛋白-多糖相互作用的类型及其影响因素。结果表明在中性条件下,酪蛋白酸钠和黄原胶通过疏水力主导的相互作用发生吸附,形成结合较弱的蛋白-多糖复合物。与单纯的多糖溶液相比,复合溶液的剪切粘度呈现一定程度的下降。酸性条件下,酪蛋白胶束中带有正电荷的片段与黄原胶分子侧链上的——COO基团相互吸引,形成具有较强耐盐性能的蛋白-多糖静电复合物,其粒径~2μm。当pH小于5.5时,CMC通过静电作用吸附于酪蛋白表面,形成粒径1μm的复合物,通过空间位阻作用和增加胶粒间的静电排斥力维持体系的稳定性。当NaCl浓度≥150 mM时,盐离子对带电胶粒表面电荷的屏蔽效应增加,复合物发生解离。 采用动态滴形分析法和振荡滴技术,系统地研究了两种阴离子多糖对蛋白质在纯的玉米油-水界面上的吸附动力学特性和界面膜扩张流变特性的影响。结果表明在pH 5-7条件下,体相中黄原胶的存在使酪蛋白分子在油-水界面上达到吸附平衡时所产生的界面压力略有降低,即对蛋白质表面活性有一定程度的抑制。同时,在中性条件(pH 6和7),黄原胶降低了蛋白质界面吸附膜的机械性能。当吸附达到近似平衡时,界面膜的扩张粘弹模量E、弹性模量Ed及粘性模量Ev均出现不同程度的降低。另一方面,在发生静电吸附的临界pH以上,CMC对酪蛋白酸钠在油-水界面上的吸附动力学特性和界面膜扩张流变特性均无显著影响。而在酸性条件下,由于蛋白-多糖静电复合物的形成,两种多糖均提高了蛋白质的界面活性以及吸附膜抵抗扩张形变的能力。 分别考察了两种阴离子多糖对酪蛋白酸钠稳定的水包油型(O/W)乳状液粒度、ζ-电位、界面蛋白吸附量和组成、乳状液的微观结构及其贮存稳定性的影响。研究表明,中性条件下,两种多糖分子均未在蛋白包裹的液滴表而发生吸附。此时,连续相中的多糖分子通过排斥絮凝的机理诱发乳状液失稳,宏观表现为形成富含油滴的乳析层(上相)和富含多糖的清液层(下相)。在蛋白质的等电点附近,带有负电荷的多糖分子通过静电作用吸附于蛋白质包裹的液滴表面,提高了乳状液界面膜的厚度和粘弹性,增加了液滴间的静电斥力和空间位阻效应,有效抑制了由于液滴间的范德华吸引作用而导致的液滴聚集,同时避免了未吸附多糖引起的排斥絮凝现象。


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