《食品科学》：东北农业大学许晶教授等：自由基法多酚共价结合对大豆蛋白基乳液凝胶特性的影响

乳液凝胶具有复合网络结构，一般为类固体状态，可由蛋白质分子与油脂形成乳液脂滴后填充入凝胶基质制备，或由乳液脂滴在凝胶诱导条件下絮凝成形。改性后的蛋白质具有更加优良的乳化性、凝胶性，常作为乳化剂和凝胶基质用于乳液凝胶的制备。乳液凝胶提高了乳液的热力学稳定性，具有凝胶机械性能。大豆分离蛋白（SPI）是常见的大豆蛋白产品，主要从脱脂豆粕中提取，具有丰富的营养价值以及乳化性、凝胶性、溶解性等多种功能特性，而改性处理又能使其功能特性得到进一步提升。多酚与蛋白质共价结合的方法有碱法、自由基法、酶催化法。目前，通过自由基法多酚共价结合制备性质优良的蛋白质乳液凝胶还鲜见报道。

东北农业大学文理学院的孟甘露、楚玉南、许晶等研究了阿魏酸FA自由基共价结合法对SPI结构、乳液性质（平均粒径、Zeta电位、界面蛋白含量、表观黏度）和乳液凝胶性质（流变学分析、质构特性、持水性、水化性质、微观结构）的影响，探讨改性SPI在乳化剂和乳液凝胶应用方面的潜力，以期为开发高性能大豆蛋白乳液凝胶体系提供理论依据。

1

SPI乳液凝胶FA添加量的确定

1.1 乳液凝胶的分子间作用力

如图1A所示，SPI乳液凝胶及5 个不同FA添加量下的SFA乳液凝胶均呈现不易流动的半固体状态。静电相互作用、非共价相互作用和二硫键为主要参与SPI乳液凝胶形成的分子间作用力，其中以非共价相互作用（氢键、疏水相互作用）为主。如图1B所示，SPI与多酚以自由基法共价结合后，静电相互作用的含量基本保持不变（ P ＞0.05）；非共价相互作用的含量上升较为显著（ P ＜0.05），在FA添加量增加至150 μmol/g及更高时，含量变化趋于稳定（ P ＞0.05）；二硫键含量则呈现下降趋势（ P ＜0.05），直至添加量为250 μmol/g及以上时，二硫键含量变化趋于稳定。非共价相互作用的含量较高，主要归因于氢键及疏水相互作用。 当FA添加量不低于150 μmol/g时，非共价相互作用含量维持稳定，可能是由于SPI与FA的结合已饱和，多酚对蛋白质结构的影响达到顶峰，导致非共价相互作用的变化不再显著 。二硫键的含量变化是由于蛋白质的侧链氨基酸经氧化还原形成活跃自由基，产生较多游离巯基和游离氨基，而多酚与蛋白质的共价结合消耗了游离巯基，使得SPI乳液凝胶中的二硫键含量降低 。因此，以乳液凝胶中最主要的非共价相互作用为指标，由于250、500 μmol/g的FA添加量对非共价相互作用的影响已经不大，所以选取150 μmol/g为制备SFA乳液凝胶的最佳FA添加量。

1.2 乳液凝胶的质构特性

由表1得出，多酚自由基法共价结合后，SPI乳液凝胶的硬度、弹性、黏聚性、咀嚼性都得到显著提高（

P

＜ 0.05 ），其中咀嚼性能提高的幅度最大。硬度、弹性、黏聚性和咀嚼性随 FA 添加量的上升均显著提高（

P

＜ 0.05 ），直至 FA 添加量为 150 μmol / g 及更高时， 4 个质构特性不再发生显著变化（

P

＞ 0.05 ）。多酚的结 合使得蛋白质聚集体的数量和尺寸产生变化，从而导致 质构参数的改善。多酚与 SPI 结合过程中，由图 1 可知， 添加多酚后，乳液凝胶中的非共价相互作用逐渐增强， 这有利于凝胶网络的形成，因此 SPI 乳液凝胶的质构特性 也随之提高。 FA 添加量 150 μmol / g 及以上时， SPI 乳液凝胶质构性能稳定，可能是因为 SPI 和 FA 已结合至饱和状态， FA 对 SPI 乳液凝胶质构特性的影响不再显著。因此，综合考虑 SPI 乳液凝胶 4 种质构特性的变化，选取 150 μmol / g 为制备 SFA 乳液凝胶的最佳 FA 添加量。

1.3 乳液凝胶的持水性

如图2所示，自由基法多酚的共价结合使SPI乳液凝胶的持水性显著提高（

P

＜ 0.05 ），直至 FA 添加量为 150 μ mol/g 及更高时，持水性的变化趋于平缓（

P

＞ 0.05 ）。 SPI 乳液凝胶持水性的显著提高可能有两 方面原因：一方面，持水性的提高可能是由于乳液凝胶 的分子间作用力增强（图 1 ），促进蛋白质间的交联，形 成的乳液凝胶结构更加均匀致密；另一方面，多酚本身的水分子束缚力也有利于乳液凝胶的持水能力提高。乳液中的液滴粒径减小后，再经诱导交联的乳液凝胶结构更加均匀 致密，乳液凝胶的持水性增强。

由不同添加量的多酚自由基法共价结合后，SFA乳液凝胶持水性及分子间作用力、质构特性的整体变化情况，最终选取150 μmol/g为制备SFA乳液凝胶的最佳FA添加量。

2

自由基法多酚结合对SPI结构的影响

2.1 傅里叶变换红外光谱分析

如表2所示，SPI与最佳添加量的FA结合后，β-折叠含量显著下降（

P

＜0.05），α-螺旋含量、β-转角含量和无规卷曲含量均显著上升（

P

＜0.05），说明了蛋白质与多酚发生交联，构象产生大规模重排，蛋白质分子变得高度无序。在多酚结合下，蛋白质展开，β-折叠含量减少；α-螺旋主要由氢键维持，多酚结合引入氢键，α-螺旋含量相应升高。

2.2 荧光光谱分析

SPI与多酚结合后的荧光光谱如图3所示，SFA与SPI相比，荧光强度下降，荧光峰位由336.0 nm红移至340.2 nm。据报道，蛋白质中的Trp和Tyr基团会参与多酚与蛋白质的共价结合，导致其含量下降。因此，荧光强度的下降可能是由于Trp、Try基团参与了SPI与FA的相互作用。蛋白质与多酚的共价结合对SPI的结构会产生不可逆影响，蛋白质侧链上的Trp和Tyr基团暴露在亲水环境里，导致了荧光峰位的红移。

3

自由基法多酚结合对SPI乳液性质的影响

3.1 乳液基本性质

经 FA 共价结合后的 SPI 乳液基本性质如表 3 所示。在多酚的结合下，SFA乳液的平均粒径显著减小（

P

＜ 0.05 ）， Zeta 电位绝对值显著增大（

P

＜ 0.05 ），界面蛋白含量显著增大（

P

＜ 0.05 ）。 SFA 乳液平均粒径的减小表明，经 FA 结合的 SPI 作为乳化剂，能够更好地在油 - 水界面吸附以稳定乳液。 Zeta 电位绝对值的增大表明，蛋白质液滴 表面电荷量增加，液滴不易聚集，有利于乳液平均粒径 减小，乳液稳定性提高。 Zeta 电位增大的可能原因是， 酚酸的酚羟基去质子化产生大量负电荷，蛋白质与酚酸 的结合引入负电荷基团，使蛋白质乳液的 Zeta 电位绝对值增大。 SFA 乳液界面蛋白含量的增加，可能是由于多酚平衡了蛋白质的双亲性，蛋白质在油 - 水界面的吸附更快更强，促使生成更厚的油 - 水界面膜。乳液的 Zeta 电位和界面蛋白含量变化都与液滴平均粒径的减小保持一致，而平均粒径越小，越有利于形成具有紧密多孔结构的乳液凝胶。因此，多酚共价结合带来的乳液性质变 化，有利于 SPI 乳液凝胶性质的提升。

3.2 乳液表观黏度

多酚共价结合后，SPI乳液表观黏度的变化如表4所示，稠度系数

K

显著下降（

P

＜ 0.05 ），流动特性指数

n

显著上升（

P

＜ 0.05 ）。

K

值的下降表明， SFA 乳液表观黏度低于 SPI 乳液，这可能是由于 SFA 乳液的平均粒径较小、 Zeta 电位绝对值较大（表 3 ），乳液流动阻力小，乳液的液滴不易聚集，导致黏度降低。 SPI 经多酚共价结合后， SFA 乳液的

n

值增大，更加趋近于 1 ，由图 4 可以看 出乳液的表观黏度进一步降低，表明多酚共价结合后乳液黏度对剪切速率的依赖性变小。

4

自由基法多酚结合对SPI乳液凝胶性质及微观结构的影响

4.1 时间及频率扫描测试

乳液凝胶的黏弹性可以由小幅振荡流变学测定出的

G

’ 和损耗模量（

G

” ）反映， SPI 乳液凝胶和 SFA 乳液凝胶的黏弹性情况如图 5 所示。两种乳液凝胶的

G

’ 和

G

” 均呈现随时间延长而上升，最后稳定的趋势。 SPI 、 SFA 乳液凝胶的

G

’ 和

G

” 随时间延长逐渐上升的原因是乳液凝胶制备过程中 GDL 的加入，增强了体系中蛋白质分子之间的 交联，复合网络结构逐步形成。最后趋于稳定可能是参与交联的游离蛋白质分子减少，以及凝胶结构的基本形 成。 SPI 、 SFA 乳液凝胶的

G

” 在起始时大于

G

’ ，随时间的延长，

G

’ 的数值大于

G

” ，这表明乳液体系中的弹性特征逐渐占据主导，乳液凝胶形成类固体状态。 SFA 乳液凝胶的最终

G

’ 大于 SPI 乳液凝胶，可以归因于多酚的共价结合促进了乳液凝胶的非共价相互作用（图 1 ），降低了乳液平均粒径（表 3 ），导致单位体积内能够形成更多交联位点，因此，相较于 SPI 乳液凝胶， SFA 乳液凝胶的弹性更强。

G

’ 在 0 ～ 500 s 之间的波动可能是由于凝胶在此时间内 形成较快，仪器无法准确捕捉。

如图6所示 ，角频率（ω） 与

G

G

”呈正相关。表5中，

n

’值可以作为乳液凝胶黏弹性的重要指标，

n

’＝0表现为纯弹性凝胶，当

n

’逐渐增大时，凝胶结构中的黏性性质逐渐增强。因此，多酚共价结合后

n

’值显著降低（

P

＜0.05）、

K

’值显著增加（

P

＜0.05），表明SFA乳液凝胶的凝胶性能得到提高，弹性更强。

4.2 水合特性

乳液凝胶的不易流动态和自由流动态水分子中含有H1质子，H1质子的相互交换迁移规律可以由低场核磁共振技术检测得到，由此表征乳液凝胶水合特性，得出的结果见表6。多酚共价结合后，SPI乳液凝胶的弛豫时间

T

22 、

T

23 下降显著（

P

＜0.05），峰比例分布中，

P

22 呈现上升趋势（

P

＜0.05），

P

23 呈现下降趋势（

P

＜0.05）。弛豫时间和峰比例的变化表明乳液凝胶中不易流动水的含量升高，自由流动水的含量降低，即SFA乳液凝胶具有更强的水分子结合能力。这可以归因于两个方面，一是FA的结合使得乳液凝胶网络结构更加均匀和致密，凝胶特性增强；二是多酚物质自身具有的水分子束缚力。这与持水性的分析结果一致（图2）。

4.3 微观结构表征

由图7A、B可以看出，SPI乳液凝胶的孔洞较大；经过自由基法多酚共价结合后的SFA乳液凝胶孔洞相对较小，微观结构更加均匀致密。

SPI乳液凝胶和SFA乳液凝胶的CLSM观察照片如图7C、D所示，其中C、D两图的背景颜色差异来源于不同样品的荧光信号强弱不同。由图7可知，SPI乳液凝胶的三维网络结构中，不均匀地分布着大小不一的乳液液滴；经过多酚共价结合后，SFA乳液凝胶的结构更加致密，乳液凝胶孔洞变小，可以直观地比较出，作为凝胶结构支撑的乳液液滴粒径更小，更均匀。这与SEM的结果相符。SPI乳液凝胶微观结构受多酚共价结合的影响与质构特性、持水性、流变性及水合特性的分析结果一致，即多酚共价结合后乳液凝胶的多孔网络结构更加均匀致密。

结论

本实验利用自由基法，以FA共价结合改性SPI，在FA添加量150 μmol/g的最佳条件下制备SFA复合物，并以改性后的SPI为乳化剂、凝胶基质制备乳液凝胶。通过对FTIR光谱和荧光光谱的结果分析发现，SPI在经FA共价结合后α-螺旋、β-转角和无规卷曲含量均显著上升，β-折叠含量显著下降，荧光强度下降、荧光峰位红移。相较于SPI乳液，经FA共价结合SPI形成的SFA乳液平均粒径显著减小、Zeta电位绝对值显著增大、界面蛋白含量显著增大、表观黏度下降。SFA乳液凝胶与SPI乳液凝胶相比，终

G

’升高，体系中的不易流动水含量升高，自由流动水含量降低，表明SFA乳液凝胶材料的弹性性质更强，并具有更好的水合特性。此外，SEM和CLSM图片显示，FA的共价结合使SPI乳液凝胶的多孔网络结构更加均匀致密。以上结果表明，自由基法多酚共价结合是提高SPI乳液凝胶性质的可行方法，为乳液凝胶在食品领域的广泛应用提供理论支撑。

本文《自由基法多酚共价结合对大豆蛋白基乳液凝胶特性的影响》来源于《食品科学》2023年45卷第1期23-31页，作者：孟甘露, 楚玉南, 吴仪, 等。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230327-252。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

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