植物蛋白 — 食品乳化劑乳化和穩(wěn)定特性

背景

植物蛋白因其來(lái)源可持續(xù)、純素飲食、高性價(jià)比和有益健康的優(yōu)勢(shì)，近幾年被越來(lái)越廣泛的使用。從可持續(xù)獲得的蛋白質(zhì)，性能與傳統(tǒng)乳化劑相比存在差異，隨著供應(yīng)量的增加，如何選擇正確的蛋白質(zhì)可能會(huì)成為研發(fā)新產(chǎn)品的瓶頸。

本文展示了TURBISCAN DNS在單次實(shí)驗(yàn)中研究植物蛋白乳化和穩(wěn)定性的能力。

植物蛋白制劑

用植物蛋白部分代替或完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)乳化劑非常復(fù)雜：蛋白質(zhì)的選擇（包括其來(lái)源）、可能含有的功能性、濃度等……其中必須考慮的三個(gè)參數(shù)：蛋白質(zhì)的溶解度、蛋白質(zhì)的乳化性和產(chǎn)品穩(wěn)定性。

目前有幾種方法可以表征蛋白的功能特性，但通常需要多種設(shè)備，多次繁瑣的實(shí)驗(yàn)和樣品制備。TURBISCAN技術(shù)提供了一種完整的解決方案，只需一個(gè)設(shè)備就可以研究所有特性并快速做出決策。

本文中，將使用TURBISCAN DNS的功能，在線檢測(cè)兩種植物蛋白的溶解情況，乳化性和穩(wěn)定性將在單獨(dú)的應(yīng)用說(shuō)明中介紹。

TURBISCAN：工作原理

TURBISCAN（穩(wěn)定性分析儀）技術(shù)，基于靜態(tài)多重光散射（SMLS）原理，向樣品發(fā)射880nm的光脈沖，檢測(cè)器沿樣品瓶垂直掃描，每20μm采集一次數(shù)據(jù)。系統(tǒng)持續(xù)記錄，因樣品的穩(wěn)定性變化而引起的，隨時(shí)間變化的背散射光和透射光強(qiáng)度變化。根據(jù)光散射理論，信號(hào)與粒子濃度 (φ) 和粒徑(d)變化直接相關(guān)。該技術(shù)可以在無(wú)損的前提下，直接測(cè)量顆粒濃度在10-4到95%（v/v）和粒徑在10nm到1000um間的樣品。

圖1. TURBISCAN檢測(cè)器（具有同步背散射光和透光雙檢測(cè)器）

TURBISCAN可以檢測(cè)物理穩(wěn)定性（團(tuán)聚、乳化、沉淀、分層等）的變化，無(wú)需任何稀釋或外力，且遵循ISO TR13097，GB/T38431等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

TURBISCAN DNS有兩種模塊，可用于測(cè)量分散性和穩(wěn)定性：

T-MIX用于自動(dòng)快速篩選配方和顆粒分散性研究，顆?？梢栽跇悠菲?jī)?nèi)直接使用適配的攪拌棒分散，并自動(dòng)化控制，且實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

T-LOOP是一款在線測(cè)量和放大/過(guò)程優(yōu)化的設(shè)備，內(nèi)置蠕動(dòng)泵。產(chǎn)品從反應(yīng)器中泵入/流出樣品瓶，形成循環(huán)回路。

圖2. TURBICSCAN DNS T-LOOP模塊的特寫(xiě)

如何使用TURBISCAN鑒別蛋白質(zhì)乳化性能

本文研究了兩種植物蛋白（豌豆和大豆）的乳化性和穩(wěn)定性。首先將30g/L的蛋白溶解到500ml的水中，pH=7，25℃，保持30min。加入20%（v/v）的葵花籽油，并通過(guò)Ultraturrax以13500rpm進(jìn)行乳化3分鐘。為進(jìn)行準(zhǔn)確的乳化性能研究，通過(guò)TURBISCAN對(duì)乳化過(guò)程連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

通過(guò)TLOOP模塊，無(wú)需任何稀釋或取樣即可進(jìn)行測(cè)量，從而在線研究液滴尺寸及其變化。

圖3. smls技術(shù)與t-loop模塊結(jié)合的說(shuō)明

背散射光強(qiáng)值與粒徑大小直接相關(guān)，因此其隨時(shí)間的變化與蛋白質(zhì)乳化效率直接相關(guān)。在Ultraturrax乳化3分鐘后，停止樣品循環(huán)，并使用掃描模式檢測(cè)穩(wěn)定性5小時(shí)。在乳化后直接進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)量，依然無(wú)需任何稀釋或樣品制備。

研究結(jié)果

乳化性-在線乳液液滴大小

下圖展示了根據(jù)背散射光確認(rèn)的液滴尺寸（dSMLS）隨乳化時(shí)間的變化。和預(yù)期一致，液滴大小隨時(shí)間變小。高頻測(cè)量結(jié)果突出了乳化處理分鐘的重要性。最終的液滴大小接近，豌豆蛋白展示出了更快的尺寸縮減速度，因此其乳化性能更優(yōu)異。

圖4. 乳化3分鐘內(nèi)乳液粒徑的演變

乳化穩(wěn)定性-不穩(wěn)定性的鑒別

當(dāng)乳化完成，將TURBISCAN設(shè)置為掃描模式，檢測(cè)乳液穩(wěn)定性。通過(guò)該掃描，在分鐘，兩種乳液就發(fā)生了液滴遷移（上?。┑默F(xiàn)象。頂部有乳滴遷移，瓶底有未溶解的豌豆蛋白。

圖6. 豌豆蛋白失穩(wěn)曲線

穩(wěn)定性-快速穩(wěn)定性檢測(cè)

通過(guò)評(píng)估整體穩(wěn)定性，繪制隨時(shí)間變化的TURBISCAN動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定指數(shù)（TSI）。TSI綜合反映了整個(gè)采樣高度范圍內(nèi)的所有變化（團(tuán)聚，分層等），因此TSI越大，穩(wěn)定性越差。

圖7. 乳液整體動(dòng)力不穩(wěn)定指數(shù)

大豆蛋白乳液比豌豆蛋白乳液更穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)1小時(shí)后，受蛋白沉淀影響，豌豆蛋白乳液的不穩(wěn)定指數(shù)會(huì)增高。

蛋白質(zhì)乳化效果

下表總結(jié)了兩種蛋白質(zhì)的不同參數(shù)。

表1. 基于不同參數(shù)的乳液比較

在該配方和工藝中，相比于大豆蛋白，豌豆蛋白有更好的乳化性。最終的粒徑尺寸更小（23.5μm），達(dá)到最終液滴大小的時(shí)間（約1min）也遠(yuǎn)快于大豆蛋白乳液。

然而，豌豆蛋白的溶解性較差會(huì)有沉淀產(chǎn)生，并對(duì)最終的穩(wěn)定性有較大的影響。因此，大豆蛋白的穩(wěn)定性更好（TSI更低）。

結(jié)論

TURBISCAN DNS技術(shù)可以在單個(gè)儀器中，跟蹤實(shí)驗(yàn)的多個(gè)參數(shù)。DNS平臺(tái)提供了一種快速、省時(shí)的表征方法，用于選擇最合適的乳化劑替代品。

穩(wěn)定性分析儀（多重光散射儀）

Turbiscan 系列

TURBISCAN使用靜態(tài)多重光散射(SMLS)技術(shù)提供快速、客觀和可定量的穩(wěn)定性分析方法，在無(wú)損的前提下，快速分析樣品的穩(wěn)定性及其變化過(guò)程（分散/團(tuán)聚/分層等變化）。