流变性

现代食品科技ModernFoodScienceandTechnology2016,Vol.32,No.1

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乳清蛋白-β-葡聚糖美拉德产物热凝胶流变性

的研究

许晶1，齐宝坤2，赵青山1，金花1，张晓松1，江连洲2

（1.东北农业大学理学院,黑龙江哈尔滨150030）（2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

摘要：蛋白质与多糖通过美拉德反应形成的复合物具有很好的乳化性，然而关于蛋白质/多糖美拉德产物在凝胶体系中应用的研

究很少。本研究采用干热法将乳清分离蛋白（WPI）与不同分子量（20~210ku）的大麦β-葡聚糖（BGL）制备成WPI-BGL美拉德产

物，通过分光光度计测定褐变强度，利用荧光光谱分析结构，并探讨美拉德反应对WPI-BGL热凝胶流变性的影响。结果表明：

WPI-BGL20的褐变强度最大，WPI-BGL的荧光强度都低于WPI，WPI与BGL发生美拉德反应使体系的结构发生很大改变。离子强

度对WPI-BGL凝胶流变性有一定影响，WPI与BGL发生美拉德反应会降低WPI的凝胶G′，原因可能是在WPI-BGL体系中蛋白质

分子间二硫键的形成和疏水相互作用受到了抑制，导致WPI-BGL凝胶的弱化。随着BGL分子量的减小，WPI-BGL的凝胶G′逐渐降

低，这表明美拉德反应进程越大，形成的凝胶越弱。

关键词：乳清蛋白；β-葡聚糖；美拉德产物；热凝胶；流变性

文章篇号：1673-9078(2016)1-111-115DOI:10.13982/.1673-9078.2016.1.018

RheologicalPropertiesofThermalGelsPreparedfromWhey

Protein-β-glucanMaillardProducts

XUJing1,QIBao-kun2,ZHAOQing-shan1,JINHua1,ZHANGXiao-song1,JIANGLian-zhou2

(eofScience,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

(eofFoodScience,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Abstract:Protein/polysaccharideconjugatesobtainedbyMaillardreaction(MR)r,onlyfew

reportsareavailableontheuofMRprotein/oteinisolate(WPI)andbarleyβ-glucan(BGL)withdifferent

molecularweights(20~210ku)wereungintensitywas

measuredbyspectrophotometry,thestructurewasanalyzedbyfluorescencespectra,andtheeffectofMRontherheologicalpropertiesof

ultsshowedthatthebrowningintensitywashighestforWPI-BGL20,theionicstrengthaffectedthe

rheologicalpropertiesofWPI-BGLgel,thefluorescenceintensityofWPI-BGLsampleswaslowerthanthatofWPI,andtheMRbetweenWPI

andBGLresultedinasignificantchangeinstructureandadecreaingelstoragemodulus(G').Thiswaspossiblyduetothesuppressionof

disulfidebondformationbetweenproteinmoleculesandhydrophobicinteractionsinWPI-BGLsystems,leadingtoweakeningoftheWPI-BGL

gel.G'oftheWPI-BGLgelreducedgraduallywithadecreainBGLmolecularweight,indicatingthatagreaterextentofMRresultsina

weakerconjugategel.

Keywords:wheyprotein;β-glucans;Maillardproducts;thermalgels;rheologicalproperty

蛋白质由于具有乳化性、发泡性、凝胶性和溶解

性等功能特性被广泛应用于食品工业中。乳清分离蛋

收稿日期：2015-03-30

基金项目：黑龙江省博士后基金（LBH-Z11237）；哈尔滨市应用技术研究与

开发项目（2014RFQXJ123）

作者简介：许晶（1979-），女，副教授，博士研究生，研究方向为植物蛋白

工程

通讯作者：江连洲（1960-），男，博士，教授，研究方向为粮食、油脂及植

物蛋白工程

白是奶酪制作工业的副产品，主要由球蛋白组成，包

括β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、牛血清白蛋白和免疫球

蛋白[1]。近年来，乳清蛋白的生物学活性和功能特性

成为研究热点，为了扩大其在食品及其他领域的应用，

很多改善乳清蛋白功能特性的研究受到广泛关注[2]。

糖化是改善蛋白质功能性的一种有效途径，是将蛋白

质和糖通过美拉德反应制备成共价复合物的方法。由

于美拉德反应对食品质量和感官具有重要影响，国内

外许多学者对蛋白质与糖共价复合物进行研究。与单

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糖和二糖相比较，多糖与蛋白质反应形成复合物能够

明显改善蛋白质的理化性质[3]。

β-葡聚糖是一种活性多糖，具有较高的溶解性和

较强的吸水溶胀能力，在水溶液中能够发挥多种生理

功能，如调节免疫、降血糖、降血脂、降胆固醇等[4]，

这些生理功能与其溶液流变性有密切关系。β-葡聚糖

可以与蛋白质通过美拉德反应进行共价复合，不同分

子量的多糖可以改变蛋白质原有的空间结构，进而改

善美拉德产物的功能性质[5]。

乳清蛋白-β-葡聚糖美拉德产物可以应用于酸奶、

豆乳等乳制品加工中，产品具有乳清蛋白和β-葡聚糖

双重营养特性的同时，还具备美拉德反应的色泽、香

味及感官特性。近年来，有许多关于蛋白质与多糖发

生美拉德反应改善蛋白质功能性质的研究，如：卵清

蛋白、大豆蛋白和乳清蛋白与葡聚糖、壳聚糖及半乳

甘露聚糖等多糖共价复合[6]。然而，这些研究大多数

集中在蛋白质热性质和乳化性的研究，很少有关于美

拉德反应对蛋白质凝胶性质影响的研究，而目前还未

见有关乳清蛋白-β-葡聚糖美拉德产物凝胶性的相关

研究。本试验采用干热法制备乳清蛋白-β-葡聚糖美拉

德产物，旨在美拉德反应和多糖分子量对乳清蛋白热

凝胶流变性的影响，为进一步了解蛋白质和多糖美拉

德产物的凝胶机制提供一定理论依据。

1材料与方法

1.1材料、试剂与仪器

大麦：市售；乳清分离蛋白：郑州天顺食品添加

剂有限公司。

耐热α-淀粉酶：天津市光复精细化工研究所；

SepharaoCL-4B柱子：美国GE公司；Dextran系列标

准样品：美国Sigma公司；无水乙醇、磷酸、盐酸均

为分析纯。

F2102型植物试样粉碎机：天津泰斯特仪器有限

公司；GalanzWD900G型微波炉：中国顺德格兰仕微

波炉电器有限公司；旋转蒸发仪：梅勒特-托利多仪器

（上海）有限公司；LGJ-1冷冻干燥机：上海医用离

心机厂；722型分光光度计：杭州汇尔仪器设备有限公

司；日立F2000荧光光谱谱仪：天美（中国）科学仪

器有限公司；RHS600哈克流变仪：德国HAKKE公司。

1.2试验方法

1.2.1大麦β-葡聚糖（BGL）的制备

大麦麸粉碎过筛后加入4倍质量的无水乙醇，在

80℃下进行回流脱脂2h。烘干后加水混合，料液比为

1:12，调节混合液温度为95℃，pH为10，在微波功率

为720W下进行微波辅助提取12min。然后调节pH为

6.5，加入耐热α-淀粉酶除淀粉，搅拌酶解至碘液不变

蓝。调节pH为4.5，静置2h，然后离心分离去沉淀除

蛋白。将上清液调节pH至中性，进行真空浓缩，向浓

缩液中缓慢搅拌加入无水乙醇使最终浓度达到60%，

4℃静置过夜，离心分离收集沉淀。无水乙醇洗涤沉

淀，沉淀加水复溶，然后冷冻干燥，得BGL提取物。

将BGL配成3%（m/V）的溶液，用2mol/L磷酸调pH为

2.5，85℃下分别水解60、100、150、210min，冷却

至室温，调pH为7，冷冻干燥，得到不同分子量BGL。

BGL的分子量采用凝胶过滤色谱法测定[7]，分别为

210、140、80和20ku，分别用BGL210、BGL140、BGL80

和BGL20来表示。

1.2.2WPI-BGL美拉德产物的制备

采用干热法制备WPI-BGL美拉德产物。将WPI分

散于蒸馏水中配成10%（m/V）的蛋白溶液，然后加入

5%（m/V）不同分子量的BGL，搅拌均匀配成混合溶

液，调节混合溶液pH为7后冷冻干燥。将冻干粉在相

对湿度为63%（饱和KI溶液）、温度为60℃下干热处

理5d，得到WPI-BGL美拉德产物，4℃储藏。WPI与

不同分子量BGL形成的美拉德产物分别用WPI-

BGL20、WPI-BGL80、WPI-BGL140、WPI-BGL210

来表示，对照组为不含BGL的WPI。测定WPI-BGL美

拉德产物的褐变强度和荧光光谱。

1.2.3凝胶的制备

将WPI-BGL美拉德产物分散于离子强度分别为

250mM和500mM的NaCl溶液中溶解，配成浓度为

10%（m/V）WPI-5%（m/V）BGL的溶液。将配好的

溶液密封，于90℃水浴中加热30min，冷却至室温，

然后4℃冷藏12h即得凝胶，测定凝胶的流变性和持水

性。

1.2.4美拉德产物褐变强度和荧光光谱的测定

将WPI-BGL美拉德产物复溶于水配成溶液，将溶

液稀释至WPI浓度为1%（m/V），BGL浓度为0.5%

（m/V）。褐变强度采用分光光度计进行测定，以420

nm下的吸光度A

420

表示。荧光光谱采用荧光光谱仪进

行测定，激发波长280nm，发射波长测定范围为

300~450nm。

1.2.5凝胶流变性的测定

采用哈克流变仪对凝胶流变性进行测定。将样品

溶液置于流变仪平板间，平板间距1mm，频率1Hz，

应变0.1%，溶液由25℃升温至90℃并在90℃保温

30min，然后冷却至25℃并保持15min，记录此过程

样品的储能模量（G'）随时间的变化，初始的应变和

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频率扫描试验显示流变性测定是在凝胶线性黏弹性范

围内；时间扫描后再对凝胶进行频率扫描，扫描范围

0.01~10Hz，记录储能模量（G'）随频率变化趋势，

探讨凝胶的稳定性。

1.2.6统计分析

采用统计学软件SPSS17.0对试验数据进行统计分

析，采用Origin8.5软件作图。

2结果与分析

2.1美拉德产物褐变强度分析

美拉德反应晚期产物是产生褐色的主要物质，褐

变强度为美拉德反应进程的一个重要指标。图1为

WPI-BGL美拉德产物的褐变强度，用420nm处的吸光

度A

420

表示。当WPI与BGL发生美拉德反应后，棕色

出现，吸光度增加。与对照组WPI相比，WPI-BGL210

几乎没有改变吸光度，随着样品BGL分子量的降低

（210~20ku），体系的吸光度逐渐增加，即褐变强度

增大，WPI-BGL20的褐变强度最大，这表明20kDa的

BGL与WPI美拉德反应活性最强，也就是说，低分子

量的BGL利于体系美拉德反应的进行。这可能是由于

多糖分子量越小，空间位阻就越小，这使得多糖分子

更容易接近蛋白质的氨基，利于反应的进行，因此有

更大的反应进程[8]。

图1WPI-BGL美拉德产物褐变强度

Fig.1BrowningintensityofWPI-BGLMaillardproducts

2.2美拉德产物荧光光谱分析

色氨酸的荧光发射通常用作蛋白质构象变化的指

示器，由于色氨酸对局部环境的高灵敏性，因此蛋白

质的荧光强度反映水相中暴露色氨酸残基的平均值。

图2为WPI-BGL美拉德产物的荧光光谱，由图2可

以看出，WPI-BGL美拉德产物的荧光强度均低于

WPI，这表明WPI与BGL发生美拉德反应降低了WPI

的荧光强度，荧光强度的降低可能是由于多糖链的屏

蔽作用[9]。Hattori等[10]发现β-乳球蛋白/羧甲基环状糊

精美拉德产物比单一蛋白质的荧光强度低，这与本研

究的结果相似。WPI-BGL美拉德产物体系中，蛋白质

的荧光强度随着多糖分子量的减小而降低，而

WPI-BGL20的荧光强度降低的最显著。20ku的BGL

为低分子量多糖，与WPI发生美拉德反应的活性最强

（图1），因此，与其他WPI-BGL体系相比，WPI-

BGL20的结构会发生更显著的变化。WPI-BGL20的

最大荧光峰波长（λ

max

）由352nm（对照组WPI）变

化到361nm，其他的WPI-BGL体系显示出与WPI

相似的λ

max

，这表明WPI-BGL20的λ

max

发生了红移。

Jiménez-Castaño等[11]对β-乳球蛋白进行荧光光谱分

析，发现λ

max

受色氨酸残基周围环境极性的影响，而

WPI-BGL20的λ

max

变化是由于蛋白质色氨酸残基周

围的构象变化导致的。

图2WPI-BGL美拉德产物荧光光谱

Fig.2FluorescencespectraofWPI-BGLMaillardproducts

2.3凝胶流变性分析

球蛋白的热凝胶是由于聚集形成的，热处理会导

致蛋白质分子结构发生改变，同时引起包埋在分子内

部的疏水性氨基酸残基暴露出来。共价键、二硫键和

非共价键分子间作用以及氢键、静电作用和疏水作用

影响着蛋白质最终的凝胶性质[12]。

图3为WPI-BGL美拉德产物在250mM（a）和

500mM（b）NaCl溶液中热凝胶储能模量G′的变化。

对于WPI凝胶来说，在加热过程中，随着球蛋白凝胶

的形成，G′不断增加。当G′达到10Pa以上表示形成

了凝胶网络，凝胶时间为12~16min，凝胶温度为

68~76℃。由图3可以看出，WPI-BGL美拉德产物凝

胶G′的变化趋势与WPI凝胶相似，在加热和保温阶

段，凝胶G′持续增加，这可能是由于凝胶网络中分子

数量的增加或网络结构的改变而使凝胶结构逐步强化

[13]。在随后的降温阶段，温度的降低使熵值减小，引

起凝胶结构中蛋白粒子间的引力加强，同时促进变性

蛋白间的非共价作用，导致凝胶G′进一步增加[14]。最

终在25℃冷却阶段，凝胶G′保持恒定几乎不发生改

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变。

在500mMNaCl溶液（图3b）条件下凝胶G′的

变化趋势与250mMNaCl溶液（图3a）相似，然而离

子强度由250mMNaCl增加到500mMNaCl，相同分

子量的BGL凝胶G′都相应的降低了。ZhaoCheng-Bin

等[15]对大豆分离蛋白（SPI）/β-葡聚糖热致混合凝胶

性质进行研究，研究表明500mMNaCl溶液中SPI的

变性温度比100mMNaCl中SPI的变性温度高，不利

于凝胶结构的形成，导致凝胶G′的降低。这也解释

了本研究中离子强度由250mMNaCl增加到500

mMNaCl，凝胶G′降低的原因。

图3WPI-BGL美拉德产物在250mM（a）和500mM（b）NaCl

溶液中热凝胶储能模量G′的变化

Fig.3ChangesinthestoragemodulusG'ofthermalgelof

WPI-BGLMaillardproductsin250mM(a)and500mM(b)

NaClsolution

注：■代表WPI；◆代表WPI-BGL20；▲代表WPI-BGL80；

●代表WPI-BGL140；★代表WPI-BGL210；直线代表温度。

图4为WPI-BGL美拉德产物热凝胶25℃下的

储能模量G′。由图4可以看出，不论离子强度为250

mMNaCl还是500mMNaCl，WPI-BGL的凝胶G′

低于WPI，这表明WPI-BGL美拉德产物具有弱凝胶

性，这可能与凝胶网络中不易形成二硫键有关。此外，

美拉德产物中BGL的空间位阻也能够抑制水溶液中

相邻蛋白质间的分子结合，尤其是疏水相互作用[16]。

疏水相互作用在球蛋白的热聚集和热凝胶中起到重要

作用，而糖化会影响疏水相互作用。这与Sun等[17]

研究的WPI与葡聚糖DX（150ku）美拉德产物的流

变性相似。

对于WPI-BGL美拉德产物凝胶来说，随着BGL

分子量的减小，WPI-BGL的凝胶G′逐渐降低，

WPI-BGL20的凝胶G′最小。这可能是由于20ku

的BGL与WPI美拉德反应活性最强（图1），即美拉

德反应进程最大，使WPI-BGL20的结构发生更显著

的变化（图2），导致凝胶网络弱化，这与María等[18]

研究的结果一致，即美拉德反应活性最高的多糖与蛋

白质形成的复合凝胶最弱。

图4WPI-BGL美拉德产物热凝胶25℃下的储能模量G′

Fig.4StoragemodulusG'ofthethermalgelofWPI-BGL

Maillardproductsat25℃

图5WPI-BGL美拉德产物在250mM（a）和500mM（b）NaCl

溶液中热凝胶的频率扫描

Fig.5FrequencyscanningofthethermalgelofWPI-BGL

Maillardproductsin250mM(a)and500mM(b)NaCl

solution

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注：□代表WPI；◇代表WPI-BGL20；△代表WPI-BGL80；

○代表WPI-BGL140；☆代表WPI-BGL210。

储能模量G′与频率的依赖性反应凝胶结构强度

的信息，凝胶的频率扫描用来判断样品凝胶与一个标

准凝胶的相似性[19]。图5为WPI-BGL美拉德产物在

250mM（a）和500mM（b）NaCl溶液中热凝胶的

频率扫描。由图5可知，不论离子强度为250mMNaCl

还是500mMNaCl，整个扫描过程所有体系的G'均随

频率的升高呈微弱升高的趋势，即G′对频率显示出低

的依赖性，这说明所有体系形成的凝胶较稳定。此外，

凝胶G′的变化趋势与图4相似，即G′

WPI

＞G′

WPI-BGL210

＞G′

WPI-BGL140

＞G′

WPI-BGL80

＞G′

WPI-BGL20

，表明

WPI-BGL20美拉德产物形成一个弱的凝胶结构，原因

可能是蛋白与多糖发生美拉德反应使凝胶结构中产生

某种类型的聚合物，导致其表现出较弱的凝胶网络

[20]。

3结论

乳清分离蛋白（WPI）与不同分子量（20-210kDa）

的大麦β-葡聚糖（BGL）通过干热法制备成WPI-BGL

美拉德产物，并对WPI-BGL美拉德产物热凝胶流变性

进行分析。分光光度计测定显示WPI-BGL20的褐变强

度最大，表明BGL20的美拉德反应活性最强。荧光光

谱分析结果表明，WPI与BGL发生美拉德反应使体系

的结构发生很大改变，WPI-BGL的荧光强度都低于

WPI，且荧光强度随着BGL分子量的降低而减小。凝

胶流变性结果表明，离子强度对WPI-BGL凝胶流变

性有一定影响，WPI与BGL发生美拉德反应会降低

WPI的凝胶G′，原因可能是在WPI-BGL体系中蛋白质

分子间二硫键的形成和疏水相互作用受到了抑制，导

致WPI-BGL凝胶的弱化。随着BGL分子量的减小，

WPI-BGL的凝胶G′逐渐降低，这表明美拉德反应进

程越大，形成的凝胶越弱。

参考文献

[1]ZhuD,DamodaranS,ionofwheyprotein

isolate(WPI)-dextranconjugatesinaqueoussolutions[J].

JournalAgriculturalandFoodChemistry,2008,56:

7113-7118

[2]刘春波,刘志东,王荫榆.糖基化反应对乳清蛋白-乳糖复合

物乳化性的影响[J].中国乳品工业,2010,38(7):25-28

LIUChun-bo,LIUZhi-dong,of

glycosylationreactiononemulsificationofwhey

protein-lactocompound[J].ChinaDairyIndustry,2010,

38(7):25-28

[3]AkhtarM,otein-maltodextrin

conjugatesamulsifyingagents,analternativetogum

Arabic[J].FoodHydrocolloids,2007,21(4):607-616

[4]-glucans:Discoveringoneofnature's

healthiestasts[J].FoodScienceandTechnology,2006,

20(3):40-42

[5]ehaviourinmixedpolysaccharide

systems[J].FoodPolysaccharides,2006,17:587-625

[6]rialapplicationsofMaillard-type

protein-polysaccharideconjugates[J].FoodScienceand

TechnologyRearch,2002,8:193-199

[7]LazaridouA,BiliaderisCG,larsize

effectsonrheologicalpropertiesofoatβ-glucansinsolutions

andgels[J].FoodHydrocolloids,2003,17:693-712

[8]MirallesB,Martínez-RodríguezA,SantiagoA,

occurrenceofaMaillard-typeprotein-polysaccharidereaction

betweenβ-lactoglobulinandchitosan[J].FoodChemistry,

2007,100:1071-1075

[9]HattoriM,OginoA,NakaiH,onalimprovement

ofβ-lactoglobulinbyconjugatingwithalginatelya-lysate

[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,1997,45:

703-708

[10]HattoriM,OkadaY,onalchangesin

β-lactoglobulinuponconjugationwithcarboxymethyl

cyclodextrin[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,

2000,48:3789-3794

[11]Jiménez-CastañoL,López-FandiñoR,OlanoA,

onβ-lactoglobulinglycosylationwithdextran:effecton

solubilityandheatstability[J].FoodChemistry,2005,93:

689-695

[12]BaierSK,nceofcosolventsystems

onthegelationmechanismofglobularprotein:

thermodynamic,kinetic,andstructuralaspectsofglobular

proteingelation[J].ComprehensiveReviewsinFoodScience

andFoodSafety,2006,4:43-54

[13]VerheulM,ureofwheyproteingels,

studiedbypermeability,scanningelectronmicroscopyand

rheology[J].FoodHydrocolloids,1998,12(1):17-24

[14]MartinezMJ,FaríasME,amicsof

heatgelationofcainglycomacropeptide-β-lactoglobulin

mixturesasaffectedbyinteractionsintheaqueouspha[J].

InternationalDairyJournal,2010,20:580-588

[15]ZhaoCheng-Bin,WuFei,LiYong-Ping,sof

β-glucansonpropertiesofsoyabeanproteinisolatethermal

gels[J].InternationalJournalofFoodScienceand

现代食品科技ModernFoodScienceandTechnology2016,Vol.32,No.1

116

Technology,2015,50(2):347-355

[16]SpottiMJ,PerducaM,PiagentiniA,hanical

propertiesofmilkwheyproteinedextranconjugatesobtained

byMaillardreaction[J].FoodHydrocolloids,2013,31(1):

26-32

[17]SunW,YuS,YangX,ntherheological

propertiesofheat-inducedwheyproteinisolateedextran

conjugategel[J].FoodRearchInternational,2011,44:

3259-3263

[18]MaríaJS,MaríaJM,AnaMRP,nceofMaillard

conjugationonstructuralcharacteristicsandrheological

propertiesofwheyprotein/dextransystems[J].Food

Hydrocolloids,2014,39:223-230

[19]SpottiMJ,PerducaM,PiagentiniA,xtran

molecularweightaffectthemechanicalpropertiesofwhey

protein/dextranconjugategels[J].FoodHydrocolloids,2013,

32(1):204-210

[20]StadingM,lasticbehaviourof

β-lactoglobulinstructures[J].FoodHydrocolloids,1990,4(2):

121-135