摘要

本研究的目的是確定在乳清蛋白濃縮物(WPC)中加入羥丙基甲基纖維素(HPMC)對提高體係發泡性能的影響，並研究其與界麵性能的關係。

在這些條件下1 × 10^－2將1% w/w的乳清蛋白溶液與1 × 10混合^－21% w/w的多糖。溶液在90°C恒溫浴中熱處理30分鍾。泡沫是用一種發泡的商用儀器生產的。用電導法和光學法測定了泡沫的形成及其穩定性。

隨時間變化的表麵壓力(π);采用自動滴張儀測定了WPC/E4M混合膜在氣-水界麵的吸附和膨脹動力學。

1 × 10^－2%是提高熱處理發泡性能的最佳生物聚合物濃度組合。WPC的聚集和多糖在氣液界麵的分子重組能力可能是這些發現的原因。研究結果具有流變學意義。WPC在任何研究濃度下都不起泡。

關鍵字

乳清濃縮蛋白;Hydroxypropylmethylcellulose;發泡性能;界麵屬性

簡介

乳清蛋白濃縮物(WPC)和分離物(WPI)是重要的食品配料，因為它們具有良好的功能特性，如凝膠化、發泡和乳化。乳清蛋白是許多傳統或新型食品中功能蛋白成分的重要來源。乳清中的主要蛋白質是β-乳球蛋白(β-lg)、α-乳清蛋白(α-lac)和牛血清白蛋白(BSA)，占乳清蛋白[2]的70%。這些蛋白質負責乳清蛋白的功能特性，如在水中的溶解度、粘度、凝膠化、乳化、起泡、著色、風味和紋理增強，並為配方產品提供許多營養優勢。

蛋白質由於其兩親性可以吸附在流體界麵上。蛋白質在界麵上的吸附和其他動態表麵特性(如膜粘彈性)在食物分散體係如泡沫和乳劑[1]的形成和穩定性中起著重要作用。由於吸附過程，蛋白質分子阻止了之前產生的氣泡或液滴的再發光。此外，在蛋白質吸附過程中，空氣-水或/和油水界麵的表麵或界麵張力降低，這是優化發泡或乳化過程中能量輸入的一個重要屬性[2]。較小的氣泡或液滴是膠體體係穩定性的重要因素。

乳清蛋白的結構-功能關係在文獻中得到了廣泛的研究，特別是它與它們的聚集性質和相互作用(如疏水相互作用、氫鍵、靜電相互作用和硫醇-二硫化物交換反應)的性質有關。這些相互作用可以通過改變乳清蛋白分子的物理化學性質來調整，通過對蛋白質進行溫度預處理，部分或完全解開蛋白質結構，暴露出隱藏的疏水基團[3]。

多糖被用於蛋白質的外加劑，主要是為了提高分散體係的穩定性。大多數高分子量多糖親水，在空氣-水界麵沒有太大的吸附傾向，但它們可以作為增稠劑或凝膠劑[4]強烈增強蛋白質泡沫的穩定性。羥丙基甲基纖維素(HPMC)的應用是基於甲基取代，沿著纖維素骨架形成疏水區，而羥丙基更親水。這些疏水基團的引入使HPMC具有表麵活性劑的作用。因此，hpmc被吸附在流體界麵上，降低了表麵張力[3-5]。HPMC是一種表麵活性纖維素衍生物，在食品工業中用於提高焙烤產品[6]的質量，在製藥工業中用於控製藥物釋放基質[7,8]。

前人研究了三種商用HPMC (E4M、E50LV和F4M)吸附膜在氣-水界麵的表麵壓力等溫線、結構和表麵膨脹特性以及吸附動力學[9,10]。在這些工作中，我們已經得出結論，HPMC分子能夠擴散和飽和空氣-水界麵在極低濃度的體相。三種hpmc在氣-水界麵處形成了非常有彈性的薄膜，即使表麵壓力很低。

與其他纖維素相比，E4M表現出明顯的行為，因為它在所有體積濃度下都表現出競爭行為。E4M具有較強的競爭能力，其原因在於其分子結構具有較高的表麵活性。E4M的羥丙基摩爾取代性(MS)為0.23，是其係列中最高的。羥丙基比甲基更親水，更容易與水分子形成氫鍵，經核磁共振[11]測定。盡管如此，甲基和羥丙基都使纖維素呈疏水性[12]。E4M的另一個特點是其較高的分子量使其具有較強的活性。表麵張力的降低不依賴於聚合物的摩爾吸附量，而是取決於與表麵實際接觸的聚合物段的數量[12]。這意味著聚合物的表麵性質取決於鏈、環和尾的長度和分布。E4M的平均聚合度高於E50LV(數據由陶氏化學公司提供)，這與每摩爾聚合物[13]可能吸附的片段數增加有關。

在E4M存在的情況下，當WPC吸附在氣-水界麵處時，會出現以下三種現象:(i)多糖自身在界麵上與蛋白質有競爭性吸附(競爭吸附)(ii)多糖主要通過靜電相互作用或氫鍵與被吸附的蛋白質絡合，(iii)由於蛋白質與多糖之間存在有限的熱力學相容性，多糖集中了被吸附的蛋白質。

聚集體現象在加熱過程中會增強，結果會形成聚集體。顯然，WPC / E4M混合體係的表麵壓力不容易預測，因為複雜的現象同時發生:

1. 競爭或合作行為作為每個生物聚合物體積濃度和E4M分子特性的函數;
2. 生物聚合物之間在體塊和界麵層麵的不相容性。

蛋白質和多糖之間的相互作用或不相容性影響吸附的速率和大小。因此，不同組分獲得界麵的順序將影響最終的平衡表麵成分[14]。

由於混合生物聚合物在流體界麵具有潛在的協同作用，表麵活性蛋白和多糖的競爭吸附研究引起了人們的興趣[15,16]。在這些工作中，我們得出結論，由於它們的表麵活性特性，這些多糖和WPC蛋白的混合物可能會發生競爭吸附。Perez等人[14]研究了HPMC對WPC吸附膜在氣-水界麵處的競爭行為影響及其流變性[10,17- 18]。最近，我們分析了三種先前表征的HPMCs[4]對水氣界麵擴散WPC單層結構和流變性能的影響。由於在之前的工作中E4M在研究的hpmc之間表現出最高的界麵張力活性，我們決定目前使用。為達到本項目最初提議的目標而采用的各種方法的組合將獲得補充資料，而這些資料又可用於技術目的。事實上，混合生物聚合物薄膜的應用可以幫助我們進入乳液和泡沫的穩定。

在這種情況下，本研究的目的是確定熱應用對乳清蛋白濃縮物(WPC)與商業命名為E4M的羥丙基甲基纖維素組合的影響，研究其發泡性能與界麵性能的關係。

材料和方法

樣品製備和熱處理

WPC粉由阿根廷聖達菲的Milka Frank提供。其組成為:蛋白質78.9% (N × 6.25)，乳糖5%，灰分4.3%，水分5.6%。原生條件下的WPC page電泳在Mini-Protean II雙平板細胞係統(Bio-Rad Laboratories)中進行。蛋白條帶定量采用BioRad GS-670成像密度計完成。Bio-Rad分子分析師/電腦。分子圖像程序允許在體積測試選項下分析分子量和能帶強度。WPC的成分為β-lg 44%， α-lac 20.1%， BSA 8%。其餘組成小部分的蛋白質是免疫球蛋白和蛋白蛋白腖部分[19]。

HPMC (E4M的Methocell係列)，食品級，來自陶氏化學公司，由Colorcon-Argentina提供，未經淨化使用。比較相關的理化性質是:甲基和羥丙基含量分別為:28和10.2%;甲基羥丙基比:2.7;替代度:2.13;粘度(20°C) 2% wt溶液:4965 cp;分子量:90000 kDa。

將生物聚合物溶解在Trizma緩衝溶液中，保持pH值和離子強度(0.05M)不變₂哦)_3.CNH₂/ (CH₂哦_3.CNH_3.Cl)(σ,> 99.5%)。使用pH值為7的milliq超純水。溶液在4℃下保存12小時，以達到最大的生物聚合物水化。

通過混合適當體積的雙濃縮生物聚合物溶液，以達到所需的最終濃度，得到WPC/E4M混合體係。

研究了wpc1 × 10混合體係^－2% + E4M 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^－2%和WPC 1%+E4M 1% w/w。以相同濃度的單一WPC或E4M溶液混合作為實驗對照。

對溶液進行熱處理的方法是將50毫升各自的溶液加熱到密封的玻璃燒瓶中。燒瓶在90°C的溫控浴中浸泡30分鍾。

泡沫形成及穩定性測量

使用泡沫掃描儀器(Teclis-It Concept, Logessaigne，法國)測定泡沫形成和穩定性。在玻璃管的按鈕處，通過0.2 μ m的多孔玻璃過濾器，以45 mL/min的流量吹製氮氣產生泡沫，在玻璃管的按鈕處放置20 mL的起泡水溶液(25±1℃)。在所有的實驗中，泡沫被允許達到120毫升的體積。然後停止冒泡，並通過電導和光學測量來分析泡沫的演變。

確定了四個參數作為泡沫容量的測量。總起泡量OFC (ml/s)從泡沫體積曲線的斜率開始，一直到起泡結束，表明體係的總體起泡性。泡沫容量(FC)是泡沫中氣體滯留量的度量，由公式1確定。泡沫最大密度(MD)是衡量泡沫中液體滯留量的指標，由公式2確定。泡沫相對導電性(Cf， %)是泡沫密度的度量，由公式3確定。

\ [{\ rm {FC = Vfoam}} ({\ rm {f}}) {\ rm {/ vga}} ({\ rm {f }})\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,({\ rm {1}}) \]

\ [{\ rm {MD = Vliq (i) - Vliq (f) / Vfoam (f )}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,({\ rm {2}} \]

\ [{\ rm {CF = Cfoam (f) / Cliq大有(f ) }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 3) \]

在哪裏Vfoam (f)是最終的泡沫體積，vga (f)是最終注入的氣體體積，Vliq(我)而且Vliq (f)初始和最終液體體積，和Cfoam (f)而且Cliq大有(f)分別為最終泡沫和液體導電性值。靜態泡沫穩定性由隨時間[20]從泡沫中流出的液體量確定。半衰期(t^1／2)，指排空所需的時間V / 2可以用公式4表示，對應於經驗二階方程。

\ [{{\ rm {t}} _ {{\ rm {5}}}} {\ rm { = (}}{{\ rm {k}} _ {\ rm {2}}} {\ rm {}} {{\ rm {V}} _ {\ rm {0}}} {\ rm {}} {{\ rm {)}} ^ {{\ rm {- 1}}}} {\ rm { }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\ rm {(4)}} \]

動態表麵張力

吸附的WPC/E4M混合膜在氣-水界麵處的隨時間變化的表麵壓力(π)是用自動滴張計測量的，如別處[21]所述。簡單地說，讓水溶液靜置30分鍾，使其在容器中達到恒溫。然後送出溶液滴，讓其停留在注射器尖端約180分鍾，以達到在空氣-水界麵吸附。水滴的圖像從CCD相機連續拍攝並數字化。通過對跌落剖麵[22]的分析計算了表麵張力(ρ)。表麵壓強是π=ρ_oρ-ρ_o是純溶劑在無大分子情況下的表麵張力。表麵張力的平均精度約為0.1 mN/m。然而，結果的再現性(至少兩次測量)優於1%。

吸附動力學

蛋白質/多糖在空氣-水界麵的吸附動力學可以通過測量表麵壓力的變化來監測。

這些生物聚合物在流體界麵上的吸附包括(i)蛋白質從體擴散到界麵上，(ii)吸附(穿透)和界麵展開，以及(iii)界麵層內聚集(重排)，多層形成，甚至界麵凝膠化。

在第一步中，當表麵壓力相對較低，擴散是速率決定步驟時，可以使用Ward和Tordai方程[23]的修正形式將表麵壓力的變化與時間方程5聯係起來。

\[\ 2π= {\ rm {}} {C_0} {\ rm {}} KT{\離開(3.14 {Dt / {\ rm{}}} \右)^ {5}}{\ rm {}} {K_d} {t ^ {1/2 }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 5) \]

其中C₀為體相濃度，K為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，D為擴散係數。

如果生物聚合物在氣-水界麵的擴散控製吸附過程，π與t的曲線^1／2然後將是線性的[24-28]，這個圖的斜率將是擴散速率常數(k_d)．在較高的吸附時間，之後受擴散影響，WPC/E4M吸附過程中存在能量勢壘，這可能與界麵[29]處大分子的吸附、穿透、展開和重排有關。由於吸附大分子的界麵濃度是體相的數倍，分子的展開和重排過程在界麵處被放大。為了監測吸附的WPC/E4M分子的吸附/穿透/展開，使用了Graham和Phillips[27]提出的方法。因此，這些過程的速率可以用一階方程來分析:

在π₁₈₀,π₀和πt分別為吸附時間180 min時，t=0時，和任意t時的表麵壓力，ki為一階速率常數。在實踐中，方程6的圖形通常產生兩個或更多的線性區域。取初始斜率對應吸附的一階速率常數(K_p)，而取第二個斜率對應重排的一階速率常數(K_r)，發生在吸附的分子數量基本恒定的分子之間。所有測量至少進行兩次，誤差小於10%。

\[在\離開({{\π_ {180}}{\ rm{-}}{\π_t}} \右)/({\π_ {180}}{\ rm{-}}{\π_0}{\ rm {) = - }}{ k_{它 }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 6) \]

表麵膨脹性質

空氣-水界麵吸附膜的時間相關表麵粘彈性參數由自動滴張儀(IT Concept, France)測定，如別處所述[18,22]。測量了表麵膨脹模量E及其彈性、Ed和粘性、Ev分量在15%變形幅值(ΔA/ a)和100 mHz角頻率(ω)時的時間函數θ。麵積變化百分比被確定為線性區域(數據未顯示)。該方法包括一個周期自動控製，正弦界麵壓縮和膨脹，通過減少和增加雨滴體積，在所需的振幅。由表麵張力(膨脹應力)的變化而得到的表麵膨脹模量σ(公式7)，由表麵麵積(膨脹應變)的微小變化a(公式8)可用公式9[20]表示

\[\σ={\σ_0}{\ rm{}}罪\離開({\ω\θ+δ}{\ rm{}} \ \右){\ rm { }}\,\,\,\,\,\,\,{\ rm{}} \左(7 \)\]

\ [= {}, A_0 sin \左(θ}{\ω\ \右 )\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\ mkern 1μ}{\ mkern 1μ}{\ mkern 1μ}{\ mkern 1μ}{\ mkern 1μ}{\ mkern 1μ}{\ mkern 1μ}\左(8 \)\]

\ [E = \壓裂{{d \σ}}{{dA /}} = \壓裂{{d \π}}{{迪娜 }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 9) \]

在σ₀和一個₀分別為應力和應變幅值，δ為應力和應變的相位角。

膨脹模是一個複量，由實部和虛部組成(式10)。

\ [E = \離開({\σ/ {\ rm {}} {A_0}} \) \離開({因為\δ+ isinδ}{\ rm{}} \ \右){\ rm {=}} {E_d} + i {E_v} {\ rm { }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\ 左({10}\右)\]

膨脹模量或儲存分量的實部是膨脹彈性，E_d= E cosδ．膨脹模量或損失分量的虛部為表麵膨脹粘度E_v= E森δ．這一比率(σ₀/一個₀）絕對模量│E│總體單位材料抗膨脹變形能力(彈性+粘性)的度量。對於完全彈性材料，應力和應變同相(δ=0)，虛項為零。對於完全粘性物質δ=90°，實部為零。損失角tan (tan δ)可由式11定義。因此，如果薄膜是純彈性的，損失角正切為零。

\ [tan \δ= {\ rm {}} {E_v} {\ rm {}} / {\ rm {}} {E_d }\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 11) \]

實驗在20°C下進行，通過恒溫器的循環水使係統溫度恒定在±0.1°C內。樣品和溶液被放置在注射器中，注射器又被放入隔室中。最後，讓樣品靜置30分鍾，以達到所需的恒溫。然後在空氣-水界麵處注入一滴樣品溶液，實現大分子吸附。對與被檢測溶液接觸的材料進行了適當的清洗，以避免任何表麵活性物質的汙染。

統計分析

所有的實驗都至少重複了一遍。模型擬合優度用決定係數(R²)和方差分析(ANOVA)，使用Statgraphics Plus 3.0。軟件Manigistics, Inc, 2115東傑斐遜街，馬裏蘭州20876。

結果與討論

發泡特性

首先，必須指出的是，無論使用的濃度如何，在緩衝液中溶解的單一WPC都無法獲得穩定的泡沫。也就是說，在這種情況下，WPC的泡沫不足以達到120毫升的泡沫，因為新氣泡的形成和穩定的速率低於泡沫破裂的速率。這與以往的報道一致[24,25]。同時，簡單的E4M溶液與WPC結合發泡濃度為1% w/w或更高。然而，最低濃度(1 × 10^－2% w/w)的E4M與高蛋白濃度結合時起泡。

發泡能力:wpc1 × 10試樣的總發泡容量(OFC, ml/s)、FC、泡沫MD和相對泡沫導電性(Cf， %)^－2% + E4M 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^－2%和WPC 1%+E4M 1%如圖1(a-d)所示。

隻適用於一個混合係統，WPC 1% + E4M 1×10^－2熱處理提高了OFC、FC、MD和Cf %。在E4M濃度最高的情況下，如含有1% E4M的情況下，熱處理沒有發現任何影響，僅觀察到FC略有下降，由於熱處理應用，在泡沫中檢測到較低的氣體滯留率(圖1b)。

WPC 1% + E4M 1 × 10^－2混合體係的所有測量參數在熱處理後都有明顯的增加。形成的泡沫由密度更大的氣泡(未顯示)組成，在泡沫中有高的液體和氣體滯留。這一結果可以歸因於蛋白質的熱變性有利於其在短時間內更快地擴散到空氣-水界麵。

WPC 1% + E4M 1 × 10的一般參數，特別是FC值較低^－2%係統無需熱處理。然而，當加熱時，發現一個相當大的增量。重要的是要記住，純E4M隻在wt濃度為1%時形成泡沫。在較低的E4M濃度下，它不會起泡，而純WPC溶液在任何情況下都不會起泡。這個結果對於這個混合係統來說是非常顯著的。

對於1%的WPC + 1%的E4M，當溶液中各大分子的比例相等時，沒有觀察到熱處理效果。E4M在液界麵[28]處的擴散速度優於WPC，提高了發泡性能[29]。這一特性將有助於提高泡沫形成過程中(時間<60 s)的發泡參數的性能，除了WPC在1% + E4M在1 × 10條件下的性能沒有被熱處理改變^－2%，這是一個普遍的低粘度體係。

泡沫穩定性:靜態泡沫的穩定性是由液體的體積排出的泡沫隨時間的推移而確定的。半衰期(tt^1／2drain)，由實驗數據得到(式4)。圖1e顯示了用wpc1 × 10的半衰期量化的泡沫穩定性^－2% + e4m 1%;WPC 1% + e4m 1 × 10^－2%和WPC 1% + E4M 1%係統。

未處理的wpc1 × 10的穩定性最高^－2% + E4M 1%，意思是;當混合溶液中蛋白質濃度較低時，泡沫的排液穩定性最高。在混合體係中，組分的相互作用會促進複雜的界麵膜的形成，主要由E4M穩定，其表麵壓力已被證實高於WPC[28]。結果還表明，WPC和E4M在較短的吸附時間內通過氣水界麵競爭。競爭隨著時間的推移而加劇。E4M分子穿透並重新排列到單分子層中，表麵壓力升高幅度較大，導致WPC滲透[14]。這一事實反映了E4M更大的分子重組能力。因此,女警官1×10^－2% + E4M 1%體係具有最高的穩定性，而WPC 1% + E4M 1%體係吸收生物聚合物之間的能力概率增加。

對於一種特定的蛋白質，整個泡沫失穩(泡沫的半衰期)和個別的失穩過程(排水、不均化和聚結)可能與吸附在氣泡[30]周圍的蛋白質膜的界麵特性(蛋白質在界麵的濃度和聚集、結構、地形、界麵剪切和膨脹特性)有關。熱處理等所有加工工藝都會改變界麵結構，從而改變其功能特性。[31]。

必須考慮到與蛋白質-蛋白質和蛋白質水相相互作用有關的泡沫不穩定機製的排水、坍塌和歧化，以及蛋白質在高溫下的變性。熱引起的蛋白質變性可增加蛋白質-蛋白質相互作用。這一事實會導致[32]的聚集甚至沉澱，降低蛋白質的表麵活性，導致WPC 1 × 10的穩定性下降^－2% + E4M 1%處理體係。而當蛋白質含量較高時(WPC 1% + E4M 1%)，蛋白質和多糖相互排斥，分離成不同的相。排除體積效應會加速大分子的結合，並增強蛋白質在流體界麵[33]的吸附。熱變性使WPC 1% + E4M 1%熱處理溶液在表麵活性更強的體係中呈現疏水基團，從而產生更穩定的泡沫，防止液體排出。

吸附動力學

如前所述，WPC在體積濃度低至5 × 10時顯示出表麵活性⁵[18]，即使它不起泡。當生物聚合物體積濃度降低時，吸附過程描述如下步驟:a)在溶液濃度較低時，界麵處發生的疏水殘留物越多，表麵壓力幾乎為零，因為吸附段的數量不足以引起表麵張力的顯著下降;b)在較高的生物聚合物濃度下，形成吸附單分子層，該單分子層具有擴展結構I;c)隨著體積增大，界麵濃度增大，結構I向結構II過渡，當單分子層被不可逆吸附的生物聚合物段飽和時，可建立平衡狀態;D)最後，形成的膜在最高的體濃度[18]時，會發生坍塌，形成多層膜。

結合混合體係發泡試驗的結果，采用自動滴張儀對短時間和長時間的表麵壓力進行了研究。圖中包含了單個組分的π-時間曲線，以便於數據解釋(圖2a-f)。WPC 1 × 10^－2% + E4M1%是第一位的。可以看出，在較短的吸附時間(t<60s)下，混合蛋白的表麵活性高於單一蛋白。在這種情況下，WPC體濃度不足以飽和界麵(結構II)，而E4M可以做到(圖2a)。水滴形成後表麵壓力立即增加，服從多糖吸附，如圖2a所示，對應吸附時間較短[14]。在這種混合係統中可以檢測到輕微的差異，在加熱後，π值在小於60s時下降。

在較長的吸附時間(t>10000s)下，混合物和加熱的混合物達到了與單個蛋白質相似的π值(圖2b)。

當蛋白濃度增加時，如在WPC 1%/E4M 1×10^－2%，則觀察到相反的行為。在此條件下，蛋白質幾乎可以瞬間飽和界麵(結構II)，決定了混合體係的表麵壓力，在(t <60s)(圖2c)。E4M的存在和加熱導致表麵壓力輕微增加，直到60秒(圖2c)，甚至在最長時間內觀察到強烈的協同效應(圖2d)。當生物聚合物的濃度為WPC 1%/ E4M 1%時，在較短的吸附時間內也能觀察到類似的效果。混合體係在吸附時間短(圖2e)和長(圖2f)時，表麵活性都有所增加。盡管加熱的樣品與未加熱的混合物沒有明顯差異。E4M的競爭行為被歸因於其較高的表麵活性，這是其分子結構[18]的結果。表麵張力的降低不依賴於聚合物的摩爾吸附，但它依賴於與表麵接觸的潛在吸附段的數量。換句話說，聚合物的吸附取決於鏈、環和尾的長度和分布。事實上，E4M具有很高的聚合度，這增加了每摩爾聚合物[13]可能被吸附的段數。

吸附動力學

擴散階段在短時間內控製蛋白質和多糖的吸附過程。因此，從π對t的曲線的斜率^1／2推導了擴散速率(K_d)大分子向界麵的遷移。的π- t^1／2圖顯示，水相擴散步驟過快，無法被本工作使用的實驗技術(π>10 mN/m)檢測到。然而，對於這些係統π-t的斜率^1／2吸附開始時(0.5 s)的曲線可視為表觀擴散速率K_d．[35]。動力學參數描述吸附過程K_dK_p和K_r如表1所示

混合係統	Kd *(mN·米－1·年代-0.5）	香港d *(mN·米－1·年代-0.5）	Kp×104(年代－1）	H k × 104(年代－1) p	Kr×104(年代－1）	香港r×104(年代－1）
WPC 1 × 10－2% + E4M 1%	90.83	81.43	3.45	4.67	2.96	2.77
WPC 1%+ e4m 1 × 10－2	58.88	70.14	4.06	4.16	7.34	5.29
WPC 1%+ e4m 1%	82.65	84.55	3.33	5.63	5.21	3.63

表1:K_d(擴散),K_p(滲透)和K_r(重排)未處理和熱處理混合係統的速度。
*擴散步長太快，無法被本工作使用的實驗技術檢測到(π>10 mN/m)

最高的K_d由於E4M的擴散速度快(<60s)、表麵活性高、體積濃度高等原因，在E4M濃度最高時得到了較好的效果。然而,K_dWPC 1% + E4M 1 × 10^-20/0%為升溫後顯著增加的唯一體係(從58.88 mN·m增加到70.14 mN·m)^－1年代^-0.5)．

在其他混合係統中沒有觀察到差異。結果得到了發泡參數(圖1a-d)，之前的結果與大分子在短時間[36]向空氣-水界麵擴散有關。如發泡參數部分所述，蛋白質熱變性甚至聚集物的形成都有利於其擴散。

圖1:WPC 1 × 10^-20/0% + E4M 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^-20/0%和1%的WPC + 1%的E4M未處理和加熱(H)處理總發泡能力(OFC)(一)，起泡量(FC)(b)，泡沫最大密度(MD)(c)，相對泡沫導電性(Cf%)(d)排水半衰期(t^1／2排水)(e)．

在吸附開始時π值的相應增加(圖2)與短時間內[37]吸附的大分子數量相對應。未加熱係統之間沒有觀察到差異。另一方麵，當加熱時，WPC % + E4M %混合體係增加K_p發現(從3.33到5.63.10⁴年代^－1)．顯然，在(t<10000s)高溫下，當蛋白質發生高比例變性時，有利於E4M的滲透。在先前的出版物[38]中顯示，0.25%wt/wt的E4M具有最高的滲透率，當大豆蛋白含量為2%時，滲透率下降。這意味著通過單獨比較，E4M具有更好的穿透界麵的能力，但當兩種生物聚合物放在一起時，它們之間的相互作用將促進不同的動力學測量性能。在這些條件下，由於蛋白質更快地擴散到界麵，相分離(即多糖誘導的蛋白質聚集)和蛋白質分子展開引起的表麵疏水性增加，觀察到速率的增加[39,40]。熱處理甚至可以促進蛋白質之間的相互作用，誘導聚集體的形成，從而在更高程度上促進E4M的滲透。

圖2:對於單個WPC(閉三角形)，對於未處理(正方形)和熱處理(三角形)的WPC 1 × 10混合體係，π與時間的關係^-20/0%+E4M 1% (a)， WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0% (b)， WPC 1%+E4M 1% (c)。

我們認為，在長時間的吸附過程中，液體界麵上分子的重排與泡沫的穩定性有關。然而，當分析混合係統的重排率時，得到了與排水時間相反的趨勢。觀察到最低K_pwpc 1 × 10^-20/0%+E4M 1%)導致更好的t^1／2瀝幹，得到加熱樣品同樣的結果。K_r參數。

表2還顯示了180分鍾(π₁₈₀Min)用於未處理和熱處理混合係統。首先需要注意的是，長時間吸附時的表麵壓力可以與t聯係起來^1／2泡沫的排出量(圖1e)這種關係之前由[41]建立。結果表明，混合體係蛋白濃度較高，WPC為1%+E4M為1 × 10^－2%和WPC 1%+E4M 1%(蛋白膜結構II)在較長時間內表麵壓力最低，反過來t也較低^1／2下水道。當進行熱處理時，表麵壓力隨著吸附時間的增加而增加^1／2排水管(圖1 e)。因此，可以說，E4M是泡沫形成的決定劑，而乳清蛋白似乎是泡沫混合體係穩定性的基礎，增加了加熱後的液體界麵強度。雖然蛋白質熱變性會在短時間內增加蛋白質-蛋白質的相互作用，但這種聚合會在較長的吸附時間內形成更好的薄膜，增加表麵壓力，並提供更高的泡沫穩定性。

混合係統*	π180分鍾(mN / m)	Hπ180分鍾(mN / m)	艾德180分鍾(mN / m)	HEd180分鍾(mN / m)	Tgδ180分鍾	高溫凝膠δ180分鍾
WPC 1 × 10－2% + E4M 1%	26.77±0.1	25.30±0.1	16.36	13.77	0.42	0.66
WPC 1%+ e4m 1 × 10－2	21.46±0.1	23.73±0.1	47.52	56.45	0.26	0.20
WPC 1%+ e4m 1%	25.48±0.1	27.42±0.1	47.24	49.19	0.34	0.43

表2:吸附時間180 min時的表麵壓力(π_180分鍾) Ed和tan δ用於未處理和熱處理混合體係。
*平均數±標準差;n = 3;H =加熱樣品

吸附膜的表麵膨脹彈性

表麵膨脹模量E的值與Ed的值相似，反映了WPC薄膜的彈性特性。從圖3可以看出，WPC方案(1 × 10^－2%， wt)(結構I) Ed值最大，隨著時間的推移Ed值進一步減小。事實上，當體積蛋白濃度從1×10增加時，Ed複製了它們的平衡值^－2高達1%，w/w(圖3a-c)。這一效應歸因於隨著吸附時間的推移，到達氣-水界麵的蛋白質的最高數量[28]。這種減少可能表明，由於蛋白質在空氣-水界麵[17]發生折疊，結構發生了緩慢的變化。蛋白膜采用了較致密的結構，這可以解釋在500s後Ed降低的原因。E4M體積濃度高於wpc1 × 10組成的混合體係中蛋白質的體積濃度^－2%+E4M 1%wt，在此條件下有利於多糖分子的擴散[10]。因此，即使吸附時間較長，E4M對固體性質的影響也較大。當蛋白質的體積濃度不足以飽和界麵時，蛋白質可以形成固性比E4M更高的膜。加熱樣品的Ed值略有下降。

圖3:單獨WPC(近三角形)，未處理(正方形)和熱處理(三角形)混合體係WPC 1 × 10的Ed與時間^-20/0%+E4M 1% (a)， WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0% (b)， WPC 1%+E4M 1% (c)。

對於1%的WPC，吸附行為可以描述為s型曲線，這意味著吸附膜的固體樣特性隨著時間的推移而不斷增加。混合體係的Ed值隨吸附時間的增加應與生物聚合物在界麵[29]處的吸附有關。Ed在10000s處趨於平台值，無論E4M體積濃度如何，在較長的吸附時間內都有類似的行為。

混合體係含1% WPC和1 × 10^－2%的E4M表現出一種奇異的行為，在5000s之前觀察到混合膜固體性狀的演化差異(圖3b)。WPC 1%+ e4m 1 × 10^－2%表明采用Ed值與純WPC產生的值相似的電影存在滯後期。在這些混合體係中，Ed主要由E4M決定，形成的彈性薄膜比單一WPC薄膜少。5000 s後，混合膜對WPC的吸附增加，蛋白主導Ed行為，表現出更強的固體特性。加熱WPC 1%+E4M 1 × 10對應的Ed值也存在明顯的滯後期^－2混合體係，服從溶液中團聚體的形成。WPC確定了混合膜的最終固相特性(t> 10000 s)，因為其體積濃度足夠高，足以飽和界麵，包括單層坍塌[30]。

當E4M能夠飽和氣-水界麵時，即WPC 1%+ E4M 1%時，多糖的影響更高(圖3c)。在這種情況下，也觀察到滯後期，Ed值達到對應的單蛋白吸附時間長。加熱後的WPC 1%+E4M 1%混合體係無明顯差異。在這種情況下，觀察到Ed的最終值略有下降，證實了這些表麵活性生物聚合物[30]之間對空氣-水界麵的強大能力。E4M從一開始就主導著吸附過程。隨著時間的推移，Ed進化出現平台期，因為E4M膜的坍塌和在較短的吸附時間內可能形成的多層阻止了生物聚合物分子(WPC或E4M)的進一步滲透[9,10]。

下一節將詳細介紹Ed和tan δ;但是，在較長的吸附時間內，可以觀察到混合體係之間的巨大差異和加熱效應。

Ed反映了形成膜在長時間內的彈性特性，由混合體係的蛋白質含量決定(表2)。當WPC濃度較高時，Ed結果較高。當加熱時，如上麵所示，觀察到這些Ed值的增加。事實上，WPC決定了混合膜加熱後增加液體界麵強度的最終固相特性(t> 10000 s)。

另一方麵，吸附膜的相對粘彈性(tan δ)可歸因於長時間吸附在氣-水界麵的生物聚合物分子的自締合。研究發現，E4M濃度較高的混合體係，在此條件下促進了液界麵較好的結合，增強了加熱過程。而當E4M不能飽和氣液界麵(WPC 1%+E4M 1 × 10^－2%)，分子之間的締合水平會降低，導致熱處理不穩定(表2)。

WPC/E4M薄膜損耗角值的變化

混合係統的時變損耗角如圖4a-c所示。吸附膜可能是發生在空氣-水界麵[31]的生物聚合物分子的自締合。自締合過程涉及生物聚合物疏水基團之間的相互作用，即蛋白質-蛋白質、E4M-E4M和WPC-E4M分子之間的相互作用。在進一步的情況下，E4M的甲基和蛋白質的疏水性殘基之間的相互作用將會發生。當多糖體積濃度高到足以飽和界麵時，未加熱樣品的1% wt、損失角值(圖4a和4c)隨時間變化較小(圖4a和4c)。當多糖濃度為1 × 10時^－2%，(圖4b)損失角隨時間遞減。E4M體積濃度低，對WPC膜的影響較小。事實上，在這個體積濃度下，E4M采用了一種擴大的結構，有助於降低Ev值[30]。

圖4:WPC 1 × 10混合體係(閉三角形)、未處理(正方形)和熱處理(三角形)時損失角(φ))與時間的關係^-20/0%+E4M 1% (a)， WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0% (b)， WPC 1%+E4M 1% (c)。

這些樣品經過熱處理後得到了顯著的差異。因此，WPC 1% + E4M 1 × 10的損耗角值隨時間的推移而減小^－2% wt，混合體係(圖4 b)。在蛋白質體積濃度最低時(圖4a)，從吸附過程開始觀察到單層流化。據報道，隨著溫度的升高，HPMC在水溶液中聚集。隨著甲基取代程度的增加，該過程發生的溫度降低。羥丙基含量的增加會增加聚合溫度[32]。這種結合是由疏水相互作用和鏈間氫鍵形成的可能貢獻所驅動的。圖4b說明了E4M不能飽和氣-水界麵的情況，WPC1%+E4M 1 × 10^－2%。損失角比未加熱的樣品低。當E4M濃度最低時，這一過程發生的程度較小。

混合體係的起泡和界麵關係

本節討論混合體係的泡沫性能與界麵性能之間的可能關係。圖5a-b顯示了OFC與K的關係_dOFC vs K_p分別。離岸金融中心對K_d泡沫性隨擴散(K_d)為WPC 1%+E4M 1 × 10^－2加熱樣品係統。在其他混合係統中檢測到輕微的增加。

圖5:WPC 1 × 10^-20/0% + e4m 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^-20/0%和WPC 1%+E4M 1%未處理體係(封閉符號)和熱(H)處理體係(開放符號)，用於(a)總發泡能力，OFC vs.擴散速度，K_d(b) OFC與擴散滲透速度，K_p相同的係統。

離岸金融中心對K_p， OFC隨K的大幅度增加而增加_p對於前麵提到的混合係統。在動力學研究中看到的WPC 1%+E4M 1%熱處理後，其餘混合物沒有變化。當E4M在溶液濃度最低時，OFC增加，即加熱後有利於混合膜的形成_d和K_p是更高的。

圖6顯示了t之間的相同關係^1／2排水和π₁₈₀最小吸附時間。

圖6:t^1／2排水和π₁₈₀wpc1 × 10的相關性^-20/0% + E4M 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^-20/0%和WPC 1%+E4M 1%未處理係統(封閉符號)和熱(H)處理係統(開放符號)。

可以觀察到與圖1e有直接的相關性，因為它們是來自t的數據^1／2然而，在圖6中也可以看到π的幅度增加₁₈₀WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0%和WPC 1%+E4M 1%，這與WPC 1 × 10的表麵壓力降低有關^-20/0熱處理後%+E4M 1%。

結論

目前的工作發泡率為WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0%加熱的混合體係表現出最佳的性能，並且與擴散速度、大分子在氣液界麵吸附的第一步有很好的相關性。另一方麵，相同的混合體係顯示出排水穩定性的增加，這可能與長吸附時間下膜形成的非凡彈性特性有關。

動態測量結果表明，WPC和E4M爭奪氣-水界麵(πvs時間演化和流變學測定)。雖然根據生物聚合物的相對體積濃度和熱處理(90℃加熱20分鍾)觀察到差異。當WPC能夠飽和界麵且E4M體積濃度足夠低時，E4M主導了最終的平衡表麵壓力。隻有在較高的蛋白質濃度和較低的多糖濃度下，加熱增加了較長吸附時間的π值。觀察到一種加性或協同行為。

考慮WPC (1 × 10)最低的係統^-20/0% wt)和E4M體積濃度為1% wt時，未觀察到顯著影響。這一發現表明，這兩種生物聚合物可能與蛋白質共存於空氣-水界麵，以協同的方式促進表麵壓力的增加。混合膜的固體性質在加熱過程中沒有表現出明顯的差異。事實上，當1%wt存在時，蛋白質主導了最終的Ed值。混合效應在最低蛋白質濃度時降低Ed。

在E4M存在的情況下，由於其優異的表麵活性，與WPC複合吸附時將以競爭吸附為主。由於空氣-水界麵附近的兩個大分子之間存在有限的熱力學相容性，多糖的存在也可能通過消耗機製導致吸附蛋白質的濃度。滲透驅動力有利於蛋白質的聚集，這可能導致表麵壓力增加。但必須記住，加熱引起的蛋白質聚集增加了擴散過程，特別是WPC 1%+E4M 1 × 10^－2，這反映在整體的起泡量上。眾所周知，熱處理可以增加所形成的團聚體結構的疏水性。

這些複雜的係統展示了真實泡沫食品中存在的真實成分關係，支持了對其特性和穩定性進行更深入了解的需要，從而有助於新型食品和質地的設計。

致謝

這項研究得到了阿根廷共和國國家科學和技術研究委員會(CONICET)、布宜諾斯艾利斯大學和塞維利亞大學化學係化學工程係的支持。

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文章類型:研究文章

引用:Pérez OE, Martínez K, Sánchez CC, Patino JMR(2017)添加羥丙基甲基纖維素和加熱改善乳清蛋白濃縮物起泡的策略:與界麵性能的關係。Nutr Food technology開放訪問3(2):doi http://dx.doi。org/10.16966/2470 - 6086.141

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出版的曆史:

收到日期:2017年1月16日

接受日期:2017年3月20日

發表日期:2017年3月27日