论文部分内容阅读
摘要 [目的] 考察金屬离子对芋艿分离蛋白食品功能性质的影响。 [方法]以芋艿为原料，提取分离蛋白，研究了盐离子种类及强度对芋艿分离蛋白流变特性、起泡性、泡沫稳定性和乳化性及乳化稳定性的影响。[结果]试验表明，盐种类及其浓度对芋艿分离蛋白的食品功能特性有明显的影响。在物质的量浓度为0～0.6%范围内，K+和Na+浓度增加能促进芋艿分离蛋白溶解，降低起泡性和起泡稳定性，增加乳化性和乳化稳定性，在0～0.8%范围内，能降低表观黏度、滞后现象、Tgel和凝胶G′；当K+和Na+浓度继续增加时，蛋白溶解度降低，起泡性增加，起泡稳定性、乳化性和乳化稳定性减小，表观黏度、滞后现象、Tgel和凝胶G′增加。Ca2+和Mg2+能在相邻多肽的特殊氨基酸残基之间形成交联，在离子浓度小于0.4%时，强度强于离子效应，使蛋白质溶液起泡性增加，但其他功能特性与K+和Na+相似。[结论]研究有助于加深对芋艿的了解，拓展芋艿食品的应用范围，且试验数据可为芋艿蛋白质食品生产提供参考依据。
关键词 芋艿分离蛋白；食品功能特性；起泡性；乳化性
中图分类号 S609.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-235-05
Effect of Metal Ions on Taro Isolated Protein Food Functional Characteristics
SUN Amin1#， WANG Jiaofei1，2#， HUANG Youru1* et al
（1. School of Biotechnology and Food Engineering， Changshu Institute of Technology， Changshu， Jiangsu 215500； 2. School of Chemical Engineering & Technology， China University of Mining & Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116）
Abstract [Objective] To investigate effects of metal ions on taro isolated protein food functional characteristics. [Method] The experimental research on the species and concentration of metal ions on the rheological properties， foamability and stability， emulsification and stability of the taro protein isolates， which was extracted with taro as raw materials. [Result] The experimental results showed that， the type and concentration ofmetal ions have obvious influence on the functional features of taro protein isolate. In the amountofsubstance concentration range from 0 to 0.6%， the increase of K+ and Na+ can promote the dissolution of taro protein isolates， reduce the foamability and foam stability， emulsification and emulsion stability， reduce the apparent viscosity， hysteresis， Tgel and gel G′； When the concentration of K+ and Na+ continue to increase， the taro protein isolate's solubility， foamability， foam stability， emulsification and emulsion stability are reduced， with apparent viscosity， hysteresis， Tgel and gel G′ increased. Ca2+ and Mg2+ can be formed crosslinking between adjacent peptides of distinct amino acid residues. When it’s concentration smaller than 0.4%， the ion strength is stronger than ion effect， increase the protein solution foaming ability， but other food functional features phenomenon are similar to K+ and Na+. [Conclusion] The research will help to deepen understanding of taro， extend the application scope of taro foods， and the data will provide reference basis for taro protein food production.
Key words Taro isolated protein； Food functional characteristics； Foamability； Emulsification 芋艿为单子叶植物，其地下茎的膨大部分富含淀粉，可供食用，其食用模式因国家和地区不同而异[1-6]。芋艿分离蛋白具有重要的食用及药用价值。其组分中有一种黏液蛋白，被人体吸收后能促使人体产生免疫球蛋白，对体内的痈肿毒痛（含癌毒）有抑制和消解作用[7]。在芋艿蛋白氨基酸中，8种人体必需氨基酸含量占比达到43.42%，氨基酸分（AAS）为0.79，占总氨基酸量的百分比和化学评分均接近或超过酪蛋白[8]。
目前，有关芋艿分离蛋白的分析主要集中在提取方面，对其食品功能性质的研究甚少。王教飞等研究了pH对其流变特性的影响[9]。至今没有金属离子对其性质、结构和功能的研究报道。在重要的食品添加剂金属离子对芋艿分离蛋白的性质、结构与功能方面的研究，将有助于人们理解在金属离子处理过程中，对芋艿蛋白质食品性质变化的影响。
金属盐的种类和强度能影响蛋白质溶解度、黏度、展开和聚集，进而影响蛋白质与蛋白质之间的相互作用[10]。笔者主要研究金属离子对芋艿分离蛋白食品功能性质的影响，在金属离子对蛋白食品功能性质影响方面的研究将有助于人们加深对芋艿的了解，拓展芋艿食品的应用范围。基于金属离子在食品添加剂方面的广泛应用，提供的试验数据可能对芋艿蛋白质食品生产有用。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 原料与试剂。
芋艿，常熟；无水氯化钙、氯化钠、氯化钾、氢氧化钠、盐酸，江苏强盛化工有限公司（均为分析纯）；氯化镁，上海埃彼化学试剂有限公司（分析纯）；磷酸二氢钠、磷酸氢二钠，上海强顺化工有限公司（均为分析纯）。
1.1.2 主要设备。
LXYII型离心沉淀机，上海医用分析仪器厂；JY10001型电子天平，上海民桥精密科学仪器有限公司；FE20 实验室pH计，梅特勒-托利多（上海）公司；Physica MCR301高级旋转流变仪，奥地利安东帕公司；FA25高剪切均质乳化机，上海弗鲁克流体机械制造有限公司；ATN300型全自动凯氏定氮仪，上海洪纪仪器设备有限公司；DF101S型集热式恒温磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；Freezone 6冷冻干燥机，美国Labeonco公司。
1.2 试验方法
1.2.1 芋艿分离蛋白的提取工艺。
芋艿→去皮→打浆[料液比1∶6（M/M），25 ℃]→调pH 8.0，低速搅拌浸提30 min→离心（12 000 r/min，15 min）→上清液→调pH至5.0→离心（12 000 r/min，30 min）→沉淀→回调pH至7.0→冷冻干燥→芋艿分离蛋白（92.4%，凯氏定氮法）。
1.2.2 芋艿分离蛋白的流变性质测定。
取冷冻干燥的芋艿分离蛋白粉末分别溶于物质的量浓度为0%、0.4%、0.8%和1.2%的盐离子溶液M+（Na+和K+）及M2+（Ca2+和Mg2+）中，配制成质量分数为8%的芋艿分离蛋白溶液。使用Physica MCR301型流变仪进行流变性质分析，平板半径50 mm，间距1 mm，加样量0.9 ml，硅油密封，加样前将底板的温度调至25 ℃。
1.2.2.1 结构恢复试验（Structure recovery）。采用Hysteresis Area：upholddown ramp模式，参数设定为：温度固定在25 ℃，剪切速率0.1～200 1/s，200 1/s停留1 min，再从200～01 1/s。考察溫度和剪切速率对芋艿分离蛋白黏度及结构的影响。
1.2.2.2 频率扫描。温度25 ℃，自动应力，初始应力0.8 Pa，目标应变0.5%。扫描频率范围在0.5～100 1/s。
1.2.2.3 温度扫描。固定角频率10 rad/s，应变0.5%。程序升温：25～95 ℃，95 ℃保温1 min，程序降温：95～25 ℃，速率为10 ℃/min。
1.2.3 溶解度的测定。
将芋艿分离蛋白分别溶于物质的量浓度为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、12%的盐离子溶液中，配制成2.0 mg/ml的蛋白质溶液，以对应不同物质的量浓度为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、12%的盐离子溶液作参比。25 ℃下缓慢搅拌30 min，使其充分溶解，3 000 r/min离心10 min，蛋白质含量鉴定参照GB 5009.5-2010 《食品中蛋白质的测定》（凯氏定氮法），N取625[11]。溶解度（S）按下式计算（3次重复试验，取平均值）：
S%=m2/m1×100%
式中，m1为试样中蛋白质总量，m2为上清液中蛋白质总量。
1.2.4 起泡性和泡沫稳定性的测定。
取上述溶液25 ml，在高剪切均质乳化机中均质2 min，剪切速率为10 000 r/min，均质停止时记下泡沫体积V1，起泡性（P）为（3次重复试验，取平均值）：
P%= V1/25×100%
30 min后，记下泡沫体积V2，泡沫稳定性（PS）为（3次重复试验，取平均值）：
PS%=V1/V1×100%
1.2.5 乳化性和乳化稳定性的测定[12]。
将上述溶液加入12.5 ml一级大豆油，在高剪切均质乳化机中均质2 min，剪切速率为10 000 r/min，离心（3 000 r/min）2 min。用微量注射器从底部抽取50 μl，放入一小烧杯中，然后加入25 ml 01%SDS（十二烷基磺酸钠），充分摇匀后，以0.1%的SDS为参比，500 nm波长测定吸光值E0，该值为乳化性指数（EAI），则乳化性为（3次重复试验，取平均值）：
EAI%=E0×100% 过10 min后测定吸光值Et，则乳化稳定性（ESI）为（3次重复试验，取平均值）：
ESI%=Et/E0×100%
2 结果与分析
2.1 芋艿分离蛋白的流变性质
2.1.1 剪切速率对黏度影响。图1是剪切速率对不同金属离子浓度条件下芋艿分离蛋白溶液黏度的影响。随着剪切速率的增加，不同金属离子浓度条件下蛋白质溶液的黏度均迅速降低，剪切速率达到一定值后，剪切速率对黏度的影响很小，这是剪切稀化现象[13]。初始黏度（剪切速率为0）随着中性盐浓度增大呈现先减小后增大的趋势，在盐离子物质的量浓度为0.8%时，表观黏度最小。撤去外力时，各样品黏度
不能瞬时恢复，出现较弱的滞后现象。各样品滞后环面积和滞后起点，在盐离子物质的量浓度为0.8%时，滞后面积和滞
后起点最小。滞后环的出现乃是由于剪切力对蛋白质分子本身和蛋白质分子间的相互作用产生影响，导致其结构在外
力撤去时不能马上复原[14]。上述现象表明，中性盐环境影响芋艿分离蛋白的溶解性能及其在溶液中的聚集状态。在低浓度中性盐条件下通过中和电荷的效应和促进其他相互作用使得蛋白质有一個更牢固的分子结构，促进蛋白溶解。因芋艿分离蛋白溶解度的增大，芋艿分离蛋白与金属离子结合度增加导致其构象稳定，表观黏度降低，滞后现象减小，滞后现象变弱。中性盐浓度继续增加（物质的量浓度高于08%）时蛋白质凝聚沉淀，出现盐析现象，聚集导致其表观黏度升高，滞后现象增大。
2.1.2 角频率对体系粘弹性影响。图2是不同金属离子浓度条件下质量分数为8%芋艿分离蛋白溶液的储能模量（G′）和损耗模量（G″）相对于角频率的变化曲线。可见，随溶液金属离子浓度的升高，G′与G″曲线的交点呈现出先增大再减小的趋势，在盐离子物质的量浓度为0.8%时，交点频率最大或交点消失。这种现象可解释为：在低浓度的M+条件下，由于芋艿分离蛋白溶解度的增大，蛋白与金属离子结合度增加，导致其溶解性能较好，形成均一体系的缘故；低浓度的M2+会促进芋艿分离蛋白溶解度的增大，二价金属离子能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基之间形成交联，这些氨基酸残基提供了带负电荷的基团。交联的形成强化了蛋白质凝胶结构。当M+浓度继续增加，蛋白质凝聚沉淀，出现盐析现象，而二价金属离子由于过量金属桥的形成而产生凝结块。因此，通过控制蛋白质交联的程度就能制备所需强度的蛋白
质凝胶。
2.1.3 温度对体系粘弹性影响。图3是不同金属离子浓度条件下质量分数为8%芋艿分离蛋白溶液的G′和G″相对于温度的变化曲线。依据Li等的研究，将G′值快速偏离0点时的温度定义为胶凝点（Gel point）温度Tgel，则不同金属离子物质的量浓度样品的Tgel呈现出逐渐升高的趋势[15]。在程序降温开始点对应的G′呈现出先增大后减小的趋势，在物质的量为0.8%时达到最大。而在程序降温过程中呈现温度规律为先增大后逐渐稳定。直至温度降至25 ℃时对应的G′值也是先增大后减小的趋势。说明溶液的金属离子浓度环境对芋艿蛋白的变性及聚集有明显的影响。在金属离子浓度增大时，蛋白与金属离子结合度增加，导致其溶解性能较好；二价（M2+）金属离子能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基之间形成交联，这些氨基酸残基提供了带负电荷的基团。导致其Tgel升高。当M+浓度继续增加，蛋白质凝聚沉淀，出现盐析现象，而M2+浓度过量钙桥的形成使得蛋白质产生凝结块，最终形成的凝胶硬度在0.8%时开始降低。程序降温过程中也呈现类似的现象。
2.2 盐种类及其浓度对芋艿分离蛋白溶解度的影响 从图4中可以看出，盐离子物质的量浓度从0%～0.6%，M+都有助于提高蛋白质溶解度，但当浓度超过0.6%时，M+浓度的继续升高使蛋白质溶解度下降。这主要是因为盐离子在物质的量浓度0%～0.6%内表现为“盐溶效应”，提高蛋白质的溶解度。带电荷的蛋白质同离子相作用使得带相反电荷的相邻蛋白质分子之间的静电作用降低，使蛋白质溶剂化增大，从而使蛋白溶解度增加。当盐离子的物质的量浓度大于0.6%时，盐离子与蛋白质竞争水分子，造成水分子同盐离子强烈地结合，没有足够量的水分子与蛋白质水化，使蛋白质与蛋白质的相互作用比蛋白质与水相互作用强，导致蛋白质分子的聚集和沉淀，最终使蛋白质的溶解度降低，这种现象称“盐析”。与之相比，M2+在物质的量浓度从0%～04%有助于提高蛋白质的溶解度，但当浓度超过0.4%时，Ca2+的继续加入使得蛋白质溶解度下降，而Mg2+则使蛋白质的溶解度继续增加，直至加入量在0.6%左右才有所降低。M2+在低浓度下（小于04%）同样存在与M+相同的“盐析效应”。另外，M2+能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基之间形成交联，这些氨基酸残基提供了带负电荷的基团，增加了蛋白溶解度。但M2+浓度继续增加时，由于过量盐桥的形成而产生凝
结块，使得蛋白溶解度降低。因此，通过控制蛋白质交联的
程度就能控制蛋白质在溶液中溶解性。
2.3 金属离子对芋艿分离蛋白质起泡性及稳定性能的影响
从图5看出，M+和M2+的添加严重影响芋艿分离蛋白质起泡性能及稳定性。盐能影响蛋白质溶解度、黏度、展开和聚集，因而能改变起泡性质。金属离子的加入一定程度上提高了芋艿分离蛋白质的溶解度，而一般说来，高蛋白质溶解度意味着良好的起泡性能。但试验结果表明，在M+物质的量浓度小于0.6%时，溶液起泡性能降低，这是因为溶解的蛋白质增多而使溶液中以固体形式存在的蛋白质减少，不能形成三相泡沫，故起泡性降低[16]。M2+离子浓度小于04%时，通过在蛋白质羧基之间形成桥接而使蛋白质溶液起泡性增加。高蛋白质溶解度是良好的起泡能力先决条件，但并不是所有的高蛋白溶解度都有良好的起泡性。但是M+物质的量浓度超过0.6%后，芋艿分离蛋白质溶解度降低，部分蛋白质以固体状态存在，这时溶液经搅拌，生成固、液和气三相泡沫，固液两相界面接触适中，可吸附在界面上，促进气泡形成，起泡性增加。M2+物质的量浓度超过0.4%时，蛋白质溶解度降低，增加固体形态存在的蛋白质，进而不能形成三相泡沫，降低起泡性，但是当浓度超过1.0%时，起泡性能增加。M+物质的量浓度小于0.6%时和M2+物质的量浓度小于04%时泡沫稳定性降低，浓度继续增加时泡沫稳定性增加，这是通过改变蛋白质溶液黏度而实现的，M2+离子还可能通过在蛋白质羧基之间形成桥接而影响泡沫的稳定性。 2.4 金属离子对芋艿分离蛋白质乳化性及稳定性能的影响
从图6以看出，在较低的金属离子浓度下，芋艿分离蛋白的乳化能力和乳化稳定性随着M+和M2+浓度的增加而增加；金属离子浓度继续增加乳化能力和乳化稳定性反而会降低。M+盐离子浓度为0.8% 和M2+盐离子浓度为0.4%，乳化性最好，M+盐离子浓度为0.6%及M2+盐离子浓度为04%乳化稳定性最好，这是由于蛋白质分子表面电荷被正负离子屏蔽了，从而增加分子内部的疏水作用，提高吸附在水—油界面的蛋白质含量，导致乳化性增加；蛋白质相互间斥力降低后，堆积在水—油界面，阻碍油滴上浮，使乳化稳定性提高[17]。盐离子浓度继续增加会使蛋白质乳化液胶体的水化层变薄，蛋白质出现凝聚而降低乳化性[18]，同时增加蛋白质聚集，降低乳化稳定性。控制金属离子对于芋艿分离蛋白性质的影响，有利于芋艿分离蛋白实际应用，因为它在特殊应用中有益于组分的混合。
3 结论
该研究结果表明，在一定浓度范围内，增加金属离子浓度能提高蛋白质的溶解度，乳化性和乳化稳定性，降低起泡性和泡沫稳定性，导致其表观黏度降低，滞后现象降低，胶凝点温度Tgel及最终形成的凝胶G′降低。但当金属离子浓度继续增加时，导致蛋白质分子的聚集和沉淀，最終使蛋白质的溶解度降低，起泡性和泡沫稳定性增加，降低乳化性和乳化稳定性，增加表观黏度、滞后现象、Tgel及凝胶G′。M2+能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基之间形成交联，在离子浓度较小时，强度强于离子效应，使蛋白质溶液起泡性增加。但M2+浓度继续增加时，离子效应作用增加，表现为M+现象。由于金属离子对蛋白质金属功能性质的显著影响，以及在食品添加剂中的广泛应用，不同盐种类及其浓度对芋艿分离蛋白的流变特性、起泡性及稳定性和乳化性及稳定性的影响数据，可能对芋艿蛋白质产品生产有用，进而促进芋艿蛋白在食品加工方面的应用。
参考文献
[1] DAVIDSON A.The oxford companion to food [M].New York：Oxford University Press，1999：67-69.
[2] MOY J H，NIP W K.Taro：a review of Colocasi aesculenta and its potentials [M].Hawaii：University of Hawaii Press，1983：261-268.
[3] AMMAR M S，HEGAZY A E，BEDEIR S H.Using of taro flour as partial substitute of wheat flour in bread making [J].World Journal of Dairy & Food Sciences，2009，4（2）：94-99.
[4] KAUR M，KAUSHAL P，SANDHU K S.Studies on physicochemical and pasting properties of Taro（Colocasia esculenta L.）flour in comparison with a cereal，tuber and legume flour[J].Journal of Food Science and Technology，2013，50（1）：94-100.
[5] NJINTANG Y N，MBOFUNG C M F.Effect of precooking time and drying temperature on the physicochemical characteristics and invitro carbohy drate digestibility of taro flour [J].LWTFood Science and Technology，2006，39（6）：684-691.
[6] PEREZ E，SCHULTZ F S，DELAHAYE E P.Characterization of some properties of starches isolated from Xanthosoma sagittifolium（tannia）and Colocasia esculenta（taro）[J].Carbohydrate Polymers，2005，60（2）：139-145.
[7] 高瑞莲.芋艿营养价值剖析[J].食品科学，2000（2）：19-21.
[8] 藤咸，柳琪，黎秀卿，等.芋头蛋白质含量及氨基酸组分的分析与营养评价[J].莱阳农学院学报，1992，9（4）：313-314.
[9] 王教飞，黄友如，钱雅萍，等.芋艿分离蛋白质的流变特性[J/OL].食品科学.http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20141212.1641.024.html.
[10] 黄友如，华欲飞，裘爱泳.大豆分离蛋白功能性质及其影响因素[J].根食与油脂，2003（5）：12-15.
[11] 中华人民共和国卫生部.GB 5009.5-2010 食品中蛋白质的测定[S].北京：中国标准出版社，2010.
[12] 陶健.荞麦蛋白质的制备及功能特性研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2004.
[13] 王琴，成坚，纪少丽，等.银杏全果粉的流变特性研究[J].河南工业大学学报：自然科学版，2006，26（5）：44-47.
[14] 谭洪卓，谷文英，刘敦华，等.甘薯淀粉糊的流变特性[J].食品科学，2005，28（1）：58-63.
[15] LI J，OULD ELEYA M M，GUNASEKARAN S.Gelation of whey protein and xanthan mixture：Effect of heating rate on rheological properties [J].Food Hydrocolloids，2006，20（5）：678-686.
[16] 银玉容，肖凯军，刘婉乔.芝麻蛋白质发泡性、持水力的理论研究[J].食品与发酵工业，1996（3）：33-36.
[17] 张涛.鹰嘴豆分离蛋白的提取及其功能性质研究[D].无锡：江南大学，2005.
[18] 寇明钰.花椒籽蛋白质分离提取及功能性质的研究[D].重庆：西南大学，2006.
关键词 芋艿分离蛋白；食品功能特性；起泡性；乳化性
中图分类号 S609.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-235-05
Effect of Metal Ions on Taro Isolated Protein Food Functional Characteristics
SUN Amin1#， WANG Jiaofei1，2#， HUANG Youru1* et al
（1. School of Biotechnology and Food Engineering， Changshu Institute of Technology， Changshu， Jiangsu 215500； 2. School of Chemical Engineering & Technology， China University of Mining & Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116）
Abstract [Objective] To investigate effects of metal ions on taro isolated protein food functional characteristics. [Method] The experimental research on the species and concentration of metal ions on the rheological properties， foamability and stability， emulsification and stability of the taro protein isolates， which was extracted with taro as raw materials. [Result] The experimental results showed that， the type and concentration ofmetal ions have obvious influence on the functional features of taro protein isolate. In the amountofsubstance concentration range from 0 to 0.6%， the increase of K+ and Na+ can promote the dissolution of taro protein isolates， reduce the foamability and foam stability， emulsification and emulsion stability， reduce the apparent viscosity， hysteresis， Tgel and gel G′； When the concentration of K+ and Na+ continue to increase， the taro protein isolate's solubility， foamability， foam stability， emulsification and emulsion stability are reduced， with apparent viscosity， hysteresis， Tgel and gel G′ increased. Ca2+ and Mg2+ can be formed crosslinking between adjacent peptides of distinct amino acid residues. When it’s concentration smaller than 0.4%， the ion strength is stronger than ion effect， increase the protein solution foaming ability， but other food functional features phenomenon are similar to K+ and Na+. [Conclusion] The research will help to deepen understanding of taro， extend the application scope of taro foods， and the data will provide reference basis for taro protein food production.
Key words Taro isolated protein； Food functional characteristics； Foamability； Emulsification 芋艿为单子叶植物，其地下茎的膨大部分富含淀粉，可供食用，其食用模式因国家和地区不同而异[1-6]。芋艿分离蛋白具有重要的食用及药用价值。其组分中有一种黏液蛋白，被人体吸收后能促使人体产生免疫球蛋白，对体内的痈肿毒痛（含癌毒）有抑制和消解作用[7]。在芋艿蛋白氨基酸中，8种人体必需氨基酸含量占比达到43.42%，氨基酸分（AAS）为0.79，占总氨基酸量的百分比和化学评分均接近或超过酪蛋白[8]。
目前，有关芋艿分离蛋白的分析主要集中在提取方面，对其食品功能性质的研究甚少。王教飞等研究了pH对其流变特性的影响[9]。至今没有金属离子对其性质、结构和功能的研究报道。在重要的食品添加剂金属离子对芋艿分离蛋白的性质、结构与功能方面的研究，将有助于人们理解在金属离子处理过程中，对芋艿蛋白质食品性质变化的影响。
金属盐的种类和强度能影响蛋白质溶解度、黏度、展开和聚集，进而影响蛋白质与蛋白质之间的相互作用[10]。笔者主要研究金属离子对芋艿分离蛋白食品功能性质的影响，在金属离子对蛋白食品功能性质影响方面的研究将有助于人们加深对芋艿的了解，拓展芋艿食品的应用范围。基于金属离子在食品添加剂方面的广泛应用，提供的试验数据可能对芋艿蛋白质食品生产有用。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 原料与试剂。
芋艿，常熟；无水氯化钙、氯化钠、氯化钾、氢氧化钠、盐酸，江苏强盛化工有限公司（均为分析纯）；氯化镁，上海埃彼化学试剂有限公司（分析纯）；磷酸二氢钠、磷酸氢二钠，上海强顺化工有限公司（均为分析纯）。
1.1.2 主要设备。
LXYII型离心沉淀机，上海医用分析仪器厂；JY10001型电子天平，上海民桥精密科学仪器有限公司；FE20 实验室pH计，梅特勒-托利多（上海）公司；Physica MCR301高级旋转流变仪，奥地利安东帕公司；FA25高剪切均质乳化机，上海弗鲁克流体机械制造有限公司；ATN300型全自动凯氏定氮仪，上海洪纪仪器设备有限公司；DF101S型集热式恒温磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；Freezone 6冷冻干燥机，美国Labeonco公司。
1.2 试验方法
1.2.1 芋艿分离蛋白的提取工艺。
芋艿→去皮→打浆[料液比1∶6（M/M），25 ℃]→调pH 8.0，低速搅拌浸提30 min→离心（12 000 r/min，15 min）→上清液→调pH至5.0→离心（12 000 r/min，30 min）→沉淀→回调pH至7.0→冷冻干燥→芋艿分离蛋白（92.4%，凯氏定氮法）。
1.2.2 芋艿分离蛋白的流变性质测定。
取冷冻干燥的芋艿分离蛋白粉末分别溶于物质的量浓度为0%、0.4%、0.8%和1.2%的盐离子溶液M+（Na+和K+）及M2+（Ca2+和Mg2+）中，配制成质量分数为8%的芋艿分离蛋白溶液。使用Physica MCR301型流变仪进行流变性质分析，平板半径50 mm，间距1 mm，加样量0.9 ml，硅油密封，加样前将底板的温度调至25 ℃。
1.2.2.1 结构恢复试验（Structure recovery）。采用Hysteresis Area：upholddown ramp模式，参数设定为：温度固定在25 ℃，剪切速率0.1～200 1/s，200 1/s停留1 min，再从200～01 1/s。考察溫度和剪切速率对芋艿分离蛋白黏度及结构的影响。
1.2.2.2 频率扫描。温度25 ℃，自动应力，初始应力0.8 Pa，目标应变0.5%。扫描频率范围在0.5～100 1/s。
1.2.2.3 温度扫描。固定角频率10 rad/s，应变0.5%。程序升温：25～95 ℃，95 ℃保温1 min，程序降温：95～25 ℃，速率为10 ℃/min。
1.2.3 溶解度的测定。
将芋艿分离蛋白分别溶于物质的量浓度为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、12%的盐离子溶液中，配制成2.0 mg/ml的蛋白质溶液，以对应不同物质的量浓度为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、12%的盐离子溶液作参比。25 ℃下缓慢搅拌30 min，使其充分溶解，3 000 r/min离心10 min，蛋白质含量鉴定参照GB 5009.5-2010 《食品中蛋白质的测定》（凯氏定氮法），N取625[11]。溶解度（S）按下式计算（3次重复试验，取平均值）：
S%=m2/m1×100%
式中，m1为试样中蛋白质总量，m2为上清液中蛋白质总量。
1.2.4 起泡性和泡沫稳定性的测定。
取上述溶液25 ml，在高剪切均质乳化机中均质2 min，剪切速率为10 000 r/min，均质停止时记下泡沫体积V1，起泡性（P）为（3次重复试验，取平均值）：
P%= V1/25×100%
30 min后，记下泡沫体积V2，泡沫稳定性（PS）为（3次重复试验，取平均值）：
PS%=V1/V1×100%
1.2.5 乳化性和乳化稳定性的测定[12]。
将上述溶液加入12.5 ml一级大豆油，在高剪切均质乳化机中均质2 min，剪切速率为10 000 r/min，离心（3 000 r/min）2 min。用微量注射器从底部抽取50 μl，放入一小烧杯中，然后加入25 ml 01%SDS（十二烷基磺酸钠），充分摇匀后，以0.1%的SDS为参比，500 nm波长测定吸光值E0，该值为乳化性指数（EAI），则乳化性为（3次重复试验，取平均值）：
EAI%=E0×100% 过10 min后测定吸光值Et，则乳化稳定性（ESI）为（3次重复试验，取平均值）：
ESI%=Et/E0×100%
2 结果与分析
2.1 芋艿分离蛋白的流变性质
2.1.1 剪切速率对黏度影响。图1是剪切速率对不同金属离子浓度条件下芋艿分离蛋白溶液黏度的影响。随着剪切速率的增加，不同金属离子浓度条件下蛋白质溶液的黏度均迅速降低，剪切速率达到一定值后，剪切速率对黏度的影响很小，这是剪切稀化现象[13]。初始黏度（剪切速率为0）随着中性盐浓度增大呈现先减小后增大的趋势，在盐离子物质的量浓度为0.8%时，表观黏度最小。撤去外力时，各样品黏度
不能瞬时恢复，出现较弱的滞后现象。各样品滞后环面积和滞后起点，在盐离子物质的量浓度为0.8%时，滞后面积和滞
后起点最小。滞后环的出现乃是由于剪切力对蛋白质分子本身和蛋白质分子间的相互作用产生影响，导致其结构在外
力撤去时不能马上复原[14]。上述现象表明，中性盐环境影响芋艿分离蛋白的溶解性能及其在溶液中的聚集状态。在低浓度中性盐条件下通过中和电荷的效应和促进其他相互作用使得蛋白质有一個更牢固的分子结构，促进蛋白溶解。因芋艿分离蛋白溶解度的增大，芋艿分离蛋白与金属离子结合度增加导致其构象稳定，表观黏度降低，滞后现象减小，滞后现象变弱。中性盐浓度继续增加（物质的量浓度高于08%）时蛋白质凝聚沉淀，出现盐析现象，聚集导致其表观黏度升高，滞后现象增大。
2.1.2 角频率对体系粘弹性影响。图2是不同金属离子浓度条件下质量分数为8%芋艿分离蛋白溶液的储能模量（G′）和损耗模量（G″）相对于角频率的变化曲线。可见，随溶液金属离子浓度的升高，G′与G″曲线的交点呈现出先增大再减小的趋势，在盐离子物质的量浓度为0.8%时，交点频率最大或交点消失。这种现象可解释为：在低浓度的M+条件下，由于芋艿分离蛋白溶解度的增大，蛋白与金属离子结合度增加，导致其溶解性能较好，形成均一体系的缘故；低浓度的M2+会促进芋艿分离蛋白溶解度的增大，二价金属离子能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基之间形成交联，这些氨基酸残基提供了带负电荷的基团。交联的形成强化了蛋白质凝胶结构。当M+浓度继续增加，蛋白质凝聚沉淀，出现盐析现象，而二价金属离子由于过量金属桥的形成而产生凝结块。因此，通过控制蛋白质交联的程度就能制备所需强度的蛋白
质凝胶。
2.1.3 温度对体系粘弹性影响。图3是不同金属离子浓度条件下质量分数为8%芋艿分离蛋白溶液的G′和G″相对于温度的变化曲线。依据Li等的研究，将G′值快速偏离0点时的温度定义为胶凝点（Gel point）温度Tgel，则不同金属离子物质的量浓度样品的Tgel呈现出逐渐升高的趋势[15]。在程序降温开始点对应的G′呈现出先增大后减小的趋势，在物质的量为0.8%时达到最大。而在程序降温过程中呈现温度规律为先增大后逐渐稳定。直至温度降至25 ℃时对应的G′值也是先增大后减小的趋势。说明溶液的金属离子浓度环境对芋艿蛋白的变性及聚集有明显的影响。在金属离子浓度增大时，蛋白与金属离子结合度增加，导致其溶解性能较好；二价（M2+）金属离子能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基之间形成交联，这些氨基酸残基提供了带负电荷的基团。导致其Tgel升高。当M+浓度继续增加，蛋白质凝聚沉淀，出现盐析现象，而M2+浓度过量钙桥的形成使得蛋白质产生凝结块，最终形成的凝胶硬度在0.8%时开始降低。程序降温过程中也呈现类似的现象。
2.2 盐种类及其浓度对芋艿分离蛋白溶解度的影响 从图4中可以看出，盐离子物质的量浓度从0%～0.6%，M+都有助于提高蛋白质溶解度，但当浓度超过0.6%时，M+浓度的继续升高使蛋白质溶解度下降。这主要是因为盐离子在物质的量浓度0%～0.6%内表现为“盐溶效应”，提高蛋白质的溶解度。带电荷的蛋白质同离子相作用使得带相反电荷的相邻蛋白质分子之间的静电作用降低，使蛋白质溶剂化增大，从而使蛋白溶解度增加。当盐离子的物质的量浓度大于0.6%时，盐离子与蛋白质竞争水分子，造成水分子同盐离子强烈地结合，没有足够量的水分子与蛋白质水化，使蛋白质与蛋白质的相互作用比蛋白质与水相互作用强，导致蛋白质分子的聚集和沉淀，最终使蛋白质的溶解度降低，这种现象称“盐析”。与之相比，M2+在物质的量浓度从0%～04%有助于提高蛋白质的溶解度，但当浓度超过0.4%时，Ca2+的继续加入使得蛋白质溶解度下降，而Mg2+则使蛋白质的溶解度继续增加，直至加入量在0.6%左右才有所降低。M2+在低浓度下（小于04%）同样存在与M+相同的“盐析效应”。另外，M2+能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基之间形成交联，这些氨基酸残基提供了带负电荷的基团，增加了蛋白溶解度。但M2+浓度继续增加时，由于过量盐桥的形成而产生凝
结块，使得蛋白溶解度降低。因此，通过控制蛋白质交联的
程度就能控制蛋白质在溶液中溶解性。
2.3 金属离子对芋艿分离蛋白质起泡性及稳定性能的影响
从图5看出，M+和M2+的添加严重影响芋艿分离蛋白质起泡性能及稳定性。盐能影响蛋白质溶解度、黏度、展开和聚集，因而能改变起泡性质。金属离子的加入一定程度上提高了芋艿分离蛋白质的溶解度，而一般说来，高蛋白质溶解度意味着良好的起泡性能。但试验结果表明，在M+物质的量浓度小于0.6%时，溶液起泡性能降低，这是因为溶解的蛋白质增多而使溶液中以固体形式存在的蛋白质减少，不能形成三相泡沫，故起泡性降低[16]。M2+离子浓度小于04%时，通过在蛋白质羧基之间形成桥接而使蛋白质溶液起泡性增加。高蛋白质溶解度是良好的起泡能力先决条件，但并不是所有的高蛋白溶解度都有良好的起泡性。但是M+物质的量浓度超过0.6%后，芋艿分离蛋白质溶解度降低，部分蛋白质以固体状态存在，这时溶液经搅拌，生成固、液和气三相泡沫，固液两相界面接触适中，可吸附在界面上，促进气泡形成，起泡性增加。M2+物质的量浓度超过0.4%时，蛋白质溶解度降低，增加固体形态存在的蛋白质，进而不能形成三相泡沫，降低起泡性，但是当浓度超过1.0%时，起泡性能增加。M+物质的量浓度小于0.6%时和M2+物质的量浓度小于04%时泡沫稳定性降低，浓度继续增加时泡沫稳定性增加，这是通过改变蛋白质溶液黏度而实现的，M2+离子还可能通过在蛋白质羧基之间形成桥接而影响泡沫的稳定性。 2.4 金属离子对芋艿分离蛋白质乳化性及稳定性能的影响
从图6以看出，在较低的金属离子浓度下，芋艿分离蛋白的乳化能力和乳化稳定性随着M+和M2+浓度的增加而增加；金属离子浓度继续增加乳化能力和乳化稳定性反而会降低。M+盐离子浓度为0.8% 和M2+盐离子浓度为0.4%，乳化性最好，M+盐离子浓度为0.6%及M2+盐离子浓度为04%乳化稳定性最好，这是由于蛋白质分子表面电荷被正负离子屏蔽了，从而增加分子内部的疏水作用，提高吸附在水—油界面的蛋白质含量，导致乳化性增加；蛋白质相互间斥力降低后，堆积在水—油界面，阻碍油滴上浮，使乳化稳定性提高[17]。盐离子浓度继续增加会使蛋白质乳化液胶体的水化层变薄，蛋白质出现凝聚而降低乳化性[18]，同时增加蛋白质聚集，降低乳化稳定性。控制金属离子对于芋艿分离蛋白性质的影响，有利于芋艿分离蛋白实际应用，因为它在特殊应用中有益于组分的混合。
3 结论
该研究结果表明，在一定浓度范围内，增加金属离子浓度能提高蛋白质的溶解度，乳化性和乳化稳定性，降低起泡性和泡沫稳定性，导致其表观黏度降低，滞后现象降低，胶凝点温度Tgel及最终形成的凝胶G′降低。但当金属离子浓度继续增加时，导致蛋白质分子的聚集和沉淀，最終使蛋白质的溶解度降低，起泡性和泡沫稳定性增加，降低乳化性和乳化稳定性，增加表观黏度、滞后现象、Tgel及凝胶G′。M2+能在相邻多肽的特殊的氨基酸残基之间形成交联，在离子浓度较小时，强度强于离子效应，使蛋白质溶液起泡性增加。但M2+浓度继续增加时，离子效应作用增加，表现为M+现象。由于金属离子对蛋白质金属功能性质的显著影响，以及在食品添加剂中的广泛应用，不同盐种类及其浓度对芋艿分离蛋白的流变特性、起泡性及稳定性和乳化性及稳定性的影响数据，可能对芋艿蛋白质产品生产有用，进而促进芋艿蛋白在食品加工方面的应用。
参考文献
[1] DAVIDSON A.The oxford companion to food [M].New York：Oxford University Press，1999：67-69.
[2] MOY J H，NIP W K.Taro：a review of Colocasi aesculenta and its potentials [M].Hawaii：University of Hawaii Press，1983：261-268.
[3] AMMAR M S，HEGAZY A E，BEDEIR S H.Using of taro flour as partial substitute of wheat flour in bread making [J].World Journal of Dairy & Food Sciences，2009，4（2）：94-99.
[4] KAUR M，KAUSHAL P，SANDHU K S.Studies on physicochemical and pasting properties of Taro（Colocasia esculenta L.）flour in comparison with a cereal，tuber and legume flour[J].Journal of Food Science and Technology，2013，50（1）：94-100.
[5] NJINTANG Y N，MBOFUNG C M F.Effect of precooking time and drying temperature on the physicochemical characteristics and invitro carbohy drate digestibility of taro flour [J].LWTFood Science and Technology，2006，39（6）：684-691.
[6] PEREZ E，SCHULTZ F S，DELAHAYE E P.Characterization of some properties of starches isolated from Xanthosoma sagittifolium（tannia）and Colocasia esculenta（taro）[J].Carbohydrate Polymers，2005，60（2）：139-145.
[7] 高瑞莲.芋艿营养价值剖析[J].食品科学，2000（2）：19-21.
[8] 藤咸，柳琪，黎秀卿，等.芋头蛋白质含量及氨基酸组分的分析与营养评价[J].莱阳农学院学报，1992，9（4）：313-314.
[9] 王教飞，黄友如，钱雅萍，等.芋艿分离蛋白质的流变特性[J/OL].食品科学.http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20141212.1641.024.html.
[10] 黄友如，华欲飞，裘爱泳.大豆分离蛋白功能性质及其影响因素[J].根食与油脂，2003（5）：12-15.
[11] 中华人民共和国卫生部.GB 5009.5-2010 食品中蛋白质的测定[S].北京：中国标准出版社，2010.
[12] 陶健.荞麦蛋白质的制备及功能特性研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2004.
[13] 王琴，成坚，纪少丽，等.银杏全果粉的流变特性研究[J].河南工业大学学报：自然科学版，2006，26（5）：44-47.
[14] 谭洪卓，谷文英，刘敦华，等.甘薯淀粉糊的流变特性[J].食品科学，2005，28（1）：58-63.
[15] LI J，OULD ELEYA M M，GUNASEKARAN S.Gelation of whey protein and xanthan mixture：Effect of heating rate on rheological properties [J].Food Hydrocolloids，2006，20（5）：678-686.
[16] 银玉容，肖凯军，刘婉乔.芝麻蛋白质发泡性、持水力的理论研究[J].食品与发酵工业，1996（3）：33-36.
[17] 张涛.鹰嘴豆分离蛋白的提取及其功能性质研究[D].无锡：江南大学，2005.
[18] 寇明钰.花椒籽蛋白质分离提取及功能性质的研究[D].重庆：西南大学，2006.