一种乳清分离蛋白-羧甲基壳聚糖油凝胶及其制备方法和应用

1.本专利具体涉及一种乳清分离蛋白-羧甲基壳聚糖油凝胶的制备方法和应用，属于食品科学和食品加工技术领域。


背景技术：

2.固体脂肪因其良好的质地和口感，是人造黄油、起酥油等食品的重要组成部分。然而，固体脂肪的结构多样性低，含有高水平的饱和脂肪酸和反式脂肪酸，长期摄入有诱发心脑血管疾病及代谢综合征的危险。近年来研究人员发现，油凝胶是一种很有前景的固体脂肪替代品，不仅具有良好的脂肪酸构成，还可以控制食品基质中油脂的迁移，控制生物活性成分的释放并提高其生物利用率。传统的制备油凝胶的方法主要是直接法，这种方法是通过在液态油中加热溶解少量凝胶剂，再冷却至室温或室温以下形成的。但是这种制备过程需要高温搅拌，不能负载对热敏感的营养活性成分，而且用到的油凝胶剂多为脂溶性，限制了其在食品中的应用。目前，油凝胶除了通过这种直接法制备以外，还可以通过一种间接法，以含水溶剂或水连续乳液作为前体，通过干燥处理得到可以吸油的骨架网络。这类间接法的优势在于所用凝胶剂为蛋白/多糖，产量大，成本低。
3.如以下专利所示：申请号：202110516783.9，公开号为cn 113261594 b，发明名称为“一种米糠蛋白油凝胶及其制备方法和应用”，公开了一种通过乳液模板法制备米糠蛋白油凝胶的制备方法及其应用，其所制备的油凝胶具有较高的含油率，较好的机械稳定性和凝胶强度，但是凝胶的外观形态比较粗糙。
4.如以下专利所示：申请号：202010358955.x，公开号为cn 111631272 a，发明名称为“一种低脂稳定的可食用油凝胶泡沫及其制备方法与应用”，公开了一种通过泡沫模板法制备米糠蛋白油凝胶泡沫的制备方法和应用，但是其制备的油凝胶泡沫稳定性不够好，在长时间放置后会发生漏油分层的现象。
5.文章《fabrication of oleogels via a facile method by oil absorption in the aerogel templates of protein
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polysaccharide conjugates》一文公开了将大豆蛋白和海藻酸钠通过美拉德反应交联，然后以得到的美拉德产物作为原料制备气凝胶。得到的气凝胶表现出优异的吸油能力，良好的力学性能和热稳定性，但持油能力很差，仅为40%。
6.文章《protein oleogels from protein hydrogels via a stepwise solvent exchange route》公开了一种以乳清蛋白为原料，通过溶剂交换法制备的乳清蛋白油凝胶。获得的油凝胶中油占比最高达91%，油在整个凝胶网络中均匀迁移，而不影响其结构完整性。但是其制备过程涉及丙酮和四氢呋喃等有机溶剂，丙酮和四氢呋喃为有毒溶剂，不利于后续在食品工业中的进一步应用。
7.文章《rheological and structural properties of oleogel base on soluble complex of egg white protein and xanthan gum》公开了一种以蛋清蛋白和黄原胶为原料，通过气凝胶模板法制备的油凝胶。所制得的样品持油能力均在95%以上，但最多仅可以
吸收相当于自身重量一倍的油，吸油能力很差。
8.因此，提供一种通过间接方式生产出兼具优良的吸油能力和持油能力的油凝胶是本领域技术人员亟待解决的技术难题。目前，通过气凝胶模板法制备乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶尚未有报道。


技术实现要素：

9.为了克服现有技术的不足，本发明的首要目的是提供一种乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶。
10.本发明的第二个目的是提供上述乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶的制备方法。
11.本发明的第三个目的是提供上述乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶的应用。
12.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：1）称取一定量的乳清分离蛋白溶解于超纯水中，200 rpm搅拌1 h，使其完全溶解，在4℃冰箱内放置12 h，使其完全水合。
13.2）通过加入naoh (1 m)和hcl (1 m)使步骤1）所述的乳清分离蛋白溶液的ph维持在5
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7。
14.3）称取一定量羧甲基壳聚糖溶解于超纯水中，200 rpm搅拌6 h使其完全溶解。
15.4）将步骤2）所述的乳清分离蛋白溶液与步骤3）所述的羧甲基壳聚糖溶液等体积混合，通过加入naoh (0.1 m)和hcl (0.1 m)维持ph在固定值。
16.5）将步骤4）所述的乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖溶液经800 w超声处理30 min。
17.6）将步骤5）所述的超声处理后的乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖溶液加入到钢制密封容器中，在水浴条件下热变性。
18.7）反应结束后，迅速转移至冰水浴中降温，经预冻，真空冷冻干燥后得到乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖气凝胶。
19.8）将步骤7）的乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖气凝胶浸入液态植物油中，在12 h的时间内达到吸油平衡，得到乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶。
20.优选的，步骤4）中羧甲基壳聚糖的浓度为0.25
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1.25%(w/v)。
21.优选的，乳清分离蛋白在溶液中的浓度为10%～20%。乳清分离蛋白的浓度对气凝胶支架的稳定性有影响。进一步的，乳清分离蛋白的最佳浓度为16% (w/v)。
22.研究发现，蛋白质浓度对气凝胶支架的结构有很大影响，随着蛋白质浓度的升高，蛋白质分子间的相互作用也会增强，从而形成更多的交联，加快凝胶化速率，获得的气凝胶支架的强度会更高。
23.通过加热使乳清分离蛋白变性，其构象发生变化，蛋白链展开，位于蛋白质内部的疏水基团暴露。变性解聚的亚基和肽链膨胀导致表面电荷密度减小，增大亚基和肽链间的吸引力，使其互相靠近。亚基和肽链间通过疏水键、氢键、静电相互作用和二硫键结合，形成可溶聚集体。这些聚集体之间进一步交联形成凝胶。这种聚集反应受蛋白质浓度、羧甲基壳聚糖浓度、ph等多种因素影响。在乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖复合凝胶中，当羧甲基壳聚糖浓度较低时表现出均匀的性质，随着羧甲基壳聚糖浓度的增加，羧甲基壳聚糖相的体积分数增大，连续的蛋白质网络被破坏，蛋白质网络由线性细链转变为微粒链。微粒链之间的
空腔有助于更好的截留吸取的油，提高整个体系的吸油能力和持油能力。
24.优选的，所述液态植物油选自大豆油、菜籽油、山茶油、葵花油、棕榈油、棉籽油中的一种或多种。在实际生产过程中，出于成本和效果等方面的综合考虑，大豆油效果好而且价格便宜，本发明优选的液态油为大豆油。
25.本发明还提供了上述乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶在递送功能因子方面的应用。
26.优选的，根据上述应用，所述功能因子包括但不限于虾青素、姜黄素、槲皮素、胡萝卜素。
27.如无特殊说明，本发明所述的室温为15～25℃。
28.相较于现有技术，本发明的有益效果及优点是：（1）本发明选用的原料来自于奶酪和酪蛋白生产的副产品乳清分离蛋白，产量大但利用率低，具有较高的营养价值，本发明可以为乳清分离蛋白的深加工拓宽道路。
29.（2）本发明所制备的乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶具有优异的吸油能力和持油能力，在加速氧化储存中表现出较好的抗氧化能力，可以通过调整油相以及制备条件在较宽的条件下制备，绿色安全、还可以代替固体脂肪以调节食品基质中的脂肪酸组成。
30.（3）本发明所制备的乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶还可以作为负载脂溶性功能因子的理想载体，为功能因子递送领域的应用提供新方向。
31.（4）本发明提供的制备方式简单高效，成本低，效果好，可以做到工业上的批量生产，为产业化奠定了基础。
32.（5）本发明选用的乳清分离蛋白是乳清中的酪蛋白沉淀以后剩余的主要蛋白质组分，来源广泛，价格低廉，且具有较高的营养价值。在受热后会形成一种网状结构凝胶，经过冷冻干燥后该网状结构内的孔隙可以负载一些营养活性成分。
附图说明
33.图1是实施例1-6中气凝胶的扫描电镜图。
34.图2是实施例1-6中气凝胶的吸油能力。
35.图3是实施例1-6中气凝胶的持油能力。
36.图4是实施例1-6中气凝胶的硬度。
37.图5是实施例4得到的油凝胶的氧化稳定性示意图。
38.图6是实施例4得到的油凝胶的体外游离脂肪酸释放率。
39.图7是实施例4得到的油凝胶负载虾青素体外消化的生物利用率。
具体实施方式
40.下面结合实施例对本发明进行进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
41.其中，本发明所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
42.实施例1：
精准称量乳清分离蛋白，溶于100ml去离子水中，制备蛋白浓度为16%(w/v)的乳清分离蛋白溶液，将ph调节到7以后，经超声处理后热变性，预冻后在-40℃下冷冻干燥48h，将得到的气凝胶浸入大豆油中，在12h内达到吸油平衡得到乳清分离蛋白油凝胶。
43.实施例2:精准称量乳清分离蛋白，溶于100ml去离子水中，将ph调节到7以后与羧甲基壳聚糖溶液等体积混合，使最终蛋白浓度为16% (w/v)，羧甲基壳聚糖浓度为0.25%(w/v)。再次将ph调节到7，经超声处理后热变性，预冻后在-40℃下冷冻干燥48h，将得到的气凝胶浸入大豆油中，在12h内达到吸油平衡得到乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶。
44.实施例3:精准称量乳清分离蛋白，溶于100ml去离子水中，将ph调节到7以后与羧甲基壳聚糖溶液等体积混合，使最终蛋白浓度为16% (w/v)，羧甲基壳聚糖浓度为0.5%(w/v)。再次将ph调节到7，经超声处理后热变性，预冻后在-40℃下冷冻干燥48h，将得到的气凝胶浸入大豆油中，在12h内达到吸油平衡得到乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶。
45.实施例4:精准称量乳清分离蛋白，溶于100ml去离子水中，将ph调节到7以后与羧甲基壳聚糖溶液等体积混合，使最终蛋白浓度为16%(w/v)，羧甲基壳聚糖浓度为0.75%(w/v)。再次将ph调节到7，经超声处理后热变性，预冻后在-40℃下冷冻干燥48h，将得到的气凝胶浸入大豆油中，在12h内达到吸油平衡得到乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶。
46.实施例5:精准称量乳清分离蛋白，溶于100ml去离子水中，将ph调节到7以后与羧甲基壳聚糖溶液等体积混合，使最终蛋白浓度为16%(w/v)，羧甲基壳聚糖浓度为1.0%(w/v)。再次将ph调节到7，经超声处理后热变性，预冻后在-40℃下冷冻干燥48h，将得到的气凝胶浸入大豆油中，在12h内达到吸油平衡得到乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶。
47.实施例6:精准称量乳清分离蛋白，溶于100ml去离子水中，将ph调节到7以后与羧甲基壳聚糖溶液等体积混合，使最终蛋白浓度为16%(w/v)，羧甲基壳聚糖浓度为1.25%(w/v)。再次将ph调节到7，经超声处理后热变性，预冻后在-40℃下冷冻干燥48h，将得到的气凝胶浸入大豆油中，在12h内达到吸油平衡得到乳清分离蛋白
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羧甲基壳聚糖油凝胶。
48.实验例1 微观结构实验以实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6制备得到的气凝胶为实验样品，通过扫描电镜观察气凝胶的微观网络结构。
49.通过图1的实验结果可以看出，在实施例1制备得到的气凝胶中，孔隙大小不一，分布不均，且表现出坍塌现象。对比实施例1，在实施例2中得到的气凝胶孔径远小于实施例1。实施例3，4，5，6中得到的气凝胶内部均呈蜂窝状网络结构，且其主要的结构由细链转变为微粒链，并且随着羧甲基壳聚糖浓度的增加，微粒的尺寸变小。
50.实验例2 吸油能力实验以实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6制备得到的气凝胶为样品，称量气凝胶的重量，将其浸入大豆油中，在12h内每小时称量油凝胶的重量直至其恒重。气凝胶的吸油能力计算公式如下：
吸油能力=气凝胶吸油后重量/气凝胶吸油前重量通过图2的实验结果可以看出，实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备得到的油凝胶吸油能力均较好，尤其以实施例4和实施例5的最为显著，其中实施例4的吸油能力最好，可以吸取相当于自身重量4.9倍的油。
51.实验例3 持油能力实验以实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6制备得到的油凝胶为实验样品，称量油凝胶的重量，以8, 000 rpm的转速离心15min，离心后，去除多余的油并称重，油凝胶的持油能力计算公式如下：持油能力（%）=油凝胶初始重量*100/油凝胶离心后重量通过实验结果（图3）可以看出，添加了羧甲基壳聚糖的气凝胶的持油能力均在90%以上，尤其以实施例4和实施例5的持油能力更好，达到95%以上，其中实施例4的持油能力最好，高达97.13%。
52.实验例4 硬度实验以实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6制备得到的气凝胶为实验样品，通过tms-touch质构仪测定气凝胶的硬度。
53.通过图4的实验结果可以看出，在实施例1、2、3、4、5、6中，以实施例3的硬度为最大，这与微观结构图（图1）中实施例3具有的最致密均匀的孔隙结果一致。
54.实验例5 氧化稳定性实验以实施例4制备得到的油凝胶为实验样品，通过50℃加速氧化储存14d内测定硫代巴比妥酸值和过氧化值来检测油凝胶的氧化稳定性。
55.通过图5的实验结果可以看出，本发明制备得到的油凝胶的氧化稳定性好，在50℃加速氧化储存条件下依然可以保持较好的稳定性，其氧化稳定性明显优于大豆油，主要是因为气凝胶的网络结构有效阻碍了油与氧气的接触，从而延缓了脂质的氧化。
56.实验例6 模拟消化实验以实施例4制备得到的油凝胶为实验样品，通过体外模拟胃肠道消化来进行模拟消化实验，并拟定消化的游离脂肪酸释放曲线。
57.通过图6的实验结果可以看出，以实施例4得到的油凝胶在体外模拟消化的条件下，其游离脂肪酸的释放率和释放速率都高于大豆油，表明其消化率和消化速率都高于大豆油。
58.实验例7 生物利用率实验以实施例4制备得到的油凝胶负载虾青素作为实验样品，通过高效液相色谱法测量消化液胶束相中的虾青素含量，虾青素的生物利用率计算公式如下：生物利用率（%）=胶束中的虾青素含量*100/体系中的虾青素总含量通过图7的实验结果可以看出，当以实施例4制备得到的油凝胶负载虾青素作为实验样品时，对比负载虾青素的大豆油，虾青素在油凝胶中的生物利用率明显高于其在大豆油中的生物利用度，表明使用油凝胶来作为虾青素等功能因子的递送载体可以提高其生物利用度，本发明所述的油凝胶是虾青素等功能因子在口服递送中的有效载体。
59.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术
方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。