从螺旋藻分离蛋白( SPI )的制备的表征、SPI蛋白质含量的测定、SPI的zeta电位、SPI的三相接触角、SPI的动态界面张、SPI的UV-VIS吸收、SPI的起泡能力SPI稳定乳液的制备与表征、SPI对不同油相的乳化能力、SPI对异构十六烷的乳化能力、SPI稳定的高内相乳液( HIPEs )的常温储存稳定性探究、β胡萝卜素在SPI稳定的HIPEs中的稳定性探究、β-胡萝卜素的标准曲线的绘制、包封β胡萝卜素的HIPEs的制备、β-胡萝卜素保留率探究等方面展开研究。

SPI的制备与表征

电位

首先,根据作者前期的研究工作，制备了蛋白含量为87.24%的螺旋藻分离蛋白。然后将SPI完全溶解于去离子水后,测量了不同pH条件下SPI的zeta电位,如图1所示。随着pH从1增加到9 , SPI的zeta电位从正值变为负值,当pH值为3.5时, zeta电位接近0 ,此为SPI的等电点。当pH值小于3.5时 ,蛋白质发生碱式电离,带正电 ;当pH值大于3.5时,蛋白质发生酸式电离,带负电 ;当pH值等于3.5时,正离子和负离子数量相等且浓度非常低,蛋白质以内盐的形式存在电中性。

图1 不同pH值下SPI的zeta电位

表面润湿性

随后,测量了不同pH值条件下SPI的三相接触角,如图2所示。在pH 1.5~9.5的变化范围内, SPI的三相接触角先增加后减小,在pH 3.5达到峰值72.3°。三相接触角的变化说明在不同pH值条件下SPI的亲/疏水性不同,在等电点处疏水性最强,这与zeta电位的结果一致。在所测pH值范围内, SPI的三相接触角都小于90°,呈现比较强的亲水性。

图2 不同pH值下SPI的三相接触角

油水动态界面张力

为评价SPI的乳化性能,使用光学接触角测量仪测量了SPI的油水动态界面张力,如图3所示。选择异构十六烷和葵花籽油作为油相,分别代表链状烷烃类和高级脂肪酸甘油三酯类油脂。阁可知,质分数为0.1%的SPI溶液可显著降低异构十六烷水界面张力以及葵花籽油-水界面张力, 并且油相不同,初始界面张力有所不同,降低界面张力的程度也有所不同。葵花籽油的主要成分是高级脂肪酸甘油三酯类物质,属于表面活性剂类的物质,可以降低油-水界面张力,而异构十六烷不属于表面活性剂,可以降低油水界面张力,因此葵花籽油-水的初始动态界面张力低于异构十六烷-水。以上结果说明, SPI具有良好的降低油水界面张力的能力,具有乳化潜力。

图3 SPI的油水动态界面张力

UV吸收能力

使用双光束紫外可见分光光度计测量了SPI、羧甲基壳聚糖、透明质酸和A型明胶溶液在0.1%质量分数下的UV吸收,如图4所示。在300~ 800 nm的紫外-可见光范围内, SPI溶液的吸光度明显优于其他溶液,说明SPI具备比较优异的光吸收性能。

图4 SPI、羧甲基壳聚糖、透明质酸和A型明胶溶液的UV-VIS吸收波长

起泡性分析

起泡性描述了蛋白在单位重量或浓度下能够稳定的界面面积,与分子的高弹性、电荷密度和疏水性有关。如图5所示,测量了不同pH值条件下SPI溶液的起泡能力。随着pH值的增加, SPI蛋白的起泡能力先增加后减小,在pH 3.5时,蛋白的起泡能力最大,达到81.85%。这是由于pH值影响蛋白质的荷电状态,因而改变了其溶解度、相互作用力和持水力,也就改变了蛋白质的起泡性质和泡沫的稳定性。当蛋白质处于或接近等电点时,有利于界面上蛋白质蛋白质的相互作用和形成黏稠的膜,被吸附至界面的蛋白质的数量也将增加,这两个因素均提高了蛋白质的起泡能力。

图5 不同pH值条件下SPI的起泡能力

乳液的制备与表征

相种类的影响

随后,测量了SPI对不同油相的乳化能力,如图6所示。在常温下放置24 h后,从外观上看,所有的乳液呈现细腻的状态,未出现油-水相分离现象,但都出现乳析现象,这是由于分散相和分散介质之间存在密度差,两相密度差不同,乳析程度有所不同。从微观上看，加水稀释后,所有液滴的尺寸分布均匀、为均匀球状液滴,这说明螺旋藻蛋白提取物是一种优异的乳化剂 ,可乳化多种类型的油脂,有利于其在食品、化妆品、医药等领域的开发和应用。

图6 SPI与不同油相异构十六烷(a).液体石蜡(b)、D5硅油(c)、橄榄油(d)、 葵花籽油(e)和辛酸癸酸甘油三酯()的乳液图片

SPI质量分数和油相占比的影响

异构十六烷润滑性高,耐酸碱,在化妆品中的作用是润肤、保湿,广泛用于防晒产品和高档护肤品,因此,选择异构十六烷为油相。如图7所示,分别改变SPI溶液的质分数和异构十六烷的体积分数,深入探究了SPI对异构十六烷的乳化能力及其形成高内相乳液的能力。如图7a所示,所有的乳液液滴尺寸分布均匀、为均匀球状液滴。控制油相占比为75% ,在1%~4%的范围内逐渐增加水相SPI的质量分数,液滴尺寸逐渐从31.10 μm降低到22.36 μm ;控制水相SPI质量分数为4% ,在75%~85%的范围内逐渐增加油相占比,乳液液滴尺寸逐渐从22.36 μm增加到28.98 μm。油相体积分数不变,增加水相乳化剂的质量分数,会导致乳液的单位体积比表面积增加，液滴半径减小,即液滴尺寸减小。随着油相体积分数的增加,液滴尺寸逐渐增加,水相乳化剂质量分数不变意味着其能有效稳定油水界面,即表面积不变,单位体积比表面积减小,液滴半径增大,即液滴尺寸增大。从图7b可以看出,质量分数05%的SPI无法完全乳化75%的油相,形成的乳液上层出油。质量分数1%的SPI最多可以稳定75%的油相。质量分数2%的SPI最多可以稳定80%的油相,并且油相占比为80%的乳液倒置不流动，呈凝胶状。 质量分数4%的SPI最多可以稳定85%的油相,并且油相占比高于(含) 75%的乳液都呈现凝胶结构。

图7 不同质量分数的SPI溶液乳化不同含量的异构十六烷的高内相乳液图片

稳定性分析

通过持续观察不同SPI质量分数稳定的乳液在常温储存过程中的粒径变化,我们评价了乳液的常温稳定性。如图7c所示,在常温下储存30后,所有乳液的外观几乎没有发生任何改变,根据表1可知,粒径变化也不明显。说明SPI稳定的乳液具有良好的常温储存定性。

β-胡萝卜素保留率分析

随后, 绘制了β-胡萝卜素在正己烷中的标准曲线,回归方程公式y= 0.11x+ 0.042 , R2=0.999。为了研究SPI乳化的HIPEs包封是否对UV诱导的-胡萝卜素降解产生保护作用,测定了UV处理过程中HIPEs中-胡萝卜素的残留含量。如图8所示,当SPI乳化的高内相乳液中异构十六烷占比固定为75% , SPI质量分数分别为2%和4%时,在6 h的UV照射后, β胡萝卜素的残余分别为30.92%和45.56%。相比之下, β-胡萝卜素在纯油相中UV照射6 h后则全部降解。这说明SPI乳化的HIPEs对β-胡萝卜具有一定的保护作用,SPI质:量分数越高,保护效果越好32。如图所际, HIPEs对β-胡萝卜素具有保护作用可能有以下几方面的原因:第一,如图8所示,螺旋藻蛋白在紫外辐射波段280~400 nm具有优异的光吸收性,在高内相乳液的油-水界面或者连续相中的SPI对紫外光都有一定的吸收作用,含有β-胡萝卜素的油滴被HIPEs包裹,可防止β-胡萝卜素直接暴露于紫外线辐射中 ;第二,界面上以及连续相中的蛋白提供了空间屏障, HIPEs对空气起到了一定的隔绝作用;第三, SPI是有效的抗氧化剂,可以阻碍液滴中的氢过氧化物与水相中的过渡金属离子之间的接触,延缓氧化。

以螺旋藻分离蛋白( SPI )为乳化剂制备了高内相乳液( HIPEs ) , 通过研究水相乳化剂质量分数和油相占比对HIPEs特性的影响发现,在水相pH 1.5~9.5的范围内, SPI的zeta电位、三相接触角和起泡能力均有所差异,在等电点处( pH 3.5 )三相接触角和起泡能力最大;同时SPI具有较强的UV吸收能力。SPI对多种油相均具有良好的乳化性能,当质量分数为1%时,即可乳化75%的油相。基于SPI制备的HIPEs具有良好的常温储存稳定性,在室温30 d后依旧保持稳定。并诅, HIPEs能有效地封装和保护β-胡萝卜素,能有效地抑制UV诱导的β-胡萝卜素的降解。本研究制备了一种绿色、安全、稳定的食品级HIPEs ,和一种高效的生物活性物保护载体,为其在食品、化妆品和医药等领域的应用提供了数据支撑。