摘要

本工作的目的是确定热应用对乳清蛋白浓缩物(WPC)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)的影响，以改善体系的发泡性能，并确定这些与界面性能的关系。

在这些条件下，1 × 10^－２1% w/w乳清蛋白溶液与1 × 10混合^－２和1% w/w的多糖。溶液在90°C恒温浴中热处理30分钟。泡沫是用一种起泡的商业仪器生产的。用电导法和光学法测定了泡沫的形成及其稳定性。

时变表面压力(π);利用自动液滴张力计，研究了WPC/E4M混合膜在气水界面的吸附和膨胀动力学。

Wpc1% / e4m 1 × 10^－２%表现出最佳的生物聚合物浓度组合来提高热处理后的发泡性能。WPC在气液界面的聚集和多糖的分子重组能力可能是这些发现的原因。这里的结果表明了它们的流变学含义。WPC在任何研究浓度下都不会起泡。

关键字

乳清浓缩蛋白;Hydroxypropylmethylcellulose;发泡性能;界面属性

介绍

乳清浓缩蛋白(WPC)和分离蛋白(WPI)是重要的食品成分，因为它们具有良好的功能特性，如凝胶、发泡和乳化。乳清蛋白是许多传统或新型食品中功能蛋白成分的重要来源。乳清主要蛋白为β-乳球蛋白(β-lg)、α-乳白蛋白(α-lac)和牛血清白蛋白(BSA)，占乳清蛋白[2]的70%。这些蛋白质负责乳清蛋白的功能特性，如在水中的溶解度、粘度、凝胶、乳化、发泡、颜色、风味和质地增强，并为配方产品提供许多营养优势。

蛋白质由于其两亲性，可以吸附在流体界面上。蛋白质在界面上的吸附和其他动态表面性质，如膜粘弹性，在食品分散体系如泡沫和乳剂[1]的形成和稳定性中起着重要作用。由于吸附过程，蛋白质分子阻止了先前产生的气泡或液滴的再回光。此外，在蛋白质吸附过程中，空气-水或/和油水界面的表面张力或界面张力降低，这是优化起泡或乳化过程中所涉及的能量输入的重要属性。较小的气泡或液滴是胶体系统稳定性的重要因素。

乳清蛋白的结构-功能关系在文献中得到了广泛的研究，特别是与乳清蛋白的聚集特性和相互作用(如疏水相互作用、氢键、静电相互作用和硫醇-二硫交换反应)的性质有关。这些相互作用可以通过改变乳清蛋白分子的物理化学性质来实现，方法是对蛋白质进行温度预处理，使蛋白质部分或完全解开蛋白质结构，暴露隐藏的疏水部分[3]。

多糖用于蛋白质的外加剂，主要是为了提高分散体系的稳定性。大多数高分子量的多糖具有亲水性，在空气-水界面上没有吸附的倾向，但它们可以作为增稠剂或胶凝剂[4]，强烈增强蛋白泡沫的稳定性。羟丙基甲基纤维素(HPMC)的应用基于甲基取代，这些甲基取代沿着纤维素主干构成疏水区域，而羟丙基则更亲水。这些疏水基团的引入使HPMC具有表面活性剂的特性。因此，hpmc被吸附在流体界面上降低了表面张力[3-5]。HPMC是一种表面活性纤维素衍生物，在食品工业中用于提高烘焙产品[6]的质量，在制药工业中用于控制药物释放基质[7,8]。

之前研究了三种商用HPMC (E4M、E50LV和F4M)吸附膜在空气-水界面的表面压力等温线、结构和表面膨胀特性以及吸附动力学[9,10]。在这些工作中，我们得出结论，HPMC分子能够扩散和饱和的空气-水界面在很低的浓度在体相。即使在低表面压力下，三种hpmc也能在空气-水界面形成弹性薄膜。

与其他纤维素相比，E4M表现出不同的行为，因为它在所有体积浓度下都表现出竞争行为。E4M具有较强的竞争性能，这应归因于其分子结构所产生的较高的表面活性。E4M的羟丙基摩尔取代(MS)=0.23，是该系列中最高的。根据核磁共振[11]测定，羟丙基比甲基更亲水，更容易与水分子形成氢键。然而，甲基和羟丙基都使纤维素疏水性[12]。E4M的另一个特点应该归因于其较高的分子量，这使得该多糖具有较强的能力。表面张力的降低并不取决于聚合物的摩尔吸附量，而是取决于实际与表面[12]接触的聚合物段的数量。这意味着聚合物的表面性质取决于列、环和尾部的长度和分布。E4M的平均聚合度高于E50LV(数据由陶氏化学公司提供)，这涉及到每摩尔聚合物[13]可能被吸附的段数的增加。

当WPC在有E4M存在的空气-水界面吸附时，会发生三种现象:(ii)多糖主要通过静电作用或氢键与被吸附的蛋白质进行络合;(iii)由于蛋白质和多糖之间存在有限的热力学相容性，多糖浓缩了吸附的蛋白质。

聚集现象在加热时可以增强，形成聚集体的结果。显然，WPC / E4M混合体系的表面压力很难预测，因为复杂的现象同时发生:

1. 竞争或合作行为作为每个生物聚合物体积浓度和E4M的分子特性的函数;
2. 生物聚合物在本体和界面水平上的不兼容性。

蛋白质和多糖之间的相互作用或不相容影响吸附的速率和大小。因此，不同组分得到界面的顺序将影响最终平衡表面组成[14]。

由于混合生物聚合物在流体界面上的潜在协同作用，表面活性蛋白和多糖的竞争吸附研究引起了人们的兴趣[15,16]。在这些工作中，我们得出结论，由于它们的表面活性特性，竞争吸附可能发生在这些多糖和WPC蛋白的混合物中。在Perez等人的[14]中，研究了HPMC对WPC在空气-水界面吸附膜及其流变学的竞争行为的影响[10,17- 18]。最近，我们分析了三种hpmc[4]对WPC单分子膜在空气-水界面上的结构和流变性能的影响。由于E4M在之前的工作中所研究的hpmc之间的界面张力-活性最高，所以我们决定现在使用。为了达到本项目最初提出的目标而使用的方法的组合将得到互补的信息，而这些信息反过来又可以用于技术目的。实际上，混合生物聚合物薄膜的应用可以帮助我们进入乳液和泡沫的稳定。

在此背景下，本研究的目的是确定热应用对乳清蛋白浓缩物(WPC)与商用名称为E4M的羟丙基甲基纤维素(hydroxypropylmethylcellulose, WPC)组合的影响，以研究其发泡性能与界面性能的关系。

材料和方法

样品制备和热处理

木塑粉末由阿根廷圣达菲的Milka Frank提供。蛋白质78.9% (N × 6.25)，乳糖5%，灰分4.3%，水分5.6%。在Mini-Protean II双平板细胞系统(Bio-Rad实验室)中，在自然条件下进行WPC page电泳。采用BioRad GS-670成像密度仪对蛋白条带进行定量。Bio-Rad分子分析师/电脑。分子图像程序允许在体积测试选项下分析分子量和频带强度。WPC的组成为:β-lg 44%， α-lac 20.1%， BSA 8%。组成小部分的其余蛋白质为免疫球蛋白和蛋白蛋白胨部分[19]。

HPMC (methcell serie of E4M)，食品级，来自陶氏化学公司，由阿根廷colorcon公司提供，未经净化使用。E4M较为相关的理化性质为:甲基和羟丙基含量分别为28和10.2%;甲基羟丙基比:2.7;取代度:2.13;2% wt溶液粘度(20°C): 4965 cp;分子量:90000 kDa。

在所有实验中，将生物聚合物溶解在Trizma缓冲溶液[(CH₂哦)_3.CNH₂/ (CH₂哦_3.CNH_3.Cl)(σ,> 99.5%)。通常使用pH为7的milliq超纯水。溶液在4°C下保持12小时，以达到最大的生物聚合物水合作用。

WPC/E4M混合体系是通过将每种双浓缩生物聚合物溶液的适当体积混合以达到所需的最终浓度得到的。

研究了WPC 1 × 10的混合体系^－２% + E4M 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^－２%和WPC 1%+E4M 1% w/w。以同一浓度的单一WPC或E4M溶液加入混合物作为实验对照。

溶液的热处理是通过将50毫升的溶液加热到密封的玻璃烧瓶中进行的。烧瓶在90°C的温度控制浴中浸泡30分钟。

泡沫形成及稳定性测量

使用Foamscan仪器(Teclis-It Concept, Logessaigne, France)测定泡沫形成和稳定性。泡沫是通过吹氮气以45ml /min的流量通过一个0.2µm的多孔玻璃过滤器，在玻璃管的按钮处放置20ml泡沫水溶液(25±1°C)产生的。在所有实验中，泡沫被允许达到120ml的体积。然后停止起泡，并通过电导和光学测量分析泡沫的演变。

确定了四个参数作为发泡能力的测量。总体发泡能力(OFC, ml/s)由发泡体积曲线斜率至起泡结束处确定，反映了系统的总体发泡能力。泡沫容量(FC)是泡沫中气体保留的量度，由式1确定。泡沫的最大密度(MD)是液体在泡沫中的滞留量，由公式2确定。相对泡沫电导率(Cf， %)是泡沫密度的量度，由式3确定。

\ [{\ 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) \]

在哪里Vfoam (f)为最终泡沫体积，vga (f)为最终注入气体体积，Vliq(我)和Vliq (f)是初始和最终液体体积，和Cfoam (f)和Cliq大有(f)分别为泡沫和液体的最终电导率值。静态泡沫的稳定性是由随着时间[20]从泡沫中流出的液体的体积来确定的。半衰期(t^1／2)，指的是排泄所需的时间V / 2可由经验二阶方程的式4表示。

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

动态表面张力

在空气-水界面上，用自动液滴张力计测定了WPC/E4M混合膜的随时间变化的表面压力(π)，如[21]所述。简单地说，让水溶液在隔间中静置30分钟以达到恒温。然后注入液滴，在注射器顶端停留约180分钟，以在空气-水界面上实现吸附。水滴的图像由CCD相机连续拍摄并数字化。通过分析液滴轮廓[22]，计算出表面张力ρ。表面压力为π=ρ_oρ-ρ_o为纯溶剂在无大分子情况下的表面张力。表面张力的平均精度约为0.1 mN/m。然而，结果的重现性(至少两次测量)优于1%。

吸附动力学

通过测量表面压力的变化，可以监测蛋白质/多糖在空气-水界面的吸附动力学。

这些生物聚合物在流体界面上的吸附包括(i)蛋白质从本体扩散到界面上，(ii)吸附(穿透)和界面展开，以及(iii)在界面层内聚集(重排)，形成多层，甚至界面凝胶。

在第一步中，在相对较低的表面压力下，当扩散是速率决定步骤时，可以使用Ward and Tordai方程[23]的修正形式将表面压力的变化与时间方程5联系起来。

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

其中C₀为体相浓度，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，D为扩散系数。

如果生物聚合物在空气-水界面的扩散控制吸附过程，π与t的关系曲线^1／2将是线性的[24-28]，该图的斜率将是扩散速率常数(k_d)．在较高的吸附时间，即受扩散影响后的一段时间内，WPC/E4M吸附存在一个能量势垒，这可归因于大分子在[29]界面的吸附、穿透、展开和重排。由于吸附的大分子的界面浓度是本体相的几倍，分子的展开和重排步骤在界面上发生的过程被放大。为了监测吸附的WPC/E4M分子的吸附/渗透/展开，使用了Graham和Phillips[27]提出的方法。因此，这些过程的速率可以用一个一阶方程来分析:

在π₁₈₀,π₀πt分别为吸附时间180 min、时间t=0和任意时间t的表面压力，ki为一级速率常数。在实践中，方程6的图通常会产生两个或更多的线性区域。初始斜率对应于一级吸附速率常数(K_p)，第二个斜率对应一个一级重排速率常数(K_r)，发生在或多或少固定数量的吸附分子之间。所有测量均至少进行两次，误差小于10%。

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

表面膨胀性质

在空气-水界面吸附膜的随时间变化的表面粘弹性参数是通过自动液滴张力计(IT Concept，法国)进行测量的[18,22]。在15%变形幅度(ΔA/ a)和角频率(ω)为100 mHz时，测量了表面膨胀模量E及其弹性模量Ed和粘性模量Ev与时间θ的函数关系。面积变化百分比确定为线性区域(数据未显示)。该方法包括一个周期性的自动控制，正弦界面压缩和膨胀，通过减小和增加下降体积，在所需的幅度。由表面张力(膨胀应力)的变化导出的表面膨胀模量，σ公式7，由表面面积(膨胀应变)的微小变化，a(公式8)，可以用公式9[20]描述

\[\σ={\σ_0}{\ rm{}}罪\离开({\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 = \压裂{{d \σ}}{{dA /}} = \压裂{{d \π}}{{迪娜 }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 9) \]

在σ₀和一个₀分别为应力和应变幅值，δ为应力和应变的相角。

膨胀模量为复数，由实部和虚部组成(式10)。

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

膨胀模量或储存分量的实部是膨胀弹性，E_d= E cosδ．膨胀模量或损失分量的虚部是表面膨胀粘度E_v= E森δ．这一比率(σ₀/一个₀）是绝对模量吗E变形抗力的一个度量单位，即材料的膨胀变形抗力(弹性+粘性)。对于完全弹性材料，应力和应变处于相(δ=0)，虚项为零。在完美粘性材料的情况下，δ=90º，实部为零。损耗角正切(tan δ)由式11定义。因此，如果薄膜是纯弹性的，损失角正切为零。

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

实验在20°C进行，系统温度通过恒温器的循环水保持在±0.1°C内。样品溶液被放置在注射器中，而注射器又被放置在隔间中。最后，样品静置30分钟以达到所需的恒温。然后滴入样品溶液，在气-水界面上实现高分子吸附。与检测溶液接触的物料已适当清洗，以避免任何表面活性物质的污染。

统计分析

所有的实验都至少是重复进行的。模型的拟合优度由决定系数(R²)和方差分析(ANOVA)，使用Statgraphics Plus 3.0。软件Manigistics公司2115 East Jefferson Street, Rockville, Md 20876, USA。

结果与讨论

发泡特性

首先，必须指出的是，无论使用的浓度如何，单个溶解在缓冲液中的木塑复合材料都无法获得稳定的泡沫。即在此条件下，由于新气泡形成和稳定的速度低于泡沫破裂的速度，WPC无法充分发泡达到120 mL的泡沫。这与之前的报告一致[24,25]。同时，简单的E4M溶液与WPC结合发泡浓度为1%或更高。但最低浓度为(1 × 10^－２% w/w)与高蛋白浓度的E4M复合发泡。

发泡能力:样品WPC 1 × 10的总发泡能力(OFC, ml/s)、FC、泡沫MD和相对泡沫电导率(Cf， %)^－２% + E4M 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^－２%和WPC 1%+E4M 1%如图1(a-d)所示。

只适用于一个混合系统，WPC 1% + E4M 1×10^－２热处理提高了OFC、FC、MD和Cf。在E4M浓度最高的情况下，例如当E4M浓度为1%时，没有发现热处理的影响，只观察到少量的FC下降，由于热处理的应用，泡沫中检测到较低的气体保留率(图1b)。

WPC 1% + E4M 1 × 10^－２%混合系统的所有测量参数在热处理后都有显著的增加。泡沫由密度较大的泡沫(没有显示)组成，泡沫中液体和气体的保留率很高。这可能是由于蛋白质的热变性使其在短时间内快速扩散到空气-水界面所致。

WPC 1% + E4M 1 × 10时，一般参数，特别是FC值较低^－２%无热处理系统。然而，当加热时，发现有相当大的增量。需要注意的是，纯E4M仅在1% wt的浓度下形成泡沫。在较低的E4M浓度下，它不会起泡，而纯WPC溶液在任何条件下都不会起泡。这个结果对于这个混合系统来说是非常显著的。

WPC 1% + E4M 1%，各大分子在溶液中比例相同，热处理无影响。E4M在液体界面[28]处的扩散速度优于WPC，提高了[29]的起泡性。这一特点将有助于提高泡沫形成过程中(时间<60 s)的发泡参数的性能，除1% + E4M (1 × 10)的WPC外，热处理未对其进行修改^－２%，适用于一般低粘度系统。

泡沫稳定性:静态泡沫的稳定性是由随时间从泡沫中流出的液体的体积来确定的。半衰期，tt^1／2，由实验数据式4得到。图1e显示了以WPC 1 × 10的半衰期定量的泡沫稳定性^－２% + e4m 1%;WPC 1% + e4m 1 × 10^－２%和WPC 1% + E4M 1%系统。

未处理WPC的稳定性为1 × 10^－２% + E4M 1%，表示;在混合溶液中蛋白质浓度较低时，泡沫的排水稳定性最高。在混合体系中，组分间的相互作用会促进复杂界面膜的形成，主要由E4M稳定，且表面压力比WPC[28]高。结果还表明，WPC和E4M在较短的吸附时间内相互竞争。随着时间的推移，竞争加剧。E4M分子穿透并重新排列进入单分子层，表面压力增加，WPC穿透发生[14]。这一事实反映了E4M较强的分子重组能力。因此,女警官1×10^－２% + E4M 1%体系的稳定性最高，而WPC 1% + E4M 1%体系吸收生物聚合物的可能性增加。

对于特定的蛋白质，整个泡沫的不稳定(泡沫的半衰期)和单个的不稳定过程(排水、歧化和聚并)可能与界面特征(蛋白质浓度和界面聚集、结构、形貌、以及吸附在气泡[30]周围的蛋白质膜的界面剪切和膨胀特性)。所有的热处理工艺都会改变其界面结构，从而改变其功能性能。[31]。

泡沫的不稳定性与蛋白质-蛋白质和蛋白质水相相互作用有关，必须考虑蛋白质在更高温度下的变性。热诱导的蛋白质变性能增加蛋白质间的相互作用。这一事实会产生聚集甚至沉淀[32]，降低蛋白的表面活性，导致WPC 1 × 10的稳定性降低^－２% + E4M 1%处理系统。但当蛋白质含量较高(WPC 1% + E4M 1%)时，蛋白质和多糖相互排斥，分离成不同的相。排除体积效应后，大分子缔合加快，蛋白质吸附增强。热变性使疏水基团转化为WPC 1% + E4M 1%热处理溶液在一个更表面活性的体系中，导致更稳定的泡沫对液体的排水。

吸附动力学

如前所述，WPC在体积浓度低至5 × 10时表现出表面活性^－5[18]，尽管它没有泡沫。在生物聚合物体积浓度下，吸附过程描述如下:a)在低溶液浓度下，更多的疏水残基发生在界面，表面压力几乎为零，因为吸附段的数量不足以引起表面张力的显著降低;b)在较高的生物聚合物浓度下，发生单层吸附，单层具有膨胀结构，结构I;结构I向结构II发生转变，单层被不可逆吸附的生物聚合物段饱和，形成平衡状态;D)最后，在最高体积浓度[18]下，形成的膜可以坍塌，形成多层膜。

考虑到混合系统发泡试验的结果，采用自动液滴张力计对短时间和长时间的表面压力进行了研究。图中加入了单组分的π时间曲线，便于数据解释(图2a-f)。WPC 1 × 10^－２% + E4M1%排名第一。可以看出，在较短的吸附时间(t<60s)，混合物的表面活性高于单一蛋白。在此条件下，WPC体积浓度不足以使界面饱和(结构II)，而E4M可以做到(图2a)。液滴形成后表面压力立即升高，服从多糖吸附，如图2a所示，对应较短的吸附次数[14]。在这种混合系统中，加热后π值在小于60s时有所下降。

在长吸附时间(t>10000s)，混合物和加热混合物达到与单个蛋白质相似的π值(图2b)。

当蛋白浓度增加时，如WPC 1%/E4M 1×10^－２%时，观察到相反的行为。在这种条件下，蛋白质几乎可以瞬间使界面饱和(结构II)，这决定了混合体系的表面压力，在(t <60s)(图2c)。E4M的存在和加热引起了地面压力的轻微增加，最高可达60s(图2c)，甚至在最长时间内观察到强烈的协同效应(图2d)。当生物聚合物的浓度为WPC 1%/ E4M 1%时，在较短的吸附时间内也能观察到类似的效果。混合体系在短吸附时间(图2e)和长吸附时间(图2f)均表现出表面活性的增加。即使加热的样品与未加热的混合物没有明显的差异。E4M的竞争行为归因于其较高的表面活性，这是其分子结构[18]的结果。表面张力的降低并不取决于聚合物的摩尔吸附量，而是取决于与表面[12]接触的潜在吸附段的数量。换句话说，聚合物的吸附取决于火车、线圈和尾部的长度和分布。事实上，E4M具有较高的聚合度，这增加了每摩尔聚合物[13]可能吸附的段数。

吸附动力学

扩散阶段控制了蛋白质和多糖在短时间内的吸附过程。因此，从π与t的曲线斜率来看^1／2推导出扩散速率(K_d)的大分子的界面。的π- t^1／2图显示，体系的水相扩散步骤过快，本工作使用的实验技术(π>10 mN/m)无法检测到。然而，对于这些系统，π-t的斜率^1／2曲线(0.5 s)可以看作是表观扩散速率的量度，K_d．[35]。动力学参数由吸附过程K_dK_p和K_r，见表1

混合系统	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(扩散),K_p(渗透)和K_r(重排)未经处理和热处理的混合系统的速度。
*扩散步骤太快，本工作使用的实验技术无法检测到(π>10 mN/m)

最高的K_d当E4M浓度最高时，由于E4M的扩散速率快于60倍，且由于其表面活性较高，体积浓度较高。然而,K_dWPC 1% + E4M 1 × 10^-20/0%是唯一的加热系统，加热后增加幅度很大(从58.88 mN·m增加到70.14 mN·m)^－1年代^-0.5)．

其他混合系统没有观察到差异。结果得到了发泡参数(图1a-d)，这些参数先前与大分子在[36]短时间内扩散到空气-水界面有关。如发泡参数部分所述，蛋白质的热变性甚至聚集都有利于其扩散。

图1:WPC 1 × 10^-20/0% + E4M 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^-20/0总发泡能力(OFC): 1%未经处理和热(H)处理(一)、发泡能力(FC)(b)，泡沫最大密度(MD)(c)，相对泡沫电导率(Cf%)(d)排水半衰期(t^1／2排水)(e)．

π值在吸附开始时的增加(图2)对应于短时间内吸附的大分子数量[37]。未加热的系统之间没有观察到差异。另一方面，当加热时，超过WPC 1% + E4M 1%的混合体系增加K_p(从3.33到5.63.10^－4年代^－1)．显然，当蛋白质通过加热发生高比例的变性时，在(t<10000s)时，E4M穿透更容易。在之前的[38]出版物中，E4M 0.25%wt/wt的渗透率最高，当大豆蛋白含量为2%时，渗透率下降。这意味着单独比较，E4M具有更好的穿透界面的能力，但当两种生物聚合物在一起时，它们之间的相互作用会促进不同的动力学测量性能。在这些条件下，由于蛋白质向界面扩散速度加快、相分离(即多糖诱导的蛋白质聚集)以及蛋白质分子展开导致的表面疏水性增加，可以观察到速率的增加[39,40]。热处理甚至可以促进蛋白质相互作用，诱导聚集体的形成，从而在更大程度上促进E4M的穿透。

图2:1 × 10的未处理(正方形)和热处理(三角形)混合系统的木塑复合材料的π与时间的关系^-20/0%+E4M 1% (a)， WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0% (b)， WPC 1%+E4M 1% (c)。

假设在长时间的吸附过程中，液体界面分子的重排与泡沫的稳定性有关。然而，当对混合体系的重排率进行分析时，得到一个与排水时间相反的趋势。据观察，最小的K_p(wpc1 × 10^-20/0%+E4M 1%)导致较好的t^1／2对加热的样品进行排水，获得相同的结果。K没有明显的变化趋势_r参数。

表2还显示了180分钟时的表面压力(π₁₈₀最小)用于未经处理和热处理的混合系统。首先需要注意的是，长时间吸附时的表面压力与t有关^1／2这种关系是[41]先前建立的。可以观察到，高蛋白浓度、WPC 1%+E4M 1 × 10的混合体系^－２%和WPC 1%+E4M 1%(蛋白膜结构II)在较长时间内表面压力最低，t值也较低^1／2下水道。当热处理时，长吸附时间表面压力的增加与t相同^1／2排水管(图1 e)。因此，可以说，E4M是泡沫形成的决定剂，而乳清蛋白似乎是泡沫混合体系稳定性的基础，加热后液体界面强度增加。虽然蛋白质热变性会在短时间内增加蛋白质-蛋白质相互作用，但这种聚集会在长吸附时间内更好地形成膜，增加表面压力，并给予更高的泡沫稳定性。

混合系统*	π180分钟(mN / m)	Hπ180分钟(mN / m)	艾德180分钟(mN / m)	HEd180分钟(mN / m)	Tgδ180分钟	高温凝胶δ180分钟
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:表面压力180 min吸附时间(π_180分钟Ed和tan δ分别适用于未经处理和热处理的混合体系。
*平均数±标准差;n = 3;H =加热样品

吸附膜的表面膨胀弹性

表面膨胀模量(E)与对应的Ed值相似，反映了木塑复合材料薄膜的弹性特性。由图3可以看出，WPC溶液(1 × 10)^－２(结构I)的Ed值最大，并随时间进一步减小。事实上，当体蛋白浓度从1×10增加时，Ed复制了它们的平衡值^－２高达1%，w/w(图3a-c)。这种效应归因于当吸附时间经过[28]时达到空气-水界面的蛋白质量最高。这种下降可能表明由于在空气-水界面[17]发生蛋白质展开而发生的缓慢结构变化。该蛋白膜具有较低的缩合结构，这可以解释500s后Ed降低的原因。在WPC 1 × 10组成的混合体系中，E4M体积浓度高于蛋白质^－２%+E4M 1%wt，在此条件下，有利于多糖分子的扩散。因此，即使是长期吸附，E4M对固体特性的影响也更大。当蛋白质体积浓度不足以使界面饱和时，蛋白质可以形成比E4M具有更高固相性质的膜。加热样品的Ed值略有下降。

图3:对于未处理(正方形)和热处理(三角形)的WPC混合系统，1 × 10^-20/0%+E4M 1% (a)， WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0% (b)， WPC 1%+E4M 1% (c)。

当WPC浓度为1%时，吸附膜的性质为s型，表明吸附膜的类固性随时间的增加而不断增强。混合体系的Ed值随吸附时间的增加应与生物聚合物在[29]界面的吸附有关。无论E4M体积浓度如何，Ed在10000s时确实趋于稳定，在长时间吸附时也有类似的行为。

含1%木聚糖和1 × 10的混合体系^－２%的E4M表现出单一的行为，在5000s之前观察到混合膜固体特性的演变差异(图3b)。WPC 1%+ e4m 1 × 10^－２%表示采用Ed值与纯WPC生成的薄膜有滞后期。在这些混合体系中，Ed主要由E4M决定，其形成的弹性膜比单一的WPC膜要少。经过5000 s后，木pc的吸附量增加，因为混合膜以蛋白质为主，表现出更强的固相性。加热后的WPC (1%) +E4M (1 × 10)对应的Ed值也存在明显的滞后期^－２%混合体系，在溶液中服从聚集物的形成。WPC测定了混合膜的最终固体特性(t>10.000 s)，因为它的体积浓度高到足以饱和界面，包括单层坍塌[30]。

当E4M能够饱和空气-水界面时，多糖的影响更大，即WPC 1%+ E4M 1%(图3c)。在这种情况下，也观察到一个滞后期，Ed值达到对应的单一蛋白在较长的吸附时间。加热WPC 1%+E4M 1%混合体系无差异。在这种情况下，观察到Ed最终值略有下降，证实了这些表面活性生物聚合物[30]之间对空气-水界面的强大能力，正如预期的那样。E4M从一开始就主导了吸附过程。随着时间的推移，Ed进化的平台出现是因为E4M膜的坍塌和可能在较短的吸附时间内形成的多层膜，阻止了生物聚合物分子(WPC或E4M)的进一步渗透[9,10]。

Ed和tan δ将在下一节详细描述;然而，在长吸附时间下，可以观察到混合体系之间的巨大差异以及加热效果。

Ed是由混合体系的蛋白质含量决定的，它反映了形成膜在长时间内的弹性特性(表2)。在最高的WPC浓度下，Ed结果更高。当加热时，如上所示，观察到这些Ed值的增加。实际上，WPC在加热后增加了液体界面强度，从而确定了混合膜的最终固相特性(t>10.000 s)。

另一方面，吸附膜的相对粘弹性(tan δ)可归因于长吸附时间生物聚合物分子在空气-水界面发生自缔合。结果表明，在此条件下，E4M浓度越高的混合体系，在液界面处的缔合越好，有利于加热过程的进行。而当E4M不能使气液界面饱和时(WPC 1%+E4M 1 × 10)^－２%)时，分子间会发生较低水平的结合，导致热处理时的不稳定(表2)。

WPC/E4M薄膜的损耗角值变化

混合系统的时变损耗角绘制在图4a-c中。吸附膜的形成是由于生物聚合物分子在空气-水界面[31]发生自缔合。自缔合过程涉及到生物聚合物疏水基团之间的相互作用，即蛋白-蛋白、E4M-E4M和WPC-E4M分子之间的相互作用。在进一步的情况下，E4M的甲基与蛋白质的疏水性更强的残基之间会发生相互作用。当多糖体积浓度高到足以饱和界面时，未加热样品1% wt的损失角值(图4a和4c)随时间略有变化(图4a和4c)。当多糖浓度为1 × 10时^－２%，(图4b)损耗角随时间减小。E4M体积浓度较低，对木塑复合膜的影响较小。事实上，在此体积浓度下，E4M采用了扩展结构，有助于降低Ev值[30]。

图4:1 × 10木塑复合材料(封闭三角形)、未经处理(方形)和热处理(三角形)的损耗角(φ)随时间的变化^-20/0%+E4M 1% (a)， WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0% (b)， WPC 1%+E4M 1% (c)。

经热处理后的样品有明显的差异。因此，WPC 1% + E4M 1 × 10的损耗角值随时间减小^－２% wt，混合体系(图4 b)。在最低蛋白质体积浓度(图4a)下，从吸附过程开始，单层流化就被观察到。据报道，HPMC在水溶液中随着温度的升高而聚集。随着甲基取代度的增加，该过程的温度越低。随着羟丙基含量的增加，聚合温度[32]升高。这种结合是由疏水相互作用驱动的，可能来自链间氢键的形成。图4b为E4M不能使WPC1%+E4M 1 × 10的气水界面饱和的情况^－２%。损失角比未加热的样品低。当E4M浓度最低时，这一过程发生的程度较轻。

混合体系的发泡与界面关系

在本节中，混合体系的泡沫性能和界面性能之间可能的关系。图5a-b显示了OFC与K的关系_dOFC vs K_p分别。离岸金融中心对K_d表现出明显的发泡性随扩散(K_d) WPC 1%+E4M 1 × 10^－２%加热样品系统。对其他混合系统检测到轻微的增量。

图5:WPC 1 × 10^-20/0% + e4m 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^-20/0%和WPC 1%+E4M 1%未经处理系统(封闭符号)和热(H)处理系统(开放符号)的(a)总发泡能力，OFC与扩散速度，K_d(b) OFC与扩散穿透速度，K_p相同的系统。

离岸金融中心对K_p，表示OFC随K的增大而增大_p用于前面提到的混合系统。其余混合物未发生任何变化，热处理后的WPC (1%) +E4M(1%)在动力学研究中可见。在溶液浓度最低时，当E4M存在时，OFC才会增加，即加热混合膜后有利于形成K_d和K_p是更高的。

图6显示了t之间的相同关系^1／2排水和π₁₈₀最小吸附时间。

图6:t^1／2排水和π₁₈₀wpc1 × 10的相关性^-20/0% + E4M 1%;WPC 1%+ e4m 1 × 10^-20/0%和WPC 1%+E4M 1%未经处理系统(封闭符号)和热(H)处理系统(开放符号)。

可以观察到它与图1e有直接的相关性，因为它们是来自t的数据^1／2从图6中还可以看出π的幅值增大₁₈₀最小为WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0%和1%的WPC +E4M 1%，主要是由于蛋白质含量高，且WPC 1 × 10的表面压力降低^-20/0%+E4M热处理后为1%。

结论

在目前的工作中，发泡性为WPC 1%+E4M 1 × 10^-20/0%加热混合体系表现出最佳的吸附性能，并与扩散速度有很好的相关性，这是大分子在气液界面吸附的第一步。另一方面，相同的混合体系表现出了排水稳定性的提高，这可能与长吸附时间形成膜的特殊弹性特性有关。

WPC和E4M争夺空气-水界面，动态测量结果(πvs时间演化和流变学测定)。尽管根据生物聚合物的相对体积浓度和所给予的热处理(90ºC for 20 min)可以观察到差异。当WPC能使界面饱和且E4M体积浓度足够低时，E4M主导最终平衡表面压力。只有在蛋白质浓度较高和多糖浓度较低时，加热才会在较长的吸附时间内增加π值。观察到一种添加剂或协同行为。

考虑WPC最低(1 × 10)的系统^-20/0% wt)和1% wt的E4M体积浓度，均无显著影响。这一发现表明，这两种生物聚合物可能与蛋白质在空气-水界面共存，以合作的方式促进表面压力的增加。混合膜的固体特性在加热过程中没有明显差异。事实上，在1%wt时，蛋白质主导了最终的Ed值。在最低蛋白质浓度下，混合效应降低Ed。

在E4M存在时，由于其优异的表面活性，与WPC结合吸附时，竞争吸附占优势。由于两个大分子在空气-水界面附近存在有限的热力学相容性，多糖的存在也可能导致吸附蛋白的耗竭机制的浓度。有一种渗透力促使蛋白质聚集，这可能导致表面压力增加[42]。虽然必须记住，加热引起的蛋白质聚集增加了扩散过程，特别是WPC 1%+E4M 1 × 10^－２，这反映在整体发泡能力上。众所周知，热处理可以增加所形成的聚集体结构的疏水性。

这些复杂的系统显示了真实泡沫食品中真实的成分关系，支持了对控制其特性和稳定性的更深层次的知识的需要，这反过来将有助于新型食品和纹理的设计。

致谢

这项研究得到了阿根廷共和国国家科学和技术研究理事会(CONICET)、布宜诺斯艾利斯大学和塞维利亚大学化学系化学工程系的支持。

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条信息

文章类型:研究文章

引用:Pérez OE, Martínez K, Sánchez CC, Patino JMR(2017)添加羟丙基甲基纤维素和加热改善乳清蛋白浓缩物发泡的策略:与界面性质的关系。营养食品技术开放获取3(2):doi http://dx.doi。org/10.16966/2470 - 6086.141

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出版的历史:

收到日期:2017年1月16日

接受日期:2017年3月20日

发表日期:2017年3月27日