动态高压微射流对乌贼墨黑色素物理性质及微观结构的影响
李萍1, 陈小娥1,*, 方旭波1,2, 刘妍1, 竹琳1, 余辉1, 郭健1, 员立萍3
1 浙江海洋大学食品与医药学院,浙江 舟山 316022
2 浙江省水产品加工技术研究联合重点实验室,浙江 舟山 316022
3陕西好时鲜海洋生物科技有限公司,陕西 西安 710000
*通讯作者:陈小娥,女,教授,主要从事海洋生物资源综合利用研究。E-mail:xiaoechen@163.com

作者简介:李萍,女,主要从事食品加工与安全研究。E-mail:2562913086@qq.com

摘要

为改善乌贼墨黑色素在食品中的应用性能,以虎斑乌贼( Sepia pharaonis)墨囊为原材料,采用碱性蛋白酶酶解制备乌贼墨黑色素,研究不同动态高压微射流(DHPM)(0、40、80、120、160、200 MPa)均质对其物理性质的影响,并采用红外光谱、扫描电子显微镜分析其微观结构。结果表明,DHPM处理使乌贼墨黑色素聚集体解聚,浊度增加、平均粒径减小,粒度分布更加集中和细微化,同时改善了其在去离子水和生理盐水中的溶解性;在压力作用下表现为粘度、空间色度值均有所增大;差示扫描量热法(DSC)分析表明,乌贼墨黑色素在120 MPa下热变性温度为90.70℃,焓变值为0.45 J·g-1,且该压力下其贮藏稳定性最好;红外光谱分析表明,在特定压力处理范围内,DHPM处理使乌贼墨黑色素分子间形成了较强的氢键;扫描电镜观察发现样品颗粒在120 MPa处理后颗粒尺寸最小。因此,DHPM改性技术改善了乌贼墨黑色素的物理性质和微观结构,为其在食品工业中的应用提供了理论依据。

关键词: 动态高压微射流; 乌贼墨黑色素; 物理性质; 微观结构
文章编号:1000-8551(2020)05-1002-10
Effects of Dynamic High Pressure Microfluidization on Physical Properties and Microstructure of Sepia Melanin
LI Ping1, CHEN Xiao'e1,*, FANG Xubo1,2, LIU Yan1, ZHU Lin1, YU Hui1, GUO Jian1, YUAN Liping3
1College of Food and Pharmacy, Zhejiang Ocean University, Zhoushan, Zhejiang 316022
2Joint Key Laboratory of Zhejiang Province for the Research of Fishery Processing Technology, Zhoushan, Zhejiang 316022
3Shanxi Haoshixian Marine Biotechnology Ltd, Xi'an, Shaanxi 710000
Abstract

In order to improve the application performance of Sepia melanin in food, the Sepia pharaonis ink sac was used as raw material to prepare melanin by alkali-protease hydrolyzation, and the effects of homogenization of different dynamic high pressure microfluidization (DHPM) (0、40、80、120、160、200 MPa) on its physical properties. The microstructure was analyzed by infrared spectroscopy (IR) and scanning electron microscopy (SEM). The results indicated that DHPM treatment depolymerized sepia melanin aggregates, increased turbidity, reduced average particle size, made it more concentrated and finer distribution, and improved solubility in deionized water and physiological saline. Apparent viscosity and spatial chromaticity values increased under the pressure. DSC analysis showed that the thermal denaturation temperature was 90.70℃, and the enthalpy change value was 0.45 J·g-1 at 120 MPa. At the same time, the storage stability was the best under this pressure. Infrared spectroscopy analysis showed that DHPM treatment formed a strong hydrogen bond between the melanin molecules in a specific range. Scanning electron microscopy revealed that the sample particles was the smallest after treatment of 120 MPa. Therefore, DHPM modification technology improved the physical properties and microstructure of Sepia pharaonis melanin and provided a theoretical basis for its application in the food industry.

Keyword: dynamic high pressure microfluidization(DHPM); Sepia melanin; physical properties; microstructure

虎斑乌贼(Sepia pharaonis)是我国主要的头足类经济动物之一, 隶属软体动物门(Mollusca)、头足纲(Cephalopoda)、十腕目(Decapoda)、乌贼科(Sepiidae)、乌贼属(Sepia), 主要分布在菲律宾群岛、日本列岛海域及我国东海、南海海域, 具有个体大、生长快等特点[1, 2]。目前, 国内外学者对虎斑乌贼的研究主要集中在繁殖生物学、营养成分和养殖技术等方面[3], 而在食品加工业中虎斑乌贼墨多作为废弃物, 其潜在的经济和药用价值没有得到较好的利用[4]

乌贼墨黑色素是一种由小低聚物分子组成的不溶于水的生物大分子[5], 其化学成分是黑色素和蛋白多糖复合体[6], 具有抗氧化[7, 8]、抗肿瘤[9]、抗辐射[10]、抑菌[11]等功能。在日本和欧美, 乌贼墨黑色素已作为一种天然食材被添加到食品中[8], 但在我国食品加工行业的应用尚处于起步阶段, 可能是乌贼墨黑色素颗粒大小不均匀、溶解性差、口感不细腻等原因限制了其在食品中的推广应用。动态高压微射流(dynamic high pressure microfluidization, DHPM)是集输送、混合、湿法粉碎、均质等多单元操作于一体的新型非热加工和物理改性技术。该技术以超高压、流体力学及撞击流理论为依据, 利用高压使液体物料高速流过狭窄的缝隙时使其受到强烈剪切、高速撞击、剧烈震荡、压力瞬间释放等综合动力作用[12], 实现物料的均一化和超细微化, 从而对其理化性质产生影响, 以提高机体对其的吸收利用率[13, 14]

近几年, DHPM主要用于食品大分子改性[15]、灭菌[13]、生物活性分子提取[16]等, 但有关DHPM处理对乌贼墨黑色素物理性质和微观结构的研究鲜有报道。因此, 本研究以虎斑乌贼墨囊为试验原料, 采用DHPM技术, 在酶解制备黑色素的基础上, 研究改性处理对其浊度、粒度、流变特性、色值、溶解性和贮藏稳定性等物理性质及微观结构的影响, 旨在为强化天然食品原料功能因子提供技术支持。

1 材料与方法
1.1 材料与试剂

-45℃冷冻的虎斑乌贼墨囊, 陕西好时鲜海洋生物科技有限公司; 碱性蛋白酶(200 000 U· g-1), 南宁庞博生物工程有限公司; 氢氧化钠、溴化钾、丙三醇等试剂均为分析纯, 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

AMH-3高压微射流均质机, 安拓思纳米技术(苏州)有限公司; 美能达CM-5台式分光测色仪, 天友利标准光源宁波有限公司; NICOMP 380DLS纳米粒径分析仪, 美国Pss粒度仪公司; DHR-2流变仪, 英国TA公司; 日立S-3400N扫描电子显微镜, 日本日立公司; DSC-200 F3差示扫描量热仪, 德国耐驰公司; Nicolet 6700红外光谱仪, 美国Thermo Nicolet公司; LGJ-10冷冻干燥机, 北京松源华兴科技发展有限公司; UV-5900紫外可见分光光度计, 上海元析仪器有限公司; TDL-5-A型大功率低速离心机, 上海安亭科学仪器厂; DSHZ-300旋转式恒温震荡器, 太仓市实验设备厂; FA25-20DG均质机, 上海弗鲁克科技发展有限公司; DL-180B型超声清洗仪, 上海之信仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 乌贼墨黑色素酶解液的制备 参考周月越等[17]的方法。冷冻虎斑乌贼墨囊→ 流水解冻→ 剪破墨囊挤出墨汁→ 等体积去离子水浸泡过夜→ 8 000 r· min-1常温离心10 min→ 去除上清液, 沉淀于-40℃真空冷冻干燥24 h→ 获得乌贼墨黑色素粗品→ 向粗品中加入料液比1:50(质量比)的去离子水→ 用5 mol· L-1盐酸或5 mol· L-1氢氧化钠溶液调节pH值至10.5→ 加入碱性蛋白酶4 200 U· g-1(即每克乌贼墨黑色素粗品中加入4 200 U碱性蛋白酶), 50℃保温酶解4 h→ 100℃沸水浴加热10 min灭酶活→ 过200目筛, 将乌贼墨黑色素滤液置于4℃冰箱备用。

1.3.2 紫外-可见光谱扫描 将1.3.1中制备好的酶解液多次常温离心(8 000 r· min-1, 10 min)、水洗至中性, 其沉淀在-40℃条件下真空冷冻干燥(24 h)为乌贼墨黑色素粉末。取2 mg粉末溶解于30 mL 0.05 mol· L-1 氢氧化钠溶液, 50℃水浴加热10 min得到稳定的黑色素溶液, 于190~790 nm波长范围进行紫外-可见光谱扫描, 采样间隔1.0 nm, 确定特征吸收波长。

1.3.3 DHPM处理 将1.3.1中制备好的乌贼墨黑色素酶解液于均质机中3 000 r· min-1预处理50 s, 然后采用DHPM分别在不同压力(40、80、120、160、200 MPa)下处理样品, 备用。同时, 以未处理(0 MPa)乌贼墨黑色素酶解液作为对照组, 测定所有样品组的相关指标。

1.3.4 DHPM处理乌贼墨黑色素物理性质测定

1.3.4.1 浊度 取1.3.3处理后的样品适量, 4 000 r· min-1常温离心10 min, 取等量上清液用0.05 mol· L-1 氢氧化钠稀释至适当倍数, 充分混匀, 以去离子水为空白对照。将样品置于2 cm比色皿中, 用紫外可见分光光度计在特征吸收波长处测定其吸光度值。

1.3.4.2 粒度 取1.3.3处理后的样品适量, 用去离子水作为分散剂将样品稀释到料液比为1:10, 在频率40 kHz、功率500 W条件下超声处理6 min, 用纳米粒径分析仪于室温下测定乌贼墨黑色素的粒度分布和颗粒的平均粒径。

1.3.4.3 流变学特性 用流变仪表征乌贼墨黑色素表观流变学特性。选择直径为40 mm的不锈钢平板测量系统, 间隙0.5 mm, 加样后, 进行切边处理, 加入硅油以防止溶液外流, 每次测试均更换样品[13]。25℃条件下, 剪切速率(γ )10~200 s-1递增, 分别测定乌贼墨黑色素表观黏度η 随剪切速率的变化情况。

1.3.4.4 色差 用分光测色仪分别测定样品空间色度值。L* 值表示亮度; a* 值表示红绿色度; b* 值表示黄蓝色度; C* 值表示饱和度。根据公式计算总色差(Δ E):

ΔE=[(ΔL* )2+(Δa* )2+(Δb* )2]1/2(1)

式中, Δ L* 表示试样与对照组的L值的差值; Δ a* 表示试样与对照组的a值的差值; Δ b* 表示试样与对照组的b值的差值。

1.3.4.5 溶解性 参考宋茹等[18]的方法, 将1.3.3处理后的样品于-40℃条件下真空冷冻干燥24 h, 准确称取样品0.05 g于50 mL烧杯中, 在室温(25℃)下分别加入10 mL去离子水、生理盐水、丙三醇、乙酸、丙酮、二甲基亚砜和0.05 mol· L-1 氢氧化钠溶液, 充分涡旋混合, 静置10 min, 观察其在不同溶液中的溶解情况和溶液颜色的变化。

1.3.4.6 热稳定性 采用差示扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)测定乌贼墨黑色素的热变性温度。取 1.3.3各处理后样品溶液10.0 μ L置于铝坩埚(精确到0.1 μ L)中, 从35℃升温至175℃, 以10℃· min-1升温速率扫描, 以空坩埚为参比, 氮气为保护气进行测试, 并由DSC分析曲线及特征值变化观察DHPM处理对样品热变性温度的影响。

1.3.4.7 贮藏稳定性 取1.3.3处理后的样品10 mL装入试管中, 密封后置于试管架上放入4℃冰箱, 30 d后观察样品是否分层, 并取分层后最上层的样品0.5 mL, 采用1.3.4.2的方法测定各处理组样品的平均粒径, 观察贮藏时间对乌贼墨黑色素粒径的影响, 从而判定DHPM对乌贼墨黑色素贮藏稳定性的影响。

1.3.5 DHPM对乌贼墨黑色素微观结构的影响

1.3.5.1 红外光谱分析 将1.3.3 处理后样品于-40℃条件下真空冷冻干燥24 h, 然后与溴化钾干粉按照质量比1:100混合均匀, 置于模具中, 均匀加压得到待测样片, 用红外光谱仪扫描4 000~400 cm-1波长范围的光谱吸收值。

1.3.5.2 颗粒形貌分析 参考李和生等[8]的方法。将1.3.3处理后样品溶液于-40℃条件下真空冷冻干燥24 h, 取少量粉末黏着于导电胶带, 离子溅射仪喷金处理, 扫描电子显微镜对其进行形态扫描、拍照, 观察不同处理组乌贼墨黑色素颗粒的表面微观结构。

1.4 数据处理

采用Origin Pro 9.1软件绘图, 试验结果以平均值± 标准差表示, 采用SPSS 18.0软件处理数据和方差分析, Tukey法检验差异显著性, 显著性水平为P< 0.05, 每个试验均平行测定3次。

2 结果与分析
2.1 虎斑乌贼墨黑色素的紫外-可见光谱分析

碱性蛋白酶酶解法制备的虎斑乌贼墨黑色素的紫外-可见光谱吸收如图1所示, 在紫外光区域(190~400 nm)内, 221 nm处存在明显的特征吸收峰, 而在可见光区域(400~750 nm)内未出现特征吸收峰, 且其吸光度值随着波长的增大逐渐降低。这与文献报道中其他黑色素的全波长扫描结果接近, 如李兴旺等[19]采用酸解法制备的鱿鱼墨黑色素在可见光区域内未检测到明显吸收峰, 在200~400 nm范围内存在两处吸收峰, 其中一处强吸收峰处于215 nm; 李晓等[20]采用酶解法制备的金乌贼墨黑色素在波长206和557 nm处均检测出明显吸收峰; 周月越等[17]采用酶解法制备的曼氏无针乌贼墨黑色素在222.5 nm处检测到一明显特征吸收峰。因此, 后续试验以221 nm作为特征测定波长。

图1 虎斑乌贼墨黑色素的紫外-可见光谱图Fig.1 Ultraviolet-visible spectrum of sepia pharaonis melanin derived from Sepia pharaonis ink

2.2 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液浊度的影响

不同DHPM处理组乌贼墨黑色素在221 nm处的吸光度值如图2所示, 其吸光度值的大小可反映样品溶液浊度的情况, 从而显示出溶液的颗粒悬浮稳定性。结果表明, 不同压力处理组的乌贼墨黑色素溶液浊度之间有显著差异(P< 0.05), 且随着压力的增大, 其吸光度值先明显增大后逐渐减小, 这可能是由于在0~120 MPa时, 原存在于黑色素溶液中的部分聚集物发生了解聚集作用, 当压力大于120 MPa时, 高压产生的热力作用使得黑色素颗粒之间又重新聚集, 吸光度值逐渐减小[21, 22], 即浊度减小。

图2 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液浊度的影响
注:不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。
Fig.2 Effects of DHPM treatments on turbidity of the melanin solution of Sepia pharaonis ink
Note: Different lowercase letters mean significant difference among treatments at 0.05 level.

与对照组相比, 在40~120 MPa范围内, DHPM处理显著增加了黑色素溶液的悬浮稳定性, 其溶液的吸光度值和浊度增大, 这是由于DHPM对黑色素溶液的高剪切力等作用使其颗粒分散更加均匀细微化, 黑色素分子与水分子之间的氢键增强, 可溶性成分增多, 从而使得离心后上清液中颗粒溶解增多[13]

2.3 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液粒度的影响

表1和图3可知, DHPM处理明显影响了虎斑乌贼墨黑色素溶液的粒度分布和平均粒径。对照组黑色素的粒度分布均呈多峰分布且分布尺寸较宽, 粒度主要分布在151.90~305.90 nm之间, 且25%的颗粒大于246.20 nm, 平均粒径为206.30 nm; 不同DHPM压力处理组黑色素溶液的平均粒径均小于对照组样品, 粒度分布均向小粒子峰移动, 且随压力的增大(0~120 MPa), 粒度跨度逐渐减小, 峰分布变窄, 粒度分布更均一, 尤其在120 MPa有较大变化, 峰移动幅度达到最大, 平均粒径达到最小值(101.20 nm), 说明样品在加速进入反应器时, 在极小的空间内被强烈的垂直撞击, 使其作用过程中瞬间产生巨大的能量, 从而产生一定的压力降, 导致样品颗粒高度破碎, 聚集体解聚成更小的黑色素分子[23]。当压力大于120 MPa时, 黑色素颗粒的平均粒径略有增加, 样品粒度分布又逐渐向大粒子峰偏移, 这可能是由于样品通过DHPM均质机时, 在高压力的热力作用下, 其能量输入和能量密度过大, 之前破碎的小分子颗粒又重新聚合, 导致粒径略微增加[24]。综上, DHPM处理对乌贼墨黑色素粒度起到了细微化和集中分布的作用。

表1 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液颗粒粒度的影响 Table 1 Effects of DHPM treatments on solution particle size of the melanin of Sepia pharaonis ink

图3 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液颗粒粒度分布的影响Fig.3 Effects of DHPM treatments on solution particle size distribution of the melanin of Sepia pharaonis ink

2.4 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液流变学特性的影响

剪切速率由10 s-1增加至200 s-1期间进行了20次测量。由图4可知, 随着剪切速率的增大, 黑色素溶液的表观粘度整体呈下降并逐渐趋于平缓的趋势。当剪切速率小于80 s-1时, 随着剪切速率的增大, 溶液粘度下降较为明显, 剪切速率大于80 s-1时, 溶液粘度则趋于平缓, 表现出明显的假塑性流体所特有的剪切变稀特性, 所以乌贼墨黑色素溶液为“ 非牛顿流体” [13]。这是由于在10~80 s-1范围内, 随着剪切速率的增大, 黑色素溶液的分散状态发生了改变, 流层间的剪切应力减小, 导致粘度下降; 当剪切速率超过80 s-1后, 上述分子间的排列趋于完善状态, 即分子间排列基本完毕, 表观粘度趋于稳定。

图4 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液表观粘度的影响Fig.4 Effects of DHPM treatments on apparent viscosity of the melanin solution of Sepia pharaonis ink

与对照组相比, DHPM处理组剪切变稀特性更为明显, 但不同处理组均未改变黑色素溶液的流体类型。这可能是由于DHPM处理能使黑色素颗粒变细腻且分散程度集中、均匀, 随着剪切速率的增大, 黑色素聚集体表面亲水性略微增强, 氢键等一些弱键断裂, 导致黑色素聚集体分散解离, 降低了溶液的流动阻力[25]。整体来看, 与对照组相比, DHPM处理使样品的粘度增大, 说明DHPM处理对乌贼墨黑色素的结构有一定的影响, 进而改变其表观粘度。

2.5 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液色差的影响

表2可知, DHPM处理组L* 值均较对照组显著增加(P< 0.05), 表明与对照组样品相比, DHPM处理样品的亮度均有所增加, 尤其是120 MPa处理组样品亮度增加最明显。与对照组相比, 不同DHPM处理对黑色素溶液的a* 值、b* 值和C* 值也有显著影响(P < 0.05), 表明随着压力的增大, 黑色素溶液的a* 值、b* 值和C* 值发生了不同程度的变化。Δ E代表色泽变化程度, 80 MPa和120 MPa处理组颜色变化程度最大。表明DHPM处理对于提高黑色素溶液的亮度等均具有一定的改善作用, 这与Calligaris等[26]对香蕉汁的研究结果类似。因此, DHPM处理能改善乌贼墨黑色素溶液的色泽。

表2 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶液色差的影响 Table 2 Effects of DHPM treatment on the color difference of melanin solution of Sepia pharaonis ink
2.6 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶解性的影响

DHPM处理前后乌贼墨黑色素溶解性的变化见表3, 与其他动物黑色素及人工合成多巴黑色素相同, 对照组即酶解制备的虎斑乌贼墨黑色素也具有碱溶酸沉特性, 不溶于大多数极性较低的有机溶剂和一些常见的无机溶剂, 这与宋茹等[18]的报道相似。经DHPM处理后, 样品在二甲基亚砜和0.05 mol· L-1氢氧化钠溶剂中全溶, 在去离子水、生理盐水、丙三醇、丙酮和乙酸溶剂中随着DHPM处理压力的增大样品溶解性逐渐增加, 尤其在去离子水和生理盐水中, 其溶解性得到了很好的改善, 这主要是因为DHPM所产生的高频振动、高速撞击、强烈剪切等机械作用, 使黑色素分子结构得以伸展, 使其内部极性基团暴露, 其表面电荷增加, 与水结合能力增强, 溶解性得到改善[27]

表3 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素溶解性的影响 Table 3 Effects of DHPM treatment on the solubility of melanin solution of Sepia pharaonis ink
2.7 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素颗粒热稳定性的影响

热稳定性是影响乌贼墨黑色素在食品加工中应用的关键因素, 且热变性与其空间构象的改变密切相关[28]。由DSC分析曲线及特征值(表4、图5)可知, 除120 MPa处理组, 其他处理组最大迁移点处与对照组的吸收峰接近, 峰值温度范围为(114.00~122.20℃), 性质相对稳定。40、120、160 和200 MPa处理组的焓变值均减小, 分别减小至5.57、0.45、4.34和2.75 J· g-1, 80 MPa处理组焓变值增加至6.38 J· g-1, 表明不同DHPM处理压力对虎斑乌贼墨黑色素的热稳定性有一定影响, 但影响程度不同。120 MPa处理组吸收峰呈现左移, 其热变性温度为90.70℃, 焓变值最小为0.45 J· g-1, 此压力对样品热稳定性影响最大。

表4 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素DSC分析曲线特征值的影响 Table 4 Effects of DHPM treatment on the characteristic value of DSC analysis curve of melanin of Sepia pharaonisi ink

图5 DHPM处理后乌贼墨黑色素DSC分析曲线Fig.5 DSC analysis curves of melanin particles of Sepia pharaonis ink after DHPM pressure treatments

2.8 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素贮藏稳定性的影响

DHPM处理前后样品静置贮藏30 d后, 观察发现乌贼墨黑色素对照组样品出现明显分层, 而DHPM处理后的样品均无明显分层。由表5可知, 对照组贮藏30 d后, 其颗粒平均粒径明显增大, 而DHPM处理组样品的平均粒径变化不大。上述结果表明, DHPM处理使乌贼墨黑色素具有良好的贮藏稳定性, 尤其120 MPa处理组样品平均粒径变化最小, 说明该压力下乌贼墨黑色素的贮藏稳定性最好。

表5 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素贮藏稳定性的影响 Table 5 Effects of DHPM treatment on storage stability of melanin of Sepia pharaonis ink
2.9 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素红外光谱特征的影响

由图6可知, DHPM处理前后样品的红外吸收峰主要集中在3 500~3 300、1 700~1 500、1 450~1 250 cm-1范围内, 与对照组相比, 经DHPM处理后的样品对红外辐射能量的吸收强度存在结构特征差异。DHPM处理后的样品在1 700~1 500、1 250~750 cm-1范围内出现了新的吸收峰, 尤其200 MPa处理组新峰的吸收强度明显增强, 说明DHPM处理对黑色素表面基团影响较大。

图6 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素红外吸收峰的影响Fig.6 Effects of DHPM treatment on infrared absorption peak of melanin of Sepia pharaonis ink

动物源黑色素多属于吲哚型, 乌贼墨黑色素主要是以5, 6-二羟基吲哚和5, 6-二羟基吲哚酸为前体的真黑色素[6], 经DHPM处理后, 3 416.43 cm-1附近吸收的O-H和N-H伸缩振动、1 614.11 cm-1附近吸收的羧酸基团COO-或芳环C=C或酰胺中C=O振动和 1 400.23 cm-1附近吸收的COO-发生了变形振动, 新出现的峰位置发生了不同程度的偏移, 峰吸收强度增大[29, 30], 推测这可能是由于DHPM处理使得包裹在虎斑乌贼墨黑色素中的O-H、N-H等基团暴露, 形成了较强的氢键[31]

2.10 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素微观结构的影响

由图7-A可知, 对照组乌贼墨黑色素是由单个呈圆形、大小不均一、表面清晰光滑的黑色素单体颗粒聚集而成, 与李和生等[8]的研究结果一致。40、80 MPa处理组的黑色素聚集体开始解聚, 颗粒结构遭到DHPM破坏使其表面比较粗糙, 当压力增加至120 MPa时, 黑色素体系由更致密均一的单体排列而成, 同时颗粒平均粒径变最小(100 nm左右)。由图7-E、F可知, 当压力大于120 MPa时, 乌贼墨黑色素颗粒又开始缓慢聚集, 颗粒略变大。表明, DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素的微观结构有不同程度的影响, 进一步验证了乌贼墨黑色素颗粒粒度的变化规律。

图7 DHPM处理对虎斑乌贼墨黑色素微观结构的影响
注:A、B、C、D、E、F分别表示经过DHPM 0、40、80、120、160、200 MPa处理的虎斑乌贼墨黑色素扫描电镜图。
Fig.7 Effects of DHPM treatment on microstructure of melanin of Sepia pharaonisi ink
Note: A, B, C, D, E, and F represent the scanning electron micrograph of melanin of Sepia pharaonisi ink treated by DHPM 0, 40, 80, 120, 160, 200 MPa, respectively.

3 讨论

乌贼墨黑色素是天然的海洋活性物质, 营养价值和安全性较高。近年来, 随着海洋头足类乌贼加工副产物— — 乌贼墨逐年增加且得不到有效利用问题突出, 以及人们对黑色系食品的认识和关注, 天然黑色素的研究和开发日益增多, 但由于乌贼墨黑色素的颗粒不均一和溶解性差等原因极大地限制了其在食品加工等领域的广泛应用。因此, 探寻操作安全、可工业化生产的口感细腻、可溶性乌贼墨黑色素的改性技术是研发高品质食品原料的关键。郭欣等[32]在碱性条件下利用超声降解技术制备了可溶性鱿鱼墨黑色素, 结果发现可溶性鱿鱼墨黑色素平均粒度从17.34 μ m减小至1.47 μ m, 其作为一种天然色素和新型自由基清除剂, 良好的溶解性很大程度上提高了机体的吸收利用率, 但这种方法仅限于在碱性条件下, 从食品产业实际应用受限的角度来看, 并未从根本上解决黑色素在食品添加中的开发利用瓶颈。而本试验采用蛋白酶对乌贼墨进行酶解预处理, 并结合DHPM技术制备的乌贼墨黑色素, 不仅解决了上述方法中可溶墨黑色素仅在碱性条件下制备的限制, 还较好地改善了其物理性质和微观结构, 进一步为黑色素制备领域开辟了新途径。

本研究采用DHPM技术在不同压力下对虎斑乌贼墨黑色素进行改性, 发现120 MPa处理后平均粒径减至最小, 为101.20 nm, 是对照组平均粒径的49.10%, 同时改善了其在去离子水和生理盐水中的溶解性, 且改善后体系稳定, 克服了黑色素不溶于水的困难。伍敏晖等[33]研究DHPM技术对姜黄素纳米乳液稳定性的影响, 利用不同压力处理可以得到乳液粒径小(196 nm)、品质好、体系稳定的姜黄素乳液; 陈琼玲等[34]采用高压微射流法制备的白藜芦醇纳米脂质体粒径小(78.31 nm)、分布范围窄, 且体系物理性质稳定。所以, DHPM技术能有效改善食品原料性质, 具有清洁安全、可工业化生产等优点, 能很好地应用于食品加工领域, 而有关头足类墨黑色素的研究仍然是未来研究的热点之一[35]

综上, DHPM技术的应用不仅为大规模工业产业化生产虎斑乌贼墨黑色素提供了理论依据和技术支撑, 而且为更好地满足广大消费者的需要和国内市场需求, 提高乌贼墨的综合利用率和经济价值, 致力于乌贼墨黑色素抗氧化功能食品(墨汁面包制品、墨汁生鲜面等)、抗辐射护肤品、功能微胶囊、黑色系饮料和冰淇淋等产品的深度开发, 让更多含乌贼墨黑色素新产品投放市场提供了保障。

4 结论

本研究首次采用DHPM技术处理蛋白酶酶解制备的虎斑乌贼墨黑色素, 确定最佳处理压力并对其物理性质和微观结构进行研究。结果表明, DHPM处理大大改善了乌贼墨黑色素溶液的物理性质, 其中平均粒径由原来的206.30 nm减至最小为101.20 nm, 粒径分布更加集中、细微化, 空间色度值的增大更好地提高了乌贼墨黑色素溶液的亮度, 在去离子水和生理盐水中的溶解性增加, 在120 MPa下热变性温度为90.70℃, 焓变值为0.45 J· g-1, 且该压力下其贮藏稳定性最好; 同时DHPM处理使乌贼墨黑色素分子间形成了较强的氢键, 黑色素体系中的单体排列更加致密均一。因此, 采用DHPM改性技术能很好地改善虎斑乌贼墨黑色素的物理性质和微观结构, 为乌贼墨在食品加工开发中的应用提供新的理论依据和研究方向。

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