基于大豆分离蛋白的脂肪模拟工艺条件优化

王建辉，靳 娜，成媛媛，刘永乐*，王发祥，李向红，俞 健

基于大豆分离蛋白的脂肪模拟工艺条件优化

王建辉，靳 娜，成媛媛，刘永乐*，王发祥，李向红，俞 健

（长沙理工大学 湖南省水生生物资源食品加工工程技术研究中心，湖南 长沙 410114）

为获得与油脂感官特征相近的大豆分离蛋白基脂肪替代物，综合运用单因素和Box-Behnken试验设计，以大豆分离蛋白添加量、魔芋胶添加量、加热温度、 加热时间、均质时间为考察因子，以复合体系的黏度及乳化稳定性为响应值，确定制备大豆分离蛋白基脂肪替代物的最佳工艺条件。结果表明，最佳工艺条件为大豆分离蛋白质量分数8%、魔芋胶质量分数0.08%、加热温度79.8 ℃、加热时间13 min、均质时间40 s，此条件下复合体系的黏度为45.94 mPa·s，乳化稳定性为74.49 min，与市售植物油相当。

大豆分离蛋白；魔芋胶；脂肪替代物；剪切；流变性；乳化稳定性

脂肪柔滑细腻、口感宜人，是许多风味物质的载体，因而深受消费者喜爱，然而一旦摄入过量，难免会带来肥胖症、高血压、动脉硬化、糖尿病等系列健康问题；正因消费者对食品中油脂含量很敏感，无法忍受单纯减脂或无脂产品的粗糙口感，因此，旨以在满足人们对风味追求的同时减少疾病的发生，以蛋白质、碳水化合物或脂肪等为基料，通过混合乳化剂、增稠剂等制成，能被人体消化吸收但提供较低能量，或不能被人体消化对人体不提供能量的脂肪替代物应运而生[1-2]。其中，蛋白基脂肪替代物占脂肪替代物的很大一部分[3]。蛋白质变性后，分子中的疏水基团和区域暴露于分子表面，能够模拟出油脂的疏水性状，同时，经微粒化处理的蛋白质水合后，若分散液中水合蛋白质颗粒直径小于10 μm，此时，舌头分辨不出单个颗粒，制品不再具有粗糙的颗粒感，因而能模拟出良好的润滑、奶油状感官特征[4-7]。大豆分离蛋白是以大豆为原料生产而来的优质蛋白质，其蛋白含量高，消化利用率达93%～97%，且具有优良的起泡性、溶解性、乳化性、黏弹性、凝胶性和吸水吸油性[8-9]。大豆分离蛋白及其水解液具有显著的生理活性，能降低肝脏脂肪合成酶的活性和血浆中葡萄糖水平，加快脂肪与能量的新陈代谢[10]。魔芋胶又名魔芋葡甘聚糖，是一种优良的水溶性膳食纤维，其吸水溶胀能力极高，溶液具有很高的黏度，在加热条件下可形成热不可逆凝胶。魔芋胶保健功能优异，可预防和治疗高血压、高血脂、心血管疾病、糖尿病、肥胖、便秘等症[11]。同时对低浓度大豆分离蛋白的乳化性能具有显著改善作用[12]。本研究主要采用物理改性法，对添加魔芋胶后的大豆分离蛋白进行湿热处理形成松散柔软的疏水性蛋白质颗粒，再经高速剪切处理，从而研制出能模拟天然油脂润滑、细腻口感特性，与市售植物油黏度相似，且具有较好乳化稳定性的大豆分离蛋白基脂肪模拟物。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆分离蛋白（碱提酸沉法，其蛋白含量达90%以上） 自制；长康均衡调和油 市购；魔芋胶长沙市雨花区日成晟食品添加剂厂；十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

AR1500ex流变仪 美国TA公司；T10均质机 德国IKA公司；AUY120电子分析天平 日本岛津公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限公司；78-1磁力加热搅拌器 金坛市医疗仪器厂；DS-1高速组织捣碎机 上海标本模型厂制造；UV2600紫外-可见分光光度计 上海舜宁恒平科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 改性条件单因素试验

1.3.1.1 大豆分离蛋白及魔芋胶添加量的确定

固定加热温度80 ℃、加热时间10 min、均质时间40 s（均质压力20 MPa，下同），分别考察大豆分离蛋白质量分数6%、7%、8%，魔芋胶质量分数0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%对复合体系黏度及乳化稳定性的影响。

1.3.1.2 加热温度的确定

固定大豆分离蛋白质量分数8%、魔芋胶质量分数0.08%、加热时间10 min、均质时间40 s，考察不同加热温度（65、70、75、80、85、90 ℃）对复合体系的黏度及乳化稳定性的影响。

1.3.1.3 加热时间的确定

固定大豆分离蛋白质量分数8%、魔芋胶质量分数0.08%、加热温度80 ℃、均质时间40 s，考察不同加热时间（5、10、15、20、25 min）对复合体系的黏度及乳化稳定性的影响。

1.3.1.4 均质时间的确定

固定大豆分离蛋白质量分数8%、魔芋胶质量分数0.08%、加热温度80 ℃、加热时间10 min，考察不同均质时间（10、20、30、40、50 s）对复合体系的黏度与乳化稳定性的影响。

1.3.2 黏度的测定

平行板夹具直径40 mm，间距1 000 μm，测量温度25 ℃，稳态模式，剪切速率范围为0.1～100 s-1，分别测定各样本黏度和剪切应力随剪切速率的变化情况[13]，并取剪切速率100 s-1时的黏度进行比较。

1.3.3 乳化稳定性的测定

取改性后的大豆分离蛋白与魔芋胶复合体系溶液50 mL于高速组织捣碎机，加入等体积植物油，以20 000 r/min均质2 min，于乳浊液底部以t时间间隔（t=0或30 min）取乳浊液100 μL，迅速与10 mL质量分数0.1%的SDS溶液混合，在500 nm波长条件下测定t时刻的吸光度At[14]。乳化稳定性（emulsion stability index，ESI）按以下公式计算：

1.3.4 Box-Behnken试验设计

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken Design（BBD）设计原理，固定大豆分离蛋白质量分数8%、均质时间40 s，选取魔芋胶添加量、加热温度与加热时间3 个因素进行响应面试验设计[15]，旨在得到与植物油黏度相似及乳化稳定性良好的大豆分离蛋白样品。具体因素水平表如表1所示。

表1 BBD试验因素编码值和实际值Table 1 Encoded and actual value of BBD experimental factors

2 结果与分析

2.1 调和油流变性研究

图1 调和油剪切应力（A）和黏度（B）与剪切速率曲线Fig.1 Curves of shear stress (A) and viscosity (B) as a function shear rate for blended vegetable oil

由图1A可知，调和油剪切应力与剪切速率基本呈线性关系（y=0.046 2x＋0.003 7，R2=1）。由图1B可知，当剪切速率大于10 s-1时，调和油的黏度随剪切速率的增加变化不明显；当剪切速率在0～10 s-1范围内变化时，可能缘于外界微小剪切力扰动作用在增加过程中，分子间的相互作用力逐渐遭到破坏[16]，调和油的黏度随剪切速率的增加显著下降。本研究主要以模拟调和油的流变性能为目的，旨在获得与调和油黏度相近且乳化稳定性良好的变性大豆分离蛋白，故取剪切速率为100 s-1时，调和油黏度为46.27 mPa·s作为参照值。

2.2 大豆分离蛋白与魔芋胶添加量对大豆分离蛋白改性的影响

图2 大豆分离蛋白与魔芋胶添加量对大豆分离蛋白改性的影响Fig.2 Effect of SPI and konjac glucomannan concentrations on SPI modification

黏度是指液体流动时表现出来的内摩擦，而感官评定中的滑腻感主要与流体的黏度呈明显正相关；而乳化稳定性是蛋白质维持两相稳定存在的能力[17]。如图2所示，可能缘于大豆分离蛋白质量分数的增加，其分子间作用力增强，分子间结构发生变化[18]，改性后大豆分离蛋白的黏度随添加量的增加而增大。随着魔芋胶添加量的增加，复合体系的黏度增大，魔芋胶与大豆分离蛋白间存在协同增稠作用。当大豆分离蛋白质量分数8%，魔芋胶质量分数0.08%时，其黏度（43.18 mPa·s）与调和油黏度（46.27 mPa·s）接近。当大豆分离蛋白质量分数低于8%，即使魔芋胶质量分数达0.10%，复合体系的黏度仍低于调和油的黏度。在大豆分离蛋白质量分数较低的条件下，大豆分离蛋白的乳化稳定性较差，当其升至8%，乳化稳定性达43.75 min，添加魔芋胶，体系乳化稳定性明显改善，随魔芋胶添加量增大，乳化稳定性不断增强。究其原因，可能缘于魔芋胶与大豆分离蛋白分子间相互作用，蛋白球状分子伸展，疏水基团不断暴露；加之，魔芋胶在体系中的增稠作用，使伸展的大豆分离蛋白分子处于较稳定的状态，从而大大提高了溶液的乳化稳定性[19]。当魔芋胶添加量大于质量分数0.08%时，随着魔芋胶添加量的增大，复合体系乳化稳定性的增加趋于平稳，此时乳化稳定性75.76 min。综合考虑，固定大豆分离蛋白质量分数8%，魔芋胶质量分数0.08%。

图3 加热温度对大豆分离蛋白改性的影响Fig.3 Effect of heating temperature on SPI modification

2.3 加热温度对大豆分离蛋白改性的影响加热处理会造成蛋白质结构变化、肽键的水解、氨基酸侧链的改性及蛋白质分子与其他分子间的缩合。随着温度的升高，蛋白质分子的热运动增强，内部结构被破坏，分子间的黏滞作用减弱，蛋白质溶液的黏度降低。大豆分离蛋白的变性温度一般在50 ℃左右，随着温度的升高，变性之后，蛋白质主链上的疏水性基团展开，疏水氨基酸不断暴露，使大豆分离蛋白溶液在油水界面中具有很好的定位[18]。由图3可知，复合体系的黏度随加热温度的升高而逐渐下降，而乳化稳定性受温度影响不大。当加热温度为80 ℃时复合体系的黏度（42.49 mPa·s）与调和油黏度最为接近，乳化稳定性趋于稳定，因此，选取80 ℃为最佳加热温度。

2.4 加热时间对大豆分离蛋白改性的影响

图4 加热时间对大豆分离蛋白改性的影响Fig.4 Effect of heating time on SPI modification

由图4可知，当加热时间低于15 min时，复合体系的黏度及乳化稳定性均不断增加；当加热时间高于15 min时，复合体系的乳化稳定性随着热处理时间的延长而降低，可能缘于大豆分离蛋白中7S各亚基及部分11S酸性亚基和碱性亚基间发生聚合，形成聚合物；另外，由于空气的黏度低，与蛋白质疏水基团间相互作用较弱，高分子质量的蛋白质聚合物扩散到气-水界面，在其界面形成的吸附能力较低，因而，导致蛋白质的乳化稳定性下降[14]。因此，选取加热时间为10 min，此时复合体系的黏度（44.48 mPa·s）及乳化稳定性均较佳。

2.5 均质时间对大豆分离蛋白改性的影响

在变性条件下，大豆分离蛋白因变性而展开，发生黏附并凝聚形成较大的颗粒，因此，在大豆分离蛋白变性而凝聚过程中进行高速剪切处理，即可有效防止较大凝聚颗粒的形成，一旦颗粒大小处于舌头感官阈值之下（0.1～2.0 μm），此时舌头无从分辨，从而模拟出类似脂肪的良好润滑、奶油状感官特性[20]。由图5可知，均质时间对复合体系改性的影响不大，缘于均质只改变颗粒大小，实现细小颗粒的均匀分布，而对复合体系其他功能性质的影响不大。当均质时间为40 s时复合体系乳化稳定性达最大，此时体系的黏度（45.87 mPa·s）与调和油黏度最为接近，因此，选取40 s为最佳均质时间。

图5 均质时间对大豆分离蛋白改性的影响Fig.5 Effect of homogenization time on SPI modification

2.6 Box-Behnken设计试验

在确定大豆分离蛋白质量分数8%、均质时间40 s的条件下，以魔芋胶添加量、加热温度及加热时间为影响因子，通过响应面试验研究物理改性对大豆分离蛋白与魔芋胶复合体系的黏度与乳化稳定性的影响，并利用Design-Expert软件对试验结果进行二次多元回归拟合[21]，结果及拟合方程分别见表2、3。

表2 Box-Behnken试验设计及结果Table 2 Box-Behnken experimental design with experimental results

由表3可知，两个数学拟合模型的R2值分别为0.97和0.99，可见通过多元二次回归得到的复合体系黏度（Y1）和复合体系乳化稳定性（Y2）的模型与试验拟合较好，均具有较高的可靠性，即模型显著（P＜0.01）。由表4可知，对于Y1模型，拟合数学模型的方差分析结果表明，各因素的线性对响应值的影响极显著（P＜0.01），在所选试验条件下，3 个因素对大豆分离蛋白溶液黏度的影响排序为魔芋胶添加量＞加热时间＞加热温度。对于Y2模型，拟合数学模型的方差分析结果表明，在所选试验条件下，3 个因素对大豆分离蛋白溶液乳化稳定性的影响排序为魔芋胶添加量＞加热时间＞加热温度。

表3 模型拟合结果Table 3 The fitted regression models for viscosity and emulsion stability

表4 模型方差分析Table 4 Analysis of variance for the regression models

图6 两两因素交互作用对复合体系黏度影响的响应面图Fig.6 Three-dimensional response surface diagram for the viscosity of the composite solution

图7 两两因素交互作用对复合体系乳化稳定性影响的响应面图Fig.7 Three-dimensional response surface diagram for the emulsion stability of the composite solution

根据回归方程可得出响应面图（图6、7），在魔芋胶添加量与加热温度适中、加热时间较长时，复合体系的黏度与调和油接近，且乳化稳定性较高。应用Design-Expert软件优化程序，得到最佳复合体系改性工艺参数：魔芋胶质量分数0.08%、加热温度79.75 ℃、加热时间12.97 min，此条件下大豆分离蛋白黏度46.27 mPa·s，乳化稳定性73.44 min。考虑实际可操作性，将复合体系物理改性的工艺条件修正为魔芋胶质量分数0.08%、加热温度79.8 ℃、加热时间13 min，在此优化条件下进行验证实验3 次，测得复合体系的黏度45.94 mPa·s，理论预测值46.3 mPa·s；乳化稳定性74.49 min，理论预测值73.44 min。预测值与实测值接近，偏差较小，说明试验设计和数学模型具有可靠性与重现性。

3 结 论

本研究以市售植物油为参照，大豆分离蛋白与魔芋胶为原料，通过物理改性的方法开展了油脂模拟实验研究，得到了制备大豆分离蛋白基脂肪模拟物的最佳工艺条件：大豆分离蛋白质量分数8%、魔芋胶质量分数0.08%、加热温度79.8 ℃、加热时间13 min、均质时间40 s，此时，溶液黏度达到45.94 mPa·s，乳化稳定性为74.49 min，其黏度与市售调和油相似，模拟出了具有良好润滑、奶油状口感的脂肪性状。由此可见，大豆分离蛋白湿热变性后暴露于多肽链上的疏水基团，通过与魔芋胶的复合，其乳化性能大大提高，进而改善低脂食品的质构特性，模拟出脂肪的柔滑细腻特性。虽然本研究通过大豆蛋白基脂肪模拟物与市售植物油的黏度和乳化性能的拟合，得到了最佳拟合参数，然以期达到更好的替代效果，在评价手段及其制备工艺方面仍需进一步探索。

[1] AKOH C C. Fat replacers[J]. Food Technology, 1988, 52(3): 47-53.

[2] 王岩, 陈雪, 王遂. 蛋白质基质的脂肪模拟物的制备及性质的研究[J].化学工程师, 2007(7): 60-62.

[3] HANAWA N, MIO T, OBARA K, et al. Substitute for fat meat food: US, 5232722[P]. 1993-08-03.

[4] PODOLSKI J S, MAHER H. A fat/cream substitute and a method for reducing the fat content in food products: US, 5143741[P]. 1992-09-01.

[5] 汤晓娟, 王凤, 贾春利, 等. 含Olestra低脂休闲蛋糕体系的流变学、微结构与烘焙特性[J]. 食品科学, 2013, 34(1): 1-7.

[6] FURLÁN L T R, PADILLA A P, CAMPDERRÓS M E, et al. Development of reduced fat minced meats using inulin and bovine plasma proteins as fat replacers[J]. Meat Science, 2014, 96(2): 762-768.

[7] HADNAĐEV M, HADNAĐEV T D, DOKIĆ L, et al. Physical and sensory aspects of maltodextrin gel addition used as fat replacers in confectionery fi lling systems[J]. LWT-Food Science and Technology, 2014, 59(1): 495-503.

[8] 陈伟斌. 大豆分离蛋白改性研究进展[J]. 粮食与油脂, 2006, 31(4): 7-9.

[9] 成媛媛, 王建辉, 刘永乐, 等. 大豆分离蛋白基脂肪模拟物初步研究[J].天然产物研究与开发, 2014, 26(1): 105-110; 116.

[10] EDRALIN A L, DANIA A K, BRUCE P D, et al. Ethanolextracted soy protein isolate does not modulate serum cholesterol in golden syrian hamsters: a model of postmenopausal hypercholesterolemia[J]. Biochemical and Molecular Action of Nutrients, 2001, 131(2): 211-214.

[11] 孙远明, 黄晓钰, 吴青, 等. 魔芋葡甘聚糖的结构、食品学性质及保健功能[J]. 食品与发酵工业, 1999, 25(5): 47-51.

[12] 丁金龙, 孙远明, 乐学义. 魔芋胶与大豆分离蛋白相互作用研究[J].中国粮油学报, 2003, 18(3): 65-69.

[13] DIFTIS N G, BILIADERIS C G, KIOSSEOGLOU V D. Rheological properties and stability of model salad dressing emulsions prepared with dry-heated soybean protein isolate-dextran mixture[J]. Food Hydrocolloids, 2005, 19(6): 1025-1031.

[14] MOLINA E, PAPADOPOULOU A, LEDWARD D A. Emulsifying properties of high pressure treated soy protein isolate and 7S and 11S globulins[J]. Food Hydrocolloids, 2001, 15(3): 263-269.

[15] ABDELHAMEED A S, SHIRLEY A, MORRIS G A, et al. An analytical ultracentrifuge study on ternary mixtures of konjac glucomannan supplemented with sodium alginate and xanthan gum[J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 81(1): 145-148.

[16] 刘静, 昝林森, 李林强. 大鲵油和花生油流变学的研究[J]. 杨凌职业技术学院学报, 2009, 8(1): 10-12.

[17] 朱小乔, 刘通讯. 大豆分离蛋白乳化稳定性的研究[J]. 粮油食品科技, 2003, 11(1): 16-18.

[18] CAO Na, FU Yuhua, HE Junhui. Preparation and physical properties of soy protein isolate and gelatin composite films[J]. Food Hydrocolloids, 2007, 21(7): 1153-1162.

[19] 丁金龙, 孙远明, 乐学义. 魔芋胶对大豆分离蛋白乳化性的影响研究[J]. 中国粮油学报, 2002, 17(1): 46-49.

[20] 斯沃恩. 油脂化学与工艺学[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 1989: 84-97.

[21] 胡坤, 黄景初, 陈秀华. 干热处理对大豆分离蛋白乳化与起泡性能的影响[J]. 现代食品科技, 2008, 24(7): 641-644.

Optimization of the Preparation Process for Soy Protein Isolate-Based Fat Simulant

WANG Jian-hui, JIN Na, CHENG Yuan-yuan, LIU Yong-le*, WANG Fa-xiang, LI Xiang-hong, YU Jian
(Hunan Provincial Engineering Research Center for Food Processing of Aquatic Biotic Resources, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

This study proposes a procedure for preparation of soy protein isolate (SPI)-based fat stimulant with similar sensory characteristics to oils and fats. The preparation conditions were investigated preliminarily by single-factor design and optimized by Box-Behnken design (BBD) with the viscosity and emulsion stability of composite system as a function of SPI concentration, konjac gum concentration, heating temperature, heating time and homogenization time. A composite system containing 8% SPI and 0.08% konjac gum heated at 79.8 ℃ for 13 min followed by 40 s homogenization was found to be optimal. The product obtained exhibited a viscosity of 45.94 mPa·s and an emulsion stability of 74.49 min, close to the quality of commercially available vegetable oils.

soy protein isolate; konjac glucomannan; fat replacers; shear; rheological behaviour; emulsion stability

TS201.2；TS201.7

A

1002-6630（2014）16-0006-05

10.7506/spkx1002-6630-201416002

2014-01-21

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD31B08）；国家自然科学基金青年科学基金项目（31301564；31201427）

王建辉（1980—），男，副教授，博士，研究方向为淡水生物资源开发与功能性食品。E-mail：wangjh0909@163.com

*通信作者：刘永乐（1962—），男，教授，博士，研究方向为大宗农产品加工技术。E-mail：lyle19@163.com