红外加热对大豆蛋白质湿热变性的影响

孙宏霞,杨春华,刘琳琳,张 光,王嘉琪,凃 婧,石彦国

(哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江省普通高等学校食品科学与工程重点实验室,黑龙江哈尔滨 150076)

红外加热对大豆蛋白质湿热变性的影响

孙宏霞,杨春华,刘琳琳,张 光,王嘉琪,凃 婧,石彦国*

(哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江省普通高等学校食品科学与工程重点实验室,黑龙江哈尔滨 150076)

实验以大豆粉为原料,利用红外加热方法,研究其对大豆蛋白质变性程度的影响,通过单因素及正交实验研究了热处理时间、热处理温度和固液比对大豆蛋白质溶解度有较大的影响。分析得出大豆蛋白质变性最佳条件,即加热温度为110 ℃,加热时间为35 min,固液比(w/w)为1∶2;在此条件下,大豆粉蛋白质的氮溶解指数为22.36%,即大豆蛋白质的变性最高。

大豆蛋白质变性,红外加热,氮溶解指数

天然蛋白质分子具有紧密的立体结构,氢键、疏水键、二硫键等作用使肽链卷曲于蛋白分子内部,很难被蛋白酶水解[1]。为了促进大豆蛋白质的酶解反应,提高大豆蛋白质水解度(degree of hydrolysis),常用能促进酶解的方法,如对大豆蛋白质进行变性处理[2],在酶解反应时用超声波促进酶反应[3]等。

大豆蛋白质分子内部结构复杂,多肽链紧密折叠在一起[4],其二级结构中有 25% 的α-螺旋,25%的反平行β-折叠结构,42% 的β转角以及 8% 的自由卷曲[5],其内部的极性基团和疏水基团形成疏水区域,外面被亲水外壳包裹,这些亚基间又彼此结合形成复杂的四级结构。大豆蛋白质分子高度压缩,结构紧密,对蛋白酶的酶解作用具有很强的抵抗力[6-7]。因此,要加快酶解速度,提高大豆蛋白质的酶解反应,就须对大豆蛋白质进行变性处理,高温会使蛋白变性,热变性破坏蛋白质的二、三级或四级结构,打开氢键、二硫键及疏水键,使其高度压缩的结构松散开,使之变成无秩序的肽链状态[8-10],那些原来在分子内部包藏而易与酶发生作用的部位,由于分子结构松散而暴露出来,从而使蛋白水解酶的作用点大大增加,提高了酶解速度[11]。大豆蛋白质作为主要成分,其变性现象是溶解度的变化,或者说,蛋白质变性程度可用其氮溶解指数(NSI)的高低来表示[12]。蛋白质发生热变性,蛋白质溶解性急剧下降[13]。

红外加热技术作为一种新型加热技术,不仅节能高效、清洁环保、而且可较好的保证产品品质[14-16]。本实验采用红外加热法处理湿大豆粉,测定不同热处理时间,不同热处理温度和不同加水量对大豆蛋白质溶解度的影响,以确定大豆蛋白质适宜的变性条件,为大豆蛋白质的进一步酶解反应提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆 北大荒营销股份有限公司;盐酸、氢氧化钠、硫酸、硫酸铜、硫酸、硼酸 均为分析纯,天津市大陆化学试剂厂。

KDN-F自动定氮仪 上海纤检仪器有限公司;78-1型磁力搅拌器 上海南汇电讯器材厂;ZHWY-110X3D电热恒温鼓风干燥箱 上海智诚分析仪器有限公司;80-2型离心机 上海浦东物理光学仪器厂;ALC型电子天平 艾科勒电子天平公司;FW135型中草药粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 实验技术路线 大豆→粉碎(过100目筛)→加水搅拌→红外加热→磁力搅拌→离心过滤→测水溶性氮

1.2.2 蛋白质含量的测定 参照GB/T5009.5-2010采用微量凯氏定氮法。

1.2.3 氮溶解指数的测定 称取试样5.00 g于磨口带塞锥形瓶中,加水200 mL,振摇使其分散均匀,在30 ℃下振荡2 h,取出后将混合液转移至250 mL容量瓶中,用水稀释至刻度,混匀后静置2 min,将上清液倒入离心管中,于3000 r/min下离心10 min,再将离心液用快速滤纸过滤,收集滤液于锥形瓶中,随后采用微量凯氏定氮法测定滤液中可溶解氮含量,氮溶解指数表示为可溶解氮与样品中总氮的百分比。

1.2.4 红外加热方法对大豆蛋白质变性的影响单因素实验

1.2.4.1 红外加热温度对大豆蛋白质变性的影响 固液比(w/w)为1∶2时,分别在70、90、110、130和150 ℃情况下处理大豆粉30 min,测定其氮溶解指数。

1.2.4.2 红外加热时间对大豆蛋白质变性的影响 在110 ℃,固液比(w/w)为1∶2的条件下,分别处理大豆粉0、10、20、30和40 min,测定其氮溶解指数。

1.2.4.3 固液比(w/w)对大豆蛋白质变性的影响 加热温度为110 ℃下,改变大豆粉与水的比例从1∶0、1∶1、1∶2、1∶3到1∶4,处理大豆粉30 min,测定其氮溶解指数。

1.2.5 红外加热方法对大豆蛋白质变性的影响 正交实验设计根据红外加热方法对大豆蛋白质变性的影响单因素实验结果,选取其中使大豆蛋白质变性程度较高的因素和水平,进行L9(34)正交实验,确定大豆蛋白质变性最佳条件。

表1 正交实验因素水平设计表

1.3 数据统计分析

实验数据采用SPSS 21.0进行分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 红外加热温度对大豆蛋白质变性的影响 由图1可见,红外加热温度在70～110 ℃时,随着温度的升高,NSI不断降低。其原因是在加热条件下,大豆蛋白分子由原来的卷曲紧密结构舒展开来,仅分子内部的疏水基团暴露在蛋白质表面,从而使分子外部的亲水基团相对减少,致使溶解性降低。当温度高于110 ℃时,NSI有所增加,是由于加热温度过高,分子运动剧烈到足以打断稳定二级和三级结构的键,大豆粉蛋白质的二级和三级结构被破坏,蛋白质分子发生解离,成为分子量较小的次级单位,从而使NSI缓慢增加,即溶解性再度增加。当红外加热温度为110 ℃时,NSI达到最小值,即此时大豆粉蛋白质变性程度较高。

图1 红外加热温度对大豆蛋白质变性的影响Fig.1 Effect of infrared heating temperature on protein denaturation of soybean

2.1.2 红外加热时间对大豆蛋白质变性的影响 由图2可见,在0～30 min时间内,随着加热时间的延长,NSI迅速降低。由于加热时间的增加,蛋白质高级结构变化,肽链松散,大部分疏水基团大量暴露在蛋白质肽链外部,NSI逐渐降低。当加热时间35 min后,NSI趋于平稳。随时间的延长,未变性的蛋白质减少,其溶解性降低变缓。即在加热时间为30 min时,NSI达到最小值,即此时大豆粉蛋白质变性程度较高。

图2 红外加热时间对大豆蛋白质变性的影响Fig.2 Effect of infrared heating time on protein denaturation of soybean

2.1.3 固液比对大豆蛋白质变性的影响 由图3可见,当物料不添加水时,即使已经达到蛋白质变性温度,NSI也几乎不变。当添加一定量的水时,NSI明显降低,证明蛋白质的变性需要有水的参与。继续增加固液比,蛋白质浓度过低,蛋白分子间的碰撞几率较小,形成融溶状球蛋白的几率减小,因此NSI降低不是很明显,为了后续实验需要,物料含水率不能超过80%,所以在大豆粉蛋白质变性效果相近的情况下,认为固液比(w/w)1∶2时,NSI为较小值,即此时大豆粉蛋白质变性程度较高。

图3 固液比对大豆蛋白质变性的影响Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on soybean protein denaturation

2.2 正交实验结果分析

表2 L9(34)正交实验结果

利用 L9(34)正交实验研究加热时间、加热温度和固液比三个因素对大豆粉蛋白质变性的影响程度见表2 。从表2可以看出:红外加热方法使大豆粉蛋白质变性的过程中,加热温度是影响大豆粉蛋白的 NSI 的最主要的因素,加热时间次之,固液比的影响最小。红外加热使大豆粉蛋白质变性的正交实验表明,大豆粉蛋白质热处理变性的最优组合为A2B3C2,即加热温度110 ℃,加热时间35 min,液固比(w/w)为1∶2。在此实验条件下进行验证实验,得到结果大豆粉蛋白质的NSI为22.36%,小于表2中的最优值。

3 结论

通过红外加热处理使大豆粉蛋白质变性研究表明,加热温度对大豆蛋白质变性有较大的影响,当温度达到一定程度时蛋白质才会发生变性;加热时间对其也有一定的影响;大豆蛋白质的热变性程度,除与加热温度和时间有关外,还与水的存在与否密切相关。利用L9(34)正交实验设计方法优化出大豆粉蛋白质热变性条件的最佳参数为:热处理温度110 ℃,热处理时间35 min,固液比(w/w)为1∶2,经验证实验得出红外加热处理后大豆粉蛋白质的NSI为22.36%。本课题是通过红外加热处理使大豆粉蛋白质变性,为大豆蛋白质的进一步酶解反应提供参考。

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Effection of infrared heating on soybean protein denaturation of damp and hot

SUN Hong-xia,YANG Chun-hua,LIU Lin-lin,ZHANG Guang,WANG Jia-qi,TU Qian,SHI Yan-guo*

(1.Key Laboratory of Food Science and Engineering,College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China)

The experiment took soybean meal as the raw material,used the method of infrared heating,the effect of soy protein denaturation degree was studied,through single factor and orthogonal experiment to study the effect of heat treatment time,heat treatment temperature and solid-liquid ratio on the solubility of soybean protein. Finally it was concluded that soybean protein denaturation optimum conditions,the heating temperature was 110 ℃,the heating time for 35 min,liquid-solid ratio of 1∶2. Under this condition,nitrogen soluble index was 22.36% of soybean meal protein,the soybean protein degeneration effect was highest.

soybean protein denaturation;infrared heating;nitrogen soluble index

2016-08-17

孙宏霞(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：大豆化学与加工技术，E-mail：sunhongxia1110@163.com。

*通讯作者:石彦国(1960-)，男，硕士，教授，研究方向：大豆化学与加工技术，E-mail：yanguosh@163.com。

2016年国家重点研发计划项目课题中华传统豆类食品工业化加工关键技术研究与装备开发(2016YFD0400402)。

TS214.2

B

1002-0306(2017)05-0196-03

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.028