食盐浓度和热处理条件对大豆蛋白凝胶特性影响的研究

2018-03-24牛祥臣王洪彩马军范书琴李成辉刘军

食品研究与开发 2018年6期

牛祥臣，王洪彩，马军，范书琴，李成辉，刘军

（山东禹王生态食业有限公司，山东禹城251200）

大豆蛋白是优质的植物蛋白，其营养价值和保健价值为人们所认识。而它所具有的重要功能性质则促进了大豆分离蛋白在食品中的广泛应用。凝胶性是大豆分离蛋白重要的功能性质之一。在加热时大豆蛋白有形成凝胶的能力，凝胶可以将蛋白质基质固化，形成具有一定强度的网状结构[1]。因此大豆分离蛋白凝胶性在肉制品加工中有着很重要的作用，可以改善肉制品粗糙性、提高水分含量，增加其柔嫩性和弹性。

聚集是凝胶形成中关键的一步，大豆分离蛋白热聚集体是凝胶形成过程的中间产物，聚集体的形状、尺寸和溶解性对凝胶性质都有很大影响。聚集反应的发生受多种因素影响，包括温度、离子强度、pH值、蛋白组成和蛋白浓度等，这些因素作用的直接结果就是热聚集体的形态和数量发生改变，进而影响到形成凝胶的结构和功能性质的发挥[1]。离子强度对蛋白聚集的影响比较复杂，主要影响聚集行为和聚集体的大小，离子强度对蛋白聚集的另一种影响是增加蛋白质的变性温度，由于盐对蛋白质构象具有稳定作用，由于变性是蛋白聚集的前体，因此变性温度的改变势必会影响到聚集反应[2]。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆分离蛋白（SPI），山东禹王生态食业有限公司；Nacl（分析纯）；蒸馏水。

ML802电子天平：梅特勒-托利多有限公司；DJ13B九阳豆浆机：泰璞（上海）电子商务股份有限公司；HH-6数显水浴锅：山东爱博科技贸易有限公司；TG24-WS高速离心机：北京京立离心机厂；TA.XTPlus物性测定仪（探头：P/0.5 R):Streamline Process Co.Limited。

1.2 试验方法

1.2.1 凝胶的测定方法

取12 g大豆蛋白粉样品与88 mL一定浓度的Nacl溶液充分混匀后（大豆蛋白的浓度为12%，浓度低于10%或大于18%的大豆分离蛋白溶液不能形成凝胶）[3]，经九阳豆浆机高速处理后，转移至离心管中，在2 500 r/min离心机中离心5 min，后转移至250 mL玻璃烧杯中，将其放入一定温度的水浴锅中进行加热后，冷却至室温进行凝胶压值。

凝胶强度的检测时采用的是物性测定仪，设定参数为：校准高度50 cm、检测前速度2.0 mm/sec、检测速度1.0 mm/sec、检测后速度10.0 mm/sec、下压距离 25.00 mm、探头：P/0，5 R、触力 5.0g，记录破裂强度值。

1.2.2 单因素试验设计

选取食盐浓度为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的梯度进行热凝胶的检测，选择加热温度为65、70、75、80、85、90 ℃的梯度进行热凝胶的检测，选择加热时间为 15、20、25、30、35、40 min 的梯度进行热凝胶的检测。

1.2.3 正交试验设计

基于单因素试验结果，选取各因素的最优条件做三因素三水平试验，分析各因素对凝胶特性的影响。

1.2.4 数据分析

每个试验梯度做3次平行，采用Origin8.0和SPSS 16.0软件进行数据分析，测定结果已平均值表示。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 不同食盐浓度对大豆蛋白热凝胶影响

加热温度为80℃，加热时间为30 min时，不同食盐浓度对蛋白热凝胶的影响见图1。

图1 食盐浓度对大豆蛋白凝胶强度的影响Fig.1 The effect of salt concentration on the gel characteristics of soybean protein

食盐是肉制品加工中不可缺少的一种辅料成分，可去腥，提鲜，解腻，掩盖异味，并且还有抑菌的作用。从图1中可以看出，随着食盐浓度的提升，大豆蛋白热凝胶的凝胶强度呈现先上升后下降的趋势，在1.0%时达到高峰，原因可能是在低浓度的食盐条件下，食盐可活化蛋白质，增强水合作用和结合水的能力[4]，但随着食盐浓度的继续增加，凝胶强度有所下降，原因可能是食盐浓度对分离蛋白的溶解性有一定影响，且通过改变蛋白质表面的静电荷也会影响蛋白的凝胶性能[5]。

2.1.2 不同加热温度对大豆蛋白热凝胶影响

食盐浓度在2.5%时，加热时间为30 min时，不同加热温度对蛋白热凝胶的影响见图2。

图2 加热温度对大豆蛋白凝胶强度的影响Fig.2 The effect of temperature on the gel characteristics of soybean protein

加热温度对大豆蛋白凝胶影响如图2所示，从图中可以看出，温度在65℃～85℃之间时，随着加热温度的升高，加盐凝胶呈下降趋势，当温度达到由85℃～90℃时，加盐凝胶略有上升。根据大豆蛋白的沉降特性，大豆分离蛋白可分为4种主要组分：2S、7S、11S和 15S，有研究表明，7S 和 11S 的变性温度分别为70℃和80℃（中性条件下，没有盐存在）[6]。当加热温度为75℃～80℃时，只有7S发生变性，此时凝胶网络结构主要是由7S形成，11S作为可溶性蛋白分子存在于凝胶网络结构中，疏水作用和分子内氢键是维持凝胶结构的主要作用力。但由于7S变性不完全，因而疏水作用较弱。在中等加热温度85℃～90℃，7S完全变性，部分变性的11S开始参与到凝胶网络结构中。7S的疏水基团完全暴露，此时盐的存在会促使不均匀聚集的发生，同时11S未充分变性，分子间作用力较弱，因此凝胶网络结构很容易在外力作用下发生塌缩。而在较高加热温度90℃及以上时，蛋白完全变性，二硫键参与到凝胶网络结构中，凝胶结构较强，不易在外力作用下塌缩，因而凝胶耐盐性略高于85℃的凝胶。总体来说，凝胶硬度的大小主要与参与网络结构形成的蛋白数量和形成网络结构的作用力有关。

2.1.3 不同加热时间对大豆蛋白热凝胶影响

加热温度为80℃，食盐浓度在2.5%时，不同加热时间对蛋白热凝胶的影响见图3。

图3 加热时间对大豆蛋白凝胶强度的影响Fig.3 The effect of heating time on the gel characteristics of soybean protein

加热时间对大豆蛋白凝胶影响如图3所示，从图中可以看出，在15 min～40 min内，随着加热时间的延长，加盐凝胶逐渐增加。其中加热时间主要影响变性和参与凝胶形成的蛋白数量，加热时间较长时，蛋白变性完全，溶液中的蛋白分子都参与网络结构中，凝胶强度较大，对外界抵抗作用强，凝胶耐盐性较强。也有研究表明，加热时间超过30 min后，凝胶强度变硬的趋势变慢，这可能是30 min的加热时间足以形成成熟的凝胶，此时蛋白的网状结构已经得到稳定[7]。

2.2 正交试验结果

在单因素结论基础上，对三因素进行正交试验，因素水平表见表1。

表1 正交试验因素水平表Tabel 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 正交试验结果Tabel 2 Orthogonal test results

由极差可知，3个因素对大豆分离蛋白加盐凝胶性能的影响趋势是A（食盐浓度）＞B（加热温度）＞C（加热时间），即食盐浓度对大豆蛋白凝胶硬度影响最显著，其次是加热温度，再次为加热时间。最佳组合参数为A1B2C2，即食盐浓度为1.0%，加热温度为80℃，加热时间为30 min。

2.3 食盐浓度对蛋白凝胶影响的机理

有试验得出[8-10]，在较高的温度下加热，随着食盐浓度的增加，11S球蛋白凝胶的硬度先增大后减小，直到无法形成凝胶。其原因可能是：低浓度的食盐环境下，11S球蛋白的变性温度低于加热温度，食盐的添加使蛋白质的溶解性提高，进而加热过程中更利于蛋白结构的展开和功能性基团的暴露，同时由于食盐较少，蛋白的重新折叠较弱。因此，此时的凝胶硬度较大；高浓度食盐环境下，11S球蛋白的变性温度高于加热温度，尽管食盐对蛋白有盐溶作用，但由于相对低的加热温度使蛋白结构的展开和功能性基团的暴露较少，再加上蛋白的重新折叠作用，最终导致凝胶硬度小或者无法形成凝胶，且高盐浓度下制备的凝胶结构不均匀，网络结构空隙较大。

食盐的添加改变蛋白质功能基团的电离作用和双电层厚度，从而影响蛋白质-蛋白质之间的作用，盐的浓度及种类对于大豆分离蛋白凝胶性质有着不同影响。在低离子强度时，盐可通过屏蔽蛋白质上电荷从而减少蛋白质分子间的静电斥力，凝胶强度加强；随着离子强度的增加，蛋白质上电荷不断趋于饱和，溶剂中水的性质因盐的存在而改变并导致疏水相互作用增强，并成为主导效应，凝胶强度降低。王飞楠等[11]采用 DSC 研究盐（Ca2+，K+）对大豆蛋白凝胶中水的状态的影响，研究表明Ca2+对蛋白凝胶中水的状态影响大于K+，Ca2+使凝胶中平衡水及非冻结水（中间水和自由水）含量增大，可冻结水含量减小，由此可见，通过蛋白质与水之间的作用角度能解释盐对大豆蛋白凝胶的作用的影响。

2.4 大豆蛋白凝胶特性的应用

大豆蛋白添加至肉制品中的作用主要是提高脂肪与水的乳化性能，另可替代脂肪在肉制品中的作用。有研究将8%的大豆蛋白凝胶通过注入腌制液方法添加到肉块中，用以改善肉组织特性[12]。

另外，豆制品中也会用到大豆蛋白的凝胶特性，豆腐凝胶主要利用大豆蛋白溶胶在不同pH值和离子强度下，通过蛋白热变性作用获得[13]。而千叶豆腐和豆干等制品则主要是利用大豆分离蛋白与TG酶的交联作用得到的，在千叶豆腐的制作过程中，会添加相应量的食盐，提高最终产品的适口性，通过大豆蛋白加盐凝胶变化趋势可以看出，若食盐添加量超过一定数量，会影响最终成品的口感，导致最终产品偏软，偏脆，达不到我们对最终产品的预期效果。另在加热过程中加热温度不宜过高，避免破坏大豆蛋白的内部组织结构。

3 结语与展望

随着食盐浓度的提升，大豆蛋白热凝胶的凝胶强度呈现先上升后下降的趋势，在1.0%时达到高峰，随着加热温度的升高，热凝胶呈下降趋势，当加热温度达到由85℃～90℃时，热凝胶略有上升，在15 min～40 min内，随着加热时间的延长，热凝胶逐渐增加，且食盐浓度对大豆蛋白凝胶硬度影响最显著。通过优化试验，食盐浓度为1.0%，加热温度为80℃，加热时间为30 min时，大豆分离蛋白的凝胶性最强。总之，大豆蛋白凝胶相关方面的研究还有很多值得深入的地方，需要我们多从机理及蛋白内部组织结构方面进行考虑分析。且关于大豆蛋白耐盐性的研究对于大豆分离蛋白在高盐性的食品中的应用具有理论和实践指导意义。

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