响应面法优化全豆豆腐凝固剂配方的研究
2018-06-05彭钰淇张黎骅
陈 杰 谭 琳 彭钰淇 杨 俊 张 清 张黎骅
(四川农业大学食品学院1,雅安 625014) (四川农业大学机电学院2,雅安 625014)
全豆豆腐是以整粒大豆为原料,加工中无任何废料产生的富含膳食纤维的营养型豆腐。利用干法工艺加工的全豆豆腐的硬度、弹性、内聚性和咀嚼性均高于湿法工艺,且整体质构特性接近传统工艺豆腐[1]。全豆豆腐加工工艺中热变性蛋白凝聚是豆腐加工过程中决定豆腐质量和产量的关键过程,是豆腐加工过程中最难控制的工艺之一[2];凝固剂的种类和添加量直接影响热变性蛋白的聚集,从而影响豆腐的口感、风味、感官质量和出品率等[3-4]。
Li等[5]经研究发现使用盐卤(主要成分为MgCl2)制作出的豆腐风味极佳,但因卤水凝固过程非常快,难以控制,从而使豆腐的凝胶网络结构不均匀、保水性差,而且豆腐里边的蛋白质和大豆异黄酮等营养成分会随着豆腐中水的流失而减少。Chang等[6]通过浸泡、打浆、过滤等工序,以TG酶为凝固剂,琼脂为助凝剂生产豆腐,制得的豆腐硬度高、弹性好、蒸煮损失小。由此可见,单一凝固剂正逐渐被复配凝固剂取代。
吴超义等[7]以MgCl2凝固剂,TG酶为助凝剂,通过浸泡、漂烫、胶体磨磨浆和均质等工艺制备全豆盐卤充填豆腐,制得的豆腐成型完好,凝胶强度好,持水性较好。于滨等[8]以GDL为凝固剂,通过浸泡、磨浆、煮浆、胶体磨、超声波和匀浆机处理等工艺制备全豆豆腐,探讨了豆浆处理工艺对内酯豆腐质构特性的影响。Joo等[9]以超细全脂大豆粉为原料,以TG酶为凝固剂,通过兑水调浆、均质,煮浆等工序制备全豆豆腐,制得的豆腐硬度高、弹性好。Li等[10]通过浸泡、打浆、过滤、煮浆、冷却、凝固等工序,以有机大豆为原料,以MgCl2为凝固剂,分别以卡拉胶、瓜尔豆胶、阿拉伯树胶为助凝剂生产有机豆腐,制得的豆腐口感好,与传统豆腐相似。然而,在这些全豆豆腐加工研究中,由于全豆豆浆粒径较大,内部的颗粒会阻碍豆腐的凝固,凝固效果并不理想;全豆豆腐凝胶成型不好,凝胶网络结构不均匀,口感较粗糙等问题阻碍着全豆豆腐的生产发展,全豆豆腐凝固工艺尚不成熟,有必要对其进行深入研究。
本研究利用干法工艺制备全豆豆腐,单因素实验观察GDL、MgCl2、TG酶添加量对全豆豆腐硬度、胶着性、咀嚼度、凝胶强度等的影响。然后进一步以GDL、MgCl2、TG酶浓度为影响因素,以凝胶强度和感官评分为目标值进行响应面Box-Benhnken实验,得出最佳凝固剂配方;同时对全豆豆腐的显微结构进行观察,并与传统豆腐和单一凝固剂生产的豆腐进行对比,旨在为全豆豆腐产品的复配凝固剂开发提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 实验材料
大豆:贡秋豆8号,产于四川眉山;GDL、MgCl2、消泡剂:食品级;TG酶:酶活≥90 u/g,食品级。
YSC-701型超微粉碎机,S-4800型冷场发射扫描电镜,DK-98-II型数显恒温水浴锅,HK-20B型摇摆式高速中药粉碎机,DHG-2200B型电热恒温鼓风干燥箱,TGL-16台式高速冷冻离心机,ZEISS-EVO18型扫描电子显微镜。
1.2 实验方法
1.2.1 豆腐生产工艺流程
复配凝固剂全豆豆腐生产工艺流程:利用高速粉碎机将大豆进行粗粉碎,然后利用超微粉碎机对大豆粗粉进行超微粉碎。称取100 g豆粉,以1:6的粉水质量比打浆(搅拌),向生豆浆中加入0.03%(消泡剂质量:豆粉质量)的消泡剂,加热至90 ℃保温10 min;然后冰浴至室温后加入复配凝固剂(GDL、MgCl2、TG酶)搅匀并分装于100 mL烧杯中,50 ℃水浴保温1 h,之后置于85 ℃水浴锅保温20 min。整个过程结束后,将豆腐放入冷水中静置30 min,最后将豆腐放入4 ℃冰箱进一步熟化(贮藏)待测。
单一凝固剂全豆豆腐生产工艺流程:在冰浴至室温的豆浆中加入单一凝固剂GDL,其余工艺与复配凝固剂全豆豆腐相同。
传统豆腐生产工艺流程:将冰浴至室温后的豆浆过滤,然后加入复配凝固剂(GDL、MgCl2、TG酶),其余工艺与复配凝固剂全豆豆腐相同。
1.2.2 单因素实验
分别考察GDL添加量(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%、0.9%),MgCl2添加量(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%),TG酶添加量(0.005%、0.01%、0.015%、0.02%、0.025%)对全豆豆腐硬度、胶着性、咀嚼度、凝胶强度、保水率和感官评分的影响。每优化1个因素后所得到的优化水平应用于下一因素的优化中,各水平重复4次。其中,凝固剂添加量的百分比均为凝固剂与豆浆的质量比。
1.2.3 响应面优化实验
根据单因素实验结果,运用响应面Box-Benhnken设计理论[11]进行优化实验,优化干法工艺制备全豆豆腐的凝固剂配方。实验因素及水平如表1所示。
表1 响应面因素水平表
1.2.4 全豆豆腐质构分析及凝胶强度检测
全豆豆腐的质构性质和凝胶强度采用质构仪进行测定[12]。采用TPA模式进行全豆豆腐质构分析,将豆腐置于质构仪载物台上进行测试。测定参数为:探头型号P/0.5,测前速率5.00 mm/s、测试速率1.00 mm/s、测后速率5.00 mm/s,间隔时间5 s,压缩形变率30%,记录全豆豆腐的硬度、胶着性、咀嚼度和凝胶强度,每个样品测定5次,取其平均值。全豆豆腐凝胶强度的测定在Return to Start模式下进行,测试距离为10 mm,除了无“压缩形变率”和“间隔时间”以外,其余参数不变。
1.2.5 全豆豆腐保水率检测
全豆豆腐保水率采用离心法进行测定[13]。测定时,取一小块豆腐样品,称重记为m1,然后将其置于离心管中,在20 ℃、7 500 r/min条件下离心10 min,滤去离心析出的水分后,称重记为m2,之后将豆腐样品置于105 ℃烘箱中干燥6 h,再次对豆腐样品进行称重,记为m3,豆腐离心保水率测定按式(1)进行计算。
(1)
1.2.6 全豆豆腐显微结构观察
全豆豆腐的微观结构采用扫描电镜进行观察分析[14],样品前处理如下。用双面刀片把全豆豆腐切成约2 mm×2 mm×5 mm的薄片,用体积分数为2.5%,pH 7.2的戊二醛,于4 ℃条件下浸泡2.0 h进行固定,再用0.1 mol/L,pH 7.2磷酸盐缓冲液洗涤3次,每次10 min。然后用体积分数分别为50%、70%、80%、90%的乙醇进行脱水,每次10 min;再用无水乙醇脱水3次,每次10 min。之后用100%乙醇-叔丁醇(1:1,V/V);纯叔丁醇进行置换各1次,每次15 min。用真空冷冻干燥机对样品进行干燥,待测。将冷冻干燥后的样品用导电胶固定在样品台上,通过离子溅射在样品上喷金后,将样品转移到SEM台面上,在加速电压10 kV的条件下,观察全豆豆腐的形态结构并拍照。
1.2.7 感官评定
参考Pilgrim等[15]的方法并略作修改,选取经过感官培训后的20名同学组成感官评定小组,分别从产品色泽、质地、组织形态和滋味这四方面,对产品进行评价,具体评分标准见表2。
表2 干法制备全豆豆腐的感官定量评定标准
1.3 数据处理
利用Microsoft Office Excel 2013软件计算实验数据均值和标准偏差;利用SPSS 17.0进行单因素试验显著性分析(P<0.05);利用Design Expert软件进行响应面实验方差分析并建立二次回归模型;利用Origin 7.5软件作图。
2 结果与分析
2.1 单因素实验结果
2.1.1 GDL添加量对全豆豆腐品质的影响
不同GDL添加量对全豆豆腐质构性质、凝胶强度、保水率和感官品质的影响如图1所示。
图1 葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)添加量对全豆豆腐品质的影响
由图1可知,GDL添加量(0.2%~0.9%)可显著提高全豆豆腐的硬度、胶着性、咀嚼度和凝胶强度(P<0.05),而0.8%和0.9%之间,全豆豆腐的硬度和咀嚼度无显著变化;0.6%和0.8%之间、0.8%和0.9%之间,全豆豆腐的胶着性无显著变化;0.6%和0.8%之间,全豆豆腐凝胶强度也无显著变化(P>0.05)。当GDL添加量增加至0.6%时,质构性质变化趋于平缓。随着GDL浓度的增加,全豆豆腐的感官评分显著降低(P<0.05),但添加量在0.2%~0.5%时,全豆豆腐感官无显著变化(P>0.05)。GDL添加量对全豆豆腐保水率呈先下降后上升,尔后趋于平缓的趋势。GDL添加量从0.2%增加至0.4%时,全豆豆腐的保水率依次显著降低(P<0.05),而0.5%与0.4%之间、0.5%与0.3%之间无显著差别(P>0.05);当GDL添加量增加至0.6%时,全豆豆腐的保水率显著上升,然后趋于平稳(P<0.05),而0.6%、0.8%、0.9%、0.2%之间无显著差别(P>0.05)。
王维坚等[16]研究发现,GDL用量增加会使豆腐的酸味上升。赵希荣等[17]指出,GDL添加量较少,豆腐易碎、易变形;GDL添加量过多,豆腐酸味过于严重。在类似的鱼肉蛋白凝胶的形成过程中同样如此,杨方等[18]报道,GDL的浓度越高,鱼肉蛋白的pH值越低,越靠近鱼肉蛋白的等电点,蛋白分子间的斥力越小,分子间的结合能力越强,凝胶强度越大,胶着性、咀嚼度和硬度越高,但GDL添加量过多会导致产品弹性下降及酸味明显。当GDL为0.6%时,全豆豆腐酸味较明显。因此,根据单因素实验结果,综合考虑全豆豆腐硬度、胶着性、咀嚼度、凝胶强度和感官评分,选取GDL添加量0.3%~0.5%作为响应面实验的水平。
2.1.2 MgCl2添加量对全豆豆腐品质的影响
不同MgCl2添加量对全豆豆腐质构性质、凝胶强度、保水率和感官品质的影响如图2所示。由图2可知,MgCl2添加量对全豆豆腐的感官品质影响不显著(P>0.05),对全豆豆腐的硬度、胶着性、咀嚼度、凝胶强度和保水率有显著影响(P<0.05)。MgCl2添加量在0.05%、0.1%、0.15%和0.2%之间,全豆豆腐的硬度、咀嚼度无显著变化(P>0.05),而当添加量增加至0.25%时,全豆豆腐的硬度和咀嚼度显著降低。MgCl2添加量对全豆豆腐胶着性和凝胶强度的影响呈先上升后下降的趋势,0.1%与0.15%之间、0.1%与0.2%之间、0.05%与0.2%MgCl2添加量之间,全豆豆腐的胶着性无显著变化;而当MgCl2添加量增加至0.25%时,全豆豆腐的胶着性显著降低;0.1%与0.15%之间、0.05%与0.2%之间,全豆豆腐的凝胶强度无显著变化。
据报道,当MgCl2添加量较高时,可能会诱发凝胶细链交联疏松结构的形成,从而减小了凝胶的硬度;而低浓度的MgCl2,可形成较致密、均匀的凝胶网络结构[19]。宋莲军等[20]研究表明,当添加MgCl2的量过低时,造成豆浆中的蛋白质不能完全被凝固,从而导致豆腐三维网络结构疏松;而MgCl2添加量过高时,会降低豆浆的pH值,使蛋白质溶解度降低,网状结构的结合力减弱,从而降低豆腐的硬度、凝胶强度、胶着性、咀嚼度和保水性。
图2 氯化镁(MgCl2)添加量对全豆豆腐品质的影响
由图2可知,全豆豆腐的保水率随着MgCl2添加量的增加呈下降趋势(P<0.05),0.1%、0.15%、0.2%之间,0.2%与0.25%之间,全豆豆腐的保水率无显著变化(P>0.05)。这与前人研究相符合。谢婷婷等[19]研究表明,Mg2+会破坏分子间(如蛋白质-蛋白质、蛋白质-水等)的相互作用力,MgCl2浓度越高,Mg2+破坏能力越强,网状结构的结合力减弱,进而降低了凝胶的保水性。钱丽颖等[21]指出,MgCl2水溶液在豆浆中分散较快,蛋白质凝固迅速,MgCl2浓度越高,凝胶网络形成速度越快,从而导致豆腐三维网络结构不均匀,保水性降低。综合考虑,选取MgCl2添加量范围0.05%~0.15%作为响应面实验水平。
2.1.3 TG酶添加量对全豆豆腐品质的影响
不同TG酶添加量对全豆豆腐质构性质、凝胶强度、保水率和感官品质的影响如图3所示。
注:不同小写字母或大写字母之间表示差异显著,P<0.05。图3 TG酶浓度对全豆豆腐品质的影响
根据GB 2760—2014,豆类制品谷氨酰胺转氨酶最大使用量为0.25 g/kg;因此,单因素实验选取TG酶浓度范围为0.005%~0.025%。由图3可知,TG酶添加量对全豆豆腐胶着性、咀嚼度、保水率和感官品质的影响不显著,而对全豆豆腐硬度和凝胶强度影响显著。当TG酶添加量为0.025%时,全豆豆腐的硬度显著提高(P<0.05),随着TG酶添加量增加,全豆豆腐凝胶强度呈缓慢上升趋势;而0.005%、0.01%、0.015%、0.02%TG酶添加量之间豆腐的硬度和凝胶强度无显著变化(P>0.05),0.015%、0.02%,0.025%之间,全豆豆腐的凝胶强度无显著变化(P>0.05)。这可能是因为过少的酶量对蛋白的水解程度不够,不能催化大豆蛋白残基形成ε-赖氨酸共价键,同时,在分子内或分子间不能产生共价交联,从而导致全豆豆腐硬度和凝胶强度无显著变化[22];而当酶量足够时,TG酶催化蛋白质侧链中谷氨酰胺残基γ-羟胺基团与赖氨酸的ε-氨基之间发生交联反应,从而提高豆腐的硬度和凝胶强度[23]。综合考虑,选取TG酶添加量0.015%、0.02%和0.025%作为响应面实验水平。
2.2 响应面实验结果
2.2.1 响应面实验设计与结果分析
利用Design-expert Box-Benhnken实验设计理论,以凝胶强度和感官评分作为响应值,选取GDL添加量、MgCl2添加量和TG酶添加量为影响因素,进行3因素3水平响应面优化实验,见表3。
表3 实验设计及其结果
2.2.2 回归模型的建立与显著性分析
运用Design-expert 8.0.6.1软件对表3数据进行多元回归拟合,得到凝胶强度和感官评分对GDL、MgCl2、TG酶浓度的二次多项式回归模型为:
(2)
(3)
对回归模型式(2)和式(3)进行方差分析和回归系数显著性检验,结果见表4。感官评分模型P=0.074,表明回归模型影响不显著。凝胶强度模型P<0.000 1,表明回归模型影响极显著;失拟项P=0.781 2>0.05,表明失拟项不显著,模型可靠。R2=0.983 4,调整R2=0.962 0,表明该模型能够解释98.34%的响应值的变化,拟合度高,实验误差小,可以用来对全豆豆腐的凝胶强度进行预测。
2.3 全豆豆腐复配凝固剂配方的确定及模型验证
用Design-Expert 8.0.6.1软件对回归方程模型进行优化,得到全豆豆腐复配凝固剂最优配方为:GDL添加量0.5%,MgCl2添加量0.07%,TG酶添加量0.02%,此条件下全豆豆腐凝胶强度为184.254 g。
为验证模型的可靠性,采用上述最优配方(GDL添加量0.5%,MgCl2添加量0.07%和TG酶添加量0.02%)进行3次实验,3次实验的凝胶强度的平均值为185.956 g,相对误差为0.96%,和理论预测值基本吻合。因此,利用响应面法得到的全豆豆腐复配凝固剂最优配方真实可靠。
3 不同豆腐的质构和微观结构分析
硬度、凝胶强度等质构参数是评价豆腐品质的重要指标之一,而豆腐的质构特性与其微观蛋白网络结构密切相关。不同豆腐扫描电镜观察结果如图4所示。从图4a可以看出,豆腐表面分布着大小不一的蛋白颗粒,没有形成蜂窝网状结构,孔洞较少,且分布不均。从图4b可以看出,以GDL、MgCl2、TG酶作为复配凝固剂,用干法工艺制备的全豆豆腐,能形成高度致密、均匀、有序的凝胶网络结构,而且孔洞的大小、形状分布较均匀。从图4c可以看出,以GDL为凝固剂,用干法工艺制备的全豆豆腐,能形成较好的三维网状结构,但与加入GDL、MgCl2和TG酶的全豆豆腐相比,其凝胶结构松散、较粗糙,且孔洞较大。这与表5中豆腐的质构分析结果一致,即加入凝固剂GDL、MgCl2和TG酶的全豆豆腐的硬度、胶着性、咀嚼度和凝胶强度均高于加入单一凝固剂GDL的全豆豆腐,加入凝固剂GDL、MgCl2和TG酶的传统豆腐的硬度、胶着性、咀嚼度和凝胶强度最低。
不同豆腐的质构分析结果如表5所示,不同豆腐之间的硬度、胶着性、咀嚼度、凝胶强度和感官评分有显著差别(P<0.05)。
表4 回归模型方差分析
注:*表示显著;**表示极显著。
图4 豆腐显微结构图
表5 不同豆腐TPA分析结果
种类硬度/g胶着性咀嚼度凝胶强度感官评分传统豆腐119.057±2.164c48.088±2.927b46.285±2.775b117.372±3.259c79.400±2.302b复配凝固剂全豆豆腐168.047±1.605a69.095±3.056a66.015±1.969a163.431±1.574a85.500±2.517a单一凝固剂全豆豆腐158.464±3.358b66.467±2.931a65.143±1.400a150.988±3.680b78.200±1.095b
注:同列数据右侧的不同小写字母间表示两组数据间呈现差异显著(P<0.05)。
凝胶的形成机制是蛋白质分子聚集并形成有蛋序白质网络结构的过程,内酯豆腐生产过程中添加TG酶可明显提高豆腐的弹性和凝胶强度,TG酶催化所形成的空间三维网状结构使得凝胶性显著提高[23-24]。熊晓辉等[25]研究表明,TG酶可以明显改善豆腐的加工品质,与市售豆腐和对照样品相比,添加TG酶的豆腐在煮沸后不分散,而且豆腐结构致密。这可能是由于TG酶的添加促进了大豆蛋白之间形成更多的交联键,凝胶内部的结合力增大,从而使全都豆腐的硬度和凝胶强度显著提高。据报道,MgCl2作为典型的二价盐,可提高豆腐的凝胶强度和黏弹性[26]。余永名等[27]研究发现,镁离子能促进蛋白重链之间的共价交联,也可以和蛋白质侧链—COOH形成盐桥,从而对凝胶特性起到改善作用。
4 结论
4.1 建立全豆豆腐凝胶强度与GDL添加量、MgCl2添加量、TG酶添加量的二次多项式回归模型,得到了全豆豆腐最优凝固剂配方。经实验验证,干法工艺制备全豆豆腐的凝固剂最优配方为:GDL添加量0.5%,MgCl2添加量0.07%,TG酶添加量0.02%,在此条件下生产的全豆豆腐的凝胶强度为185.956 g。
4.2 根据响应面Box-Benhnken设计理论进行全豆豆腐凝固剂配方优化实验结果得出:GDL浓度对全豆豆腐凝胶强度的影响最大,MgCl2添加量次之,TG酶添加量最小;GDL添加量和MgCl2添加量的交互作用对凝胶强度影响极显著。
4.3 利用复合凝固剂GDL、MgCl2和TG酶生产的全豆豆腐的硬度、胶着性、咀嚼度、凝胶强度和感官评分均高于传统豆腐和单一凝固剂(GDL)生产的全豆豆腐,而且前者的微观结构更加紧密均匀。
4.4 通过凝固剂复合的方式生产全豆豆腐,可以从根本上解决全豆豆腐成型困难的难题,利于全豆豆腐的工业化生产。
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