超声处理对豌豆蛋白起泡性的影响

周 航,巩瀚钰,薛雯雯,徐 悦,吴隆坤

沈阳师范大学 粮食学院 (沈阳 110034)

豌豆中蛋白质和碳水化合物含量较高,脂肪含量低,且含有多种维生素和矿物质。豌豆蛋白氨基酸组成相对较为平衡,与谷类蛋白质相比,豌豆蛋白质的赖氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸含量较高,但含硫氨基酸含量相对较低[1]。豌豆蛋白具有优异的持水性、持油性、凝胶性等功能性质,成为诸多传统食品配料的新选择,作为乳化剂和起泡剂已得到饮料、焙烤等食品加工行业的极大关注[2]。

豌豆蛋白经过适度的改性,可以更好地提升其功能特性,增加其综合利价值。豌豆蛋白改性的方法有物理、化学和酶改法,超声处理是物理改性法中的一种常有的方式。超声波具有可控性高,成本低,操作简便等优点,在物理改性法中受到广泛的关注。超声是其利用超声波与介质之间的相互作用,引起一系列的反应,从而造成空穴效应[3],空穴效应会使蛋白质颗粒度减小,溶解度增加,溶解性越高气泡能力越高[4]。超声处理会使蛋白质的部分结构展开,有利于蛋白质和水界面膜的形成,从而提升其泡沫的稳定性[5]。在现有研究中,超声处理豌豆蛋白更多的是研究其乳化特性,对于起泡性研究较少,改性豌豆蛋白在蛋糕中的应用更为少见[6]。

本试验通过对豌豆蛋白内源荧光性、持水性和持油性、傅里叶红外光谱指标进行测定,并且将豌豆蛋白制成蛋糕后,通过对蛋糕的色泽、水分、热量、质构以及感官进行测定,进一步评价超声处理豌豆蛋白对蛋糕品质的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

豌豆蛋白粉,千智慧生物科技;低筋面粉、细砂糖、鸡蛋、玉米油,市场;硼酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氢氧化钠、氯化钾,分析纯,天津大茂试剂公司。

1.2 主要仪器与设备

Scient-1000E型超声波细胞粉碎机,宁波新芝生物科技股份有限公司;F-7100型荧光分光光度计,日本日立公司;NICOLET 380型傅里叶红外光谱仪,Thermo Fisher Scientific;KA2-4D型远红外线食品烘炉,广州市厨宝烘培机械设备有限公司;FW-100型高速捣碎机,上海SY仪器设备有限公司;PK-S2b型电热恒温水域锅,太仓精宏仪器设备有限公司;Scientz-18N型冷冻干燥机,上海知信有限公司;CT3型质构仪,美国博勒飞公司。

1.3 试验方法

1.3.1材料处理

参照陈娇[7]等的方法,略有修改。将10 g豌豆蛋白粉溶于500 mL、0.05 mol/L的PBS(磷酸缓冲盐溶液)溶液中磁力搅拌30 min,制成分散且均匀的豌豆蛋白悬浊液。

pH偏移处理[8]：在40 ℃下,将制备的豌豆蛋白悬浊液用2 mol/L的NaOH溶液调至pH=12,保持1 h后用1 mol/L的HCl溶液调节至pH=7。

将制备的溶液静置30 min,留取上清液。将制备好的豌豆蛋白溶液等量分成7份,放置在烧杯中,分别在20 kHz、室温下超声处理0、5、10、15、20、25、30 min,转至容量瓶中备用。

1.3.2内源荧光性测定

参考叶林[9]等的测量方法,取适量不同超声时间的豌豆蛋白样品液,用0.02 mol/L pH 7.0磷酸盐缓冲液将样品稀释200倍体积,倒入比色皿中,在荧光分光光度计在激发波长280 nm、扫描范围300～470 nm、m狭缝宽度5 nm下扫描[10],每组重复3次,取平均值,得到内源荧光光谱图。

1.3.3傅里叶红外光谱测定

将超声处理的豌豆蛋白溶液分别进行冻干处理,得到不同超声处理时间的干燥豌豆蛋白。将0.01 g干燥后的豌豆蛋白样品与1 g干燥的溴化钾研磨至完全均匀,通过HY-12型压片机和压片模具,将样品混合物压制成透明薄片,对其进行红外光谱测定。在分辨率4 cm-1、扫描次数16次的条件下,采用全反射装置测定透明薄片400 cm-1～4 000 cm-1范围内的吸收[11],得到红外光谱图。

1.3.4持水性和持油性的测定

准确称取0.5 g冻干处理后的不同超声处理时间豌豆蛋白样品于50 mL烧杯中,加入10 mL蒸馏水,搅拌均匀,并移至50 mL离心管中,于25 ℃室温静置30 min,然后在5 000 r/min下离心20 min,除去上清液,擦干离心管内外壁所附的水分,称量沉淀的质量。计算公式如下[12]：

(1)

准确称取1 g不同超声处理时间的豌豆蛋白样品,加入5 mL大豆色拉油,搅拌5 min,在5 000 r/min下离心20 min,除去上清液,擦干离心管内外壁所附的大豆色拉油,称量沉淀的质量。计算公式如下[13]：

(2)

1.3.5起泡性和泡沫稳定性的测定

参照文献[14-15],取适量不同超声处理时间的豌豆蛋白液2.5 mL,用硼酸-氢氧化钠缓冲液稀释样品体积至250 mL,记录此时体积(V0);用高速组织捣碎机在室温下以12 000 r/min捣碎1 min,立即移至1 L量筒中,记录此时泡沫体积(V1);在室温下静置25 min后,测定泡沫稳定性,记录泡沫体积(V2)。起泡性及泡沫稳定性计算公式如下:

(3)

(4)

1.3.6蛋糕的制备

参照戚风蛋糕的制作工艺[16],略有修改。

分别取超声处0、5、10、15、20、25、30 min的豌豆蛋白溶液10 g、蛋清40 g,混合得到50 g蛋白溶液;细砂糖20 g,采用电动打蛋器快速连续搅打打发15 min至出现细腻泡沫。取低筋面粉20 g、细砂糖8 g、蛋黄20 g、玉米油10 g。先将低筋面粉和细砂糖倒入盆中,搅拌均匀;再依次加入蛋黄和玉米油,沿同一方向搅拌3 min至均匀状态。将制备好的蛋白糊和蛋黄糊快速混合均匀,倒入模具中并放置在提前预热好的烤箱中(上火180 ℃,下火160 ℃)烘烤30 min。将制备好的蛋糕倒扣在晾网上,进行30 min冷却,待脱模后即得到成品。

1.3.7蛋糕的质构测定

采用质构仪分析检测蛋糕的物理特性,包括弹性、硬度、黏性、回复性和咀嚼性。将添加不同超声处理时间的豌豆蛋白蛋糕外壳和边缘处切除,留取样品芯部边长为2 cm的正方体,保证6面都均平整。设置检测程序TPA,采用P/36探头进行质构测定。测定参数为:试验前速率2.0 mm/s,试验中速率1.7 mm/s,返回速率2.0 mm/s,感应力为Auto-5 g,应变为50%,数据取点250 pps[17]。每个样品检测3次,最终结果取平均值。

1.3.7蛋糕的感官评价

取不同超声处理时间的豌豆蛋白制成的蛋糕样品,切取蛋糕芯部分,邀请食品相关专业的10名同学进行感官评价,感官评价参考表1。

表1 蛋糕感官评价表

2 结果与讨论

2.1 内源荧光性分析

由图1可知,在0～20 min之内,随着超声时间的增加,豌豆蛋白的荧光值也在不断增加,但是在20～30 min的时候荧光值呈下降的趋势。蛋白质的荧光强度变化可以表征蛋白质空间结构以及内部环境的变化[18]。超声处理的豌豆蛋白荧光性出现了变化,说明在超声的作用下,使豌豆蛋白的构象发生了变化。0～20 min之内荧光强度不断增强,说明蛋白质的三级结构发生变化,使蛋白质的疏水基团暴露[19]。超声处理20～30 min时豌豆蛋白的荧光强度下降,可能是因为长时间的超声处理使疏水残基之间的作用力增大,因此使蛋白质更加聚集,最终导致荧光强度下降。以上分析结果可以表明,超声处理豌豆蛋白使其三级结构发生了变化。

图1 不同超声时间豌豆蛋白荧光图谱

2.2 傅里叶红外光谱分析

红外光谱图可得出蛋白质酰胺Ⅰ、Ⅲ带的振动信息,酰胺Ⅰ带所对应的波数是1 661～1 646 cm-1,酰胺Ⅲ带对应的波数是1 330～1 295 cm-1,分别对应蛋白质的α-旋转结构和β-折叠结构[20]。由表2可知,超声处理时蛋白质即发生了α-旋转,也发生了β-折叠结构的变化,说明蛋白质的二级结构发生了变化。随着超声时间的增加蛋白质的α-旋转结构呈增多的趋势,而β-折叠结构二级结构呈减少的趋势,说明超声处理会使蛋白质β-折叠结构向α-旋转结构发生变化,蛋白质分子的结构变化是与其它分子之间的交互作用影响,因此超声会使豌豆蛋白的空间结构及物理特性发生变化[21]。

表2 不同超声时间豌豆蛋白的二级结构含量

2.3 持水性和持油性分析

不同超声时间对豌豆蛋白的持水性和持油性的规律变化如图2所示。由图可知,随着超声时间的不断增加,豌豆蛋白的持水性和持油性都得到了显著提升。0～30 min持水性和持油性分别增加了11.06%和14.71%。持水性表征了豌豆蛋白-水之间的相互作用,而图2说明在超声波的震动以及空穴效应的作用下,豌豆蛋白的颗粒度减小,组织扩大,从而获得了更大的比表面积,导致豌豆蛋白的持水能力更强[22]。在超声的同时可能导致豌豆蛋白的结构遭到破坏,分子延伸,侧链展开,导致蛋氨酸(Methionine), 亮氨酸(Leucine)等疏水基团暴露,导致豌豆蛋白的持油性得到提高[23]。

图2 不同超声时间对碗豆蛋白持水性和持油性的影响

图3 不同超声时间对豌豆蛋白的起泡性和泡沫稳定性的影响

2.4 起泡性和泡沫稳定性分析

蛋白质起泡力与蛋白质的表面张力、疏水性和与空气和水界面的吸附速率有关,而泡沫的稳定性与蛋白膜的流变性质有关。蛋白质的起泡性主要表示的蛋白质在打发过程中,空气和水界面会被蛋白质分子吸附,从而形成一层具有一定弹性和延展性的蛋白质薄膜将空气包裹住形成泡沫[24]。不同超声处理时间的豌豆蛋白的起泡性和泡沫稳定性规律如图所示。0～30 min内,超声处理过的豌豆蛋白相比于未经过超声处理的碗豆蛋白起泡性和泡沫稳定性都有显著提升。这可能是由于超声处理的碗豆蛋白质分子之间的相互作用力增强,加快了蛋白质薄膜的形成,进而增大了豌豆蛋白溶液的起泡性[25];同是由于超声时所产生的空穴效应使蛋白质分子中的疏水基团暴露出来,降低了水的界面张力,能使蛋白质分子快速吸附在上面,从而使豌豆蛋白溶液的起泡性得到提高。经过超声处理的豌豆蛋白泡沫稳定性开始有快速提高,但在10 min泡沫稳定性呈下降趋势。这可能是因为超声处理豌豆蛋白使蛋白膜的流变性得到了改善,但长时间的超声处理可能让气泡周围形成的厚黏性层变薄,从而使泡沫稳定性呈下降趋势。

2.5 蛋糕的质构分析

由表3可知,第1次压缩过程中的最大峰值力是硬度,硬度对蛋糕的食用品质有着很大的影响[26],研究表明,硬度与蛋糕食用品质成反比,硬度越小,蛋糕松软度越好,食用时口感更加适宜。随着超声对豌豆蛋白溶液时长的增加,蛋糕硬度、咀嚼性2个指标呈减小的趋势,咀嚼性的变化规律与蛋糕硬度的变化规律相一致;蛋糕的粘性、可恢复形变、弹性3个指标均逐渐增加,说明超声对豌豆蛋白溶液时长不同能够影响蛋糕质构性质。

2.6 蛋糕感官

由图4可知,对于蛋糕的感官评分,超声时间在0～20 min之内,感官评分随着超声时间的增加而增加,超声处理的时间超过20 min,蛋糕的感官评分反而下降[27]。

图4 不同超声处理时间豌豆蛋白对蛋糕感官的评分(p<0.05)

3 结论

本研究采用在20 kHz,室温下不同时间对豌豆蛋白进行超声处理,分析了超声对豌豆蛋白起泡性的影响及其对蛋糕品质的影响。超声时所产生的振动和空穴效应,使蛋白质的颗粒度减小,组织扩大,超声处理会使疏水基团暴露出来,导致蛋白质的二级结构和三级结构发生变化。在超声处理20 min时,豌豆蛋白的荧光强度最高,这是由于蛋白具有表面疏水基团暴露,使得表面疏水性提高,随着超声时间增强,疏水基团发生聚集,使荧光强度下降。超声处理使得豌豆蛋白的起泡性增强,起泡稳定性随着超声时间的增加先升高后降低。结果表明:超声对豌豆蛋白起泡性有影响,同时不同气泡性的豌豆白制成蛋糕后对其感官评分有影响。本试验探究了超声处理对蛋糕品质的影响,为豌豆蛋白在蛋糕中的应用提供较好的思路,提高豌豆蛋白的商业价值。