脫脂豆粉酶法改性的條件優(yōu)化及產(chǎn)物在冰淇淋中的應(yīng)用

錢 鐳，那治國，張 娜，劉 婷，馬永強，*，石彥國，*

（1.黑龍江東方學(xué)院食品工程學(xué)部，黑龍江哈爾濱 150086；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150076；3.中國綠色材料科技有限公司，黑龍江哈爾濱150060）

脫脂豆粉酶法改性的條件優(yōu)化及產(chǎn)物在冰淇淋中的應(yīng)用

錢 鐳1，2，那治國1，張 娜2，劉 婷3，馬永強2，*，石彥國2，*

（1.黑龍江東方學(xué)院食品工程學(xué)部，黑龍江哈爾濱 150086；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150076；3.中國綠色材料科技有限公司，黑龍江哈爾濱150060）

采用中性蛋白酶對脫脂大豆粉進行酶法改性，應(yīng)用響應(yīng)面分析法對改性條件進行優(yōu)化，然后用改性后的豆粉替代配方中部分乳粉生產(chǎn)出新型大豆冰淇淋，并以大豆冰淇淋的膨脹率、質(zhì)構(gòu)特性和融化率為指標(biāo)與普通冰淇淋進行品質(zhì)比較，確定最適替代量。結(jié)果表明，酶最佳改性條件為：酶解溫度為73.86℃、時間為4.37h、酶用量5784.97U/g底物、底物濃度為6.44%。替代率15%時生產(chǎn)出的大豆冰淇淋，與普通冰淇淋相比性質(zhì)類似，既滿足了產(chǎn)品的營養(yǎng)全面性，又降低了投料成本。

脫脂豆粉，中性蛋白酶，響應(yīng)面分析，冰淇淋

脫脂豆粉是大豆蛋白中蛋白質(zhì)含量相對較高的一種豆粉，色澤較白，使用方便，已在食品行業(yè)中得到廣泛的利用[1]。但是，脫脂豆粉只經(jīng)過了簡單的處理，口感較粗，豆腥味濃，存在抗?fàn)I養(yǎng)因子，難以直接應(yīng)用到食品生產(chǎn)中[2]。應(yīng)用酶法處理脫脂豆粉條件溫和、安全可靠，通過改性可以改善脫脂豆粉中蛋白質(zhì)的起泡性、溶解性和乳化性等功能特性[3]，這些功能特性與生產(chǎn)冰淇淋所需的原料性能一致，符合冰淇淋實際生產(chǎn)的要求。我國冰淇淋的產(chǎn)量增長迅猛，年產(chǎn)銷量超過200萬t[4]。傳統(tǒng)的冰淇淋以牛奶、奶粉等為主要原料，但奶粉的價格逐年增高，如何在不失營養(yǎng)的前提下，利用價格較低的替代品代替部分奶粉，生產(chǎn)出成本較低的新產(chǎn)品，是冷飲行業(yè)研究人員關(guān)注的問題[5]。付堯等[6]利用Alcalase堿性蛋白酶對大豆分離蛋白進行酶水解改性，并替代奶粉應(yīng)用于冰淇淋中，產(chǎn)品的各項指標(biāo)令人滿意。吳瓊等[7]采用酶改性方法，提高大豆分離蛋白的乳化性，使其替代乳粉添加到冰淇淋中，確定了最佳的產(chǎn)品配方。以往的研究主要是采用酶解大豆分離蛋白來代替乳蛋白，而用酶處理相對廉價的脫脂豆粉，并將其應(yīng)用到冰淇淋中的報道則不多見。本實驗擬用中性蛋白酶酶解脫脂豆粉，采用響應(yīng)面分析法確定最佳酶解工藝條件，并將改性后的產(chǎn)物應(yīng)用到冰淇淋的制作中，通過測的適合比例，為企業(yè)生產(chǎn)出品質(zhì)高、價格低的新品冰淇淋提供實驗科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

脫脂豆粉 黑龍江省鏡泊湖農(nóng)業(yè)開發(fā)股份有限公司，低溫豆粕粉碎后過80目篩，水分12.83%、蛋白質(zhì)54.3%、灰分5.89%；中性蛋白酶（140000U/g） 北京奧博星生物技術(shù)有限公司；其他化學(xué)試劑 均為分析純。

高壓均質(zhì)機 JJ-0.3/25型，廊坊通用機械有限公司；冰淇淋機 313型，廣東省新會市晶菱制冷實業(yè)有限公司；質(zhì)構(gòu)儀 TA-XT2i型，英國Stable Micro System公司；數(shù)字顯示黏度計 NDJ-85型，上海精密儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素及響應(yīng)面實驗設(shè)計 單因素實驗分4組進行：第1組控制酶解時間3h，酶用量5000U/g底物，底物濃度5%，分別在50、55、60、65、70、75、80、85℃條件下，確定適宜的酶解溫度。第2組控制酶解溫度為70℃，酶用量5000U/g底物，底物濃度5%，分別在酶解1、2、3、4、5、6、7、8h的條件下，確定適宜的酶解時間。第3組控制酶解溫度為70℃，酶解時間3h，底物濃度5%，分別在酶用量2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000U/g底物條件下，確定適宜的酶用量。第4組控制酶解溫度為70℃，酶解時間3h，酶用量5000U/g底物，分別在底物濃度為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%的條件下，確定適宜的底物濃度。每組實驗以酶解后蛋白質(zhì)的乳化活力指數(shù)（EAI）為指標(biāo)，根據(jù)單因素的結(jié)果，采用響應(yīng)面Box-Benhken中心組合設(shè)計，以乳化活力指數(shù)為響應(yīng)值，以溫度（A）、時間（B）、酶用量（C）、底物濃度（D）為自變量，設(shè)計了4因素3水平的響應(yīng)面分析實驗，因素水平編碼見表1。

表1 響應(yīng)面實驗因素水平表

1.2.2 冰淇淋生產(chǎn)工藝流程 原料混合→均質(zhì)→巴氏殺菌→老化→凝凍→裝杯、硬化→成品

1.2.3 操作要點

1.2.3.1 均質(zhì) 本實驗均質(zhì)壓力為20MPa，均質(zhì)溫度在65～70℃。

1.2.3.2 殺菌 殺菌條件為70℃、保溫30min的間歇式巴氏殺菌。

1.2.3.3 老化 實驗分兩個階段進行老化操作。首先將混合原料在冷水浴中冷卻至15～20℃，此溫度能夠促進穩(wěn)定劑的水合作用，然后將混合原料在4℃冰箱中保持4h。

1.2.3.4 硬化 成型后的冰淇淋樣品迅速轉(zhuǎn)移到-18℃的冷庫中，進行硬化。

1.2.4 改性脫脂豆粉最適替代量的確定 選出8名食品科學(xué)專業(yè)的研究生對不同替代量的大豆冰淇淋進行感官評定，然后根據(jù)評定結(jié)果確定出脫脂豆粉的替代量不宜超過25%，否則產(chǎn)生不良風(fēng)味，引起冰淇淋口感下降，因此實驗選擇10%、15%和20%三個替代量，通過測定黏度、膨脹率、融化率和質(zhì)構(gòu)特性等指標(biāo)來確定改性脫脂豆粉的最適替代量。

1.2.5 分析測定方法

1.2.5.1 中性蛋白酶活力的測定 采用福林法。

1.2.5.2 脫脂豆粉中蛋白質(zhì)含量的測定 采用凱氏自動定氮儀法。

1.2.5.3 蛋白質(zhì)乳化能力的測定 采用濁度法[8]。

1.2.5.4 冰淇淋漿料黏度的測定 選擇NDJ-85數(shù)字顯示黏度計3號探頭測定黏度。

1.2.5.5 冰淇淋膨脹率的測定 采用蒸餾水定容法。

1.2.5.6 冰淇淋融化率的測定 在恒定溫度（30℃）下，將冰淇淋切成60g左右，放在間距為3mm的金屬篩網(wǎng)上。絲網(wǎng)下方放置一臺電子天平，天平上放一長方形的盒子，用于盛放融化后滴下的冰淇淋。在絲網(wǎng)上放冰淇淋的同時啟動秒表，然后每隔5min記錄1次融化的冰淇淋的量。用融化的量除以總質(zhì)量就得到融化的百分比，最后以時間（min）和融化百分比（%）做回歸方程，斜率被記錄下來，作為冰淇淋的融化率（%/min）[9]。

1.2.5.7 冰淇淋質(zhì)構(gòu)參數(shù)的測定 應(yīng)用TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)儀進行TPA質(zhì)構(gòu)特性實驗。樣品在室溫下測定，每個樣品進行3次平行實驗。參數(shù)設(shè)定：測試前探頭下降速度為2mm/s；測試速度為3mm/s；測試后探頭回程速度為5mm/s；測試距離為20mm；觸發(fā)力為20g；探頭類型為P/5[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面分析優(yōu)化酶解工藝

2.1.1 實驗安排及實驗結(jié)果 在單因素實驗（結(jié)果略）的基礎(chǔ)上，進行響應(yīng)面分析實驗，結(jié)果見表2。

表2 實驗設(shè)計與實驗結(jié)果

利用Design Expert對表2的數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合，獲得乳化活力指數(shù)對酶解溫度、時間、酶用量、以及底物濃度的二次回歸方程：

2.1.2 多元回歸模型分析 對擬合的二次多項式中4個自變量進行方差分析，結(jié)果見表3。由表3方差分析可知，模型P值（<0.0001）遠遠小于0.05，此時回歸方差模型是高度顯著的，因此這種實驗方法是可靠的。方程的失擬誤差表現(xiàn)為不顯著，這進一步說明各因素值和響應(yīng)值之間的關(guān)系可以用此模型來函數(shù)化。決定系數(shù)R2=0.9695，說明回歸方程的擬合程度較好。

表3 實驗結(jié)果方差分析表

模型的響應(yīng)曲面見圖1～圖6所示?？梢钥闯龈饕蛩氐慕换プ饔貌淮?，反應(yīng)溫度對乳化能力的影響很小，酶用量和底物濃度對乳化能力的影響較大，這與方差分析的結(jié)果一致。

圖1 溫度和時間對乳化能力的影響

圖2 溫度和酶用量對乳化能力的影響

圖3 溫度和底物濃度對乳化能力的影響

圖4 時間和酶用量對乳化能力的影響

圖5 時間和底物濃度對乳化能力的影響

圖6 酶用量和底物濃度對乳化能力的影響

2.1.3 驗證實驗 軟件提供的最佳工藝條件如下：酶解溫度為73.86℃、時間為4.37h、酶用量5784.97U/g底物、底物濃度為6.44%。進行驗證實驗，3次實驗的平均乳化活力指數(shù)為53.6，這與理論預(yù)測值54.4316比較接近，說明采用響應(yīng)面優(yōu)化得到的酶解工藝條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，按照建立的模型進行預(yù)測在實踐中是可行的。

2.2 冰淇淋漿料黏度的測定結(jié)果分析

表4 黏度分析

由表4可知，改性脫脂豆粉代替配方中乳粉量越多，其漿料黏度也就越大。這可能是因為脫脂豆粉的加入，增加了非脂乳固體中蛋白質(zhì)含量，蛋白質(zhì)有增加冰淇淋黏度的作用[11]，這主要是由蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的，當(dāng)這些蛋白與料液中的其它物質(zhì)經(jīng)均質(zhì)、老化工序混合后提高了料液的黏度。

表5 實驗樣品的TPA質(zhì)構(gòu)參數(shù)

2.3 冰淇淋TPA質(zhì)構(gòu)實驗結(jié)果分析

改性脫脂大豆冰淇淋的TPA實驗結(jié)果見表5。與普通冰淇淋相比，大豆冰淇淋的硬度隨豆粉量的增加而有所提高，可能是因為大豆蛋白容易發(fā)生水化作用，導(dǎo)致冰淇淋中的水相體積增大，相應(yīng)的成品冰淇淋的冰相體積增大，所以最終產(chǎn)品的硬度較高。替代率為15%的冰淇淋黏附性和彈性與普通冰淇淋的最為相似，添加過多的脫脂豆粉反而會引起黏附性的降低。普通冰淇淋的凝聚性高于大豆冰淇淋，而且隨著脫脂豆粉添加量的增加凝聚性明顯下降，這說明大豆冰淇淋內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠緊湊，保型性較差。替代率為15%和20%的大豆冰淇淋與普通冰淇淋的膠性比較接近。從咀嚼性的數(shù)據(jù)可以看出，替代率15%的大豆冰淇淋咀嚼性較高，對于半固態(tài)食品來說，較高的咀嚼性可以獲得較好的口感[12]。綜合以上6個質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)，可以看出，替代率為15%的大豆冰淇淋的質(zhì)構(gòu)特性與普通冰淇淋最為接近，但是大豆冰淇淋的質(zhì)構(gòu)參數(shù)值整體上與普通冰淇淋還有一定的差距，仍需要進一步的深入研究來進行改善。

2.4 冰淇淋膨脹率分析

實驗樣品膨脹率的測定結(jié)果見圖7。由圖7可知，添加脫脂豆粉的大豆冰淇淋膨脹率高于普通冰淇淋，其中替代率15%的大豆冰淇淋膨脹率最高?？赡苁怯捎谠诒苛艿募庸み^程中大豆蛋白質(zhì)受到急速的機械攪拌時，大量的氣體混入，形成水-空氣界面，大豆蛋白質(zhì)分子吸附到這些界面上來，降低界面張力，促進界面形成，同時由于大豆蛋白質(zhì)的部分肽鏈在界面上伸展開來，并通過肽鏈間（包括分子內(nèi)和分子間）的相互作用，形成了一個二維保護網(wǎng)絡(luò)，使界面膜得以加強，促進了泡沫的形成與穩(wěn)定[13]，因此提高了冰淇淋的膨脹率。但隨著大豆蛋白質(zhì)的增加，冰淇淋漿料的黏度也不斷升高（見表4），黏度過高會使得冰淇淋在凝凍時空氣不易進入體系，最終導(dǎo)致產(chǎn)品膨脹率下降[14]。

圖7 大豆冰淇淋的膨脹率

2.5 冰淇淋融化速率分析

表6列出了樣品融化速率的測定結(jié)果。由表6可知，隨著改性脫脂豆粉加入量的增多，冰淇淋的融化速率逐漸降低，抗融性提高，替代率為20%的大豆冰淇淋融化速率最低，抗融性最好。這可能是由于大豆蛋白質(zhì)絕大部分都是糖蛋白，而糖蛋白可以降低冰淇淋漿料中液態(tài)水的冰點，使加工過程中形成的冰結(jié)晶尺寸變小。有研究表明冰淇淋中冰結(jié)晶的尺寸大小對融化速率有一定的影響，冰淇淋的融化速率會隨著冰結(jié)晶尺寸的減小而降低，這與冰淇淋在融化時的流動性有關(guān)[9]。當(dāng)存在大量的細小冰晶時，冰融化時料液流過的路徑會更加曲折，這就意味著液體必須要經(jīng)過較多的障礙（大量冰晶），因此融化速率會降低[15]。另外大豆蛋白導(dǎo)致冰淇淋漿料黏度的升高也可能是降低融化速率的原因。表6 冰淇淋融化率測定結(jié)果

冰淇淋樣品普通冰淇淋替代率10%替代率15%替代率20%融化速率（%·min-1） 1.085 1.0508 0.9415 0.6233

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面分析得到中性蛋白酶酶解脫脂豆粉的最佳改性條件為：酶解溫度為73.86℃、時間為4.37h、酶用量5784.97U/g底物、底物濃度為6.44%。TPA實驗表明，改性脫脂豆粉替代乳粉的替代率為15%時，生產(chǎn)出的大豆冰淇淋其質(zhì)構(gòu)特性最接近普通冰淇淋，同時替代率為15%的樣品具有較高的膨脹率和較好的抗融性，能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)的要求。

[1]劉長虹，徐婧婷，韓俊俊.經(jīng)過發(fā)酵處理的低溫脫脂豆粉在饅頭中的應(yīng)用[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2006，32（12）：95-97.

[2]王夫杰，張建，紀(jì)鳳娣，等.脫脂豆粉酶解與發(fā)酵的研究[J].中國釀造，2008，198（21）：6-10.

[3]肖安紅，李學(xué)昌，馬昌義.低溫脫脂豆粉及其與維生素C協(xié)同改良饅頭品質(zhì)的研究[J].食品工業(yè)科技，2005，26（2）：91-94.

[4]王貴芳.乳糖酶在冰淇淋產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技，2009，30（6）：370-376.

[5]李昕紅.大豆在冰淇淋生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國乳品工業(yè)，2004，32（10）：15-16.

[6]付堯，霍貴成，錢鐳.酶改性大豆分離蛋白冰淇淋工藝研究[J].食品科技，2007，32（6）：188-190.

[7]吳瓊，陳麗娜，劉博.改性大豆分離蛋白冰淇淋的研究[J].長春大學(xué)學(xué)報，2010，20（4）：33-35.

[8]肖蓮榮，沈洛夫.冰淇淋專用大豆分離蛋白的酶法改性[J].冷飲與速凍食品工業(yè)，2005，11（3）：1-4.

[9]Muse M R，Hartel R W.Ice cream structural elements that affect melting rate and Hardness[J].J Dairy Sci，2004，87:1-10.

[10]錢鐳，付堯，霍貴成.影響冰淇淋膨脹率主要的質(zhì)構(gòu)因素[J].食品工業(yè)科技，2007，28 （10）：113-115.

[11]殷涌光，劉靜波.大豆食品工藝學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：2-6.

[12]朱川，劉雅，鐘芳，等.冰淇淋感官評定方法的建立[J].食品與機械，2007，23（3）：127-131.

[13]石彥國，任莉.大豆制品工藝學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2001：69-119.

[14]黃建蓉，貝惠玲，王一凡.影響冰淇淋膨脹率的主要因素[J].冷飲與速凍食品工業(yè)，2004，10（3）：33-35.

[15]錢鐳，蔡柏巖，劉婷.老化、均質(zhì)條件對冰淇淋膨脹率和抗融性的影響[J].食品科技，2008，33（4）：88-92.

Optimization of enzymatic hydrolysis of defatted soybean powder and the application of hydrolysates in ice cream

QIAN Lei1，2，NA Zhi-guo1，ZHANG Na2，LIU Ting3，MA Yong-qiang2，*，SHI Yan-guo2，*

（1.Heilongjiang East College Institute of Food Engineering,Harbin 150086,China；2.Harbin University of Commerce Institute of Food Engineering,Harbin 150076,China；3.China Green Material Technologies Inc.,Harbin 150060,China）

The aim of this study was to modificate defatted soybean powder by neutral protease with response surface methodology(RSM)，and then to use it in ice cream as the milk powder replacers.The overrun，texture and melting rate of the soybean ice cream was determined and the date was compared with traditional ice cream.The results indicated that the optimum enzymatic modification conditions as followings:temperature was 73.86℃，time was 4.37h， enzyme/substrate was 5784.97U/g，substrate concentration was 6.44%and with the condition the optimal replacement was 15%.The overrun and melting rate of the soybean ice cream was good，the texture property of the soybean ice cream was similar to traditional ice cream.

defatted soybean powder；neutral protease；response surface methodology；ice cream

TS201.1

B

1002-0306（2011）10-0328-05

2010－11－22 * 通訊聯(lián)系人

錢鐳（1981-），男，在讀博士，講師，研究方向：植物蛋白工程。

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究（指導(dǎo)）項目（11553072）。