何紅葉,潘超然
(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002)
熱水浴-超聲波對(duì)魔芋 大豆分離蛋白共混液溶脹特性的研究
何紅葉,潘超然*
(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002)
探討了大豆分離蛋白質(zhì)量濃度、pH、熱水浴溫度、超聲波功率和超聲波時(shí)間對(duì)魔芋-大豆分離蛋白共混液黏度和溶脹時(shí)間的影響。研究結(jié)果表明:超聲波處理能加強(qiáng)魔芋與大豆分離蛋白的分散性和相互作用;共混液的溶脹時(shí)間隨著大豆分離蛋白質(zhì)量濃度的增加和共混液pH的上升而延長(zhǎng),隨著熱水浴溫度的升高、超聲波功率和時(shí)間的增加而縮短;共混液的黏度隨大豆分離蛋白質(zhì)量濃度、pH、超聲波功率和超聲波時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì),隨著熱水浴溫度的升高一直減小。經(jīng)擬合,黏度的變化規(guī)律與外界條件的四次方多項(xiàng)式呈高度相關(guān)性。
魔芋,大豆分離蛋白,熱水?。暡?,溶脹特性
魔芋(Amorphophalms Konjac),又稱蒟蒻、菎蒟、鬼芋,為天南星科魔芋屬。我國(guó)的種植區(qū)主要在秦嶺以南的山區(qū),主產(chǎn)區(qū)有云、貴、川等地[1]。魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannan,簡(jiǎn)稱KGM)是魔芋的主要功能性成分,它是一種可溶性半纖維素,吸水后體積可膨脹80~100倍,具有良好的生物相容性、吸濕性、增稠性、生物降解性等理化特性[2-7]。大豆分離蛋白(soy protein isolate,簡(jiǎn)稱SPI)的蛋白質(zhì)含量通常在90%以上,具有乳化性、吸油性、保水性、膠凝性、起泡性等諸多功能特性,金屬離子、pH、溫度等因素都極易使其變性,進(jìn)而發(fā)生絮凝、聚沉[8-11]。據(jù)報(bào)道,魔芋葡甘聚糖與大豆分離蛋白能發(fā)生相互作用,作用力主要以氫鍵為主,其次是靜電相互作用[12-14]。將魔芋—大豆分離蛋白共混液采用常溫溶脹時(shí),具有溶脹時(shí)間長(zhǎng)、分散性差、相互作用弱等特點(diǎn)。超聲波具有波動(dòng)和能量?jī)煞N屬性,對(duì)物質(zhì)有空化效應(yīng)和機(jī)械作用,在食品行業(yè)中主要用于乳化、提取、分散、解凍等[15-17],未見將超聲波應(yīng)用于魔芋—大豆分離蛋白共混液,增強(qiáng)其分散性和相互作用的研究報(bào)道。本文將探討大豆分離蛋白質(zhì)量濃度、熱水浴溫度、pH、超聲波功率和超聲波時(shí)間對(duì)魔芋—大豆分離蛋白共混液黏度和溶脹時(shí)間的影響,以期為加強(qiáng)魔芋和大豆分離蛋白的分散性和相互作用提供新的方法,為魔芋—大豆分離蛋白復(fù)合凝膠食品的研究開發(fā)提供一些基礎(chǔ)和參考。
1.1 材料與儀器
供試魔芋精粉和大豆分離蛋白 均由福建省三明健盛食品有限公司提供,大豆分離蛋白蛋白質(zhì)含量(以干基計(jì))為91.00%,魔芋精粉呈白色顆粒狀,黏度為18Pa·s。
SK3300HP型數(shù)控超聲波清洗器(頻率為59Hz,最大功率為160W) 上??茖?dǎo)超聲儀器有限公司; NDJ-1型黏度計(jì) 上海天平儀器廠;HWS12型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科技有限公司。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 樣品的制備 稱取5.00g魔芋精粉和一定質(zhì)量的大豆分離蛋白,混合均勻,緩慢加入500mL蒸餾水中,調(diào)整pH,將共混液進(jìn)行超聲處理,處理完畢后,置于恒溫水浴鍋中溶脹,采用攪拌機(jī)以150r/min的速率緩慢攪拌,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
1.2.2 熱水?。暡ㄈ苊泴?duì)魔芋-大豆分離蛋白共混液黏度和溶脹時(shí)間的影響
1.2.2.1 大豆分離蛋白質(zhì)量濃度對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響 大豆分離蛋白的添加量分別為1、2、3、4、5g,使其質(zhì)量濃度分別達(dá)到2、4、6、8、10g/L,在30℃、pH7的條件下恒溫水浴溶脹,將未添加大豆分離蛋白的魔芋溶膠作為對(duì)照組,測(cè)定共混液和魔芋溶膠的溶脹時(shí)間和黏度。
1.2.2.2 pH對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響 大豆分離蛋白的添加量為2g(質(zhì)量濃度4g/L),在30℃的條件下恒溫水浴溶脹,采用1mol/L HCl溶液和1mol/L NaOH溶液調(diào)pH,使共混液的pH分別為4、5、6、7、8、9,測(cè)定共混液的溶脹時(shí)間和黏度。
1.2.2.3 熱水浴溫度對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響 大豆分離蛋白的添加量為2g(質(zhì)量濃度4g/L),調(diào)pH至7,恒溫水浴溶脹的溫度分別為30、35、40、45、50、55℃,測(cè)定共混液的溶脹時(shí)間和黏度。
1.2.2.4 超聲波功率對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響 大豆分離蛋白的添加量為2g(質(zhì)量濃度4g/L),調(diào)pH至7,然后將共混液進(jìn)行超聲處理,在超聲波功率分別為64、80、96、112、128、144W的條件下處理6min,處理完畢后,將共混液置于45℃的水浴鍋內(nèi)恒溫溶脹,測(cè)定共混液的溶脹時(shí)間和黏度。
1.2.2.5 超聲波時(shí)間對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響 大豆分離蛋白的添加量為2g(質(zhì)量濃度4g/L),調(diào)pH至7,然后將共混液進(jìn)行超聲處理,在超聲波功率為112W的條件下,分別處理2、4、6、8、10、12min,處理完畢后,將共混液置于45℃的水浴鍋內(nèi)恒溫溶脹,測(cè)定共混液的溶脹時(shí)間和黏度。
1.2.3 共混液溶脹時(shí)間和黏度的測(cè)定 本測(cè)定方法是根據(jù)中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《魔芋粉》(NY/T 494-2010)中所述的魔芋精粉和魔芋微粉黏度的測(cè)定方法演變而來(lái)。具體操作步驟是:從共混液恒溫溶脹開始計(jì)時(shí),1h后開始測(cè)定共混液的黏度,10min一個(gè)時(shí)間梯度,直測(cè)到樣品黏度明顯下降為止。測(cè)得的最大黏度即為共混液黏度,最大黏度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為共混液的溶脹時(shí)間。測(cè)定時(shí)采用黏度計(jì)4號(hào)轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率為12r/min,轉(zhuǎn)子的系數(shù)為K=500。
2.1 大豆分離蛋白質(zhì)量濃度對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響
由圖1可知,大豆分離蛋白的添加,導(dǎo)致共混液的溶脹時(shí)間延長(zhǎng)。質(zhì)量濃度為10g/L的魔芋溶膠(對(duì)照組)的溶脹時(shí)間為100min,添加少量(2g/L)的大豆分離蛋白時(shí),溶脹時(shí)間立即增至120min,大豆分離蛋白的質(zhì)量濃度≥8g/L時(shí),溶脹時(shí)間長(zhǎng)達(dá)140min。有研究表明,魔芋與大豆分離蛋白之間存在相互作用。添加少量大豆分離蛋白,溶脹時(shí)間延長(zhǎng),說(shuō)明大豆分離蛋白的添加,能延長(zhǎng)共混液的溶脹時(shí)間;大豆分離蛋白的添加量增加時(shí),溶脹時(shí)間更長(zhǎng),觀察魔芋-大豆分離蛋白共混液,能看到顆粒狀的魔芋懸浮其中,推測(cè)可能原因是添加大量大豆分離蛋白后,共混液具有一定的乳化作用,減少了魔芋與水的相互作用,吸水溶脹速率降低,溶脹時(shí)間變長(zhǎng)。
圖1 大豆分離蛋白質(zhì)量濃度對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響Fig.1 Effect of mass concentration of soybean protein isolated on mixed liquid swelling time and viscosity
由圖1可知,隨著大豆分離蛋白質(zhì)量濃度的增加,共混液的黏度呈現(xiàn)先上升后降低的變化規(guī)律。質(zhì)量濃度為10g/L的魔芋溶膠黏度為18Pa·s,大豆分離蛋白溶液的黏度通常在1Pa·s以下,而本共混液在大豆分離蛋白質(zhì)量濃度為4g/L時(shí),共混液獲得最大黏度值22Pa·s,說(shuō)明魔芋與大豆分離蛋白發(fā)生了協(xié)同增強(qiáng)作用。據(jù)報(bào)道,魔芋與大豆分離蛋白間的相互作用以氫鍵作用為主,其次是靜電作用,相互作用越強(qiáng),兩者形成的體系的黏度或凝膠強(qiáng)度越大[12-14]。經(jīng)擬合,共混液黏度的變化規(guī)律與大豆分離蛋白質(zhì)量濃度的四次方多項(xiàng)式呈高度正相關(guān)性,擬合方程為y=0.0365x4-0.4896x3+1.7448x2-0.1935x +16.875(R2=0.9837)。
2.2 pH對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響
由圖2可知,pH為4和5時(shí),共混液的溶脹時(shí)間分別為100min和110min,黏度分別為18.25Pa·s和19.5Pa·s,pH在6~9的范圍內(nèi)時(shí),共混液的溶脹時(shí)間均為120min,黏度在21~22Pa·s之間。出現(xiàn)上述變化現(xiàn)象,可能原因是,大豆分離蛋白的等電點(diǎn)在4.5左右,當(dāng)共混液的pH在此附近時(shí),大豆分離蛋白發(fā)生聚沉,減少了其與魔芋的相互作用,使共混液的溶脹時(shí)間和黏度與單一的魔芋溶膠最為接近,觀察共混液,能看到絮狀的小塊大豆分離蛋白塊。在高堿性環(huán)境中,大豆分離蛋白變性,分子鏈由卷曲狀伸展開來(lái),雖然能與魔芋葡甘聚糖分子鏈靠得更近,但與此同時(shí),大豆分離蛋白的乳化性能提高,使得魔芋葡甘聚糖分子與水分子的相互作用幾率降低,表現(xiàn)為共混液的溶脹時(shí)間稍微延長(zhǎng)、黏度略微下降[18]。因此,魔芋與大豆分離蛋白在接近中性的環(huán)境中能發(fā)生較強(qiáng)的相互作用。經(jīng)擬合,共混液黏度的變化規(guī)律與pH的四次方多項(xiàng)式呈高度正相關(guān)性,擬合方程為 y=0.0729x4-1.0301x3+4.6493x2-6.5334x+ 21.083(R2=0.9985)。
圖2 pH對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響Fig.2 Effect of pHon mixed liquid swelling time and viscosity
2.3 熱水浴溫度對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響
圖3 熱水浴溫度對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響Fig.3 Effect of hot tub temperature on mixed liquid swelling time and viscosity
由圖3可知,隨著熱水浴溫度的上升,共混液的溶脹時(shí)間逐漸縮短,當(dāng)熱水浴溫度≥45℃時(shí),溶脹時(shí)間不再發(fā)生變化,均為90min。溫度上升,導(dǎo)致分子動(dòng)能增加,振動(dòng)加劇,能加速水分子向魔芋葡甘聚糖分子內(nèi)部的擴(kuò)散,使溶脹速率加快,溶脹時(shí)間縮短。由圖3可知,隨著熱水浴溫度的上升,共混液的黏度急劇減小,當(dāng)熱水浴溫度≥45℃時(shí),減小速率放緩。溫度的升高,使分子運(yùn)動(dòng)加劇,能逐漸掙脫分子間氫鍵的束縛,改變分子間的相互作用,導(dǎo)致共混液的黏度減?。?9]。經(jīng)擬合,共混液黏度的變化規(guī)律與熱水浴溫度的四次方多項(xiàng)式呈高度負(fù)相關(guān)性,擬合方程為y=-0.0521x4+0.7245x3-3.0868x2+1.958x+ 22.417(R2=0.9946)。
2.4 超聲波功率對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響
由圖4可知,隨著超聲波功率的增加,共混液的溶脹時(shí)間先保持在90min不變,當(dāng)超聲波功率增加至112W時(shí),共混液的溶脹時(shí)間縮至80min,這可能是因?yàn)槌暡ㄔ谝后w中傳播時(shí)產(chǎn)生了負(fù)壓,使液體局部形成氣體,水蒸汽的比表面積增加,增加了水分子與魔芋葡甘聚糖分子的接觸面積,有利于水蒸汽向魔芋葡甘聚糖分子內(nèi)部擴(kuò)散,使共混液的溶脹時(shí)間縮短[20]。
圖4 超聲波功率對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on mixed liquid swelling time and viscosity
由圖4可知,隨著超聲波功率的增加,共混液的黏度呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律,在超聲波功率112W時(shí),共混液的最大黏度為16Pa·s。45℃恒溫溶脹的共混液黏度為13.5Pa·s,由此可見,適當(dāng)超聲處理產(chǎn)生的崩潰、攪拌和空穴作用能增強(qiáng)魔芋與大豆分離蛋白的相互作用[21]。超聲波功率繼續(xù)增加時(shí),共混液的黏度減小,可能是超聲場(chǎng)場(chǎng)能過(guò)強(qiáng),使分子鏈發(fā)生降解,氫鍵遭到破壞的緣故。經(jīng)擬合,共混液黏度的變化規(guī)律與超聲波功率的四次方多項(xiàng)式呈高度正相關(guān)性,擬合方程為y=0.0677x4-0.9641x3+4.4774x2-7.2765x+17.708(R2=0.9836)。
2.5 超聲波時(shí)間對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響
由圖5可知,超聲波處理2min和4min時(shí),共混液的溶脹時(shí)間為90min,超聲波處理時(shí)間≥6min時(shí),共混液的溶脹時(shí)間縮至80min,這可能是因?yàn)槌暡ㄌ幚頃r(shí)間的增加,由于空化效應(yīng)產(chǎn)生的水蒸汽量增多,向分子內(nèi)部擴(kuò)散的水蒸汽量也增多,使共混液的溶脹時(shí)間變短[20]。
圖5 超聲波時(shí)間對(duì)共混液溶脹時(shí)間和黏度的影響Fig.5 Effect of ultrasonic time on mixed liquid swelling time and viscosity
由圖5可知,隨著超聲波處理時(shí)間的增加,共混液的黏度呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律,在超聲波時(shí)間為6min時(shí),共混液有最大黏度,說(shuō)明魔芋與大豆分離蛋白發(fā)生了較強(qiáng)的相互作用,觀察樣品發(fā)現(xiàn),共混液質(zhì)地更加均勻、細(xì)膩;處理時(shí)間進(jìn)一步增加時(shí),共混液黏度減小,樣品體積略微膨脹,可能是超聲波處理過(guò)度,在分子鏈發(fā)生解離的同時(shí),大豆分離蛋白的起泡性能增加,共混液中混入空氣,使其相互作用減弱。經(jīng)擬合,共混液黏度的變化規(guī)律與超聲波時(shí)間的四次方多項(xiàng)式呈高度正相關(guān)性,擬合方程為y=0.026x4-0.2697x3+0.5399x2+0.9785x+13.208 (R2=0.9759)。
3.1 魔芋與大豆分離蛋白存在相互作用,常溫溶脹時(shí),存在分散性差和相互作用弱等問(wèn)題。本文探討了大豆分離蛋白質(zhì)量濃度、熱水浴溫度、pH、超聲波功率和超聲波時(shí)間對(duì)共混液黏度和溶脹時(shí)間的影響,發(fā)現(xiàn)熱水?。暡ㄈ苊浤芙鉀Q上述問(wèn)題。
3.2 在魔芋質(zhì)量濃度為10g/L的條件下,共混液的溶脹時(shí)間隨著大豆分離蛋白質(zhì)量濃度的增加和共混液pH的上升而延長(zhǎng),隨著熱水浴溫度的升高、超聲波功率和時(shí)間的增加而縮短;共混液的黏度隨大豆分離蛋白質(zhì)量濃度、pH、超聲波功率和超聲波時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì),隨著熱水浴溫度的升高一直減小。綜合考慮共混液的溶脹時(shí)間和黏度,在大豆分離蛋白質(zhì)量濃度為4g/L、pH接近中性,熱水浴溫度為45℃、超聲波功率112W和超聲波時(shí)間6min時(shí),共混液能獲得較好的黏度和較短的溶脹時(shí)間,黏度為16Pa·s,溶脹時(shí)間為80min。經(jīng)擬合,共混液黏度的變化規(guī)律與大豆分離蛋白質(zhì)量濃度、pH、超聲波功率和超聲波時(shí)間的四次方多項(xiàng)式呈高度正相關(guān)性,與熱水浴溫度的四次方多項(xiàng)式呈高度負(fù)相關(guān)性。
3.3 魔芋與大豆分離蛋白的作用力主要以氫鍵為主,其次是靜電相互作用。適當(dāng)?shù)某暡ㄌ幚砟茉鰪?qiáng)魔芋與大豆分離蛋白的分散性和相互作用,使共混液的黏度增加,溶脹時(shí)間縮短。超聲波處理增強(qiáng)魔芋與大豆分離蛋白相互作用的機(jī)理,即是加強(qiáng)氫鍵作用,或是加強(qiáng)靜電相互作用,或是產(chǎn)生新的作用力,還有待進(jìn)一步研究。
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Study on characteristics of mixed liquid with konjac and soybean protein isolated swelled by hot water bath-ultrasonic treatment
HE Hong-ye,PAN Chao-ran*
(Food Science College,F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University,F(xiàn)uzhou 350002,China)
Effects of the quality concentration of soy protein isolated,pH value,temperature,ultrasonic power and ultrasonic time on viscosity and swelling time of mixed liquid with konjac and soybean protein isolated were explored.The results indicated that interaction between konjac and soybean protein isolated could be strengthen by ultrasonic treatment,as well as dispersion.Swelling time was extended with increasing of the quality concentration of soy protein isolated,pH value,ultrasonic power and ultrasonic time,and was shorten with increasing of hot tab bath temperature.The mixed liquied viscosity increased and then decreased with increasing of the quality concentration of soy protein isolated,pH value,ultrasonic power and ultrasonic time,however,it was decreased with increasing hot tab temperature straightly.It also found that there were highly correlation between the change rule of viscosity and the quartic polynomial function of external conditions by fitting.
konjac;soybean protein isolated;the hot water bath-ultrasonic treatment;swelling characteristics
TS210.1
A
1002-0306(2012)21-0138-04
2012-04-13 *通訊聯(lián)系人
何紅葉(1986-),女,碩士研究生,研究方向:糧食、油脂及植物蛋白工程。