金屬離子對豆腐凝膠模型水分狀態(tài)的影響

楊 芳，曹 銀，周 露，潘思軼，張叢蘭，*

（1.湖北大學(xué)知行學(xué)院，湖北武漢430011；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北武漢430070）

金屬離子對豆腐凝膠模型水分狀態(tài)的影響

楊 芳1，2，曹 銀1，周 露1，潘思軼2，張叢蘭1，*

（1.湖北大學(xué)知行學(xué)院，湖北武漢430011；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北武漢430070）

采用大豆分離蛋白模擬傳統(tǒng)豆腐的凝膠形成過程，研究了幾種金屬離子對豆腐凝膠模型水分狀態(tài)的影響。結(jié)果表明：隨著Na+、Mg2+濃度的增加，石膏凝固豆腐凝膠模型的溶漲率和平衡水含量均降低，而隨著Ca2+濃度的增加，豆腐凝膠模型的溶漲率和平衡水含量升高。隨著金屬離子的加入，石膏凝固豆腐凝膠模型的可凍水含量下降。在非凍結(jié)水方面，隨著Ca2+濃度的增大，Wnf值越來越大。但是Na+和Mg2+對凝膠中非凍結(jié)水含量影響情況相反。另外，金屬離子的加入會縮短凝膠形成時間，說明金屬離子促進豆腐凝膠的形成。這為進一步研究傳統(tǒng)豆腐凝膠形成的機理和開發(fā)新型豆制品提供了理論依據(jù)。

金屬離子，豆腐，凝膠，水分狀態(tài)

豆腐作為一種中國傳統(tǒng)食品，其凝膠形成機制廣受關(guān)注。大豆蛋白在受熱的情況下，球狀的蛋白質(zhì)分子開始伸展開來，原來包埋在卷曲的分子鏈內(nèi)部的功能基團如二硫鍵、疏水基團暴露出來，為減少體系的能量，相鄰的分子通過二硫鍵、氫鍵、疏水作用、靜電引力以及范德華力交聯(lián)形成具有網(wǎng)絡(luò)狀三維空間結(jié)構(gòu)，將水和其他成分包絡(luò)起來形成凝膠[1]?？梢娝譅顟B(tài)在凝膠形成中起到重要作用。近十幾年來，水在凝膠網(wǎng)絡(luò)中的不同物理狀態(tài)引起研究者的興趣，例如，“三態(tài)水模型”[2]。Liu W[3]通過DSC考察PVPMMA體系合成凝膠中不同狀態(tài)的水的含量來研究凝膠分子中親水基的含量和分子作用力氫鍵的影響，認為三態(tài)水可從一定程度反映蛋白質(zhì)的構(gòu)象。Shin M[4]等通過熱分析法測得聚丙烯酞胺合成凝膠體系中分子緊密性與自由水的含量有關(guān)。Stading等人[5]研究認為許多具有水合結(jié)構(gòu)的蛋白凝膠除了水以外還可以保持其它食物成分。在Na+存在時，凍結(jié)水更傾向于與Na+發(fā)生水合，從而產(chǎn)生過冷現(xiàn)象[6]。NaCl溶液的鹽析效應(yīng)增強了疏水基團的相互作用[7]。非凍結(jié)水的含量取決于高聚物的親水性以及網(wǎng)絡(luò)中分子間氫鍵的強度[8]。上述關(guān)于凝膠水分組分的研究已經(jīng)基本達成共識，但是水分狀態(tài)對凝膠品質(zhì)的影響方面卻存在較大分歧，對凝膠最佳水分含量范圍缺乏較深入研究。本研究通過DSC和TG測試，分別研究Na+、Mg2+和Ca2+三種金屬離子對豆腐凝膠模型水分狀態(tài)的影響，探討Na+、Mg2+和Ca2+三種金屬離子對凝膠空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和水分狀態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白（SPI） 由山東禹王大豆分離蛋白有限公司提供；石膏 食品級，市售；氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣 均為分析純。

PF-101恒溫水浴鍋 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；Orion 410A+電子酸度計 Thermo ELECTRON公司；e=10d電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；hermo Savant真空冷凍干燥機 德國ALPHA公司；101-1AB電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市泰勒特斯儀器有限公司；DSC2000差示掃描量熱儀、TGA209熱重同步分析儀 德國耐馳。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆腐凝膠模型的制備 按照豆腐的生產(chǎn)工藝，以SPI為原料，制備豆腐凝膠模型。具體操作為配制濃度為12%的SPI溶液，用2mol/L NaOH溶液和1mol/L鹽酸溶液調(diào)至pH7.5，攪拌均勻，在電爐上加熱至沸騰并不停攪拌，煮沸3min后取下。稱取一定量石膏，加入5mL的蒸餾水混合均勻。待大豆分離蛋白溶液冷卻至80℃時，加入石膏溶液（終濃度為8%），邊加邊攪拌，攪拌1min后，杯口蓋上保鮮膜，放入80℃恒溫水浴鍋中保溫。

1.2.2 含不同濃度Na+的豆腐凝膠模型的制備 在12%的SPI溶液中分別加入Na+，使其終濃度分別為0、0.025、0.050、0.075mol/L，然后按照1.2.1的方法制備豆腐凝膠模型。

1.2.3 含不同濃度Mg2+的豆腐凝膠模型的制備 在12%的SPI溶液中分別加入Mg2+，使其終濃度分別為0、0.01、0.02、0.03mol/L，然后按照1.2.1的方法制備豆腐凝膠模型。

1.2.4 含不同濃度Ca2+的豆腐凝膠模型的制備 在12%的SPI溶液中分別加入Ca2+，使其終濃度分別為0、2、4、6mmol/L，然后按照1.2.1的方法制備豆腐凝膠模型。

1.2.5 溶漲率的測定 將待測凝膠進行冷凍干燥。將干凝膠稱重（Wd），放在自制尼龍底膠杯，置于水中浸泡一段時間，直到凝膠充分吸收水分為止。取出將膠杯懸掛，濾掉凝膠表面水分，再稱重。多次浸泡，直到凝膠濕重恒定不變，記為Ws。以下式計算溶脹率（SR）和平衡水含量（EWC）。

溶脹率SR=（Ws－Wd）/Wd

平衡水含量EWC=（Ws－Wd）/Ws

1.2.6 DSC測試 分別準確稱取5mg溶脹凝膠與干凝膠樣品，置于鋁試樣皿，密封，在氮氣氣氛保護下試樣皿置于差示掃描量熱儀中，從-60℃開始，此溫度說明冰的凍結(jié)達到平衡，以5℃/min升溫至50℃，氮氣流速40mL/min，得到豆腐凝膠模型的DSC譜圖。

1.2.7 TG測試 準確稱取5mg樣品置于不帶蓋的敞式Al2O3坩堝中，試樣置于熱重同步分析儀TG209中，從20℃升溫至480℃，升溫速度為5℃/min，氮氣流速為100mL/min，得到豆腐凝膠模型的TG曲線[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈉離子對豆腐凝膠模型中水分狀態(tài)的影響

2.1.1 鈉離子對豆腐凝膠模型溶脹性和平衡水含量的影響 由圖1可以看出，石膏凝固豆腐凝膠模型在NaCl存在時的溶漲率和平衡水含量都隨著離子濃度的增大而不斷減少，且減少的幅度在不斷地降低，但對平衡水含量的影響并不是很大。一方面，這是由于Na+的引入在一定程度上增加了蛋白質(zhì)分子的電荷密度，影響了氫鍵作用，從而影響肽鏈對水的束縛，使水分子更多地以可自由移動的自由水和中間水形態(tài)分布在凝膠網(wǎng)絡(luò)中；另一方面，對蛋白的靜電屏蔽作用增強，從而使得大豆蛋白分子之間的斥力進一步降低，引力增加，相互結(jié)合的速率加快，形成的網(wǎng)絡(luò)變得粗厚，但網(wǎng)孔變得稀疏，持水能力降低，溶漲率和平衡水含量均下降。

圖1 添加不同濃度NaCl的豆腐凝膠模型的溶漲率和平衡水含量Fig.1 Swelling rate and equilibrium water content of Tofu gel model with different concentrations of NaCl

2.1.2 鈉離子對豆腐凝膠模型影響的DSC測試 采用差示掃描量熱儀，研究不同濃度鈉離子對豆腐凝膠模型水分狀態(tài)的影響，DSC測試結(jié)果用origin軟件制圖，見圖2。

圖2 氯化鈉系列豆腐凝膠模型的DSC譜圖Fig.2 DSC spectrum of Tofu gel model by addition of NaCl

假設(shè)凝膠中水的熱焓值ΔH與純水ΔH0相同，即334J/g，則從DSC圖上0℃附近熱焓可計算出可凍結(jié)水（Wfro，即自由水+中間水，以Wf和Win表示）的含量：Wfro（%）=Wf+Win=（ΔH/ΔH0）×100%

非凍結(jié)水由總水含量減去可凍結(jié)水，即自由水和中間水含量之和而得：

Wnf=EWC－Wfro=EWC－（Wf+Win）=EWC-（ΔH/ΔH0）×100%

式中：ΔH為凝膠中由DSC測出的吸熱峰面積算出的單位質(zhì)量的焓變，J/g；ΔH0為純水單位質(zhì)量的焓變，J/g[13]。

表1 添加NaCl的豆腐凝膠模型中不同狀態(tài)水的含量Table 1 Content of different states of water in Tofu gel model by addition of NaCl

從表1可以看出，隨著Na+的加入，石膏凝固豆腐凝膠模型的平衡水含量與可凍結(jié)水含量均呈下降趨勢，而且隨著Na+濃度的增大，其下降速率呈增大趨勢。但是就非凍結(jié)水而言，隨著Na+濃度的增大，非凍結(jié)水的含量先減小后增大。

2.1.3 鈉離子對石膏凝固豆腐凝膠模型影響的TG測試 圖3的數(shù)據(jù)顯示，溶脹的豆腐凝膠均有2個失重區(qū)。在“三態(tài)水”中，自由水在多肽鏈最外層，與多肽鏈結(jié)合最弱，最易失去；中間水與多肽鏈結(jié)合稍弱；非凍結(jié)水通過氫鍵束縛在多肽鏈上，與多肽鏈結(jié)合最強。因此，從20℃開始，隨著溫度的升高，自由水最先失去，隨后是中間水，最后是非凍結(jié)水失去。不過，從TG圖要把它們準確分開是不容易的，故做了DSC處理。從TG圖的第一失重平臺計算的失重率與各凝膠的EWC相對應(yīng)，故可推測到250℃以后的第二失重區(qū)為豆腐干膠的熱分解與變性。

圖3 氯化鈉系列石膏凝固豆腐凝膠模型的TG譜圖Fig.3 TG spectrum of Tofu gel model by addition of NaCl

2.2 鎂離子對石膏凝固豆腐凝膠模型中水分狀態(tài)的影響

2.2.1 鎂離子對石膏凝固豆腐凝膠模型溶脹性和平衡水含量的影響 由圖4可以看出，石膏凝固豆腐凝膠模型在MgCl2存在時的溶漲率和平衡水含量都隨著離子濃度的增大而不斷減少，但影響都不是很大，比NaCl溶液對凝膠溶漲率和平衡水含量的影響小。當Mg2+濃度過高時，將打破蛋白質(zhì)分子間的斥力和引力的平衡，因為隨著Mg2+濃度增加，豆?jié){pH將降低，而且過多的負電荷被Mg2+屏蔽，分子間靜電斥力相當小，疏水相互作用、氫鍵相互作用等引力占明顯優(yōu)勢，因此蛋白分子相互結(jié)合的速率相當快，容易堆扎在一起，造成凝固物收縮，部分水被排出，溶漲率和平衡水含量均下降。

圖4 添加不同濃度MgCl2的豆腐凝膠模型的溶漲率和平衡水含量Fig.4 Swelling rate and equilibrium water content of Tofu gel model with different concentrations of MgCl2

2.2.2 鎂離子對石膏凝固豆腐凝膠模型影響的DSC測試 采用差示掃描量熱儀，研究不同鎂離子濃度對豆腐凝膠模型水分狀態(tài)的影響，DSC測試結(jié)果用origin軟件制圖，見圖5。

圖5 氯化鎂系列豆腐凝膠模型的DSC譜圖Fig.5 DSC spectrum of Tofu gel model by addition of MgCl2

表2 添加MgCl2的豆腐凝膠模型中不同狀態(tài)水的含量Table 2 Content of different states of water in Tofu gel model by addition of MgCl2

圖6 氯化鎂系列石膏凝固豆腐凝膠模型的TG譜圖Fig.6 TG spectrum of Tofu gel model by addition of MgCl2

從表2可以看出，隨著Mg2+的加入，石膏凝固豆腐凝膠模型的可凍結(jié)水含量下降，而且隨著Mg2+濃度的增大，其含量下降速率呈增大趨勢。但是非凍結(jié)水隨著Mg2+濃度的增大，其含量先減小后增大。

2.2.3 鎂離子對石膏凝固豆腐凝膠模型影響的TG測試 圖6的數(shù)據(jù)顯示，溶脹的豆腐凝膠均有2個失重區(qū)。在“三態(tài)水”中，自由水在多肽鏈最外層，與多肽鏈結(jié)合最弱，最易失去；中間水與多肽鏈結(jié)合稍弱；非凍結(jié)水通過氫鍵束縛在多肽鏈上，與多肽鏈結(jié)合最強。

2.3 鈣離子對石膏凝固豆腐凝膠模型中水分狀態(tài)的影響

2.3.1 鈣離子對石膏凝固豆腐凝膠模型溶脹性和平衡水含量的影響 由圖7可以看出，與Na+、Mg2+不同，石膏凝固豆腐凝膠模型在CaCl2存在時的溶漲率和平衡水含量均隨著Ca2+濃度的增加而上升，上升速率在不斷的降低。由于加入Ca2+后，凝膠形成時間減少，它對大豆蛋白凝膠性的促進作用是由于Ca2+在凝膠網(wǎng)絡(luò)中與蛋白質(zhì)形成“鈣橋”，“鈣橋”與蛋白質(zhì)的極性基團發(fā)生作用，促進網(wǎng)絡(luò)的緊密連接，因而增大了凝膠的溶脹率；凝膠網(wǎng)絡(luò)對水分子的作用進一步增強，使非凍結(jié)水含量增加，其靜電作用能增強大豆蛋白的凝膠性，同時凝膠性的增強也一定程度的促進了吸水倍率的增長，增強了豆腐凝膠模型的溶漲率和平衡水含量。

圖7 添加不同濃度CaCl2的豆腐凝膠模型的溶漲率和平衡水含量Fig.7 Swelling rate and equilibrium water content of Tofu gel model with different concentrations of CaCl2

2.3.2 鈣離子對石膏凝固豆腐凝膠模型影響的DSC測試 采用差示掃描量熱儀，研究不同鈣離子濃度對豆腐凝膠模型水分狀態(tài)的影響，DSC測試結(jié)果用origin軟件制圖，見圖8。

圖8 氯化鈣系列豆腐凝膠模型的DSC譜圖Fig.8 DSC spectrum of Tofu gel model by addition of CaCl2

表3 添加CaCl2的豆腐凝膠模型中不同狀態(tài)水的含量Table 3 Content of different states of water in Tofu gel model by addition of CaCl2

從表3可以看出，隨著Ca2+的加入，石膏凝固豆腐凝膠模型的自由水與可凍結(jié)水含量之和下降，而且隨著Ca2+濃度的增大，其含量之和下降率呈增大趨勢。但是非可凍結(jié)水隨著Ca2+濃度逐漸增大時，非可凍結(jié)結(jié)合水含量呈增大趨勢，與2.3.1的分析吻合。

2.3.3 鈣離子對石膏凝固豆腐凝膠模型影響的TG測試 圖9的數(shù)據(jù)顯示，溶脹的豆腐凝膠也有2個失重區(qū)。從20℃開始，隨著溫度的升高，自由水最先失去，隨后是中間水，最后是非凍結(jié)水失去。從TG圖的第一失重平臺計算的失重率與各凝膠的EWC相對應(yīng)，故可推測到250℃以后的第二失重區(qū)為豆腐干膠的熱分解與變性。

圖9 氯化鈣系列石膏凝固豆腐凝膠模型的TG譜圖Fig.9 TG spectrum of Tofu gel model by addition of CaCl2

3 結(jié)論

本文采用傳統(tǒng)豆腐生產(chǎn)工藝，制備復(fù)合誘導(dǎo)條件下的SPI凝膠，建立豆腐凝膠模型，旨在研究傳統(tǒng)豆腐凝膠形成過程中蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中的水分狀態(tài)，排除了其他成分的干擾。水中Na+、Mg2+和Ca2+這三種金屬離子不僅對蛋白凝膠的形成有影響，而且對蛋白凝膠的水分含量和狀態(tài)有重要影響，從而影響蛋白凝膠的質(zhì)構(gòu)特性和顯微結(jié)構(gòu)。

前人在金屬離子對大豆蛋白凝膠影響方面有過許多研究，如連喜軍[10]等人以熱促凝膠為基礎(chǔ)，研究不同金屬離子添加條件下形成凝膠的形成時間、質(zhì)構(gòu)特性，認為金屬離子由于其本身的所帶電荷作用主要對大豆蛋白凝膠的形成表現(xiàn)為促進作用[11]；王飛鏑等通過添加氯化鉀、氯化鈣研究其對大豆蛋白凝膠水分成分與含量的影響，認為氯化鉀對凝膠平衡水含量（EWC）影響不顯著，對凝膠中非凍結(jié)水和中間水的含量有影響[12]；氯化鈣對大豆蛋白凝膠中水的狀態(tài)影響大于氯化鉀，氯化鈣使凝膠中EWC增大，非凍結(jié)水含量增大，可凍結(jié)水含量減小[13]。Yang[14]等人研究了SPI凝膠中的油脂和蛋白質(zhì)的交互作用，結(jié)果顯示，Na+可以影響復(fù)合誘導(dǎo)SPI凝膠的水分狀態(tài)、質(zhì)構(gòu)特性和顯微結(jié)構(gòu)。

本研究顯示，隨著金屬離子的加入，石膏凝固豆腐凝膠模型的可凍結(jié)水含量下降，而Wnf值，即非凍結(jié)水含量，隨著Ca2+濃度的增大而增大。這是因為Ca2+降低大分子鏈電荷斥力，使其連接更緊密，那么凝膠網(wǎng)絡(luò)所能束縛的自由水和可凍結(jié)結(jié)合水就越少，所以通過溶脹特性測得的EWC值減小，即總含水量減小，而Ca2+引起的凝膠網(wǎng)絡(luò)緊密對非凍結(jié)水的含量影響不大，所以Wnf值相對增大。Ca2+之所以對非凍結(jié)水影響不大，因為二價鈣離子會與蛋白質(zhì)形成鈣橋，使得其無法破壞氫鍵，不影響非凍結(jié)水含量，所以Wnf值增大。但是通過Na+和Mg2+對凝膠水分含量影響結(jié)果看來，其Wnf值反而下降，推測可能是因為，Na+和Mg2+會對展開的大分子鏈上與水分子形成氫鍵造成影響，降低非可凍結(jié)結(jié)合水，導(dǎo)致總含水量減小。綜上所述，對凝膠網(wǎng)絡(luò)支撐力和回復(fù)力影響最大，與豆腐口感關(guān)系最為密切的是可凍結(jié)結(jié)合水和自由水。水分狀態(tài)和豆腐凝膠模型顯微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系有待進一步研究。

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Effect of metal ions on the state of water in Tofu gel model

YANG Fang1，2，CAO Yin1，ZHOU Lu1，PAN Si-yi2，ZHANG Cong-lan1，*
（1.Hubei University Zhixing College，Wuhan 430011，China；2.College of Food Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Effects of metal ions on the state of water of Tofu gel model were studied with the soy protein isolate simulating the gelation process of traditional bean curd.It was shown that with the concentrations of Na+and Mg2+increasing，the swelling ratio and equilibrium water content of Tofu gel model descended.On the other hand，the swelling ratio and equilibrium water content of Tofu gel model increased with the increasing of the concentrations of Ca2+.With the adding of metal ions，the content of frozen water in the gel decreased.With the concentrations of Ca2+increasing，the Wnfvalue became larger.However，the effect of Na+and Mg2+on the content of non-frozen water in the gel was opposite.On the other hand，the time for gel formation was shorten with the addition of metal ions，which meant that metal ions could promote the formation of Tofu gel.Theoretical bases were put forward to further study the mechanisms of the gelation process of traditional Tofu gels and develop new products of soybean protein.

metal ions；Tofu；gelation；state of water

TS201.7

A

1002-0306（2012）03-0124-05

2011－01－26 *通訊聯(lián)系人

楊芳（1978-），女，博士，講師，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工。

武漢市科學(xué)技術(shù)局青年科技晨光計劃（200950431164）；863（2006AA10Z330）；湖北省重點科技專項（2006AA201B29）。