金屬離子對冷凍法生產(chǎn)大豆蛋白的影響

譚順丹，韓建春，劉敬媛，姜 帆

（東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

我國是大豆的故鄉(xiāng)。據(jù)報道，早在公元前2560年就已有大豆種植[1]。大豆有很高的營養(yǎng)價值，含有約40%的蛋白質(zhì)、居各類植物蛋白質(zhì)之首，大豆蛋白質(zhì)中含有18種氨基酸，其營養(yǎng)價值很高，有“完全蛋白質(zhì)食物”之稱。由于大豆蛋白質(zhì)的營養(yǎng)性，催生了大豆深加工，如分離蛋白、濃縮蛋白等[2]。目前大豆蛋白加工方法大多為物理或化學方法，如：通過加熱、酸法、醇法來破壞其蛋白質(zhì)的二級鍵，達到分離、沉淀的效果[3-4]。但這些工藝，對蛋白質(zhì)的功能性影響較大且產(chǎn)量較低[5-6]。有國外報道：當大豆蛋白被冷凍或酸沉，其蛋白質(zhì)變得部分不溶[5]。這是由于二硫鍵的存在，使蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而蛋白質(zhì)分子生產(chǎn)聚合，最終蛋白質(zhì)顆粒加強，沉淀生產(chǎn)[7-8]。冷凍能從積極方面促進蛋白質(zhì)的沉淀。有研究表明，在大豆蛋白溶液中加入某些金屬無機鹽，會增加蛋白的沉淀量，提高蛋白質(zhì)的含量[9]。因此本實驗是對不同種類、不同濃度的金屬離子對冷凍大豆蛋白溶液生產(chǎn)大豆蛋白含量的影響研究，并對其產(chǎn)品的溶解性和持水性影響做了分析討論。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低溫脫脂豆粕 過100目篩，水分7.8%，蛋白質(zhì)48.75%，哈高科；氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂 均為分析純。

電子天平 上海民橋精密儀器有限公司；數(shù)字式攪拌機 金壇市醫(yī)療儀器廠；恒溫水浴鍋 上海一恒科技有限公司；pH計 梅特勒-托利多儀器有限公司；低溫高速離心機 日本日立（HITACHI）公司；冰箱 青島澳柯瑪股份公司；凱氏定氮儀 福斯公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆蛋白的制備工藝 稱取一定量的低溫脫脂豆粕，粉碎過篩后，與一定比例的蒸餾水混合配成蛋白質(zhì)溶液，將該溶液加熱至溫度為50℃時，加入鹽酸將溶液的pH調(diào)至5。然后放入-18℃的冰箱中冷凍24h，再在5℃的冰箱中將其完全融化，離心分離后，測量沉淀物中蛋白質(zhì)的含量。

選取單因素條件為：溫度50℃，脫脂豆粕∶水的固液比分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50時，加入鹽酸調(diào)節(jié)pH5后，測定蛋白質(zhì)含量。

固液比1∶20，溫度分別為為30、40、50、60、70、80℃時，加入鹽酸調(diào)節(jié)pH5后，測定蛋白質(zhì)含量。

固液比1∶20，溫度50℃，加入鹽酸調(diào)節(jié)pH為4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8后，測定蛋白質(zhì)含量。

1.2.2 不同金屬離子對大豆蛋白含量的影響 在固液比為1∶20、溫度50℃、pH5.5的條件下，分別加入不同濃度的NaCl、CaCl2、MgCl2溶液后，放入-18℃的冰箱中冷凍24h，再在5℃的冰箱中將其完全融化，離心分離后，測量沉淀物中蛋白質(zhì)的含量。

1.2.3 功能性測定

1.2.3.1 溶解性的測定[10]蛋白質(zhì)的溶解性用氮溶解指數(shù)（NSI）表示。準確稱取1.0g的沉淀蛋白質(zhì)，加入20mL蒸餾水，用pH調(diào)節(jié)至7.0（調(diào)節(jié)液為0.2mol/L的HCl溶液或者0.2mol/L的NaOH溶液），之后攪拌45min，過濾并用蒸餾水沖洗，用常量凱氏定氮法測定濾液中蛋白質(zhì)的含氮量。總氮含量用凱氏定氮法測定，并按以下公式計算NSI：

1.2.3.2 持水性的測定[11]持水性也叫保水性，通常用水分殘存率來表示。準確稱取1.0g的沉淀，溶于一定量的蒸餾水中，定容至100mL。然后量取1mL樣液，將其平鋪在10cm的培養(yǎng)皿中，置于恒溫恒濕的培養(yǎng)箱中，每隔10min測一次樣液的水分殘存率。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆蛋白制備方法的確定

2.1.1 不同固液比對冷凍法生產(chǎn)大豆蛋白的影響固液比影響著大豆蛋白從溶液中分離時的效率，也影響著最終蛋白質(zhì)的回收率。由圖1可知，隨著固液比的增加，蛋白質(zhì)含量沒有明顯的變化，但是考慮到生產(chǎn)成本和有利于實驗操作，因此，本實驗選取低溫脫脂豆粕和水的固液比為1∶20。

圖1 固液比對大豆蛋白含量的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on soybean protein content

2.1.2 不同加熱溫度對冷凍法生產(chǎn)蛋白質(zhì)的影響調(diào)節(jié)加熱溫度，觀察冷凍法生產(chǎn)大豆蛋白質(zhì)的影響情況，結(jié)果表明，溫度越高，生產(chǎn)的蛋白質(zhì)沉淀量越多。由圖2可知，隨著溫度的增加，蛋白質(zhì)含量增加，由于溫度55℃時蛋白質(zhì)開始變性，溫度每提高10℃，蛋白質(zhì)變性速度加速600倍。溫度的提高，蛋白質(zhì)的熱變性程度逐漸增加。且當溫度升高到60℃以上，蛋白質(zhì)極易發(fā)生熱變性，且加熱變性是不可逆過程，會影響蛋白質(zhì)的功能特性。因此，本實驗選取加熱溫度為50℃。

圖2 加熱溫度對大豆蛋白質(zhì)含量的影響Fig.2 Effect of heated temperature on soybean protein content

2.1.3 不同pH對冷凍法生產(chǎn)蛋白質(zhì)的影響 當pH處于等電點時，大豆蛋白分子不帶電荷，分子之間的作用力大于與水的作用力，相互聚集沉淀。由圖3可知，隨著pH慢慢降低，蛋白質(zhì)的含量逐步增加。在pH4.5和pH5時，蛋白質(zhì)的含量相差不大，但考慮到實驗實際操作性，因此，本實驗選取pH為5。

圖3 pH對大豆蛋白質(zhì)含量的影響Fig.3 Effect of pH on soybean protein content

通過以上實驗，確定了冷凍法生產(chǎn)大豆蛋白的最佳條件：固液比1∶20、加熱溫度50℃、pH為5。

2.2 金屬離子對大豆蛋白的影響

2.2.1 NaCl對大豆蛋白含量的影響 分別選擇加入0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10mol/L NaCl在冷凍前加入，采用2.1的實驗條件，觀察測定生產(chǎn)沉淀的蛋白質(zhì)含量。NaCl對大豆蛋白含量的影響見圖4。

圖4 NaCl添加量對大豆蛋白含量的影響Fig.4 Effect of NaCl addition on soybean protein content

由圖4可知，金屬離子的加入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)存在；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，快速聚集沉淀。由圖4可知，隨著NaCl濃度的增加，沉淀蛋白質(zhì)含量逐漸提高，由29.6%提高到60.9%。

2.2.2 CaCl2對大豆蛋白含量的影響 分別選擇加入0、0.1、0.02、0.03、0.04、0.05mol/L CaCl2在冷凍前加入，采用2.1的實驗條件，觀察測定沉淀生產(chǎn)的蛋白質(zhì)含量。結(jié)果如圖5所示。

圖5 CaCl2添加量對大豆蛋白含量的影響Fig.5 Effect of CaCl2addition on soybean protein content

由圖5可知，在CaCl2無添加的情況下，冷凍沉淀后的蛋白質(zhì)含量很少。隨著CaCl2添加量的增加，蛋白質(zhì)含量隨之提高。由于大豆蛋白溶液對于Ca2+非常敏感，顯著降低其的溶解度，因此在Ca2+濃度達到一定程度時，大豆蛋白將會聚集沉淀下來。由圖5和圖4比較可以看出，CaCl2對蛋白質(zhì)的聚集沉淀作用較NaCl強，其結(jié)果基本符合霍夫曼斯特離子序。

2.2.3 MgCl2對大豆蛋白含量的影響 分別選擇加入0、0.1、0.02、0.03、0.04、0.05mol/L MgCl2在冷凍前加入，采用2.1的實驗條件，觀察測定沉淀生產(chǎn)的蛋白質(zhì)含量。MgCl2對大豆蛋白含量的影響見圖6。

圖6 MgCl2添加量對大豆蛋白含量的影響Fig.6 Effect of MgCl2addition on soybean protein content

由圖6可知，隨著金屬離子的加入，逐漸打破蛋白質(zhì)分子間的斥力和引力的平衡，過多的負電荷被屏蔽，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，容易聚集在一起，很快沉淀。由圖6可以看出，隨著MgCl2的添加量的增加，蛋白質(zhì)含量也隨之增大。從圖6和圖5對比可以看出，MgCl2的添加和CaCl2的添加效果類似，隨著濃度的增加，其蛋白質(zhì)含量逐步的提高。

2.3 三種金屬離子對產(chǎn)物蛋白質(zhì)功能性的影響

2.3.1 三種金屬離子對產(chǎn)物大豆蛋白溶解性的影響

本實驗中三種金屬離子加入到大豆蛋白溶液中冷凍處理并生產(chǎn)蛋白質(zhì)，考察他們對產(chǎn)物大豆蛋白溶解性的影響。結(jié)果見圖7。

圖7 三種金屬化合物對產(chǎn)物蛋白質(zhì)溶解性的影響Fig.7 Effect of three kinds of metal compound on solubility of protein

由圖7可以看出，金屬離子的加入能提高蛋白質(zhì)的溶解度，隨著金屬離子濃度增加，其溶解度增大。在0.02mol/L和0.04mol/L添加量時，添加氯化鈉生產(chǎn)的蛋白質(zhì)溶解小于氯化鎂和氯化鈣的蛋白質(zhì)。這是因為金屬鹽對蛋白質(zhì)溶解度具有特異的離子效應(yīng)，具有相同離子強度的鹽溶液對蛋白質(zhì)溶解度的相對影響遵循了霍夫曼斯特離子序。

2.3.2 三種金屬離子對產(chǎn)物大豆蛋白持水性的影響

本實驗加入三種金屬離子到大豆蛋白溶液中并生產(chǎn)蛋白質(zhì)，考察他們對大豆蛋白持水性的影響。具體結(jié)果見圖8。

圖8 三種金屬化合物對產(chǎn)物蛋白質(zhì)持水性的影響Fig.8 Effect of three kinds of metal compound on water-retaining property of protein

由圖8可以得出，添加NaCl生產(chǎn)的蛋白質(zhì)持水性隨著濃度的增大而減小，而MgCl2和CaCl2的添加隨著濃度的增加持水性增加。在相同的濃度下，MgCl2生產(chǎn)的蛋白質(zhì)持水性均高于CaCl2。金屬離子可以影響蛋白質(zhì)與水的結(jié)合能力。在金屬離子濃度較低時，可以提高蛋白質(zhì)結(jié)合水的能力，這是由于水合鹽離子與蛋白質(zhì)分子上帶電荷基團微弱結(jié)合而造成的。添加NaCl生產(chǎn)的蛋白質(zhì)持水性隨著濃度的增大而減小的原因，可能是由于鈉離子的離子半徑與其他兩種離子的不同，導致與蛋白質(zhì)與水的結(jié)合強度不同。

3 結(jié)果與討論

有研究表示，當大豆蛋白溶液被冷凍后，其蛋白質(zhì)變得不溶。由于二硫鍵的形成，使蛋白質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而蛋白質(zhì)分子生產(chǎn)聚合，最終蛋白質(zhì)顆粒加強，沉淀生產(chǎn)。很多國外研究發(fā)現(xiàn)，冷凍大豆蛋白溶液能夠從積極方面促進大豆蛋白質(zhì)的沉淀。而如果在冷凍大豆蛋白溶液中添加某些無機鹽，會增加大豆蛋白的沉淀數(shù)量，即提高蛋白質(zhì)含量。一般來說，金屬離子在適當濃度條件下，有利于中和大豆蛋白表面負電荷，降低肽鏈間靜電斥力，使得大豆分離蛋白分子間相互排斥力大于吸引力，有利于肽鏈之間相互接近和凝聚，因此適當金屬離子濃度可以提高大豆蛋白含量[12]。

本實驗顯示，隨著金屬離子的加入，冷凍大豆蛋白溶液生產(chǎn)蛋白質(zhì)的含量提高，與不加入金屬離子相比，其含量有了顯著的增加。以加入NaCl的大豆蛋白溶液為例，冷凍沉淀蛋白質(zhì)含量由29.6%提高到60.9%。且添加不同金屬例子的加入，其沉淀的蛋白質(zhì)含量也有所不同。功能性實驗表明，產(chǎn)物蛋白質(zhì)的溶解性隨著金屬化合物溶液濃度的增加而增大，持水性方面是氯化鈉隨著濃度的增大而降低，氯化鎂和氯化鈣隨著濃度的增大而增加。

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