不同工藝參數(shù)對(duì)生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)的影響研究

范金波，侯 宇，黃訓(xùn)文，周素珍，馮敘橋，*（.渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧錦州03；.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京00083）

不同工藝參數(shù)對(duì)生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)的影響研究

范金波1，侯 宇1，黃訓(xùn)文2，周素珍1，馮敘橋1，*
（1.渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧錦州121013；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

從生姜中分離得到具有凝乳活力的生姜蛋白酶，研究了加工條件對(duì)生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在60℃以上凝乳時(shí)，生姜蛋白酶凝乳的儲(chǔ)能模量較高，以1℃/min升溫速度從45℃加熱至80℃制作的脫脂乳凝膠的儲(chǔ)能模量增加速度較大；在冷卻過(guò)程中凝膠的儲(chǔ)能模量顯著增大，損耗正切值在45℃左右存在一個(gè)最大值，小于20℃時(shí)則趨于平穩(wěn)；冷藏過(guò)程中凝膠的儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切逐漸降低，經(jīng)過(guò)2h趨于平穩(wěn)。綜合以上結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)升溫模式能夠使生姜蛋白酶凝乳形成較高強(qiáng)度的質(zhì)地，低溫冷藏對(duì)凝膠具有穩(wěn)定作用。

生姜蛋白酶，凝膠，流變學(xué)性質(zhì)

流變學(xué)性質(zhì)是乳凝膠的重要物理性質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制和功能特性具有重要作用[1-2]。許多因素影響凝乳酶促使牛乳形成凝膠的過(guò)程，如pH、溫度、離子強(qiáng)度、酶濃度等。由于植物凝乳酶具有較高的蛋白水解活力，Esteves等[3]觀察到植物凝乳酶（Cynara cardunculus L.）與小牛皺胃酶的凝乳曲線存在明顯差異，其在低pH下（pH6.0～6.3）催化牛乳凝乳時(shí)，隨時(shí)間的變化儲(chǔ)能模量存在一個(gè)最大值，之后儲(chǔ)能模量下降。生姜蛋白酶是制作我國(guó)特色食品姜汁奶的重要原料，姜汁奶是在60～70℃自然pH下制作而成的，凝乳溫度是制作姜汁奶的關(guān)鍵工藝參數(shù)。此外，由于姜汁奶是一種即食型的東方型奶酪，保質(zhì)期較短，通常需要冷藏貯存來(lái)延長(zhǎng)其保質(zhì)期。然而，目前國(guó)內(nèi)外缺乏有關(guān)加熱、冷藏條件對(duì)于生姜蛋白酶凝乳性質(zhì)的影響研究。因此，本文將重點(diǎn)研究恒溫、動(dòng)態(tài)升溫條件、冷卻過(guò)程以及冷藏條件對(duì)生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)的影響，以期為姜汁奶工業(yè)化生產(chǎn)在關(guān)鍵工藝條件控制上提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低熱脫脂乳粉 新西蘭西部乳業(yè)有限公司；凝乳酶 通過(guò)超濾技術(shù)得到的生姜蛋白酶濃縮液。

AR1500ex流變儀 美國(guó)TA Instrument公司；恒溫水浴鍋 上海一恒儀器公司；BL310分析天平 北京賽多利斯天平有限公司；Orion 3 star型pH計(jì) 美國(guó)熱電公司；小型超濾設(shè)備 美國(guó)Millipore公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 脫脂乳的制備 在研究牛乳凝膠的流變學(xué)性質(zhì)時(shí)，為了避免乳成分的變化對(duì)流變性質(zhì)的測(cè)定產(chǎn)生影響，通常使用低熱脫脂乳粉配制脫脂乳[4]。實(shí)驗(yàn)所用脫脂乳為12%復(fù)原脫脂乳，將12g低熱脫脂乳粉溶解于100mL去離子水中復(fù)原而成，pH約為6.6。添加0.2%疊氮鈉抑制微生物的生長(zhǎng)和0.15%大豆源胰蛋白酶抑制劑抑制血纖維蛋白溶酶的蛋白水解活性。

1.2.2 流變實(shí)驗(yàn) 流變儀夾具選取直徑為60mm的平板，板間間隙1mm，使用珀?duì)栙N板控制溫度。將10mL脫脂乳預(yù)先加熱至60℃，孵育30min，加入43μL酶液（凝乳活力為60SU），在預(yù)先加熱至60℃的流變儀模具底盤上孵育2h后測(cè)定樣品的線性粘彈區(qū)。板間外露的部分用植物油覆蓋以免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水分蒸發(fā)對(duì)樣品產(chǎn)生影響。應(yīng)變掃描范圍0.01%～100%，頻率0.1Hz。以下動(dòng)態(tài)小振幅流變實(shí)驗(yàn)皆在線性粘彈區(qū)進(jìn)行，測(cè)定不同掃描程序下凝膠的儲(chǔ)能模量（G′）、損耗模量（G″）和損耗正切（tanδ）等流變學(xué)性質(zhì)的變化。脫脂乳的凝乳時(shí)間定義為儲(chǔ)能模量達(dá)到0.5Pa時(shí)的時(shí)間。

1.2.2.1 不同溫度對(duì)生姜蛋白酶凝膠流變學(xué)性質(zhì)的影響 將脫脂乳分別加熱至55、60、65℃，加入酶液（4.3μL/mL脫脂乳）后進(jìn)行恒溫掃描。程序如下：設(shè)定溫度分別為55、60、65℃、應(yīng)變1%、頻率0.1Hz，測(cè)定2h時(shí)凝膠的G′、G″和tanδ。

1.2.2.2 不同升溫速率對(duì)生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)的影響 向脫脂乳中加入酶液（4.3μL/mL脫脂乳）后分別進(jìn)行溫度掃描，測(cè)定凝膠的G′、G″和tanδ隨溫度的變化。程序如下：分別以0.5、1.0、1.5℃/min從45℃加熱至80℃，應(yīng)變1%、頻率0.1Hz。

1.2.2.3 冷卻過(guò)程對(duì)生姜蛋白酶凝膠流變學(xué)性質(zhì)的影響 在1.2.2.2實(shí)驗(yàn)后對(duì)凝膠進(jìn)行冷卻溫度掃描，觀測(cè)冷卻過(guò)程凝膠的G′、G″和tanδ隨溫度的變化。程序如下：以2℃/min的冷卻速率冷卻至5℃，應(yīng)變1%、頻率0.1Hz。

1.2.2.4 冷藏對(duì)生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)的影響 對(duì)1.2.2.3所得凝膠進(jìn)行時(shí)間掃描，以確定凝膠的G′、G″和tanδ在冷藏條件下隨時(shí)間的變化，程序如下：溫度5℃、應(yīng)變1%、頻率0.1Hz。

1.3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為測(cè)定結(jié)果的平均值，方差分析采用SPSS 16.0數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件，顯著水平為95%（p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變對(duì)生姜蛋白酶凝膠流變性質(zhì)的影響

凝膠的流變學(xué)性質(zhì)通常具有對(duì)振動(dòng)應(yīng)變的依賴性，但在線性黏彈區(qū)域動(dòng)態(tài)模量對(duì)應(yīng)變沒有依賴性。當(dāng)應(yīng)變超過(guò)閾值時(shí)儲(chǔ)能模量開始下降，樣品開始流動(dòng)[5]。在非線性形變中，結(jié)構(gòu)成分間形成的鍵斷裂，在實(shí)驗(yàn)條件下不能恢復(fù)到原始狀態(tài)，如果施加更大的應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)材料則會(huì)破裂，比如材料中某一平面的鍵全部斷裂。在凝膠的線性黏彈區(qū)域，能夠維持一定的平衡狀態(tài)，使拉伸的鍵回復(fù)到原始狀態(tài)[6]。用生姜蛋白酶制作的乳凝膠（生姜蛋白酶凝乳）也具有這樣的性質(zhì)（圖1），當(dāng)施加的應(yīng)變小于5%時(shí)，儲(chǔ)能模量保持在21.0Pa左右，這與Whittle和Dickison[7]觀測(cè)的凝膠的線性黏彈區(qū)域一致。

圖1 生姜蛋白酶凝膠的儲(chǔ)能模量隨應(yīng)變的變化曲線圖Fig.1 Curve of storage modulus of ginger protease-induced milk gels by strain

2.2 溫度對(duì)生姜蛋白酶凝膠流變學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 不同溫度對(duì)生姜蛋白酶凝膠流變學(xué)性質(zhì)的影響 表1為不同溫度下生姜蛋白酶促使脫脂乳形成凝膠的流變學(xué)性質(zhì)。凝乳溫度對(duì)凝膠的流變學(xué)參數(shù)具有顯著影響，隨凝乳溫度的升高儲(chǔ)能模量增高，溫度高于60℃時(shí)沒有顯著差異（p＞0.05）。損耗模量和損耗正切值隨溫度的升高顯著下降。

表1 溫度對(duì)生姜蛋白酶凝乳黏彈性質(zhì)的影響Table 1 Effect of temperature on the viscoelastical properties of skim milk gel

2.2.2 不同升溫速率對(duì)生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)的影響 圖2為從45℃以不同速率升溫至80℃的過(guò)程中生姜蛋白酶凝乳的流變圖。凝膠曲線顯示加熱速率對(duì)凝膠的最終強(qiáng)度有顯著影響，加熱速率越小，終端凝膠的儲(chǔ)能模量越高，0.5℃/min制作的凝膠強(qiáng)度是1.0℃/min的1.5倍，約為1.5℃/min制作的凝膠強(qiáng)度的4倍。以1.0℃/min加熱速率制作的凝膠，儲(chǔ)能模量的增加速度（1.62Pa）比0.5℃/min（0.86Pa）和1.5℃/min（0.67Pa）時(shí)的增加速度高。另外，生姜蛋白酶的凝乳活力在60℃以下較低，因此導(dǎo)致以0.5℃/min加熱速率制作凝膠時(shí)其硬度增加速率較低。

2.3 冷卻過(guò)程對(duì)生姜蛋白酶凝膠流變學(xué)性質(zhì)的影響

圖3為生姜蛋白酶凝乳的儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切在冷卻過(guò)程中的變化。生姜蛋白酶凝乳的儲(chǔ)能模量和損耗模量隨溫度降低不斷增大，乳清分離蛋白－交聯(lián)糯玉米淀粉混合粉和馬鈴薯淀粉－濃縮亞麻子蛋白混合粉形成的凝膠在降溫過(guò)程中也呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)[8]。Oh等[9]報(bào)道添加淀粉或未加淀粉的酸凝乳凝膠也具有類似的性質(zhì)。該性質(zhì)是降溫過(guò)程中疏水相互作用降低導(dǎo)致顆粒和蛋白纖絲間的接觸面積增大引起的[10]。

圖2 不同升溫速率對(duì)生姜蛋白酶凝乳過(guò)程流變學(xué)性質(zhì)的影響Fig.2 Effect of different heating rate on Rheogram of skim milk coagulation induced by ginger protease

圖3 冷卻過(guò)程對(duì)生姜蛋白酶凝乳儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切的影響Fig.3 Effect of cooling down process on the storage modulus

不同尋常的是，生姜蛋白酶凝乳的損耗正切值開始隨溫度降低而增大，在45℃左右時(shí)損耗正切值最大，之后則迅速降低，溫度進(jìn)一步降低至20℃以下時(shí)損耗正切逐漸趨于平緩。冷卻結(jié)束時(shí)的損耗正切值比冷卻起始時(shí)稍高。冷卻的起始溫度（80℃或60℃）對(duì)冷卻結(jié)束時(shí)生姜蛋白酶凝乳的損耗正切值沒有顯著影響（p＝0.057＞0.05）。損耗正切增大表明生姜蛋白酶凝乳中的鍵更易于發(fā)生遲豫，凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行重排的可能性增大[11]。

圖4 生姜蛋白酶凝乳在5℃下的儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切隨時(shí)間變化的流變圖Fig.4 Rheologram of storage modulus,loss modulus,and tanδ as a function of time at 5℃for skim milk gel

2.4 冷藏對(duì)生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)的影響

圖4是5℃下冷藏過(guò)程中生姜蛋白酶凝乳流變學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間變化的流變圖。生姜蛋白酶凝乳在冷藏過(guò)程中其儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切隨著溫度的降低不斷降低，經(jīng)過(guò)2h的冷藏后變化比較平穩(wěn)。損耗正切降低表明鍵的重排趨勢(shì)降低，可以看出低溫下由于凝膠中蛋白質(zhì)間形成鍵的遲豫降低，這是由于低溫下酪蛋白分子和顆粒的熱運(yùn)動(dòng)降低引起的。疏水相互作用和靜電斥力等分子間非共價(jià)鍵的作用力隨溫度降低而減小，而氫鍵隨溫度的降低而增加[12]。疏水相互作用和靜電斥力降低使酪蛋白微粒間的接觸面積增大，蛋白間的相互作用增加，這可能促進(jìn)了分子間氫鍵的形成，氫鍵較疏水相互作用和靜電作用大，所以在低溫下對(duì)凝膠結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定作用。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明生姜蛋白酶在凝乳過(guò)程中的流變學(xué)性質(zhì)的變化趨勢(shì)與小牛皺胃酶相似，高溫沒有改變凝乳曲線的特征。動(dòng)態(tài)升溫能夠使脫脂乳形成強(qiáng)度較高的質(zhì)地，升溫速率較快時(shí)生姜蛋白酶水解κ-酪蛋白的時(shí)間較短，凝膠的最終強(qiáng)度較低，升溫速率較慢時(shí)（0.5℃/min），凝膠強(qiáng)度的增加速度減小，雖然能夠得到足夠強(qiáng)度的凝膠，但凝乳時(shí)間耗費(fèi)較長(zhǎng)。冷藏過(guò)程中儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切降低，經(jīng)過(guò)2h趨于平穩(wěn)。因此脫脂乳凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在低溫具有更高的穩(wěn)定性。

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Effect of different process parameters on the rheological properties of ginger protease-induced milk gels

FAN Jin-bo1，HOU Yu1，HUANG Xun-wen2，ZHOU Su-zhen1，F(xiàn)ENG Xu-qiao1，*
（1.Food Science Research Institute of Bohai University，F(xiàn)ood Safety Key Lab of Liaoning Province，Jinzhou 121013，China；2.College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Ginger protease with milk coagulating activity was isolated from ginger root.The rheological properties of ginger protease inducing skim milk gels were investigated.Also the processing conditions at a dynamic heating pattern for making skim milk gel and its physicochemical variation during cold storage were assayed. The results showed that storage modulus of ginger protease inducing skim milk gel were high at temperatures over 60℃.The rate of increase in storage modulus of skim milk gel made at a heating rate of 1℃/min from 45℃to 80℃was the highest.During the cooling process，storage modulus of milk gel increased significantly，and there was a peak value at 45℃for loss tangent value and tended to be constant below 20℃.The storage modulus，loss modulus，and loss tangent of milk gel gradually decreased during cold storage，and stabilized after 2h storage.These results showed that dynamic heating pattern enabled the ginger protease to form skim milk gel with high gel strength and cold storage stabilized the milk gel.

ginger protease；gels；rheological properties

TS255.1

A

1002-0306（2014）14-0143-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.023

2013－10－25 *通訊聯(lián)系人

范金波（1977-），男，博士，講師，主要從事食品生物化學(xué)方面的研究。

遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目（LNSAKF2013017）。