肖連冬,程爽,李杰
大豆分離蛋白起泡性和乳化性影響因素的研究
肖連冬,程爽,李杰
(南陽理工學院生物與化學工程學院,河南南陽473004)
大豆分離蛋白的乳化性和起泡性與蛋白質(zhì)、NaCl、卡拉膠、蔗糖和山梨酸鉀含量、pH值、加熱溫度等密切相關(guān)。蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度分別為2.0g/100mL和2.5g/100mL時,大豆分離蛋白乳化性和起泡性分別達到最大值;遠離pH4.5,大豆分離蛋白起泡性和乳化性增加;加熱溫度45℃時起泡性最好,而乳化性最差;氯化鈉、卡拉膠、山梨酸鉀添加量分別為1.00g/100mL、0.20g/100mL、0.08g/100mL時,起泡性和乳化性好;添加蔗糖會使蛋白質(zhì)的起泡性下降,而蔗糖添加量6.0g/100mL時乳化性好。
大豆分離蛋白;乳化性;起泡性;影響因素
大豆分離蛋白是一種優(yōu)質(zhì)天然植物蛋白,目前被廣泛應(yīng)用于食品加工的各個領(lǐng)域,一方面是由于大豆蛋白質(zhì)自身豐富的營養(yǎng)價值,另一方面是由于大豆分離蛋白具有許多優(yōu)良的功能特性。起泡性和乳化性是大豆分離蛋白的兩個重要性質(zhì)。凡是影響大豆蛋白內(nèi)在結(jié)構(gòu)及其聚集狀態(tài)的因素,必然影響其起泡性能,所以,除蛋白質(zhì)內(nèi)在屬性外,其他一些外在因素及與其他食品組分間相互作用,對起泡性能也有影響;大豆分離蛋白屬于典型的氨基酸型表面活性劑,在實際應(yīng)用中則表現(xiàn)出乳化功能,能使脂肪和水形成穩(wěn)定的乳膠體系[1-2]。
蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)與蛋白質(zhì)在食品體系中的用途有著十分密切的關(guān)系,而在實際食品生產(chǎn)加工過程中,蛋白質(zhì)功能特性的運用和發(fā)揮受許多因素的影響[3]。實際應(yīng)用表明,一種大豆分離蛋白難于同時兼具多種功能特性,而生產(chǎn)上需求的卻是具有專項最佳功能或兼具某幾種功能平衡點的產(chǎn)品[4]。
本實驗對影響大豆分離蛋白乳化性和起泡性的外在因素如溫度、pH、離子強度及食品添加劑的使用等進行研究,以期尋求兼具兩種功能特性的大豆分離蛋白在食品加工中應(yīng)用及與外界影響因素間的密切關(guān)系,為大豆分離蛋白在食品工業(yè)上的具體應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1.1 材料與試劑
大豆分離蛋白(蛋白質(zhì)含量為91.94%):北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司;福臨門一級大豆色拉油:北海糧油工業(yè)(天津)有限公司;卡拉膠:石獅瓊脂副食品加工廠;山梨酸鉀:王龍集團有限公司;蔗糖:市售。
1.2 儀器與設(shè)備
TCL-16高速臺式離心機:上海醫(yī)用分析儀器廠;BS-210S電子天平:北京塞多利斯天平有限公司;85-1磁力攪拌器:蘇州江東精密儀器有限公司;pH-3C精密PH計:上海精密科學儀器有限公司;HHS21-4電熱恒溫水浴鍋:上海躍進醫(yī)療器械廠;D120-2F電動攪拌機:杭州儀表電機廠。
1.3 試驗方法
1.3.1 起泡性、乳化性測定方法[5]
起泡性測定:將一定濃度的大豆蛋白溶液5mL置于刻度試管中,激烈振蕩3min,立即記錄溶液上部出現(xiàn)的泡沫體積,試驗重復3次,取平均值,按下式計算起泡性。
乳化性測定:量取5mL大豆分離蛋白溶液,加入5mL色拉油攪拌1min,形成乳化液,再以2 500r/min離心5min,測量離心管中乳化液體積,試驗重復3次,取平均值,按照下式計算乳化性。
1.3.2 蛋白質(zhì)含量測定方法
用于測定原料中蛋白質(zhì)的含量。采用凱氏定氮法,參照文獻[6]進行。
2.1 蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響
在室溫下將大豆分離蛋白分別配制成質(zhì)量濃度為1.0g/100mL、1.5g/100mL、2.0g/100mL、2.5g/100mL、3.0g/100mL的溶液各5mL,劇烈振蕩3min,立即記錄溶液上部出現(xiàn)的泡沫體積,計算出起泡性。待泡沫消去后,分別加入5mL色拉油攪拌1min,2 500r/min離心5min,分別測定離心管中乳化層的體積,計算出乳化性,結(jié)果見圖1。
圖1 蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響Fig.1 Effect of protein mass concentration on foaming properties and emulsifying properties of SPI
由圖1可知,在蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為1.0~2.5g/100mL時,起泡性隨蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度增加而增大,在蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為2.5g/100mL時起泡性最大,超過2.5g/100mL以后趨于平穩(wěn)。這是因為隨著蛋白質(zhì)量濃度的增加,蛋白質(zhì)聚集狀態(tài)的改變,產(chǎn)生了較小的氣泡和較硬的泡沫,發(fā)泡力會有所提高,當其質(zhì)量濃度達到一定數(shù)值時,蛋白質(zhì)間相互作用導致形成較厚的吸附膜,對泡沫的穩(wěn)定有益。
在蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為1.0~2.0g/100mL時,乳化性逐漸升高,在2.0g/100mL時達到最高,2.0~2.5g/100mL乳化性略有所下降,在2.5g/100mL后變化不大。大豆分離蛋白屬于氨基酸型表面活性劑,具有一定乳化能力,能使脂肪和水形成穩(wěn)定的乳膠體系[7]。能形成穩(wěn)定膠束的乳化劑(蛋白質(zhì))最低濃度稱為臨界膠團濃度,當?shù)鞍踪|(zhì)質(zhì)量濃度低時(臨界膠團濃度以下),隨著蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度升高,表面張力減小,乳化性增加,當質(zhì)量濃度上升到一定程度時(臨界膠團濃度),蛋白質(zhì)分子進行自聚集,形成膠團,乳化性更高,當乳液達到一定濃度后,乳化性不再升高。膠團并非一成不變的剛性結(jié)構(gòu),會解體和重新生成,過高的蛋白質(zhì)含量可能會影響膠團的穩(wěn)定使其乳化性有所降低。
2.2 pH值對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響
在室溫下取質(zhì)量濃度為2.0g/100mL的蛋白質(zhì)溶液,分別調(diào)節(jié)pH值為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0,激烈振蕩3min,測定其起泡性。待泡沫消去后,分別加入5mL色拉油攪拌1min,2 500r/min離心5min,測定其乳化能力,結(jié)果見圖2。
圖2 pH值對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響Fig.2 Effect of pH on foaming properties and emulsifying properties of SPI
由圖2可知,pH值對大豆分離蛋白起泡性和乳化性影響情況相似。pH值在等電點4.5(大豆中大多數(shù)蛋白質(zhì)等電點在pH4.5)時,其起泡性和乳化性均為最小,遠離等電點兩側(cè)呈上升趨勢。這是因為蛋白質(zhì)的乳化性和起泡性均與其溶解度有關(guān)。
對起泡性而言,只有可溶性蛋白將參與泡沫的形成,在等電點處可溶性蛋白濃度很低,形成的泡沫量也將很少。但這些不溶性蛋白吸附到界面上則有利于泡沫的穩(wěn)定,這可能是由于增加了蛋白膜上的黏性力。當大于或小于等電點時,蛋白質(zhì)由于帶電荷,在水中的溶解度增加,起泡性增加。
對乳化性而言,真正起到乳化作用的是可溶性蛋白質(zhì)。在pH值4.5時,蛋白質(zhì)的靜電荷為零,溶解度最低,乳化性達到最低,遠離等電點時蛋白質(zhì)的溶解度增大,參與乳化作用的蛋白質(zhì)分子就越多,從而增強油/水界面之間的薄膜的形成,且?guī)в须姾?,防止或減緩液滴絮凝和聚結(jié),乳化性逐漸上升[8]。
圖2結(jié)果表明,在pH值大于4.5后,大豆分離蛋白起泡性和乳化性隨pH值的增加而增加,pH值為6.0時,起泡性和乳化性最大。
2.3 溫度對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響
在pH值自然,不加離子,蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為2.0g/100mL,分別在40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃不同加熱溫度下,測定其起泡性和乳化性,結(jié)果見圖3。
圖3 溫度對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響Fig.3 Effect of temperature on foaming properties and emulsifying properties of SPI
由圖3可知,在測定的溫度范圍內(nèi),起泡性先增后降,最后趨于平衡。溫度低于45℃之前,隨著溫度的升高,蛋白質(zhì)水溶性增大,起泡性隨溫度的升高而增大,至45℃時達到最大值,溫度高于45℃時,起泡性先迅速下降后逐步變緩,因隨著加熱溫度的提高,蛋白質(zhì)的四、三、二級結(jié)構(gòu)均遭到破壞,變性作用不再可逆,疏水性增加,此時蛋白質(zhì)與水的作用大大減弱,這使得蛋白質(zhì)的溶解度劇烈下降,蛋白質(zhì)的起泡特性也會變差。
對于乳化性來講,在40~45℃的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢,在45℃之后隨溫度的升高而上升,到60℃時達到最大值。大于60℃后隨著溫度的升高,蛋白質(zhì)開始變性,其高級結(jié)構(gòu)適當展開,不但鏈節(jié)變得更加柔順,且暴露更多的憎水基團,使蛋白質(zhì)分子呈有序排列,更易吸附在界面上,從而提高了蛋白質(zhì)的乳化性質(zhì)[9]。
2.4 離子強度對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響
在pH自然,蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為2.0g/100mL,氯化鈉的質(zhì)量濃度分別為0.25g/100mL、0.50g/100mL、1.00g/100mL、2.00g/100mL、3.00g/100mL的條件下,室溫下分別測定其起泡性和乳化性,結(jié)果見圖4。
圖4 氯化鈉加量對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響Fig.4 Effect of NaCl addition on foaming properties and emulsifying properties of SPI
由圖4可知,NaCl質(zhì)量濃度對蛋白質(zhì)的起泡性和乳化活性的影響相似,在氯化鈉質(zhì)量濃度低于1.00g/100mL時,起泡性隨著氯化鈉質(zhì)量濃度的升高而呈上升趨勢,在1.00g/100mL時達到最高,之后呈下降趨勢。氯化鈉質(zhì)量濃度較低時蛋白質(zhì)乳化性隨其質(zhì)量濃度的增加而增大,氯化鈉質(zhì)量濃度超過1.00g/100mL后稍降。離子強度對蛋白質(zhì)的起泡性和乳化活性的影響相似主要取決于蛋白質(zhì)在鹽溶液中的溶解度特性。適當增加NaCl質(zhì)量濃度對蛋白質(zhì)有鹽溶作用,但高離子強度會對蛋白質(zhì)產(chǎn)生靜電屏蔽作用,從而降低蛋白質(zhì)在水中的溶解度,最終導致蛋白質(zhì)起泡性和乳化性的降低[10]。
2.5 卡拉膠質(zhì)量濃度對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響
在pH自然,蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為2.0%,卡拉膠的質(zhì)量濃度分別為0.1g/100mL、0.2g/100mL、0.3g/100mL、0.4g/100mL、0.5g/100mL的條件下,室溫條件下分別測定其起泡性和乳化性,其結(jié)果見圖5。
圖5 卡拉膠添加量對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響Fig.5 Effect of carrageenan addition on foaming properties and emulsifying properties of SPI
由圖5可知,卡拉膠質(zhì)量濃度為0.1~0.2g/100mL時,大豆分離蛋白的起泡性和乳化性隨著卡拉膠質(zhì)量濃度的增高而增大,在卡拉膠質(zhì)量濃度為0.2g/100mL時達到最大值,卡拉膠質(zhì)量濃度超過0.2g/100mL后,其起泡性和乳化性隨卡拉膠質(zhì)量濃度的增高而減小。
卡拉膠是由半乳糖及脫水半乳糖通過α-1,3糖苷鍵和β-1,4鍵交替連接而成的含有硫酸酯基團的高分子線性多糖,結(jié)構(gòu)中的硫酸酯具有強陰離子性,加之空間結(jié)構(gòu),顯示其與蛋白質(zhì)(帶電基團)的反應(yīng)性[11],因此卡拉膠的加入會對蛋白質(zhì)的特性產(chǎn)生影響,這種影響受蛋白質(zhì)的等電點、體系pH、卡拉膠的加量等的變化而變化[12]。
2.6 蔗糖質(zhì)量濃度對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響
在pH自然,蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為2.0g/100mL,選擇蔗糖的質(zhì)量濃度分別為2.0g/100mL、4.0g/100mL、6.0g/100mL、8.0g/100mL、9.0g/100mL,室溫條件下測定其起泡性和乳化性,結(jié)果見圖6。
圖6 蔗糖添加量對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響Fig.6 Effect of saccharose addition on foaming properties and emulsifying properties of SPI
蔗糖質(zhì)量濃度對大豆分離蛋白的起泡性有一定的影響,隨著蔗糖質(zhì)量濃度的不斷提高,其蛋白質(zhì)的起泡性逐漸下降。這是由于隨著蔗糖質(zhì)量濃度逐漸增大,相對黏度整體增加,蛋白質(zhì)分子在界面上時較難展開[13],因此降低了蛋白質(zhì)在攪打時產(chǎn)生大的界面面積和泡沫體積的能力,造成蛋白質(zhì)的起泡性下降。
蔗糖質(zhì)量濃度在2.0~6.0g/100mL范圍內(nèi),隨著蔗糖質(zhì)量濃度的提高,其乳化性隨之提高,可能因為蔗糖的添加改變了水相介質(zhì)的流變特性[14-15],增加了體系的黏稠度,從而提高其乳化性,并在蔗糖質(zhì)量濃度為6.0g/100mL時,乳化性達到最大值,但當蔗糖質(zhì)量濃度>6.0g/100mL,其乳化性隨之下降,可能較高的糖濃度對水分的的爭奪,造成蛋白質(zhì)溶解度降低,乳化性下降。
2.7 山梨酸鉀質(zhì)量濃度對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響
在蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為2.0g/100mL,分別調(diào)節(jié)山梨酸鉀的質(zhì)量濃度為0.02g/100mL、0.05g/100mL、0.08g/100mL、0.10g/100mL、0.12g/100mL,室溫條件下測定其起泡性和乳化能力,結(jié)果見圖7。
圖7 山梨酸鉀添加量對大豆分離蛋白起泡性和乳化性的影響Fig.7 Effect of potassium sorbate addition on foaming properties and emulsifying properties of SPI
由圖7可知,山梨酸鉀的質(zhì)量濃度對于大豆分離蛋白的起泡性和乳化性均有影響,在山梨酸鉀質(zhì)量濃度為0.02~ 0.08g/100mL時,其隨著山梨酸鉀濃度升高而增加,并在質(zhì)量濃度為0.08g/100mL時達到最高,之后隨山梨酸鉀濃度升高而呈下降趨勢。山梨酸鉀最大用量不超過0.1g/100mL。
在食品生產(chǎn)加工過程中,蛋白質(zhì)功能特性的運用和發(fā)揮受許多因素的影響。通過對大豆分離蛋白的起泡性和乳化性影響因素試驗可以看出,蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度、加熱溫度、pH值、離子強度、卡拉膠質(zhì)量濃度、蔗糖添加量以及山梨酸鉀使用量對大豆分離蛋白的起泡性和乳化性均有不同程度影響。蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度分別為2.0g/100mL和2.5g/100mL時,大豆分離蛋白乳化性和起泡性分別達到最大值;遠離pH4.5,大豆分離蛋白起泡性和乳化性增加;加熱溫度45℃,起泡性最好,而乳化性最低;氯化鈉、卡拉膠、山梨酸鉀添加量分別為1.00g/100mL、0.2g/100mL、0.08g/100mL時,起泡性和乳化性好;添加蔗糖會使蛋白質(zhì)的起泡性下降,而蔗糖加量6.0g/100mL時乳化性好。因此,在實際應(yīng)用中需要兼具大豆分離蛋白的乳化性和起泡性時,應(yīng)綜合考慮這些因素,尋求功能特性平衡點,使蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)在產(chǎn)品中發(fā)揮其最大優(yōu)勢,以提高產(chǎn)品質(zhì)量。
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Influence factors of foaming properties and emulsifying properties of soybean protein isolate
XIAO Liandong,CHENG Shuang,LI Jie
(Department of Biology and Chemical Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China)
The foaming properties and the emulsification capabilityof soybean protein isolate(SPI)were closelyrelated to protein content,NaCl content, carrageenan content,sucrose content,potassium sorbate content,pH,heating temperature and so on.The emulsification capability and foaming properties of SPI reached the maximum when the protein content was 2.0g/100ml and 2.5g/100ml,respectively.The pH far from 4.5,the emulsifying properties and foaming properties increased.When the heating temperature was 45℃,the emulsifying property was the best and the foaming property was the worst.The optimum formula for SPI was NaCl 1.00g/100ml,carrageenan 0.2g/100ml,and potassium sorbate 0.08g/100ml,under such condition,the emulsifying properties and foaming properties were the best.Sucrose addition could decrease the foaming properties of SPI.However, 6.0g/100ml addition of sucrose could evidently improve the emulsifying properties of SPI.
soybean protein isolate;emulsifying properties;foaming properties;influence factors
TS214.2
A
0254-5071(2014)04-0083-04
10.3969/j.issn.0254-5071.2014.04.020
2014-03-02
河南省教育廳項目(201211653011)
肖連冬(1964-),女,教授,碩士,研究方向食品生物技術(shù)。