蛋白酶對豆乳凝膠過程流變學性質(zhì)的影響研究

劉 賀 庚 平 李 君 朱丹實慧麗娟 王 勃 何余堂 馬 濤

（渤海大學化學化工與食品安全學院1，錦州 121013）（遼寧省高校重大科技平臺食品貯藏加工及質(zhì)量安全控制工程技術研究中心2，錦州 121013）

蛋白酶對豆乳凝膠過程流變學性質(zhì)的影響研究

劉 賀1，2庚 平1李 君1朱丹實1，2慧麗娟1，2王 勃1，2何余堂1，2馬 濤1，2

（渤海大學化學化工與食品安全學院1，錦州 121013）（遼寧省高校重大科技平臺食品貯藏加工及質(zhì)量安全控制工程技術研究中心2，錦州 121013）

研究了4種蛋白酶對豆乳凝膠性質(zhì)的影響。通過流變學恒溫定量比較結果表明：菠蘿蛋白酶和堿性蛋白酶都具有凝膠能力，凝膠彈性模量（G′）最高可達10.28 Pa和5.27 Pa。升溫可使菠蘿蛋白酶、木瓜蛋白酶豆乳體系G′增強；且在40℃時，加入130 U／mL菠蘿蛋白酶其豆乳體系G′達到最大值8.37 Pa；木瓜蛋白酶在高溫下顯示較強的凝膠能力；高溫90℃時，含量較低的堿性蛋白酶（70 U／mL）豆乳體系G′達到最大值11.34 Pa；在豆乳體系中加入少量中性蛋白酶，其體系G′隨著溫度的升高先增強后降低，高添加量則相反。振蕩頻率掃描結果表明，不同體系G′均隨頻率的增加而增強，蛋白酶凝膠能力與其添加量有關。

蛋白酶 豆乳 凝膠 流變 彈性模量

大豆作為植物油和蛋白重要來源，是世界上最重要的油料作物［1］，也是我國主要經(jīng)濟作物之一。隨著大豆優(yōu)異的營養(yǎng)價值、功能性質(zhì)以及生理活性越來越多地被認可和發(fā)掘，近年來大豆及豆制品在全球范圍內(nèi)受到了廣泛的關注。豆乳被譽為是第二代牛乳，可用來制作豆乳酸奶、冰激凌、植物干酪等食品［2］，傳統(tǒng)豆腐加工一般采用鹽類凝固劑和酸凝固劑（如葡萄糖－δ－酸內(nèi)酯），酶類凝固劑使用較為少見。但鹽類凝固劑和酸凝固劑制得的產(chǎn)品存在一些問題，例如用鹵鹽制作的豆腐具有極佳的風味，但是豆腐持水性差，而且產(chǎn)品放置時間不宜過長；用石膏做成的豆腐保水性能好，組織光滑細膩，出品率高，但制品有一定的殘渣而帶有苦澀味，缺乏大豆香味；由內(nèi)酯做成的豆腐品質(zhì)較好，質(zhì)地滑潤爽口，彈性大，持水性好，但口味平淡，偏軟，不適合煎炒，且略帶酸味［3］。酶法凝固豆乳能夠獲得較好的凝塊，口感細膩，條件較鹽類凝固溫和，容易控制［4］。更重要的是，酶類凝固劑還會在后期對大豆蛋白進行持續(xù)降解，從而降低硬度，改善口感［5］，是制備新型大豆食品的優(yōu)良凝固劑。

已有研究表明，一些蛋白酶具有凝固豆乳的能力，不同的蛋白酶可能存在不同程度的肽鍵選擇特異性，其作用效果也各不相同［6－9］。國外對豆乳凝固酶的研究較國內(nèi)早些，F(xiàn)uka等［10］和Matsuoka等［11］報道菠蘿蛋白酶可促使大豆蛋白質(zhì)凝固。Katsumi等［7］提出了某些商品微生物蛋白酶制劑具有使大豆蛋白質(zhì)膠凝的功效，而國內(nèi)對此研究較少。根據(jù)酶催化反應的一般原理，通過改變加酶量可以對酶反應速度進行有效的調(diào)控。因此，若能篩選出具有較高的促進豆乳凝膠能力的蛋白酶并確定酶用量，就可能將其作為新型豆乳凝固劑。目前對于豆乳凝固酶的凝固能力沒有一個統(tǒng)一的評價標準，一般都是以凝固時間的長短來衡量凝乳能力的大小，這評價不夠全面，還應從凝膠強度和彈性模量等流變學的角度來考察凝乳效果。因此需建立蛋白酶凝固豆乳流變學性質(zhì)的研究方法，從而完善其凝固能力評價標準［12］。本研究比較了不同蛋白酶對豆乳體系流變性質(zhì)的影響，并對不同蛋白酶之間酶促大豆蛋白形成凝乳過程的差異性進行研究。我國的大豆資源十分豐富，利用豆乳凝固酶開發(fā)新型的乳制品具有十分廣闊的應用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆：錦州市售優(yōu)質(zhì)黃豆；葡萄糖－δ－酸內(nèi)酯（GDL）食品級：上海洛洛食品添加劑有限公司；菠蘿蛋白酶（500 000 U／g）、木瓜蛋白酶（650 000 U／g）：南寧龐博生物工程有限公司；堿性蛋白酶（200 000 U／g）、中性蛋白酶（70 000 U／g）：北京鴻潤寶順科技有限公司。

1.2 主要儀器

DHR－1流變儀：美國TA公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 豆乳的制備

挑選優(yōu)質(zhì)大豆，稱取一定量大豆，清洗后加3倍蒸餾水于室溫下浸泡12 h，然后用干豆總量6倍的水磨漿（磨漿所用的水量扣除干豆所吸收的水分），得到的生漿經(jīng)200目濾布雙層過濾2次，之后加熱到95℃保持10 min，然后迅速放入冰水中冷卻，4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 4種蛋白酶促使豆乳膠凝能力的比較

將50mL豆乳加入到100mL燒杯中，在40℃的溫度下水浴保溫1 h，然后加入蛋白酶使其最終含量90 U／mL，攪拌均勻，將形成的混合液迅速加入流變儀的樣品臺進行流變性質(zhì)測定。流變分析參數(shù)設定：夾具40 mm平行板；平行板間隙500μm；加樣量1.0 mL；恒溫40℃；頻率掃描參數(shù)：頻率1 Hz，應力1.0 Pa。

1.3.3 升溫過程中對凝膠體系彈性模量的影響

將經(jīng)過預熱的豆乳分別與4種蛋白酶混合，蛋白酶添加量均為70、90、110、130 U／mL，將混合液迅速加入流變儀的樣品平臺進行流變性質(zhì)測定，流變分析參數(shù)設定：夾具40 mm平行板；樣品間隙1 000 μm；震蕩掃描參數(shù)：升溫掃描，40～90℃，10℃／min，頻率1.0 Hz，應力1.0 Pa。

1.3.4 掃描頻率對彈性模量的影響

將經(jīng)過預熱的豆乳分別與4種蛋白酶混合，蛋白酶添加量均為70、90、110、130 U／mL，將混合好的樣品溶液迅速加入流變儀的樣品臺進行流變性質(zhì)測定。流變分析參數(shù)設定：夾具40 mm平行板；樣品間隙500μm；加樣量1.0 mL；恒溫40℃；頻率掃描參數(shù)：頻率0.01～1 Hz，應力1.0 Pa。

2 結果與討論

2.1 蛋白酶使豆乳膠凝能力的比較

為比較4種蛋白酶促進豆乳凝膠作用的強弱，測定在恒溫40℃，相同蛋白酶添加量條件下，酶與豆乳中大豆蛋白質(zhì)反應1 h過程中體系流變性質(zhì)的動態(tài)變化如圖1。反應至60 min后豆乳凝膠的流變學性質(zhì)見表1。

圖1 蛋白酶－豆乳體系彈性模量隨時間的變化

表1 60 min時蛋白酶－豆乳凝膠的流變參數(shù)

G′為彈性模量，代表彈性部分，G′越高，樣品的彈性越好，凝膠性質(zhì)越好；G″為損耗模量，代表黏性部分。tgδ＝G″／G′，tgδ越大則體系表現(xiàn)為流體特征，反之則體系表現(xiàn)為固體特征，一般以tgδ＝1為界限［13］。如表1可知，在恒溫40℃，60 min時，豆乳－菠蘿蛋白酶和豆乳－堿性蛋白酶2種混合體系G′均大于G″，體系形成凝膠。由圖1可知，菠蘿蛋白酶豆乳體系隨著時間的延長彈性模量顯著增加，所形成的凝膠強度最高。Fuke等［11］研究表明，大豆11S球蛋白是蛋白酶凝固豆乳過程中起凝膠作用的主要物質(zhì)，并推測疏水相互作用和二硫鍵可能對蛋白酶凝固豆乳形成凝膠起一定的作用。堿性蛋白酶豆乳體系彈性模量隨著時間的延長先呈增加趨勢，但始終低于菠蘿蛋白酶。這是因為在短時間內(nèi)，豆乳中的大豆蛋白在堿性蛋白酶（90 U／mL）的作用下部分水解造成蛋白質(zhì)表面疏水性的增加，導致大豆蛋白以11S為骨架，形成蛋白質(zhì)分子球，小的蛋白球再聚集形成大的“蛋白球群”，最后這些蛋白球群相互連接形成網(wǎng)絡結構成為凝膠。在蛋白球的聚集過程中，分子間氫鍵作用增強，使凝膠強度增強并穩(wěn)定凝膠結構。隨著時間的延長，大豆蛋白的過度水解，難以形成凝膠，則彈性模量逐漸下降。而木瓜蛋白酶和中性蛋白酶豆乳體系在相同條件下，蛋白酶的水解能力始終大于凝乳能力，所以豆乳沒有形成凝膠，體系彈性模量較小。

2.2 升溫過程對凝膠體系彈性模量的影響

如圖2所示，升溫過程中，菠蘿蛋白酶豆乳體系的彈性模量隨著溫度的升高而增加，木瓜蛋白酶豆乳體系在高溫條件下彈性模量顯著增加，堿性蛋白酶和中性蛋白酶豆乳凝膠體系，溫度變化對不同蛋白酶含量的豆乳體系影響不同，絕大部分樣品的彈性模量始終遠遠大于損耗模量，且彈性模量可以更好地反饋凝膠形成的過程，因此本研究主要觀察分散體系的彈性模量［14］。

如圖2a所示，在55℃之后，菠蘿蛋白酶豆乳體系彈性模量緩慢增加，且菠蘿蛋白酶加入量越大，體系彈性模量越大。這是由于菠蘿蛋白酶適宜水解溫度范圍為40～60℃，適宜凝豆乳溫度范圍在70～80℃。蛋白質(zhì)肽鏈的水解是豆乳凝固的前提，蛋白酶作用使肽鏈斷裂，蛋白質(zhì)空間結構發(fā)生變化，隨后斷裂的肽鏈在酶的作用下重新結合［15］，并通過二硫鍵和疏水相互作用形成凝膠。如圖2b所示，木瓜蛋白酶豆乳體系在40～80℃之間，其彈性模量趨于平行。在80℃以后，其系彈性模量顯著增加，加入量90 U／mL時凝膠體系彈性模量增加最快。原因是木瓜蛋白酶是一種耐熱性的酶，最適凝乳溫度較其它蛋白酶高（一般為70～90℃），當溫度達到90℃，大豆蛋白暴露出更多的疏水基，有利于豆乳膠凝作用，其凝固機理與菠蘿蛋白酶相似［16］。此外，在80～90℃范圍內(nèi)，其豆乳體系彈性模量由大至小排列為：90、110、130、70 U／mL，這是因為當?shù)鞍酌讣尤肓枯^小時，反應過慢，大豆蛋白水解程度較低，未能達到形成凝膠的最佳展開程度，所形成凝膠強度不夠高；酶添加量過大，則大豆蛋白降解成短肽速度過快，展開的大豆蛋白未能來不及形成凝膠，不能形成很好的凝膠；而在酶加入量適中時，大豆蛋白水解和展開并形成凝膠同時進行，形成凝膠較好［17］。所以本研究在木瓜蛋白酶加入量為90 U／mL時豆乳凝膠體系彈性模量較高。圖2c為溫度變化對堿性蛋白酶凝豆乳體系彈性模量的影響。溫度及堿性蛋白酶含量對凝膠體系彈性模量影響較大，蛋白酶含量越低，凝膠體系彈性模量達到最大時所需溫度越高。蛋白酶加入量為70 U／mL，90℃時，體系彈性模量G′達到最大11.34 Pa，而蛋白酶加入量為130 U／mL，40℃時，體系彈性模量G′達到最大4.55 Pa。原因是低蛋白酶含量的豆乳體系，隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)的水解速度適宜，這一方面可以保持肽鏈足夠的長度，另一方面破壞蛋白質(zhì)的分子結構，使球蛋白質(zhì)分子內(nèi)的疏水側鏈暴露，并通過疏水相互作用形成凝膠［11］，彈性模量顯著增加；當?shù)鞍酌负枯^高時，蛋白質(zhì)將會過度水解，難以形成凝膠，則彈性模量逐漸下降。圖2d為溫度的變化對中性蛋白酶豆乳體系彈性模量的影響，中性蛋白酶在添加量較低（70、90 U／mL）時，體系彈性模量隨著溫度的升高先增加后下降，而在添加量較高（110U／mL、130U／mL）時，體系彈性模量均隨著溫度的升高而緩慢下降，究其原因仍是由于高的蛋白酶含量會加快蛋白質(zhì)水解速度，不利于豆乳凝膠。

圖2 升溫過程中不同酶的添加量對凝膠體系彈性模量的影響

2.3 掃描頻率對彈性模量的影響

圖3 不同頻率掃描下不同酶的添加量對凝膠體系彈性模量的影響

將豆乳凝膠體系在40℃條件下進行頻率掃描，觀察掃描頻率的變化對彈性模量的影響。如圖3所示，掃描頻率對彈性模量的影響較為明顯，且不同蛋白酶凝膠體系差異顯著。在低頻區(qū)，彈性模量隨掃描頻率的升高而緩慢增強，表現(xiàn)出典型的黏彈性材料的性質(zhì)，當頻率繼續(xù)升高，彈性模量多數(shù)呈明顯增強趨勢。蛋白酶在一定含量范圍內(nèi)，豆乳凝膠體系彈性模量隨著掃描頻率的增加而增強，蛋白酶凝膠能力與加入量的大小有關。其中，菠蘿蛋白酶、木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶和中性蛋白酶添加量分別為90、130、70、70 U／mL時，豆乳體系彈性模量升高速率最快，其最高彈性模量分別為148.38、23.06、93.52、13.96 Pa。同時，菠蘿蛋白酶豆乳體系彈性模量整體偏高，其次為木瓜蛋白酶和堿性蛋白酶，而中性蛋白酶凝膠體系彈性模量較低。

3 結論

3.1 在恒溫40℃、蛋白酶添加量為90 U／mL條件下，菠蘿蛋白酶和堿性蛋白酶都具有凝固豆乳的能力，其中菠蘿蛋白酶凝膠能力較強，而在相同條件下木瓜蛋白酶和中性蛋白酶沒有促凝豆乳的能力。

3.2 升溫過程中，菠蘿蛋白酶含量在130 U／mL的豆乳體系G′曲線較高；高溫（90℃）下，加入少量堿性蛋白酶（70 U／mL）的豆乳體系中G′值最大；中性蛋白酶含量較低的豆乳體系G′隨著溫度的升高先增強后下降，高添加量則相反；木瓜蛋白酶在高溫下顯示較強的凝膠能力。

3.3 振蕩頻率掃描結果表明，不同體系彈性模量均隨頻率的增加而增強，表現(xiàn)出黏彈性體的典型特征，蛋白酶凝膠能力與其加入量有關。在一定條件下，菠蘿蛋白酶、木瓜蛋白酶和堿性蛋白酶凝膠效果較好，可以作為豆乳的凝固劑，中性蛋白酶凝膠效果相對較弱。

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Effect of Protease on the Rheological Properties of Soybean Milk Gel Process

Liu He1，2Geng Ping1Li Jun1Zhu Danshi1，2Hui Lijuan1，2Wang Bo1，2He Yutang1，2Ma Tao1，2
（College of Chemistry，Chemical Engineering and Food Safety，Bohai University1，Jinzhou 121013）（Engineering and Technology Research Center of Food preservation，Processing and Safety Control of Liaoning Province2，Jinzhou 121013）

The effects of four kinds of proteases on soymilk gel properties have been studied.Through the rheological thermostatic quantitative comparison，the results indicated that both bromelain and alcalase had coagulation ability，elastic modulus of the soymilk system reached themaximum of 10.28 Pa and 5.27 Pa respectively.Increasing temperature would enhance the elasticmodulus of the bromelain and alcalase soymilk system.Adding 130 U／mL bromelain could lead the elasticmodulus to reach themaximum of8.37 Pa at40℃.Papain showed a strong coagulation ability at high temperature.Adding 70 U／mL alcalase，the elastic modulus of the soymilk system reached the peak value of 11.34 Pa at 90℃；Adding a low amount of neutral protease in the soymilk system along with the raising temperature，the elasticmodulus of the soymilk increased at first and then decreased，butgot the inverse resultat high addition of neutral protease could get.The results of oscillation frequency sweep indicated that elasticmodulus of the soymilk enhanced along with increasing frequency，and gelation capacity of proteases was related to its additive amount.

protease，soybean milk，gelation，rheological，elasticmodulus

TS201.7

A

1003－0174（2015）03－0106－05

國家自然科學基金（31201385），錦州市科學技術計劃（12A1B27）

2013－12－03

劉賀，男，1979年出生，副教授，食品大分子的結構與功能及其修飾