食鹽濃度和熱處理?xiàng)l件對(duì)大豆蛋白凝膠特性影響的研究

牛祥臣，王洪彩，馬軍，范書琴，李成輝，劉軍

（山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司，山東禹城251200）

大豆蛋白是優(yōu)質(zhì)的植物蛋白，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健價(jià)值為人們所認(rèn)識(shí)。而它所具有的重要功能性質(zhì)則促進(jìn)了大豆分離蛋白在食品中的廣泛應(yīng)用。凝膠性是大豆分離蛋白重要的功能性質(zhì)之一。在加熱時(shí)大豆蛋白有形成凝膠的能力，凝膠可以將蛋白質(zhì)基質(zhì)固化，形成具有一定強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1]。因此大豆分離蛋白凝膠性在肉制品加工中有著很重要的作用，可以改善肉制品粗糙性、提高水分含量，增加其柔嫩性和彈性。

聚集是凝膠形成中關(guān)鍵的一步，大豆分離蛋白熱聚集體是凝膠形成過(guò)程的中間產(chǎn)物，聚集體的形狀、尺寸和溶解性對(duì)凝膠性質(zhì)都有很大影響。聚集反應(yīng)的發(fā)生受多種因素影響，包括溫度、離子強(qiáng)度、pH值、蛋白組成和蛋白濃度等，這些因素作用的直接結(jié)果就是熱聚集體的形態(tài)和數(shù)量發(fā)生改變，進(jìn)而影響到形成凝膠的結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的發(fā)揮[1]。離子強(qiáng)度對(duì)蛋白聚集的影響比較復(fù)雜，主要影響聚集行為和聚集體的大小，離子強(qiáng)度對(duì)蛋白聚集的另一種影響是增加蛋白質(zhì)的變性溫度，由于鹽對(duì)蛋白質(zhì)構(gòu)象具有穩(wěn)定作用，由于變性是蛋白聚集的前體，因此變性溫度的改變勢(shì)必會(huì)影響到聚集反應(yīng)[2]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白（SPI），山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司；Nacl（分析純）；蒸餾水。

ML802電子天平：梅特勒-托利多有限公司；DJ13B九陽(yáng)豆?jié){機(jī)：泰璞（上海）電子商務(wù)股份有限公司；HH-6數(shù)顯水浴鍋：山東愛(ài)博科技貿(mào)易有限公司；TG24-WS高速離心機(jī)：北京京立離心機(jī)廠；TA.XTPlus物性測(cè)定儀（探頭：P/0.5 R):Streamline Process Co.Limited。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 凝膠的測(cè)定方法

取12 g大豆蛋白粉樣品與88 mL一定濃度的Nacl溶液充分混勻后（大豆蛋白的濃度為12%，濃度低于10%或大于18%的大豆分離蛋白溶液不能形成凝膠）[3]，經(jīng)九陽(yáng)豆?jié){機(jī)高速處理后，轉(zhuǎn)移至離心管中，在2 500 r/min離心機(jī)中離心5 min，后轉(zhuǎn)移至250 mL玻璃燒杯中，將其放入一定溫度的水浴鍋中進(jìn)行加熱后，冷卻至室溫進(jìn)行凝膠壓值。

凝膠強(qiáng)度的檢測(cè)時(shí)采用的是物性測(cè)定儀，設(shè)定參數(shù)為：校準(zhǔn)高度50 cm、檢測(cè)前速度2.0 mm/sec、檢測(cè)速度1.0 mm/sec、檢測(cè)后速度10.0 mm/sec、下壓距離 25.00 mm、探頭：P/0，5 R、觸力 5.0g，記錄破裂強(qiáng)度值。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取食鹽濃度為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的梯度進(jìn)行熱凝膠的檢測(cè)，選擇加熱溫度為65、70、75、80、85、90 ℃的梯度進(jìn)行熱凝膠的檢測(cè)，選擇加熱時(shí)間為 15、20、25、30、35、40 min 的梯度進(jìn)行熱凝膠的檢測(cè)。

1.2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取各因素的最優(yōu)條件做三因素三水平試驗(yàn)，分析各因素對(duì)凝膠特性的影響。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

每個(gè)試驗(yàn)梯度做3次平行，采用Origin8.0和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測(cè)定結(jié)果已平均值表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同食鹽濃度對(duì)大豆蛋白熱凝膠影響

加熱溫度為80℃，加熱時(shí)間為30 min時(shí)，不同食鹽濃度對(duì)蛋白熱凝膠的影響見(jiàn)圖1。

圖1 食鹽濃度對(duì)大豆蛋白凝膠強(qiáng)度的影響Fig.1 The effect of salt concentration on the gel characteristics of soybean protein

食鹽是肉制品加工中不可缺少的一種輔料成分，可去腥，提鮮，解膩，掩蓋異味，并且還有抑菌的作用。從圖1中可以看出，隨著食鹽濃度的提升，大豆蛋白熱凝膠的凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在1.0%時(shí)達(dá)到高峰，原因可能是在低濃度的食鹽條件下，食鹽可活化蛋白質(zhì)，增強(qiáng)水合作用和結(jié)合水的能力[4]，但隨著食鹽濃度的繼續(xù)增加，凝膠強(qiáng)度有所下降，原因可能是食鹽濃度對(duì)分離蛋白的溶解性有一定影響，且通過(guò)改變蛋白質(zhì)表面的靜電荷也會(huì)影響蛋白的凝膠性能[5]。

2.1.2 不同加熱溫度對(duì)大豆蛋白熱凝膠影響

食鹽濃度在2.5%時(shí)，加熱時(shí)間為30 min時(shí)，不同加熱溫度對(duì)蛋白熱凝膠的影響見(jiàn)圖2。

圖2 加熱溫度對(duì)大豆蛋白凝膠強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of temperature on the gel characteristics of soybean protein

加熱溫度對(duì)大豆蛋白凝膠影響如圖2所示，從圖中可以看出，溫度在65℃～85℃之間時(shí)，隨著加熱溫度的升高，加鹽凝膠呈下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到由85℃～90℃時(shí)，加鹽凝膠略有上升。根據(jù)大豆蛋白的沉降特性，大豆分離蛋白可分為4種主要組分：2S、7S、11S和 15S，有研究表明，7S 和 11S 的變性溫度分別為70℃和80℃（中性條件下，沒(méi)有鹽存在）[6]。當(dāng)加熱溫度為75℃～80℃時(shí)，只有7S發(fā)生變性，此時(shí)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是由7S形成，11S作為可溶性蛋白分子存在于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，疏水作用和分子內(nèi)氫鍵是維持凝膠結(jié)構(gòu)的主要作用力。但由于7S變性不完全，因而疏水作用較弱。在中等加熱溫度85℃～90℃，7S完全變性，部分變性的11S開(kāi)始參與到凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。7S的疏水基團(tuán)完全暴露，此時(shí)鹽的存在會(huì)促使不均勻聚集的發(fā)生，同時(shí)11S未充分變性，分子間作用力較弱，因此凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很容易在外力作用下發(fā)生塌縮。而在較高加熱溫度90℃及以上時(shí)，蛋白完全變性，二硫鍵參與到凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，凝膠結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，不易在外力作用下塌縮，因而凝膠耐鹽性略高于85℃的凝膠?？傮w來(lái)說(shuō)，凝膠硬度的大小主要與參與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的蛋白數(shù)量和形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用力有關(guān)。

2.1.3 不同加熱時(shí)間對(duì)大豆蛋白熱凝膠影響

加熱溫度為80℃，食鹽濃度在2.5%時(shí)，不同加熱時(shí)間對(duì)蛋白熱凝膠的影響見(jiàn)圖3。

圖3 加熱時(shí)間對(duì)大豆蛋白凝膠強(qiáng)度的影響Fig.3 The effect of heating time on the gel characteristics of soybean protein

加熱時(shí)間對(duì)大豆蛋白凝膠影響如圖3所示，從圖中可以看出，在15 min～40 min內(nèi)，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，加鹽凝膠逐漸增加。其中加熱時(shí)間主要影響變性和參與凝膠形成的蛋白數(shù)量，加熱時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，蛋白變性完全，溶液中的蛋白分子都參與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，凝膠強(qiáng)度較大，對(duì)外界抵抗作用強(qiáng)，凝膠耐鹽性較強(qiáng)。也有研究表明，加熱時(shí)間超過(guò)30 min后，凝膠強(qiáng)度變硬的趨勢(shì)變慢，這可能是30 min的加熱時(shí)間足以形成成熟的凝膠，此時(shí)蛋白的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到穩(wěn)定[7]。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素結(jié)論基礎(chǔ)上，對(duì)三因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平表見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tabel 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tabel 2 Orthogonal test results

由極差可知，3個(gè)因素對(duì)大豆分離蛋白加鹽凝膠性能的影響趨勢(shì)是A（食鹽濃度）＞B（加熱溫度）＞C（加熱時(shí)間），即食鹽濃度對(duì)大豆蛋白凝膠硬度影響最顯著，其次是加熱溫度，再次為加熱時(shí)間。最佳組合參數(shù)為A1B2C2，即食鹽濃度為1.0%，加熱溫度為80℃，加熱時(shí)間為30 min。

2.3 食鹽濃度對(duì)蛋白凝膠影響的機(jī)理

有試驗(yàn)得出[8-10]，在較高的溫度下加熱，隨著食鹽濃度的增加，11S球蛋白凝膠的硬度先增大后減小，直到無(wú)法形成凝膠。其原因可能是：低濃度的食鹽環(huán)境下，11S球蛋白的變性溫度低于加熱溫度，食鹽的添加使蛋白質(zhì)的溶解性提高，進(jìn)而加熱過(guò)程中更利于蛋白結(jié)構(gòu)的展開(kāi)和功能性基團(tuán)的暴露，同時(shí)由于食鹽較少，蛋白的重新折疊較弱。因此，此時(shí)的凝膠硬度較大；高濃度食鹽環(huán)境下，11S球蛋白的變性溫度高于加熱溫度，盡管食鹽對(duì)蛋白有鹽溶作用，但由于相對(duì)低的加熱溫度使蛋白結(jié)構(gòu)的展開(kāi)和功能性基團(tuán)的暴露較少，再加上蛋白的重新折疊作用，最終導(dǎo)致凝膠硬度小或者無(wú)法形成凝膠，且高鹽濃度下制備的凝膠結(jié)構(gòu)不均勻，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空隙較大。

食鹽的添加改變蛋白質(zhì)功能基團(tuán)的電離作用和雙電層厚度，從而影響蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的作用，鹽的濃度及種類對(duì)于大豆分離蛋白凝膠性質(zhì)有著不同影響。在低離子強(qiáng)度時(shí)，鹽可通過(guò)屏蔽蛋白質(zhì)上電荷從而減少蛋白質(zhì)分子間的靜電斥力，凝膠強(qiáng)度加強(qiáng)；隨著離子強(qiáng)度的增加，蛋白質(zhì)上電荷不斷趨于飽和，溶劑中水的性質(zhì)因鹽的存在而改變并導(dǎo)致疏水相互作用增強(qiáng)，并成為主導(dǎo)效應(yīng)，凝膠強(qiáng)度降低。王飛楠等[11]采用 DSC 研究鹽（Ca2+，K+）對(duì)大豆蛋白凝膠中水的狀態(tài)的影響，研究表明Ca2+對(duì)蛋白凝膠中水的狀態(tài)影響大于K+，Ca2+使凝膠中平衡水及非凍結(jié)水（中間水和自由水）含量增大，可凍結(jié)水含量減小，由此可見(jiàn)，通過(guò)蛋白質(zhì)與水之間的作用角度能解釋鹽對(duì)大豆蛋白凝膠的作用的影響。

2.4 大豆蛋白凝膠特性的應(yīng)用

大豆蛋白添加至肉制品中的作用主要是提高脂肪與水的乳化性能，另可替代脂肪在肉制品中的作用。有研究將8%的大豆蛋白凝膠通過(guò)注入腌制液方法添加到肉塊中，用以改善肉組織特性[12]。

另外，豆制品中也會(huì)用到大豆蛋白的凝膠特性，豆腐凝膠主要利用大豆蛋白溶膠在不同pH值和離子強(qiáng)度下，通過(guò)蛋白熱變性作用獲得[13]。而千葉豆腐和豆干等制品則主要是利用大豆分離蛋白與TG酶的交聯(lián)作用得到的，在千葉豆腐的制作過(guò)程中，會(huì)添加相應(yīng)量的食鹽，提高最終產(chǎn)品的適口性，通過(guò)大豆蛋白加鹽凝膠變化趨勢(shì)可以看出，若食鹽添加量超過(guò)一定數(shù)量，會(huì)影響最終成品的口感，導(dǎo)致最終產(chǎn)品偏軟，偏脆，達(dá)不到我們對(duì)最終產(chǎn)品的預(yù)期效果。另在加熱過(guò)程中加熱溫度不宜過(guò)高，避免破壞大豆蛋白的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著食鹽濃度的提升，大豆蛋白熱凝膠的凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在1.0%時(shí)達(dá)到高峰，隨著加熱溫度的升高，熱凝膠呈下降趨勢(shì)，當(dāng)加熱溫度達(dá)到由85℃～90℃時(shí)，熱凝膠略有上升，在15 min～40 min內(nèi)，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，熱凝膠逐漸增加，且食鹽濃度對(duì)大豆蛋白凝膠硬度影響最顯著。通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)，食鹽濃度為1.0%，加熱溫度為80℃，加熱時(shí)間為30 min時(shí)，大豆分離蛋白的凝膠性最強(qiáng)。總之，大豆蛋白凝膠相關(guān)方面的研究還有很多值得深入的地方，需要我們多從機(jī)理及蛋白內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行考慮分析。且關(guān)于大豆蛋白耐鹽性的研究對(duì)于大豆分離蛋白在高鹽性的食品中的應(yīng)用具有理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

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