影響大豆分離蛋白流動性和揚塵性的因素研究

牛祥臣，王洪彩，李順秀，李成輝，王吉龍，劉 軍

(山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司，山東 禹城251200)

大豆分離蛋白是采用低溫脫溶豆粕為原料提取加工的植物蛋白，其蛋白質(zhì)含量在90%以上，是含有人體必需氨基酸最豐富的蛋白[1]。大豆分離蛋白具有較好的凝膠性、乳化性、起泡性、保水性等功能[2]，被廣泛用于火腿、千葉豆腐、固體飲料等產(chǎn)品中[3]。在實際加工過程中，蛋白的粉體特性對加工過程帶來較大影響，其中最明顯的是蛋白粉的流動性和揚塵性。

粉體流動性是指粉體在重力作用下，通過料斗或漏斗表現(xiàn)出的流動性，也稱為粉體干流性[4]，可以采用休止角進(jìn)行評價[5]。粉體揚塵性是指粉體在自然傾倒時的飛揚程度，可以采用分散度來評價。

大豆分離蛋白的流動性直接影響粉體傾倒、粉體運輸、粉體過篩、粉體包裝等過程的效率。此外，大豆分離蛋白的流動性直接影響包裝的質(zhì)量，尤其對于干混類產(chǎn)品，流動性好的粉體，袋與袋包裝誤差減少，均勻度高[6]。

大豆分離蛋白粉的揚塵性對加工過程的環(huán)境和人體影響較大，揚塵性過大，在加工過程中容易起塵，污染周圍環(huán)境，一旦濕度過大，就會引起微生物繁殖，進(jìn)而給產(chǎn)品帶來風(fēng)險。

本文研究大豆分離蛋白的流動性和揚塵性的影響因素，以期能夠指導(dǎo)大豆分離蛋白開發(fā)，滿足不同客戶的需求。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

低溫食用豆粕：山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司；鹽酸、液堿，均為食品級，市售。

BT-1000粉體綜合特性測定儀；F25-52F高剪切分散乳化機；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋；JJ-1精密增力電動攪拌器；PHS-3C型pH計；TD5A-WS型臺式離心機；KQ-500DB型數(shù)控超聲波清洗器；SYH-200三維運動混合機；LPG-5噴霧干燥機；SN-3400掃描電鏡，日本日立公司；Rise-2012干法激光粒度儀；EMS550離子濺射鍍膜儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆分離蛋白提取工藝

萃?。悍Q取500 g低溫食用豆粕，按料水比1∶10分散于去離子水中，調(diào)節(jié)pH至8.5，在室溫下攪拌提取30 min，然后離心(2 400 r/min)10 min，得到一萃豆乳和一萃豆渣。一萃豆渣中加入2 kg去離子水，調(diào)節(jié)pH至8.5，再次萃取30 min，然后離心(2 400 r/min)10 min，得到二萃豆乳和豆渣。一萃豆乳和二萃豆乳合并得到混合豆乳。

酸沉：將混合豆乳pH調(diào)節(jié)至4.4～4.5，靜置15 min，3 000 r/min離心5 min，去除上清液得到蛋白凝乳。

中和：蛋白凝乳加入去離子水溶解，剪切2 min，然后調(diào)節(jié)pH至6.0～8.5，蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)實驗情況調(diào)整，攪拌10 min，并添加適當(dāng)?shù)南輨┻M(jìn)行消泡抑泡處理。

殺菌：采用殺菌溫度140℃，殺菌時間5 s，得到殺菌后的蛋白料液。

干燥：采用離心式噴霧干燥機進(jìn)行干燥，進(jìn)風(fēng)溫度190℃，出風(fēng)溫度70℃，干燥后得到大豆分離蛋白。

1.2.2 流動性的測試

采用BT-1000粉體綜合特性測定儀測定粉體的休止角，進(jìn)樣量30 g。

1.2.3 揚塵性的測試

采用BT-1000粉體綜合特性測定儀測定粉體的分散度，通過分散度的大小反映產(chǎn)品的揚塵性好壞，進(jìn)樣量10 g。

1.2.4 粒徑的測試

采用Rise-2012測試粒徑(D50)。測試條件：分散介質(zhì)為壓縮空氣，樣品折射率1.76-0.05i，介質(zhì)折射率1.0。

1.2.5 掃描電鏡測試

取適量不同pH的樣品均勻粘附在掃描電鏡觀察臺上，用離子濺射鍍膜儀在蛋白表面鍍金，約15 nm厚。處理好的樣品置于樣品盒中，加速電壓為20 kV，用2 000倍的電子顯微鏡觀察蛋白表面結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流動性和分散度的影響

調(diào)節(jié)中和工序蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)至10%、12%、14%、16%、18%、20%，中和pH 7.5，消泡劑添加量0.2%(以蛋白粉干基質(zhì)量計)，然后進(jìn)行殺菌、噴霧干燥(噴嘴孔徑1.4 mm)，測定粉體的休止角及分散度，同時測定粉體粒徑，結(jié)果見圖1。

圖1 蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蛋白粉流動性、分散度和粒徑的影響

由圖1可知，隨著蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，大豆分離蛋白粉的休止角和分散度降低，表明蛋白粉的流動性變好，揚塵性變低，蛋白粉不容易飛揚，這有利于生產(chǎn)加工操作。分析其原因，主要是由于蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，黏度提升，在噴霧干燥時，形成的霧滴中干物質(zhì)多，形成的粉體顆粒較大。

隨著蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，粉體粒徑明顯增加，這進(jìn)一步表明了蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，蛋白質(zhì)發(fā)生聚集作用，并且隨著蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚集程度越大，顆粒尺寸越大，從而粒徑變大，越不易飛揚，同時蛋白分子之間的相互靜電作用減少，造成蛋白粉的流動性變好，揚塵性變低。這與郭鳳仙[7]的研究結(jié)果一致。

因此，在保證產(chǎn)品其他功能性指標(biāo)的前提下，蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高越好，對于蛋白凝膠性要求低的產(chǎn)品，蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)可調(diào)整到18%以上，而對凝膠性要求高的產(chǎn)品，蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過14%。

2.2 中和pH對流動性和分散度的影響

調(diào)節(jié)中和pH至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%，消泡劑添加量0.2%，然后進(jìn)行殺菌和噴霧干燥(噴嘴孔徑1.4 mm)，測定粉體的休止角及分散度，結(jié)果見圖2。

圖2 中和pH對蛋白粉流動性、分散度的影響

由圖2可知，隨著中和pH的升高，大豆分離蛋白的休止角和分散度都呈升高的趨勢。中和pH從6.0升高至8.5，產(chǎn)品休止角從35.86°升高至47.74°，分析原因是低pH減少離子表面粗糙度，球形粒子的光滑表面能減少接觸點數(shù)，減少摩擦力。當(dāng)中和pH在6.5左右時，產(chǎn)品休止角為40°，此時可滿足一般加工廠對于產(chǎn)品流動性的需求，但當(dāng)pH低于7.0時，大豆分離蛋白的功能性會受到一定的影響，因此需要綜合考慮各項指標(biāo)確定最適的中和pH。

選取中和pH 6.0、7.0、8.0下制備的蛋白粉進(jìn)行掃描電鏡測試，結(jié)果見圖3。

圖3 不同pH的蛋白粉電鏡掃描圖譜

由圖3可知，不同pH的大豆分離蛋白粉的膨脹度不同，表面差別較大，pH越低，蛋白粉的結(jié)構(gòu)越接近球形，且蛋白粉不粘連，從而造成蛋白粉的流動性較好。隨pH升高，蛋白表面結(jié)構(gòu)變化明顯，出現(xiàn)不規(guī)則膨脹，蛋白相互粘連增多，進(jìn)而流動性變小，同時揚塵度升高。

2.3 消泡劑添加量對流動性和分散度的影響

調(diào)節(jié)中和工序蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)至12%,中和pH 7.5，中和過程中分別添加0、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%的消泡劑，然后進(jìn)行殺菌和噴霧干燥(噴嘴孔徑1.4 mm)，測定粉體的休止角和分散度，結(jié)果見圖4。

圖4 消泡劑添加量對蛋白粉流動性和分散度的影響

由圖4可知，隨著消泡劑添加量的增加，大豆蛋白粉的休止角逐漸升高，粉體流動性變低，分散度降低，粉體揚塵性變低。分析其原因主要是，消泡劑的主要成分是二甲基硅氧烷乳液，該成分加入中和液后，和蛋白結(jié)合，起消泡作用，同時成為了一種粘合劑，使蛋白之間粘連。另外，該物質(zhì)具有一定的黏性，附著在蛋白表面，阻礙蛋白的流動性。因此，消泡劑的添加量可依據(jù)實際生產(chǎn)情況進(jìn)行確定，對于流動性要求高的蛋白可以適當(dāng)降低消泡劑的添加量，最佳狀態(tài)是不添加消泡劑，而對于低揚塵度的產(chǎn)品可適當(dāng)添加消泡劑。

2.4 干燥噴嘴孔徑對產(chǎn)品流動性和分散度的影響

調(diào)節(jié)中和工序蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)至12%，中和pH 7.5，消泡劑添加量0.2%，采用孔徑1.3、1.4、1.6、1.7 mm噴嘴進(jìn)行噴霧干燥，測定粉體的休止角、分散度和粒徑，結(jié)果見圖5。

圖5 噴嘴孔徑對蛋白粉流動性、分散度和粒徑的影響

由圖5可知，隨著噴嘴孔徑增加，粉體的休止角降低，流動性變好，分散度降低，揚塵性變低。噴嘴孔徑直接影響干燥后粉體粒徑，孔徑增加0.4 mm，粉體粒徑提高18%。此外，大噴嘴噴霧情況下可以有效解決由于霧化料液重疊導(dǎo)致的產(chǎn)品出現(xiàn)潮粉的問題。

一般生產(chǎn)中在滿足粉體細(xì)度要求的前提下，采用更大孔徑的噴嘴獲得的產(chǎn)品流動性好，揚塵性低。

2.5 抗結(jié)劑類物質(zhì)對流動性和分散度的影響

目前，我國許可使用的抗結(jié)劑類物質(zhì)有二氧化硅、硅鋁酸鈉、磷酸三鈣、亞鐵氰化鉀和微晶纖維素5種。本實驗采用干法混合的方法，在大豆分離蛋白粉(按1．2．1方法制備，中和過程中蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，中和pH為7.5，消泡劑添加量為0.2%，干燥時噴嘴孔徑為1.4 mm)中分別加入0、0.05%、0.10%、0.15%的二氧化硅，在三維混料機中混合3 h，然后測定休止角和分散度，結(jié)果見圖6。

圖6 二氧化硅添加量對蛋白粉流動性和分散度的影響

由圖6可知，隨二氧化硅添加量增加，粉體休止角降低明顯，流動性變好，分散度升高，粉體揚塵性明顯。二氧化硅一般作為食品工業(yè)中的抗結(jié)劑和助流劑使用。二氧化硅類助流劑附著在粉體表面，減少粉體之間的粘連，降低靜電效果，粉體之間的摩擦降低，從而使流動性變好。

一般對流動性要求高的產(chǎn)品，比如固體飲料類產(chǎn)品，可根據(jù)生產(chǎn)需要，添加少量二氧化硅，添加量在0.1%左右較佳。

3 結(jié) 論

控制大豆分離蛋白粉體的流動性和揚塵性可從中和工序蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中和pH、消泡劑添加量、干燥噴嘴孔徑、抗結(jié)劑方面進(jìn)行控制。一般性的，生產(chǎn)流動性好、揚塵度低的大豆分離蛋白產(chǎn)品的較佳參數(shù)為：中和工序蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在14%左右，中和pH控制在6.5左右，消泡劑添加量0.05%，噴嘴孔徑在1.6 mm左右，根據(jù)需要適當(dāng)添加二氧化硅類(添加量控制在0.1%左右)的抗結(jié)劑。