響應(yīng)面法優(yōu)化大豆分離蛋白物理改性工藝研究

王 晴,錢玉梅,李紅俠,黃 銅,李梅梅

宿州學院生物與食品工程學院,安徽宿州,234000

大豆分離蛋白是以脫脂豆粕為原料生產(chǎn)的蛋白質(zhì)類食品添加劑，營養(yǎng)價值高，功能性質(zhì)優(yōu)良，但其加工穩(wěn)定性較差，對溫度、pH等敏感，常需改性來提高性能，拓寬大豆分離蛋白的應(yīng)用領(lǐng)域[1-2]。改性方法通常分為物理改性、化學改性和酶改性等。相較于化學改性和酶改性法，物理改性具有安全性高、成本低、無毒副作用等優(yōu)點，是具有廣闊前景的大豆分離蛋白改性方法[3-4]。

本文采用高溫加熱和高速剪切處理大豆分離蛋白，以乳化穩(wěn)定性或持水性作為響應(yīng)值，大豆分離蛋白濃度、加熱溫度和均質(zhì)時間作為單因素考察條件，響應(yīng)面法進行試驗設(shè)計與分析，得到最優(yōu)改性條件，為大豆分離蛋白進一步開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(SPI)(購于河南宏益生物科技有限公司)、潤記大豆油(購于宿州市大潤發(fā)超市)、十二烷基硫酸鈉(SDS)(購于國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)、FA1104B電子天平(上海越平科學儀器有限公司)、722可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)、TD4臺式離心機(湖南儀器儀表總廠離心機廠)、FA25-D數(shù)顯型高速剪切分散乳化機(上海弗魯克流體機械制造有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 大豆分離蛋白改性方法

將一定濃度的大豆分離蛋白溶液在一定溫度下加熱處理10 min，室溫冷卻，于10 000 r/min條件下進行高速剪切處理一定時間，得到改性大豆分離蛋白溶液[5]。

1.3.2 乳化穩(wěn)定性的測定

改性大豆分離蛋白溶液與等體積大豆油混合，10 000 r/min高速剪切1 min得到混合乳濁液。在0 min、30 min時從乳濁液底部移取溶液，與0.1% SDS混合均勻，于500 nm下分別測定吸光值。乳化穩(wěn)定性(ESI)由下式計算得到[6]：

(1)

ESI為乳化穩(wěn)定性；A30為間隔30 min后大豆分離蛋白的吸光度值；Δt為時間間隔；ΔA為吸光度差值。

1.3.3 持水性的測定

已知體積的改性大豆分離蛋白溶液置于溫度25 ℃，轉(zhuǎn)速3 000 r/min條件下離心20 min，精密測量上清液體積，持水性(water-holding ability,WHC)的計算方法為[7]：

(2)

WHC為持水性(mL/g)；W0為大豆分離蛋白樣品重量；V1為離心前溶液體積；V2為離心后上清液體積。

1.4 單因素試驗

1.4.1 大豆分離蛋白濃度對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

取質(zhì)量分數(shù)分別為6%、7%、8%、9%、10%的大豆分離蛋白溶液，選取加熱溫度為90 ℃，均質(zhì)時間為40 s?？疾旖?jīng)高溫加熱和高速剪切改性后，不同大豆分離蛋白濃度對溶液體系乳化穩(wěn)定性和持水性的影響。

1.4.2 加熱溫度對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

取質(zhì)量分數(shù)均為8%的大豆分離蛋白溶液，選取均質(zhì)時間為40 s，加熱溫度分別設(shè)置為60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃?？疾旖?jīng)高溫加熱和高速剪切改性后，不同加熱溫度對溶液體系乳化穩(wěn)定性和持水性的影響。

1.4.3 均質(zhì)時間對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

取質(zhì)量分數(shù)均為8%的大豆分離蛋白溶液，選取加熱溫度為90 ℃，均質(zhì)時間分別設(shè)置為10 s、20 s、30 s、40 s、50 s?？疾旖?jīng)高溫加熱和高速剪切改性后，不同均質(zhì)時間對溶液體系乳化穩(wěn)定性和持水性的影響。

1.5 響應(yīng)面法探究最佳工藝

根據(jù)單因素結(jié)果進行試驗設(shè)計，具體因素水平如表1，使用Design-Expert 8軟件進行響應(yīng)面試驗設(shè)計和工藝優(yōu)化。

表1 試驗設(shè)計編碼值和實際值

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 大豆分離蛋白濃度對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

大豆分離蛋白濃度對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響見圖1。由圖1可知，改性后大豆分離蛋白在一定的濃度范圍內(nèi)，其乳化穩(wěn)定性和持水性逐漸增高，隨后逐漸下降，可能由于大豆分離蛋白濃度過高影響球狀蛋白質(zhì)伸展，其疏水基團不再暴露至分子外，且經(jīng)高溫加熱處理時，濃度高的溶液分子間作用力相對較強，空間結(jié)構(gòu)改變明顯，黏度增大，若濃度過高，分子間的相互作用會受抑制，蛋白質(zhì)主鏈上疏水基團無法完全打開，因而溶液黏度開始下降，兩相界面穩(wěn)定性隨之降低而導致乳化穩(wěn)定性下降；大豆分離蛋白濃度超過8%，持水性也開始下降，可能由于水分子間發(fā)生相互吸引，主要是沿著蛋白質(zhì)碳鏈骨架的極性基團，分布不均勻會影響持水效果，改性會使極性基團發(fā)生轉(zhuǎn)移，濃度過高后基團停止轉(zhuǎn)移，無法繼續(xù)與水分子結(jié)合，使得持水性下降[8-9]。綜合分析得知，乳化穩(wěn)定性和持水性在大豆分離蛋白濃度為8%時均達到最大值，此條件下持水效果最好。

圖1 大豆分離蛋白濃度對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

2.1.2 加熱溫度對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

圖2 加熱溫度對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

改性加熱溫度對大豆分離蛋白乳化穩(wěn)定性和持水性有不同程度的作用，見圖2。當改性加熱溫度在60 ℃至90 ℃之間，改性大豆分離蛋白乳化穩(wěn)定性呈明顯上升趨勢，高于90 ℃后迅速下降，原因可能是在適宜溫度范圍內(nèi)，疏水基團隨溫度升高暴露加快，但加熱溫度過高會使疏水基團停止暴露不再往外延伸，改性發(fā)生逆轉(zhuǎn)[10-11]；加熱溫度在60 ℃至90 ℃間，改性大豆分離蛋白持水性緩慢增加，且在90 ℃到100 ℃間基本保持穩(wěn)定，說明此時溫度改變對改性大豆分離蛋白的持水性影響較小。綜合分析得知，乳化穩(wěn)定性在加熱溫度為90 ℃時達到最大值，此溫度下持水性也最高。

2.1.3 均質(zhì)時間對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

均質(zhì)時間對改性大豆分離蛋白乳化穩(wěn)定性和持水性影響見圖3。由圖3可以看出，改性大豆分離蛋白乳化穩(wěn)定性呈先升高后緩慢下降趨勢，持水性呈先升高后快速下降趨勢，原因可能是均質(zhì)時間過長，導致原本已經(jīng)暴露的疏水基團遭到破壞，疏水基團受損，極性基團減少，使乳化穩(wěn)定性和持水性無法保持優(yōu)勢狀態(tài)[12]。綜合分析得知，乳化穩(wěn)定性和持水性在均質(zhì)時間40 s時均達到最大值。

圖3 均質(zhì)時間對乳化穩(wěn)定性和持水性的影響

2.2 響應(yīng)面探究最佳工藝

在單因素試驗基礎(chǔ)上，利用Design-Expert8軟件進行分析試驗，計算各組合工藝下改性大豆分離蛋白的乳化穩(wěn)定性及持水性，對試驗結(jié)果進行回歸擬合，試驗結(jié)果、擬合方程及方程方差分析如表2-5所示。

表3 模型擬合結(jié)果

表4 乳化穩(wěn)定性模擬方差分析

注：*P<0.05；**P<0.01。

表4表明，Y1(乳化穩(wěn)定性)擬合模型P< 0.000 1為極顯著，該模型具有統(tǒng)計學意義，失擬項P=0.835 9>0.05為不顯著，無失擬因素存在，且從表3中Y1擬合模型的R2值可知，回歸模型與試驗擬合度較好，可用于乳化穩(wěn)定性的分析和預測。比較表4中F值可得，各因素對乳化穩(wěn)定性影響的主次順序為A>C>B，兩兩交互對乳化穩(wěn)定性影響的主次順序為：BC>AC>AB。

表5 持水性模擬方差分析

注：*P<0.05；**P<0.01。

表5表明，Y2(持水性)擬合模型P值為0.000 3極顯著，失擬項P=0.438 8不顯著，且從表3中此模型的R2值可知，回歸模型與試驗擬合度較好，可用于持水性的分析和預測。比較表5中F值可得，各因素對持水性影響的主次順序為A>C>B，與乳化穩(wěn)定性相一致，兩兩交互影響的主次順序為：BC>AB>AC。

2.3 最佳工藝的確定與驗證

通過響應(yīng)面試驗，綜合考慮乳化穩(wěn)定性和持水性，最佳工藝條件為：大豆分離蛋白濃度7.93%、加熱溫度92.70 ℃、均質(zhì)時間39.79 s，此工藝條件下乳化穩(wěn)定性為55.43 min，持水性為6.38 mL/g。為方便實際操作，在大豆分離蛋白濃度為8%、加熱溫度為93 ℃、均質(zhì)時間為40 s的條件下進行3次驗證試驗，結(jié)果為：乳化穩(wěn)定性為55.18±1.02 min、持水性為6.18±0.53 mL/g，符合模型預測值，因而模型擬合可靠。

3 結(jié) 論

對大豆分離蛋白進行高溫加熱和高速剪切處理，選取大豆分離蛋白濃度、加熱溫度和均質(zhì)時間為單因素，以乳化穩(wěn)定性或持水性為響應(yīng)面值，優(yōu)化了大豆分離蛋白乳化穩(wěn)定性和持水性的工藝條件。得到最優(yōu)條件為：大豆分離蛋白濃度為8%、加熱溫度為93 ℃、均質(zhì)時間為40 s，此時改性大豆分離蛋白的乳化穩(wěn)定性為55.18±1.02 min，持水性為6.18±0.53 mL/g。經(jīng)最優(yōu)條件改性后，大豆分離蛋白乳化穩(wěn)定性和持水性得到提升，具有優(yōu)良的加工特性，拓寬了大豆分離蛋白在食品加工中的應(yīng)用領(lǐng)域，增加了大豆分離蛋白的附加價值。