微射流處理對豆乳粉溶解特性的影響

李 良 周 艷 王冬梅 李 波 羅 義陳 龍 王中江 李 楊 江連洲 范志軍

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院1,哈爾濱 150030) (黑龍江省北大荒綠色健康食品有限責(zé)任公司2,佳木斯 154000)

大豆含有豐富、優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)和油脂，且不含膽固醇[1]，而且含有多種對人體有益的活性成分，如大豆皂苷具有降脂減肥、抗凝血、抗氧化、抗癌及免疫調(diào)節(jié)作用。豆乳粉中含有大豆低聚糖，對腸道內(nèi)的雙歧桿菌等益生菌有增殖作用，可預(yù)防直腸癌；雙歧桿菌等益生菌可以提高人體免疫力，延緩衰老[2]。

豆乳粉是大豆經(jīng)浸泡、磨漿、煮漿、噴霧等工藝加工得到的產(chǎn)品，可以在溫水或涼水中就能迅速的溶化，為人們提供了一種可代替牛奶或其他奶制品的高營養(yǎng)植物蛋白質(zhì)飲料[3]。溶解特性是評價豆乳粉品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，也是影響消費(fèi)者可接受性的重要因素。但在實際生產(chǎn)中，由于豆乳粉的氮溶解指數(shù)僅為70%～80%，其溶解性不高，存在沖調(diào)性差等問題，不僅影響了豆乳粉的食用性，而且在一定程度上阻礙了豆乳粉的推廣。目前，關(guān)于提高豆乳粉溶解性的方法有很多，如酶解處理、添加還原劑和乳化劑、超聲處理等[2]。但這些方法均會對豆乳粉的口感和風(fēng)味產(chǎn)生一定程度的影響。

動態(tài)高壓微射流技術(shù)是一種新興高壓加工技術(shù)，在超高壓力作用下，對流體混合物料進(jìn)行強(qiáng)烈剪切、高速撞擊、壓力瞬時釋放、高頻振蕩、膨爆和氣穴等一系列綜合作用，對物料超微化、微乳化和均一化處理，導(dǎo)致蛋白分子結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致其功能性質(zhì)改變[4]。黃利華等[5]研究發(fā)現(xiàn)微射流處理使蛋白分子去折疊化，蛋白分子的擴(kuò)散性和親水性增加，增加了大豆分離蛋白(SPI)可溶性蛋白含量；涂宗財?shù)萚6]利用超高壓均質(zhì)處理 SPI 溶液，其溶解性隨壓力和蛋白濃度增加而升高；縱偉等[7]研究超高壓處理對花生分離蛋白溶解性影響發(fā)現(xiàn)，花生分離蛋白隨處理壓力升高和處理時間延長，其溶解性提高。微射流處理可以使凝聚的蛋白質(zhì)顆粒破碎變成細(xì)小的顆粒，并可以使脂肪球破碎成小脂肪球，有利于提高豆奶粉的溶解度[8]。

本實驗通過微射流技術(shù)處理濃縮豆乳進(jìn)行噴霧干燥，以豆粉溶解特性相關(guān)指標(biāo)和微觀結(jié)構(gòu)為指標(biāo)，研究不同微射流壓力對豆粉溶解特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

東北大豆、碳酸氫鈉。

WK2102型電磁爐；M-110EH30型高壓微射流均質(zhì)機(jī)；JT-8000Y型離心式噴霧干燥器； Bettersize2000型激光粒度分布儀；ATN-300型全自動凱氏定氮儀；SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆乳粉的加工工藝

豆乳粉加工的工藝流程：

黃豆→精選→清洗→浸泡→磨漿→過濾→真空濃縮→微射流處理→噴霧干燥→產(chǎn)品

精選：取籽粒飽滿、色澤黑亮、無蟲蛀的完整黃豆，去雜質(zhì)；清洗：用清水洗去黃豆表面灰塵；浸泡：清洗后的黃豆用蒸餾水以1 ∶5的比例在室溫下浸泡12 h(0.5% NaHCO3溶液)，使黃豆吸水膨脹；磨漿：膨脹后的黃豆進(jìn)行磨漿，然后用100目的標(biāo)準(zhǔn)樣篩過濾豆?jié){；過濾：除去豆渣；真空濃縮：濃縮豆?jié){(濃縮至固形物含量為15%左右)。

采用高壓微射流均質(zhì)機(jī)對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的濃縮豆?jié){溶液進(jìn)行處理，施加的壓力分別為：42.5、89.0、123.5、152.0 MPa[9](結(jié)合實際生產(chǎn))。為抑制豆乳粉中蛋白的變性程度，在出口處采用冷卻水系統(tǒng)快速降溫[10]，豆乳循環(huán)均質(zhì)3次。將約1 L豆乳進(jìn)行離心式噴霧干燥，噴霧干燥進(jìn)口溫度控制在165～185 ℃，出口溫度控制在80～90 ℃之間。

1.2.2 粒徑分布測定

噴霧干燥豆乳粉及對照組豆乳粉(未進(jìn)行微射流處理)用激光粒度分布儀進(jìn)行粒徑分布測定，樣品稀釋后用滴管將加入進(jìn)樣口，當(dāng)折光率穩(wěn)定在8%～12%或散射的偏振強(qiáng)度差(PIDS)穩(wěn)定在45%～55%時，開始檢測分析[11]。

1.2.3 蛋白分散指數(shù)測定

稱取1 g(精確至0.000 1 g)噴霧干燥豆乳粉，溶解于200 mL水中，充分?jǐn)嚢?.5 h后，將溶解液全部轉(zhuǎn)移至離心管中，離心(3 000 r/min, 10 min)后取上清液，沉淀加入10 mL蒸餾水?dāng)嚢?，隨后采用相同的方法離心并棄去沉淀，將上清液合并，并測定其粗蛋白含量[12]。測定粗蛋白的量采用凱氏定氮法。按照GB 5009.5—2016進(jìn)行測定。

1.2.4 水合能力測定

稱取5.0 g(精確至0.000 1 g)豆粉于離心管中，逐次加1 mL蒸餾水并用玻璃棒攪勻，豆乳粉充分溶解，配平，在4 ℃，5 000 r/min，離心15 min，棄去上清液(若無上清液，再次加蒸餾水?dāng)噭?，離心至有少量上清液為止)，計算每克豆粉吸收水分的質(zhì)量，即為豆乳粉水合能力[13]。公式如下所示：

式中：m為樣品質(zhì)量/g；m1為沉淀質(zhì)量/g；m2為離心管質(zhì)量/g。

1.2.5 分散性和堆積密度測定

稱取10 g(精確至0.01 g)豆乳粉于盛有100 mL去離子水的250 mL燒杯中，放入25 ℃ 恒溫水浴，記錄從攪拌開始到粉塊全部分散所需的時間，即為豆乳粉的分散性[14]。將豆乳粉從漏斗中散落至10 mL量筒中，測定10 mL豆粉的重量，換算出其堆積密度(g/mL)[15]。

1.2.6 休止角測定

根據(jù)Goula[16]等的方法測定休止角。首先桌面上放一塊玻璃板，將漏斗固定于桌面并保持垂直，漏斗尾端距玻璃板垂直距離3 cm，將約3.00 g(精確至0.01 g)豆乳粉經(jīng)玻璃漏斗垂直流至玻璃平板上，流下的粉在玻璃平板上形成圓錐體，分別測定圓錐表面和水平面的夾角即為粉體的休止角。

1.2.7 溶解度測定

稱取0.5 g(精確至0.000 1 g)豆粉加入100 mL蒸餾水，振蕩混勻，在3 000 r/min條件下離心5 min，取上清液25 mL后105 ℃烘干，計算上清液中干物質(zhì)含量占溶液總干物質(zhì)含量的百分?jǐn)?shù)[17]。

1.2.8 微觀結(jié)構(gòu)觀察

用牙簽沾取少許干燥后豆乳粉，輕輕涂抹于貼有雙面膠的掃描鏡的載物臺上，涂抹均勻，并用洗耳球吹去多余的淀粉，離子濺射鍍膜儀對樣品進(jìn)行噴鍍金處理，放大5 000倍條件下觀察豆乳粉的顆粒形態(tài)[18]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

每組實驗都進(jìn)行3次平行實驗，作圖采用Origin 9.0軟件，數(shù)據(jù)處理使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析、相關(guān)性分析和系統(tǒng)聚類分析。組間平均差異在P<0.05時被認(rèn)為是顯著的。

2 結(jié)果與分析

2.1 豆乳粉粒徑分布

如圖1 所示，微射流處理的豆乳粉粒度分布屬于明顯的單峰分布，說明豆乳粉粒徑分布均勻，表1為微射流對豆乳粉平均粒徑的影響。隨著微射流壓力的不斷增加，物料平均粒徑呈現(xiàn)出先下降后略有增加的趨勢，當(dāng)123.5 MPa微射流壓力處理時，豆?jié){噴霧干燥后豆乳粉粒徑較小，顯著低于對照組和42.5 MPa(P<0.05)。在微射流處理過程中，豆?jié){經(jīng)強(qiáng)烈剪切、高速撞擊和氣穴作用使豆?jié){中大顆粒物質(zhì)破碎成小顆粒。若微射流壓力過高，微滴間界面的崩塌率較高有關(guān)，即更高的操作壓力下，微滴凝聚的頻率增加，從而導(dǎo)致乳液粒徑上升[19]。

圖1 微流化壓力對豆粉粒徑分布的影響

2.2 豆粉溶解特性參數(shù)分析

溶解特性是噴霧干燥產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，是評價噴霧干燥產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)劣的基礎(chǔ)。豆乳粉的溶解度、水合率、堆積密度、休止角、豆乳粉粒徑及微觀結(jié)構(gòu)等與其溶解特性品質(zhì)直接相關(guān)[4]。研究發(fā)現(xiàn)具有以下幾種特點(diǎn)：堆積密度高、水合能力強(qiáng)、休止角小等特征，滿足以上條件的干粉具備較好的分散性和溶解度[20]。由表2可知，微射流處理壓力對噴霧前漿料固形物含量無顯著影響，表明強(qiáng)烈剪切、高速撞擊等機(jī)械破碎作用及熱效應(yīng)處理對豆乳中固形物含量影響較小。

蛋白分散指數(shù)(PDI)和水合能力是評價豆乳粉溶解能力的重要指標(biāo)，如表2所示，豆乳粉的PDI和水合能力隨著微射流均質(zhì)壓力的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化，但整體變化不顯著(P<0.05)。當(dāng)微射流壓力為123.5 MPa時，豆乳粉具有較高的蛋白分散指數(shù)和水合能力分別為97.35% 和1.94 mL/g 。推測可能是由于在微射流處理過程中，高剪切作用下豆乳粉粒徑減小，比表面積增加，蛋白質(zhì)分子與水分子的之間相互作用互相作用增加，有利于大豆中蛋白質(zhì)的溶出，同時，強(qiáng)烈剪切、高速撞擊等機(jī)械破碎作用到時蛋白質(zhì)構(gòu)象改變，使豆乳粉的蛋白質(zhì)分散指數(shù)增加[21]。

堆積密度受噴霧干燥產(chǎn)品顆粒大小的影響，噴霧干燥溫度、速率及物料受熱時間均影響豆乳粉的堆積密度。休止角主要用于評價豆乳粉分散性優(yōu)劣的指標(biāo)[22]。由表2可知，當(dāng)微射流壓力為123.5 MPa時，豆乳粉的堆積密度較高，與對照組相比增加了25.81%。相同樣品經(jīng)不同微射流壓力處理后，豆乳粉的休止角的變化為：152.0 MPa>0 MPa>42.5 MPa>89.0 MPa>123.5 MPa，當(dāng)微射流壓力為123.5 MPa時，豆粉具有最小的休止角。上述實驗結(jié)果是由于微射流處理顯著影響豆粉的粒徑大小，強(qiáng)烈剪切、高速撞擊和空化作用等機(jī)械破碎作用使豆?jié){中的大顆粒破碎成較多的小顆粒，而微射流壓力過大時，小顆粒受范德華力的影響容易發(fā)生團(tuán)聚，形成粒徑更大的聚集體，導(dǎo)致平均粒徑增加[23]。

表1 微射流對豆乳粉粒徑的影響

注：同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，D10表示樣品小于該粒徑的顆粒占10% ；D50為中位徑，表示樣品超過和低于該粒徑的顆粒各占50%；D90表示小于該粒徑的粒子占90%；D(4,3)為體積平均粒徑；粒徑分布寬度為(D90～D10)與D50的比值。

表2 豆粉溶解特性參數(shù)

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

表3 豆粉溶解特性參數(shù)相關(guān)性矩陣

注：相關(guān)系數(shù)由散點(diǎn)值計算所得；* 顯著相關(guān)(P< 0.05)； ** 極顯著相關(guān)(P<0.01)。

溶解度和分散性受噴霧干燥產(chǎn)品蛋白變性程度、樣品顆粒大小的影響。由表2可知，當(dāng)微射流壓力123.5 MPa處理時，豆乳粉樣品的溶解度和分散性較好，其溶解度和分散性顯著高于0 MPa和42.5 MPa(P<0.05)。這與堆積密度和休止角的檢測結(jié)果相似。綜合分析，123.5 MPa條件下噴霧干燥制得的豆粉溶解特性較好，其次為89.0 MPa和152.0 MPa。微射流壓力過大可能會導(dǎo)致產(chǎn)品粒徑變大、蛋白變性嚴(yán)重而影響溶解特性。

2.3 豆粉溶解特性參數(shù)相關(guān)性分析

由表3可知，各參數(shù)間有較好的相關(guān)性，因此可以用于評價微射流壓力對豆粉溶解性的影響。固形物含量與蛋白分散指數(shù)、水合能力、堆積密度、溶解度成極顯著正相關(guān)(r=0.994、0.976、0.967，P<0.01)，表明固形物含量越高，豆粉的蛋白分散指數(shù)、水合能力、堆積密度和溶解度越大；水合能力與堆積密度、分散性成極顯著正相關(guān)(r=0.994、0.917，P<0.01)，堆積密度和分散性成極顯著正相關(guān)(r=0.939，P<0.01)表明豆粉水合能力越高，其分散性和堆積密度越好；堆積密度與休止角、溶解度呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)(r=0.856、0.937，P<0.01)，溶解度與休止角顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.876，P<0.05)，表明當(dāng)豆粉具有較高的休止角時其溶解度較小。

2.4 豆乳粉溶解特性參數(shù)聚類分析

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性分析豆乳粉溶解特性參數(shù)間具有很好的相關(guān)性，當(dāng)微射流壓力42.5～152.0 MPa處理時，對豆乳粉的溶解特性參數(shù)進(jìn)行聚類分析。標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化[24]，采用系統(tǒng)聚類、平方歐式距離、Ward方法，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，在123.5 MPa 和152.0 MPa微射流壓力處理下豆乳粉先在0.97距離處被聚在一起，表明二者具有相似的溶解特性； 89.0 MPa和152.0 MPa微射流處理的樣品在3.33距離處聚在一起；42.5 MPa豆乳粉則獨(dú)立為一類。結(jié)合聚類分析和豆乳粉溶解特性參數(shù)的分析結(jié)果表明，123.5 MPa微射流處理樣品溶解特性參數(shù)優(yōu)于152.0、89.0、42.5 MPa和未處理組。聚類結(jié)果在一定程度上反映了不同微射流處理壓力對豆粉溶解特性的影響，首先聚在一起的一類表明溶解特性參數(shù)差異較小。通過系統(tǒng)聚類分析，可實現(xiàn)對不同微射流壓力處理豆乳粉品質(zhì)的評價。

圖2 豆乳粉溶解特性的聚類分析樹狀圖

2.5 豆乳粉微觀結(jié)構(gòu)

圖3 微射流壓力對豆乳粉微觀結(jié)構(gòu)的影響

利用場發(fā)式掃描電子顯微鏡觀察豆粉顆粒表面結(jié)構(gòu)。如圖3所示，不同微射流壓力處理條件下豆粉的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，隨著壓力逐漸增大豆粉顆粒首先表現(xiàn)為顆粒減小、趨向于均勻且分散性增加。當(dāng)微射流壓力為123.5 MPa時，豆粉顆粒最小且均勻，整體也較為完整，表面有細(xì)小的孔洞，因此溶解速度較大。微射流壓力過大時，小的顆粒受范德華力的影響容易發(fā)生團(tuán)聚，形成粒徑更大的聚集體，導(dǎo)致平均粒徑增加，溶解性降低。

3 結(jié)論

通過對不同微射流壓力處理后豆?jié){進(jìn)行噴霧干燥制作豆粉，研究微射流壓力對豆粉溶解性的影響。以與豆粉溶解特性相關(guān)的粒徑、可溶性固形物、蛋白分散指數(shù)PDI、流動性、堆積密度、休止角、溶解度等指標(biāo)，表征不同微射流壓力處理后豆粉溶解特性變化。結(jié)果表明：隨著微射流壓力不斷增大，豆粉平均粒徑呈現(xiàn)出先下降后略有增加的趨勢；可溶性固形物含量表現(xiàn)為先升高后降低；PDI和水合能力隨著微射流均質(zhì)壓力的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化；休止角表現(xiàn)為先減小后增大；溶解度和分散性呈現(xiàn)出現(xiàn)增大后減小的變化；豆粉的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為顆粒減小、趨向于均勻且分散性增加。綜合以上結(jié)果分析，當(dāng)微射流壓力為123.5 MPa時，豆粉具有良好的溶解特性。