板式換熱器中豆?jié){的沉積行為

曾慶軍，華欲飛，陳業(yè)明，孔祥珍

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫，214122)

加熱處理是大豆生產(chǎn)加工過(guò)程中的重要步驟，具有鈍化抗?fàn)I養(yǎng)因子和脂肪氧合酶，殺滅微生物，提高蛋白質(zhì)消化率，去除生豆味等一系列作用。傳統(tǒng)制漿一般采用蒸汽直噴加熱，雖然傳熱效率高，不易結(jié)垢，但存在豆?jié){被稀釋以及產(chǎn)品受污染等缺點(diǎn)。板式換熱器傳熱系數(shù)高、換熱面積大、占地面積小，在乳品、飲料生產(chǎn)線(xiàn)中被廣泛應(yīng)用。采用換熱器加熱不僅能很好地保持豆?jié){原有品質(zhì)，還更安全、衛(wèi)生。豆?jié){是由蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物和礦物質(zhì)等組成的復(fù)雜流體。在加熱過(guò)程中，豆?jié){的流變特性或豆?jié){組分的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而在熱表面上形成沉積物，導(dǎo)致?lián)Q熱器的傳熱效率下降，影響正常生產(chǎn)。

目前關(guān)于熱表面沉積行為的研究主要集中在動(dòng)物乳方面。牛乳殺菌時(shí)加熱表面沉積物的量會(huì)隨著時(shí)間而增加，并且總換熱系數(shù)逐漸降低。溫度是決定間接加熱系統(tǒng)中沉積物成分的最重要因素[1]。FRYER與SLATER指出，在較高溫度下形成的牛乳沉積物具有較低比例的蛋白質(zhì)和較高比例的礦物質(zhì)，并且增加熱表面流體的流動(dòng)速率可降低沉積速率[2-3]。牛乳在巴氏殺菌過(guò)程中形成沉積物被稱(chēng)為A型沉積物，含有蛋白質(zhì)(50%～60%)，礦物質(zhì)(30%～35%)和脂肪(4%～8%)[4]。大多數(shù)β-乳球蛋白在受熱表面或附近會(huì)發(fā)生變性，并且由于物理化學(xué)反應(yīng)聚集而形成沉積物[5]。A型沉積物由靠近熱交換器表面的富含礦物質(zhì)的內(nèi)層和富含蛋白質(zhì)的外層組成[6-9]。當(dāng)加熱溫度較高時(shí)(110 ℃以上)，牛乳會(huì)形成以礦物質(zhì)為主的B型沉積物，含有礦物質(zhì)(主要是磷酸鈣)(70%～80%)、蛋白質(zhì)(15%～20%)和脂肪(4%～8%)[10-11]。

豆?jié){的理化特性與牛乳相比有很大差異，其礦物質(zhì)含量也比較低。生豆?jié){中的大豆蛋白雖然是可溶的，但是加熱后容易形成較大分子量的聚集體。此外，植酸含量較高，可以與鈣、鎂等二價(jià)金屬離子形成不溶性復(fù)合物，這說(shuō)明豆?jié){同樣具有在加熱表面沉積的可能性并且可能具有不同的沉積行為。研究表明，在某些條件下，豆?jié){沉積物積累的速度更快，并且其沉積物的特性不同于牛乳[12]。

根據(jù)BANSAL等[13]對(duì)影響牛乳沉積行為因素的描述，牛乳性質(zhì)及操作溫度能夠影響牛乳的沉積行為。大豆蛋白在不同的pH下經(jīng)過(guò)加熱后具有不同的聚集程度，并且豆?jié){進(jìn)料溫度也可能影響沉積行為。本研究利用自制的小型板式換熱器系統(tǒng)對(duì)豆?jié){進(jìn)行加熱，并對(duì)加熱過(guò)程中發(fā)生的沉積現(xiàn)象進(jìn)行探討，通過(guò)記錄系統(tǒng)的參數(shù)變化考察豆?jié){pH值與進(jìn)料溫度對(duì)沉積速率的影響，同時(shí)對(duì)沉積物的組成進(jìn)行分析，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)大豆制漿及加工工藝提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆，無(wú)錫市場(chǎng)；試驗(yàn)所用試劑除特殊交代外均為分析純；AA-240型原子吸收分光光度計(jì)，美國(guó)瓦里安公司；FE28型pH計(jì)，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；豆?jié){機(jī)，歐萊特電器有限公司；HH-S數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市醫(yī)療設(shè)備有限公司；BPG-9156A 精密鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

自制的板式換熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，包括板式換熱器、物料泵、物料罐、熱水罐、熱水泵、釬焊板片換熱器以及預(yù)熱罐等。控制部分包括進(jìn)料流量計(jì)、進(jìn)料流量調(diào)節(jié)閥、進(jìn)料溫度計(jì)、加熱段出料溫度傳感器及壓力表、冷卻段出料溫度計(jì)等。板式換熱器加熱部分由14塊SUS304人型波紋換熱板組成，形成13個(gè)通道，豆?jié){在2、4、6、8、10、12通道流動(dòng)，在1、3、5、7、9、11、13通道中逆流通入熱水。

圖1 裝置設(shè)計(jì)示意圖

板式換熱器加熱部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表1。

表1 加熱部分設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 運(yùn)行條件及方法

設(shè)定不同的運(yùn)行時(shí)間(0.5、1.5、3.0、5.0 h)，研究沉積物的成分隨時(shí)間的變化。約8 kg豆?jié){以75 L/h的流速注入板式換熱器加熱部分，pH為6.70，進(jìn)料溫度60 ℃，壓力約0.22 MPa。熱水流速與壓力分別控制在200 L/h、0.35 MPa，熱水入口溫度約137 ℃。隨后分別控制豆?jié){的pH值(6.3、6.5、6.7、6.9、7.1)和進(jìn)料溫度(30、50、70 ℃)，其他條件相同，進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)行時(shí)間5 h。

每次試驗(yàn)運(yùn)行之前，用堿液徹底清潔整個(gè)系統(tǒng)，并用大量水沖洗以確保最大的換熱效率，使用的蒸汽發(fā)生器能夠提供相同的蒸汽量及壓力。豆?jié){和反滲透純(reverses osmosis, RO)水分別裝在物料罐和熱水罐中，首先將水送入測(cè)試區(qū)，然后將其他運(yùn)行參數(shù)控制在設(shè)定條件，穩(wěn)定后切換閥門(mén)通入豆?jié){。物料罐中的豆?jié){進(jìn)入加熱部分，加熱到一定溫度后進(jìn)入冷卻部分冷卻，隨后返回到預(yù)熱段進(jìn)行預(yù)熱，最后返回至物料罐。測(cè)試部分的熱水回到熱水罐進(jìn)行循環(huán)。所有實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的啟動(dòng)時(shí)間約為3 min，每30 s記錄溫度T1、T2、T3、T4。

在該試驗(yàn)中，豆?jié){被高流量的熱水加熱，并且熱水的進(jìn)料溫度設(shè)計(jì)遵循工業(yè)慣例。所有實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中保持相同水平的溫度驅(qū)動(dòng)力，即處于清潔狀態(tài)時(shí)，對(duì)數(shù)平均溫差為17.6 ℃。該設(shè)備由食品行業(yè)常用的設(shè)備組成，并且流體通道內(nèi)的雷諾數(shù)達(dá)到了與實(shí)際生產(chǎn)相似的要求。

1.3.2 沉積物的收集

2.2 教練員情況 教練員隊(duì)伍的學(xué)歷、職稱(chēng)的高低、對(duì)文化教育的態(tài)度、對(duì)運(yùn)動(dòng)員學(xué)習(xí)的關(guān)心程度與運(yùn)動(dòng)員的學(xué)習(xí)具有一定的相關(guān)作用。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員平時(shí)與教練在一起的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，教練員對(duì)運(yùn)動(dòng)員個(gè)體的關(guān)注程度相對(duì)更高，思想意識(shí)未成熟的運(yùn)動(dòng)員更易直接受到教練員言行與意識(shí)思想的影響。

每次試驗(yàn)完成后，拆卸板式換熱器，取出加熱部分的換熱板，用清水輕微漂洗，去除板上殘留的豆?jié){，將其放入約1.5 L的體積分?jǐn)?shù)5%氨水中，于60 ℃下浸泡90 min，再將板上的沉積物轉(zhuǎn)移至氨水中。然后再將換熱板置于約1.5 L的體積分?jǐn)?shù)5%乙酸溶液中，于60 ℃下浸泡90 min后，將剩余的沉積物從板上轉(zhuǎn)移至乙酸溶液，將其濃縮干燥，除去乙酸。并將干燥后的樣品水洗至濃縮后的氨水中，經(jīng)冷凍干燥獲得沉積物樣品。

1.4 成分分析

1.4.1 豆?jié){及沉積物的基本成分測(cè)定

參考 GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》規(guī)定的方法測(cè)定蛋白質(zhì)含量;參考 GB 5009.6—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測(cè)定》規(guī)定的方法測(cè)定脂肪含量；參考GB 5009.4—2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測(cè)定》規(guī)定的方法測(cè)定灰分含量；參考GB 5009.92—2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鈣的測(cè)定》規(guī)定的方法測(cè)定鈣含量；參考GB 5009.241—2017 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎂的測(cè)定》規(guī)定的方法測(cè)定鎂含量；參考GB 5009.87—2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中磷的測(cè)定》規(guī)定的方法測(cè)定磷含量；參考GB 5009.91—2017 《食品安全國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)食品中鉀、鈉的測(cè)定》規(guī)定的方法測(cè)定鉀、鈉含量。

1.4.2 十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis, SDS-PAGE)分析

沉積試驗(yàn)完成后，將取出的換熱板于50℃烘干8 h，收集沉積物。取沉積物約200 mg,用10 mL 0.2 mol/L的HNO3處理1 h，在4 000 r/min下離心15 min，除去上清液，用蒸餾水洗滌沉淀3次，再用10 mL沉積物溶解液]8 mol / L尿素，0.2 mol/L 三羥甲基氨基甲烷(Tris)，0.03 mol/L SDS和0.1 mol/L 乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)]處理2 h后，在50 ℃下超聲處理30 min，離心(4 000 r/min，15 min)后取上層清液。參照LAEMMLI[14]的方法進(jìn)行SDS-PAGE，分離膠和濃縮膠的濃度分別為12.5%和5%。取1 mL清液加入適量二硫蘇糖醇(終濃度控制在0.1 mol/L)，并在沸水浴中加熱5 min，最后取10 μL裝入樣品孔中。SDS-PAGE在15 mA下進(jìn)行。凝膠使用考馬斯亮藍(lán)G-250染色，并用Image Lab/PC(4.0版)軟件進(jìn)行分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

通過(guò)電子表格完成溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行加熱部分的熱平衡和沉積速率分析。豆?jié){側(cè)加熱部分的入口和出口之間的溫度差被視為時(shí)間的函數(shù)，并用于計(jì)算豆?jié){在任何時(shí)間獲得的能量。在每次試驗(yàn)中，使用公式(1)計(jì)算豆?jié){獲得的熱量：

Qm=(m×Cp)m×(Tm,out-Tm,in)

(1)

式中：Qm，豆?jié){吸收熱量，J；m，單位時(shí)間內(nèi)處理豆?jié){質(zhì)量，kg；Tm,out，豆?jié){出口溫度，℃；Tm,in，豆?jié){進(jìn)料溫度，℃；Cp，豆?jié){比熱容，J/(kg·℃)。

(2)

式中：LMTD，對(duì)數(shù)平均溫差，℃；Tw,out，熱水出口溫度，℃，Tw,in，豆?jié){進(jìn)料溫度，℃。

豆?jié){通道獲得的能量等于從熱水通道傳遞到豆?jié){通道熱量?？砂垂?3)計(jì)算總傳熱系數(shù)(U)：

(3)

式中：U，系統(tǒng)總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A,總有效傳熱面積，m2。

通過(guò)公式(4)計(jì)算隨時(shí)間變化的沉積因子Rf，可以反應(yīng)沉積物對(duì)換熱效率的影響：

(4)

式中：Rf，沉積因子，(m2·K)/W；Ut=0,初始傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

每組試驗(yàn)除特殊說(shuō)明外均重復(fù)2～3次，部分結(jié)果以X±SD表示。使用SPSS 19.0分析、Origin 2017作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 豆?jié){的成分

大豆于20 ℃浸泡12 h后，加入RO水打漿，調(diào)節(jié)pH至6.5，使用螺桿式分離機(jī)除渣后，獲得沉積試驗(yàn)所用的豆?jié){，通過(guò)稀釋控制固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的豆?jié){。豆?jié){的主要成分包括水分、脂肪、蛋白質(zhì)和其他非脂肪固體(纖維、灰分、碳水化合物等)，具體含量見(jiàn)表2。室溫(25 ℃)下豆?jié){為淺黃色膠體(pH約6.5)。豆?jié){的部分物理性質(zhì)和熱性能數(shù)值用水代替便于計(jì)算。

表2 豆?jié){成分

2.2 傳熱系數(shù)的變化

通過(guò)熱平衡和對(duì)流傳熱分析溫度數(shù)據(jù)，獲得總傳熱系數(shù)(U)隨時(shí)間(t)的變化(圖2)。對(duì)于所有的試驗(yàn)，總傳熱系數(shù)的測(cè)量誤差≤3%。除個(gè)別特殊情況(pH 6.3)，在5 h的試驗(yàn)過(guò)程中均能觀察到一個(gè)階段的沉積過(guò)程：總傳熱系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間增加漸進(jìn)式降低。DELPLACE等[15]曾報(bào)道牛奶沉積存在一個(gè)初始誘導(dǎo)期(長(zhǎng)達(dá)1 h)。豆?jié){沉積初期可能也存在一個(gè)非常短時(shí)間(幾秒鐘)的誘導(dǎo)期，但是由于測(cè)量系統(tǒng)的效率有限，沒(méi)有被觀察到。LALANDE等[16]和GOTHAM等[5]指出，在使用板式換熱器加熱的乳制品沉積中，也沒(méi)有沉積后期。

a-不同pH;b-不同進(jìn)料溫度

在pH 6.3的試驗(yàn)中，觀察到3個(gè)沉積階段。第一階段，蛋白質(zhì)逐漸發(fā)生變性聚集，接觸換熱表面，夾帶著其他組分逐漸形成沉積物，傳熱系數(shù)緩慢下降，持續(xù)約90 min；進(jìn)入第二階段，變性蛋白質(zhì)聚集體體積增大，在pH 6.3下的溶解性低，通道內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)的剪切作用不足，部分通道開(kāi)始被聚集體堵塞，有效換熱面積減少，總傳熱效率迅速下降，持續(xù)至150 min；第三階段，在恒定的總流量的條件下，剩余通道內(nèi)流速增加，較高的剪切力使聚集體無(wú)法繼續(xù)堵塞通道，所以豆?jié){開(kāi)始在剩余通道內(nèi)緩慢沉積，傳熱系數(shù)緩慢下降。

2.3 沉積因子變化

2.3.1 pH對(duì)沉積因子的影響

如圖3所示，提高豆?jié){的pH值至中性可以降低沉積因子的值(圖3-a)。當(dāng)pH值從6.5增加到6.7、6.9和7.1時(shí)，運(yùn)行5 h后沉積因子減小，說(shuō)明增加豆?jié){pH值可以緩解沉積的發(fā)生，這種現(xiàn)象可能與大豆蛋白的聚集有關(guān)。當(dāng)pH為7.0時(shí)，大豆蛋白中的β伴球蛋白聚集反而會(huì)阻礙大豆球蛋白的聚集過(guò)程[17]。此外，大豆蛋白在中性pH值下具有更高的溶解性和穩(wěn)定性，能夠減少沉積物。

a-不同pH;b-不同進(jìn)料溫度

當(dāng)豆?jié){pH值降至6.3時(shí)，沉積因子顯著增加。大豆蛋白在低的pH值(6.3)下穩(wěn)定性較差，在加熱時(shí)更容易發(fā)生變性并聚集，改變豆?jié){的理化性質(zhì)，導(dǎo)致沉積物在換熱器板上迅速增加。如前所述，低pH值下通道內(nèi)發(fā)生了堵塞，沉積因子具有3個(gè)時(shí)期的變化。

2.3.2 進(jìn)料溫度對(duì)沉積因子的影響

如圖3-b所示，隨著豆?jié){進(jìn)料溫度的升高，沉積因子的值增加。該現(xiàn)象與牛奶的沉積行為有所不同，PRAKASH等[18]報(bào)道了在脫脂牛奶中，隨著進(jìn)料溫度增加(65～95 ℃)，沉積越少，整個(gè)系統(tǒng)能夠運(yùn)行的時(shí)間更長(zhǎng)，并將原因歸結(jié)于β乳球蛋白(β-lactoglobulin, β-Lg)在不同溫度下的“黏性”變化。β-Lg大約在55 ℃便開(kāi)始展開(kāi)，65 ℃下β-Lg分子更多處于展開(kāi)形式，具有更高的“黏性”，易附著在換熱表面，而在高溫下β-Lg分子發(fā)生變性后更傾向于在牛奶中聚集，不易附著在換熱表面。不同的是，7S球蛋白和11S伴球蛋白的變性溫度分別為70和90 ℃[19]，在較低的溫度下(30 ℃)，大豆蛋白比較穩(wěn)定，沒(méi)有展開(kāi)或者變性，不易附著在換熱表面。提高進(jìn)料溫度至70 ℃時(shí)，部分蛋白開(kāi)始展開(kāi)、變性，豆?jié){的黏度開(kāi)始增加，進(jìn)入換熱器后溫度的進(jìn)一步升高會(huì)導(dǎo)致黏度的急劇增加。同時(shí)，較高的進(jìn)料溫度會(huì)導(dǎo)致可沉積態(tài)(達(dá)到某一溫度)豆?jié){組分在換熱器中具有更長(zhǎng)的保留時(shí)間，更易形成沉積物。此外，SRICHANTRA等[20]報(bào)道，進(jìn)料溫度越高，全脂牛奶在超高溫滅菌過(guò)程中的沉積越多，該結(jié)果可能受均質(zhì)化過(guò)程的影響，而豆?jié){與全脂牛奶均具有較高的脂肪含量,且豆?jié){制作過(guò)程中打漿的工藝流程有著和均質(zhì)相同的作用。

2.4 沉積物成分隨時(shí)間的變化

如圖4所示，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，沉積物的總量逐漸增加，增速逐漸變小。30 min時(shí)，沉積物總量迅速增加至17.21 g/m2，其中蛋白質(zhì)、脂肪的總占比達(dá)到57%，而灰分約占14%，說(shuō)明沉積前期主要是蛋白質(zhì)和脂肪的沉積造成了傳熱系數(shù)的降低。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，沉積物的總量不斷增多，而其中蛋白質(zhì)與脂肪的占比卻逐漸降低，灰分占比提高，5 h沉積物中，蛋白質(zhì)與脂肪的占比約為30%，灰分含量約為40%。

圖4 沉積物中各成分的質(zhì)量隨時(shí)間的變化

結(jié)果說(shuō)明，蛋白質(zhì)與脂肪在運(yùn)行前期對(duì)沉積物的形成貢獻(xiàn)最大，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，在總流量及壓力保持不變的條件下，沉積物的生長(zhǎng)進(jìn)一步擠壓了通道的空間，導(dǎo)致局部的湍流增加，延緩了后續(xù)變性聚集的蛋白質(zhì)夾帶脂肪進(jìn)入沉積層?；曳衷谡麄€(gè)運(yùn)行過(guò)程中，保持穩(wěn)定增加的趨勢(shì)。不同于大分子的蛋白質(zhì)與脂肪，小分子礦物質(zhì)鹽在流體的推動(dòng)作用下，更容易截留在沉積物中，并且蛋白質(zhì)與脂肪沉積的夾帶作用也在一定程度上促進(jìn)了礦物質(zhì)的沉積。

2.5 沉積物成分分析

2.5.1 蛋白質(zhì)與脂肪含量的變化

沉積物的組成如表3所示，所有試驗(yàn)中沉積物的蛋白質(zhì)與脂肪含量具有相同的變化趨勢(shì)。雖然豆?jié){中蛋白質(zhì)和脂肪的含量與牛奶接近，但是與B型牛奶沉積物中蛋白質(zhì)(15%～20%)和脂肪(4%～8%)的含量相比，豆?jié){沉積物中蛋白質(zhì)(18%～44%)、脂肪(4%～26%)含量均偏高。豆?jié){被加熱至高溫(105～120 ℃)的過(guò)程中,加熱表面或附近的蛋白質(zhì)發(fā)生變性，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，傾向于聚集在換熱板表面形成沉積物。此外，變性后的蛋白失去了吸附在分散的脂肪球界面上的性質(zhì)，因此隨著蛋白質(zhì)的夾帶，更多的脂肪被截留在豆?jié){沉積物中。這可能解釋了豆?jié){與牛奶沉積物組成的差異性，然而目前還沒(méi)有關(guān)于脂肪顆粒熱穩(wěn)定性的報(bào)道。BURTON[21]認(rèn)為在牛奶間接加熱系統(tǒng)中，脂肪對(duì)沉積物形成的作用可以忽略不計(jì)，所以在此階段假設(shè)脂肪只依靠夾帶作用參與沉積物的形成。

表3 豆?jié){沉積物的成分分析(干基)

結(jié)果表明，隨著豆?jié){pH值的升高(6.3～7.1)，豆?jié){沉積物的總量與蛋白質(zhì)的含量減少(44.3%～12.5%)。ROSA等[22]報(bào)道β-乳球蛋白在pH 5.0時(shí)，沉積量最多。蛋白溶液的pH值越接近等電點(diǎn)，其溶解度越低，在加熱過(guò)程中越容易發(fā)生沉積。大豆蛋白等電點(diǎn)約為4.5～5.0，其在低pH值下的穩(wěn)定性和溶解度較低，蛋白質(zhì)間的相互作用增強(qiáng)，加速了蛋白質(zhì)的熱變性和聚集，隨后與換熱表面接觸形成沉積物。

隨著豆?jié){進(jìn)料溫度的提高，沉積物總量增加，蛋白質(zhì)與脂肪的占比下降，灰分占比上升。進(jìn)料溫度提高至70 ℃，蛋白質(zhì)與脂肪的質(zhì)量分別增加約0.28、0.09 g，而灰分增加約2.98 g，說(shuō)明在沉積過(guò)程中進(jìn)料溫度的提高(30～70 ℃)對(duì)灰分的影響遠(yuǎn)大于蛋白質(zhì)與脂肪。結(jié)合2.3.2中的分析，較高的進(jìn)料溫度僅僅提高了蛋白質(zhì)的沉積速度，但在有限的換熱面積上沒(méi)有明顯增加蛋白質(zhì)的沉積，而是促進(jìn)了灰分參與沉積物形成，造成了沉積物總量的增加。

2.5.2 蛋白質(zhì)組分分析

沉積物蛋白質(zhì)的SDS-PAGE結(jié)果如圖5所示。在pH 6.3試驗(yàn)中，蛋白質(zhì)堵塞通道后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的加熱，發(fā)生了不可逆的變性，較難被還原成肽鏈進(jìn)入電泳膠，條帶較為暗淡，其他泳道蛋白質(zhì)主要是7S(α′、α、β)11S(A、B)。使用Image Lab軟件分析，7S和11S蛋白約占蛋白總量的32%和60%，與原豆?jié){中的大豆蛋白組分接近，說(shuō)明豆?jié){中的蛋白質(zhì)是均參與沉積的形成，沒(méi)有某種特定的蛋白質(zhì)能夠優(yōu)先沉積。乳清蛋白只占牛奶固形物的5%，但其在A型沉積物的占比超過(guò)了50%， B型沉積物中絕大多數(shù)蛋白質(zhì)也是乳清蛋白。

泳道1～5-豆?jié){pH(6.3、6.5、6.7、6.9、 7.1)；泳道6～8-進(jìn)料溫度(30,50，70 ℃)；泳道9-原豆?jié){。α′, α和β條帶為β伴大豆球蛋白(7S); A和B條帶為大豆球蛋白(11S)

β-Lg和α-乳白蛋白 (α-lactalbumin, α-La)是2種主要的乳清蛋白,但加熱引起沉積的蛋白質(zhì)主要是β-Lg，其具有很高的熱敏感性，因此在沉積的過(guò)程中占有重要地位[15, 23-25]。因此，豆?jié){沉積物中蛋白質(zhì)的整體參與可以看作是豆?jié){沉積一個(gè)獨(dú)特特征。

2.5.3 灰分成分分析

沉積物灰分中各離子的含量見(jiàn)表4，其中磷(21.64%～24.28%)含量最高，其次為鈣(12.84%～13.78%)、鎂(8.98%～10.77%)。VISSER等[26]綜述了乳制品行業(yè)沉積物中鈣、磷離子形成的是不溶性磷酸鈣顆粒，蛋白質(zhì)的變性和聚集以及磷酸鈣顆粒的形成是遵循不同動(dòng)力學(xué)的2個(gè)不同過(guò)程，沉積物中礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)的沉積可以獨(dú)立發(fā)生。

表4 沉積物灰分中礦物質(zhì)離子的含量及沉積率 單位：%

在豆?jié){沉積中，礦物質(zhì)參與沉積的原因可能是某些鹽的溶解度與溫度成反比，以及礦物質(zhì)在蛋白質(zhì)和脂肪基質(zhì)中的滯留導(dǎo)致。與原豆?jié){中高含量的鉀(81.65 mg/100 g)相比，含量更低的鈣(27.40 mg/100 g)、鎂(29.95 mg/100 g)、磷(54.15 mg/100 g)離子在發(fā)生沉積時(shí)具有更高的沉積率。大豆中80%磷主要存在植酸中，其具有很好的熱穩(wěn)定性。沉積物中礦物質(zhì)離子可能是以植酸鈣鎂形式參與沉積，且在相似沉積條件及pH 6.3～6.9下，鈣、鎂、磷等礦物質(zhì)離子進(jìn)入沉積的參與率基本一致，說(shuō)明其具有獨(dú)立的沉積機(jī)制。提高進(jìn)料溫度，礦物質(zhì)離子的沉積率隨之增加。然而，目前關(guān)于生豆?jié){中植酸、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)的存在方式和相互作用的研究報(bào)道較少，無(wú)法進(jìn)一步分析。

豆?jié){中礦物質(zhì)的初始量尤為重要，其含量因品種、地理位置和成熟度的不同而不同。沉積物中礦物質(zhì)離子的種類(lèi)與總灰分的占比基本相同，所以礦物質(zhì)沉積的機(jī)制是相同的。另外，灰分的占比具有與蛋白質(zhì)和脂肪相反的變化趨勢(shì)，說(shuō)明蛋白質(zhì)和脂肪的夾帶并不是礦物質(zhì)進(jìn)入沉積物的主要驅(qū)動(dòng)力。牛奶沉積物中礦物質(zhì)主要分布在第一層(接觸熱表面)[27]，因此，可以推測(cè)在沉積形成較少的情況，蛋白質(zhì)和脂肪沉積的速度較慢，更多的是礦物質(zhì)離子接觸熱表面形成沉積層，導(dǎo)致礦物質(zhì)在沉積物中占比較高。不同pH值、進(jìn)料溫度的豆?jié){，通過(guò)影響礦物質(zhì)鹽的存在狀態(tài)及蛋白質(zhì)的沉積行為，引起沉積物中礦物質(zhì)的變化，未來(lái)的研究需要探索沉積物中礦物質(zhì)元素的垂直分布來(lái)證明這一推論。

3 結(jié)論

本研究采用一套自行搭建的設(shè)備以模擬生產(chǎn)中使用板式換熱器的加熱過(guò)程，探討不同條件下豆?jié){沉積的影響因子，包括不同的豆?jié){pH值(6.3、6.5、6.7、6.9、7.1)、進(jìn)料溫度(30、50、70 ℃)和不同的運(yùn)行時(shí)間(0.5、1.5、3.0、5.0 h)。結(jié)果表明，在相同的熱驅(qū)動(dòng)力下，提高豆?jié){pH值至中性、降低豆?jié){的入口溫度能降低沉積速率，減少沉積量；對(duì)沉積物的組成與礦物質(zhì)成分進(jìn)行了分析，進(jìn)一步闡明了各因素對(duì)沉積物形成的影響，推測(cè)100 ℃以上的豆?jié){沉積物屬于同種類(lèi)型，具有相同的沉積過(guò)程：大豆蛋白變性聚集夾帶脂肪在前30 min接觸換熱表面迅速形成第一層沉積，隨后在流體作用，主要是大量的礦物質(zhì)鹽截留及少量的蛋白質(zhì)、脂肪附著造成沉積物的緩慢生長(zhǎng)。對(duì)沉積物成分的分析進(jìn)一步說(shuō)明了蛋白質(zhì)、脂肪及礦物質(zhì)在沉積物形成過(guò)程中的貢獻(xiàn)?？刂贫?jié){pH在中性附近、不進(jìn)行預(yù)熱直接進(jìn)入加熱段是可行的減少沉積的工藝改進(jìn)思路。