不同冷卻溫度添加氯化鎂和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶對(duì)大豆全粉凝膠流變性質(zhì)的影響

李 君，康 昕，蒲雪麗，崔懷田，王勝男，宋 虹，朱丹實(shí)，劉 賀

（渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 錦州 121013）

大豆，雙子葉植物綱、豆科、大豆屬的一年生草本植物，原產(chǎn)我國。我國大豆的集中產(chǎn)區(qū)在東北平原、黃淮平原、長江三角洲和江漢平原。目前，豆制品加工包括傳統(tǒng)豆制品加工、新興豆制品加工以及油脂制品加工[1]。

豆及其制品是高營養(yǎng)的植物性食品，含有豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)[2]。傳統(tǒng)豆制品的制作過程相當(dāng)繁瑣，而且在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，如豆渣、黃漿水等[3]，除少量用于飼料中外，大部分被丟棄。副產(chǎn)物處理耗能極大，會(huì)導(dǎo)致企業(yè)成本升高、環(huán)境污染等問題。豆渣中營養(yǎng)元素種類多且豐富，祝義偉等[4]研究表明，豆渣中含有豐富的營養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、膳食纖維、鉀、鈣、磷等，同時(shí)，豆渣也是VB1、鋅、銅等營養(yǎng)元素的良好來源。豆渣還具有調(diào)節(jié)腸道菌群平衡、輔助治療糖尿病等功效[5]。黃漿水中也含有蛋白質(zhì)、脂肪、大豆異黃酮以及低聚糖等營養(yǎng)物質(zhì)[6]。因此，提高大豆利用率及全大豆制品的研究已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。De Lima等[7]利用全豆粉喂食高脂高膽固醇的小鼠，結(jié)果表明，全豆粉可以減少BALB/c小鼠炎癥和心血管疾病的危險(xiǎn)因素。李學(xué)偉等[8]利用全大豆和脫脂大豆釀造醬油，結(jié)果表明全大豆釀造醬油在滋味、香氣及色澤方面均優(yōu)于脫脂大豆。全大豆制品不僅提高了產(chǎn)品的營養(yǎng)，且省掉了部分工序?yàn)槠髽I(yè)節(jié)約了成本，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的污染。

全大豆產(chǎn)品中纖維和多糖含量過高，纖維和多糖的存在會(huì)阻礙有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，影響全豆豆腐的硬度、彈性及咀嚼性[9]，有研究表明，豆渣多糖會(huì)吸附在大豆蛋白表面，隱藏部分蛋白質(zhì)表面疏水區(qū)域，降低蛋白質(zhì)之間的疏水作用，影響凝膠結(jié)構(gòu)[10]，進(jìn)而提升了產(chǎn)品加工的難度。因此需要通過探究全豆產(chǎn)品的凝膠機(jī)理從而改善口感，為消費(fèi)者帶來更好的體驗(yàn)。本研究利用氯化鎂和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（glutamine transaminase，TG）誘導(dǎo)豆乳凝膠，通過調(diào)控溫度改善大豆全粉凝膠的質(zhì)構(gòu)和流變特性，并探究其影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

大豆全粉 山東禹王集團(tuán)；氯化鎂 青海晶潔鎂露科技責(zé)任有限公司；TG 泰興市東圣生物科技有限公司。

TA-XTplus型質(zhì)構(gòu)儀 英國SMS公司；DHR-1型流變儀 美國TA公司；S-4800型發(fā)射掃描電鏡 日本日立公司；OA21002型精密電子天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；DJ13R-P3型全自動(dòng)家用豆?jié){機(jī) 九陽股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 大豆全粉凝膠的制備

參考劉昱彤[11]方法并稍作修改。將超微粉碎處理的大豆全粉和去離子水，按1∶7的料液比放入豆?jié){機(jī)中煮漿30 min，迅速冷卻至5、15、25 ℃，制得全豆豆乳備用。取60 g全豆豆乳于100 mL玻璃容器中，分別添加0.6%、0.8%和1.0%的氯化鎂以及1.2 U/g TG，快速攪拌均勻，55 ℃保溫凝固1 h，然后升溫至80 ℃繼續(xù)凝固20 min，取出后迅速冷卻，得到大豆全粉凝膠。

1.2.2 凝膠性質(zhì)的測(cè)定

參考郭興鳳等[12]方法并稍作修改。將制備好的豆乳凝膠樣品放置在載物臺(tái)上，將分析儀探頭對(duì)準(zhǔn)樣品中心。參數(shù)設(shè)置為：探頭型號(hào)P/5；測(cè)試距離20 mm；接觸力1 g；測(cè)試前速率、測(cè)試速率、測(cè)試后速率均為1 m/s。

1.2.3 流變性質(zhì)的測(cè)定

參考吳超義等[13]及Zhao Haibo[14]等方法并稍作修改。采用流變儀測(cè)定大豆全粉凝膠形成過程中儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G”）參數(shù)的變化。向降至不同冷卻溫度的全豆豆乳中添加0.8%氯化鎂及1.2 U/g TG，混合均勻后迅速加至樣品臺(tái)上，使探頭完全覆蓋樣品。參數(shù)設(shè)置：40 mm平行板探頭；探頭與樣品間隙：1 000 μm；應(yīng)變：1%；頻率：1 Hz。溫度掃描程序：以5 ℃/min的速率分別從5、15 ℃和25 ℃升溫至55 ℃，在此溫度下持續(xù)掃描60 min，再以5 ℃/min的速率升溫至80 ℃，持續(xù)掃描20 min，測(cè)定時(shí)使用油封，確保參數(shù)在線性黏彈范圍內(nèi)。

1.2.4 微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定

采用S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察大豆全粉凝膠的超微結(jié)構(gòu)。將豆乳凝膠切薄片，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的戊二醛溶液，放置在4 ℃冰箱中固定12 h后，取出樣品，用pH 7.2的磷酸緩沖溶液清洗3 次，每次10 min，吸出廢液。然后分別用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇溶液進(jìn)行梯度脫水，每次10 min。再加入氯仿脫脂4 h。將樣品凍干、噴金，在電鏡下觀察豆乳凝膠的超微觀結(jié)構(gòu)[15]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS Statistics 21.0軟件對(duì)凝膠的質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；流變數(shù)據(jù)用Origin 8進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 在不同冷卻溫度添加凝固劑對(duì)大豆全粉凝膠性質(zhì)的影響

如表1所示，隨冷卻溫度的升高，凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，不同冷卻溫度對(duì)凝膠強(qiáng)度影響差異顯著。在冷卻至5 ℃時(shí)添加0.8%、1.0%氯化鎂的豆乳凝膠的凝膠強(qiáng)度均大于其他冷卻溫度下誘導(dǎo)的凝膠，在冷卻至5 ℃添加TG誘導(dǎo)的大豆全粉凝膠體系達(dá)到最大凝膠強(qiáng)度（56.23±4.55）g，而未降溫處理組無法形成凝膠。大豆蛋白形成豆腐凝膠，主要是因?yàn)榇蠖沟鞍准訜嶙冃院?，暴露出疏水基團(tuán)，在疏水相互作用下大豆蛋白分子相互結(jié)合，形成了豆腐凝膠[16]。有研究表明當(dāng)使用氯化鎂作為凝固劑時(shí)，相鄰的蛋白質(zhì)在鹽橋的作用下靠近，經(jīng)過疏水性互作用，后又形成二硫鍵，進(jìn)一步凝結(jié)，形成蛋白質(zhì)凝膠[17]。根據(jù)該結(jié)果推測(cè)，在大豆蛋白加熱變性后，疏水基團(tuán)暴露，此時(shí)向全豆豆乳中添加氯化鎂無法形成凝膠可能是由于纖維及多糖的存在導(dǎo)致蛋白質(zhì)無法靠鹽橋作用靠近從而無法形成凝膠結(jié)構(gòu)。將豆乳降溫后，其凝膠強(qiáng)度增大，可能是豆乳冷卻后，更多疏水基團(tuán)暴露而，在疏水相互作用下蛋白質(zhì)相互連接從而形成了凝膠，且在5 ℃時(shí)凝膠強(qiáng)度最大。

表1 冷卻溫度對(duì)大豆全粉凝膠強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of cooling temperature on the strength of heat-induced gels from whole soybean flour

Wang Xufeng等[18]研究發(fā)現(xiàn)，鎂離子能夠與大豆蛋白快速結(jié)合，二者適當(dāng)（足夠）聚集產(chǎn)生更致密和更強(qiáng)的凝膠結(jié)構(gòu)，而過度聚集使凝膠網(wǎng)絡(luò)更粗糙。根據(jù)Wang Xufeng等[18]的研究結(jié)果推測(cè)，氯化鎂添加量達(dá)到0.8%時(shí)，凝膠強(qiáng)度最大，而添加量達(dá)到1.0%時(shí)凝膠強(qiáng)度下降，表明高濃度鎂離子與蛋白質(zhì)結(jié)合更加迅速從而使凝膠網(wǎng)絡(luò)變得粗糙，凝膠強(qiáng)度下降。石彥國等[19]研究證實(shí)了這一點(diǎn)，其研究發(fā)現(xiàn)，在添加凝固劑之前，蛋白質(zhì)分子之間的靜電斥力占主導(dǎo)地位；添加凝固劑后，蛋白質(zhì)分子間的作用力達(dá)到平衡，豆?jié){中的蛋白質(zhì)結(jié)合形成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；當(dāng)凝固劑濃度超出一定的范圍時(shí)，分子間作用力的平衡被破壞，此時(shí)靜電斥力減小，蛋白質(zhì)相互結(jié)合的速率加快，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)粗糙，凝膠強(qiáng)度降低。

結(jié)果表明，添加TG大豆全粉凝膠的凝膠強(qiáng)度有相似的變化趨勢(shì)，在不同冷卻溫度下，添加0.8%氯化鎂凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大，且均大于同溫度下無酶組的凝膠強(qiáng)度。Zhao Zhongkai等[20]的研究結(jié)果表明，在相同處理?xiàng)l件下，向甘薯蛋白中添加TG，凝膠的硬度、黏性均比未添加TG的樣品有提高，其認(rèn)為酶處理進(jìn)一步增強(qiáng)了特異性肽鍵的共價(jià)交聯(lián)從而增強(qiáng)了硬度等特性。Li Hongjuan等[21]認(rèn)為TG可以交聯(lián)αs-、β-和κ-酪蛋白并在酪蛋白膠束之間和之內(nèi)產(chǎn)生鍵，是凝膠三維結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固致密，從而提高凝膠的硬度。孫英婷[22]在豆腐腸中添加TG，產(chǎn)品蒸煮損失降低，凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，表明TG的添加使凝膠具有更強(qiáng)的硬度、咀嚼性等特點(diǎn)。

表2 冷卻溫度對(duì)大豆全粉凝膠破裂距離的影響Table 2 Effect of cooling temperature on the breaking distance of heatinduced gels from whole soybean flour

凝膠破裂距離，即測(cè)試過程中凝膠體破裂時(shí)探頭下移的距離，凝膠破裂距離表征凝膠的彈性[23]。表2表明在不同冷卻溫度下誘導(dǎo)凝膠的凝膠破裂距離差異顯著。添加TG結(jié)果表明溫度越低，凝膠破裂距離越大，凝膠彈性越大，而未進(jìn)行降溫處理組無法形成凝膠。根據(jù)董昳廷[24]的研究結(jié)果推測(cè)，隨著冷卻溫度降低凝膠彈性增大的原因可能是在5 ℃氯化鎂釋放緩慢，釋放量較少，可以與豆乳中蛋白質(zhì)結(jié)合形成結(jié)構(gòu)致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)，提高凝膠的彈性，而較高溫度會(huì)使氯化鎂快速釋放較快，過度結(jié)合導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)粗糙，彈性降低。

2.2 升溫過程中豆乳凝膠體系G′及G”的變化

G′越大，說明樣品的彈性越好，凝膠性質(zhì)越好；G”是能量損失的一種度量，即反映液體部分的性質(zhì)，代表黏度[25]。

圖1～3分別表示從25、15 ℃以及5 ℃升溫到80 ℃過程中大豆全粉凝膠體系的G′、G”和凝膠體系隨時(shí)間及溫度的變化情況。在升溫過程，凝膠體系的G′呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。在添加TG的體系中G′呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，在5 ℃及15 ℃條件下添加TG豆乳凝膠的G′明顯大于未添加TG的豆乳凝膠，且溫度越低，凝膠的G′越大。

圖1 25 ℃加熱到80 ℃條件下凝膠體系G′及G”的變化Fig. 1 Changes in storage modulus and loss modulus in heat-induced gels from whole soybean flour with increasing heating temperature from 25 to 80 ℃

圖2 15 ℃加熱到80 ℃條件下凝膠體系G′及G”的變化Fig. 2 Changes in storage modulus and loss modulus in heat-induced gels from whole soybean flour with increasing heating temperature from 15 to 80 ℃

圖3 5 ℃加熱到80 ℃條件下凝膠體系G′及G”的變化Fig. 3 Changes in storage modulus and loss modulus in heat-induced gels from whole soybean flour with increasing heating temperature from 5 to 80 ℃

上述升溫過程中，在冷卻至5 ℃時(shí)添加凝固劑的豆乳凝膠的G′均大于其他其他冷卻溫度下誘導(dǎo)的凝膠。王旭峰[26]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)SPI乳狀液凝膠中所含聚集體逐漸增大時(shí)，其G′也逐漸增大。根據(jù)其研究結(jié)果推測(cè)，隨著冷卻溫度的下降，誘導(dǎo)豆乳形成凝膠時(shí)，凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)的原因可能是隨著冷卻溫度下降，豆乳中聚集體逐漸增大使得G′增大。Chen Nanan等[27]對(duì)SPI聚集體大小與凝膠時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行研究表明，凝膠時(shí)間隨著聚集體尺寸增加而降低。G′=G”時(shí)為凝膠點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)時(shí)間為凝膠時(shí)間[28]。根據(jù)Chen Nanan等[27]研究結(jié)果比較實(shí)驗(yàn)中在25 ℃和5 ℃兩個(gè)溫度下添加氯化鎂和TG的凝膠時(shí)間發(fā)現(xiàn)，5 ℃的凝膠時(shí)間先于25 ℃，推測(cè)在5 ℃時(shí)豆乳中聚集體的尺寸大于25 ℃。

隨著溫度的變化，部分凝膠的G′在二次升溫時(shí)產(chǎn)生下降趨勢(shì)。趙海波[29]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保溫后降溫G′呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。根據(jù)其研究結(jié)果推測(cè)，保溫后二次升溫豆乳凝膠體系G′呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)可能是一些強(qiáng)的離子鍵斷裂導(dǎo)致。何志勇等[30]認(rèn)為SPI隨溫度升高產(chǎn)生下降-上升的結(jié)果可能是因?yàn)镾PI制備過程中受熱形成聚集體，升溫后聚集體解離導(dǎo)致G′下降，繼續(xù)升溫蛋白質(zhì)開始變性內(nèi)部基團(tuán)暴露并相互作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，誘導(dǎo)豆乳形成凝膠時(shí)G′上升-下降-上升的原因可能是，在一階段升溫過程中豆乳中蛋白聚集，G′增大，繼續(xù)升溫導(dǎo)致蛋白聚集體解離致使G′迅速下降，當(dāng)溫度繼續(xù)上升后，被包裹的基團(tuán)暴露出來并經(jīng)過相互作用形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

添加TG大豆全粉凝膠體系的G′較大，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密交聯(lián)穩(wěn)定的大豆全粉凝膠，凝膠彈性提高，劉昱彤等[31]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。結(jié)果表明，隨著添加凝固劑時(shí)豆乳溫度的降低，凝膠的G′提高，表明降低添加凝固劑時(shí)豆乳的溫度有助于提高豆乳凝膠的彈性。

2.3 不同冷卻溫度添加凝固劑豆乳凝膠體系的微觀結(jié)構(gòu)

圖4 不同冷卻溫度下添加凝固劑制備的豆乳凝膠掃描電子顯微鏡圖像（×50 000）Fig. 4 SEM images of heat-induced gels from whole soybean flour with and without added TG at different cooling temperatures (× 50 000)

圖4 a中凝膠體系在掃描電鏡下呈現(xiàn)不均勻聚集形態(tài)，形成的聚集體堆疊嚴(yán)重，有明顯分布不均的孔洞存在于結(jié)構(gòu)中且交聯(lián)情況較差。圖4b中凝膠體系在掃描電鏡下呈現(xiàn)較為有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，較圖4a的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加明顯致密，但仍存在不均一孔洞。圖4c中凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較圖4a、b致密，表明在5 ℃條件下氯化鎂誘導(dǎo)形成的豆乳凝膠能夠形成更均勻致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中孔洞分布較圖4a、b更為均勻。圖4d較圖4c的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有更明顯的交聯(lián)性，表明TG處理能使大豆全粉凝膠形成更加規(guī)則、均勻、致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和較小的蛋白顆粒膠束，使得形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，有利于保留、滯納水相，能夠減弱凝膠的脫水收縮，此時(shí)的大豆全粉凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最緊密。

3 結(jié) 論

本研究通過質(zhì)構(gòu)、流變測(cè)定在不同冷卻溫度下添加凝固劑及TG對(duì)大豆全粉凝膠性質(zhì)的比較，并通過掃描電鏡測(cè)定凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。凝膠質(zhì)構(gòu)性質(zhì)的測(cè)定結(jié)果表明不同冷卻溫度對(duì)凝膠硬度和彈性影響差異顯著，隨著添加凝固劑時(shí)豆乳溫度的降低，豆乳凝膠的硬度和彈性都逐漸增強(qiáng)。流變測(cè)試也證明在此研究中豆乳溫度達(dá)到5 ℃時(shí)添加凝固劑更有利于大豆全粉凝膠的形成，在該溫度下誘導(dǎo)全豆豆乳形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密有序。