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    酶法提高豆粉速溶性技術(shù)的研究

    2013-12-08 06:43:06夏明敬朱秀清竇巍巍金麗麗
    食品工業(yè)科技 2013年1期
    關(guān)鍵詞:豆粉速溶木瓜

    王 玲,夏明敬,朱秀清,竇巍巍,何 洋,金麗麗

    (1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家大豆工程技術(shù)研究中心,黑龍江哈爾濱150030)

    大豆中含有豐富的植物蛋白質(zhì),含有人體所需的八種必需氨基酸,不含膽固醇[1],具有降低血液膽固醇和血脂、抑制脂肪血管壁沉積的功能[2]。速溶豆粉是大豆食品中的一種重要產(chǎn)品,多年來(lái)一直受到消費(fèi)者的青睞[3]。速溶豆粉現(xiàn)有的制漿工藝可以分為三大類。第一類是用干法進(jìn)行生產(chǎn),即采用大功率工業(yè)射頻技術(shù),使大豆在電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)的作用下滅酶干燥,然后粉碎成干粉,加水還原成豆?jié){,這種方法投資較大不適于中小企業(yè)配套。第二類是用半濕法生產(chǎn),一般是將大豆干燥脫皮后,經(jīng)蒸汽滅酶,加熱水通過(guò)粗磨,然后再經(jīng)過(guò)膠體磨精磨后分渣,制得漿料。第三類是用濕法生產(chǎn),即將大豆浸泡后進(jìn)行磨漿,然后漿渣分離,得到漿液[4]。這種方法工藝較簡(jiǎn)單。目前市場(chǎng)上的豆粉品牌和種類琳瑯滿目,如黑牛豆粉、維維豆粉、冬梅豆粉等,但是速溶問(wèn)題一直是豆粉產(chǎn)品的標(biāo)志性指標(biāo),尤其目前生產(chǎn)的無(wú)糖豆粉速溶性差,主要是由于粉的顆粒細(xì)而輕,沖調(diào)后不能在水中迅速分散、下沉、溶解,而是部分飄在水面上形成團(tuán)塊包裹,無(wú)法溶解。在制奶和干燥過(guò)程中,由于溫度控制不好,而使豆粉中大量蛋白質(zhì)變性,而引起豆粉不能速溶[5]。提高豆奶粉速溶性的方法有酶解法[6-7]、添加蔗糖和糊精、添加大豆磷脂、加入酪蛋白鈉、添加高HLB的蔗糖脂肪酸酯、調(diào)整噴霧干燥前的p H、添加牛、羊奶或奶粉、濃縮時(shí)加入Na2SO3等還原劑[8-9]。本實(shí)驗(yàn)采用濕法生產(chǎn)豆粉,通過(guò)熱處理去除大豆中的各種抗?fàn)I養(yǎng)因子和豆腥味,同時(shí)通過(guò)酶法適度降解大豆蛋白,使一部分蛋白質(zhì)裂解成肽及氨基酸,防止由于大豆蛋白降解而產(chǎn)生苦味的同時(shí),提高了豆粉的速溶性。

    1 材料與方法

    1.1 材料與設(shè)備

    大豆 東北市售;鄰苯二甲醛(OPA) 上海弘鑫化工實(shí)業(yè)有限公司;福林-酚 Sigma公司;中性蛋白酶(酶活力54800U/mL pro) 丹麥Novo公司;木瓜蛋白酶(酶活力51500U/g pro) 廣西南寧杰沃利生物制品有限工公司;碳酸氫鈉、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、硫代硫酸鈉、無(wú)水碳酸鈉等其他試劑 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

    HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器廠;PH-3C型酸度計(jì) 上海雷磁儀器廠;FDMZ100分離式磨漿機(jī) 江蘇丹徒葛中電器五金廠;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申勝生物技術(shù)有限公司;JJ-0.1/60型均質(zhì)機(jī) 廊坊市通用機(jī)械有限公司;B-290型噴霧干燥機(jī) 瑞士Büchi公司;BS22025電子天平Sartorius公司;TDW馬弗爐 溫州市雙嶼儀器廠;LD4-2A低速離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠;TU-1901雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限公司。

    1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    1.2.1 速溶豆粉的制作工藝流程及操作要點(diǎn) 工藝流程:大豆→精選→浸泡→熱燙→磨漿→煮漿→酶解→殺菌→濃縮→均質(zhì)→噴霧干燥→速溶豆粉。

    操作要點(diǎn):大豆在8~10℃水中以豆水比為1∶2.5浸泡16h左右在85℃下熱燙并保溫4min,在溫度為85℃、碳酸氫鈉的添加量為 0.3%[10-12]、豆水比為 1∶7的條件下磨漿,并經(jīng)95℃煮漿20min后所得的豆奶無(wú)腥味且脲酶是陰性的。煮漿后的豆奶冷卻至一定的溫度后加入木瓜蛋白酶進(jìn)行酶解,經(jīng)121℃高溫下殺菌15min后進(jìn)行濃縮處理,濃縮條件為溫度55℃、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)50r/min,時(shí)間20min,真空度0.09MPa。濃縮后的豆乳經(jīng)一次均質(zhì)壓力為26MPa,二次均質(zhì)壓力為10MPa的均質(zhì)處理后,得到的豆奶組織細(xì)膩、口感柔和且存放一定時(shí)間不分層、無(wú)沉淀。最后豆乳進(jìn)行噴霧干燥,其條件為進(jìn)口溫度為180℃,出口溫度為80℃,真空度為-9×105Pa,進(jìn)料泵(PUMP)=20%(進(jìn)樣量0.1mL/s),即得到速溶豆粉。

    1.2.2 氮溶解指數(shù)(NSI)的測(cè)定 采用Bradford法測(cè)定[13]

    1.2.3 水解度(DH值)測(cè)定 OPA法[14]。

    1.2.4 苦味測(cè)定 感官評(píng)價(jià)法[15-16]。

    1.2.5 中性蛋白酶酶解大豆蛋白實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)中,大豆浸泡瀝干后在85℃熱燙并保溫4min,豆水比1∶7、磨漿溫度為85℃、NaHCO3添加量為0.3%的條件下磨漿并經(jīng)95℃煮漿20min后冷卻至55℃,以加酶量、酶解溫度、酶解時(shí)間和p H為考察因素,以NSI值及DH值為監(jiān)測(cè)指標(biāo),確定最適的酶解條件。

    1.2.6 木瓜蛋白酶酶解大豆蛋白實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)方法同1.2.5。

    1.2.7 響應(yīng)面法優(yōu)化木瓜蛋白酶酶解條件 根據(jù)Box-Benhnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用四因素三水平響應(yīng)面分析法,依據(jù)回歸分析確定各工藝條件的主要影響因素,以NSI值為響應(yīng)值作響應(yīng)面,確定最佳的酶解條件。

    表1 實(shí)驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Code and levels of factors design for experiment

    表2 大豆原料組分分析Table 2 The composition of soybean

    1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

    所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次重復(fù),數(shù)據(jù)均采用 Excel(2003)、Design Expert 7.0.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 大豆原料組分測(cè)定

    大豆,是豆類中營(yíng)養(yǎng)價(jià)值最高的品種,在百種天然的食品中,它名列榜首,含有大量的不飽和脂肪酸,多種微量元素及優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)。由于大豆品種、產(chǎn)地等的不同,導(dǎo)致大豆?fàn)I養(yǎng)成分和NSI值都存在差異,本實(shí)驗(yàn)所選用的大豆原料組分如表2所示。

    2.2 中性蛋白酶水解條件對(duì)大豆蛋白溶解性的影響

    2.2.1 pH對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響 如圖1所示,pH為5~7時(shí)隨著pH的增加,NSI值及DH值逐漸增加,在 pH為7時(shí)達(dá)到最大值,分別為75.26%和3.44%,而pH高于7時(shí),NSI值及DH值逐漸下降。這是由于每一種酶都有其適合的p H作用范圍,在這個(gè)作用范圍內(nèi)酶的催化活性部位含有的可解離的基團(tuán)得到了最充分的解離,使酶的活性中心與蛋白質(zhì)底物充分結(jié)合,從而將底物最大程度地轉(zhuǎn)化為水解產(chǎn)物,使NSI值及DH值達(dá)到最大值。p H偏高或偏低都會(huì)導(dǎo)致DH值的下降[17]。因此,中性蛋白酶的最適pH范圍是6.5~7.5。

    圖1 pH對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響Fig.1 Effect of pH values on NSI value and DH value of soybean protein

    2.2.2 加酶量對(duì)大豆蛋白 NSI值及 DH值的影響 如圖2所示,隨著加酶量的增加,NSI值及DH值均逐漸升高,達(dá)到7000U/mL pro后,酶解不溶性蛋白質(zhì)生成可溶性肽鏈相對(duì)穩(wěn)定,NSI值變化不顯著。繼續(xù)增加加酶量,適合繼續(xù)酶解已溶解的長(zhǎng)肽鏈,使其斷裂成更短的小肽鏈,DH值繼續(xù)升高,但對(duì)NSI值影響不大[18]。因此,選擇最適的加酶量范圍是5000~9000U/mL pro。

    圖2 加酶量對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響Fig.2 Effect of enzyme addition on NSI value and DH value of soybean protein

    2.2.3 酶解溫度對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響 如圖3所示,隨著溫度的升高,NSI值和DH值均先升高后降低,當(dāng)酶解溫度為45℃時(shí),NSI值和DH值分別達(dá)到76.36%和3.44%,隨后開(kāi)始下降,這是因?yàn)闇囟葘?duì)酶活性有顯著影響,溫度降低酶促反應(yīng)減弱,溫度升高反應(yīng)速度加快,在最適溫度下,酶的活性最強(qiáng),酶促反應(yīng)速度最大。但超過(guò)最適溫度,反應(yīng)速度反而下降,因此選擇最適酶解溫度范圍是40~50℃。

    圖3 酶解溫度對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響Fig.3 Effect of enzymatic temperature on NSI value and DH value of soybean protein

    2.2.4 酶解時(shí)間對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響 如圖4所示,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),NSI值及DH值逐漸增加,當(dāng)達(dá)到90min后不溶性蛋白質(zhì)的疏水區(qū)域基本被破壞,蛋白質(zhì)基本上以大肽鏈的形式存在于溶液中,使得NSI值較穩(wěn)定,但隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行,中性蛋白酶仍在繼續(xù)酶解這些大肽鏈,使其變成小肽,DH值逐漸增加。同時(shí),為了節(jié)省時(shí)間,選擇酶解時(shí)間范圍是60~120min。

    2.3 木瓜蛋白酶水解條件對(duì)大豆蛋白溶解性的影響

    2.3.1 pH對(duì)酶解大豆蛋白的影響 如圖5所示,pH5.5~7.0時(shí),隨著pH的增加,NSI值及DH值逐漸增加,在p H為7.0時(shí)達(dá)到最大值,分別為63.01%和3.24%,當(dāng)p H高于7.0時(shí),NSI值及DH值逐漸下降。由于酶是一種蛋白質(zhì),其催化能力與環(huán)境的pH密切相關(guān),因?yàn)閜H會(huì)影響酶分子的構(gòu)象和酶分子及底物分子的解離狀態(tài),從而影響酶的活性和酶促反應(yīng)速度。p H過(guò)高、過(guò)低均對(duì)酶促反應(yīng)不利[19]。因此選擇木瓜蛋白酶的最適pH范圍是6.5~7.5。

    圖4 酶解時(shí)間對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響Fig.4 Effect of enzymatic time on NSI value and DH value of soybean protein

    圖5 pH對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響Fig.5 Effect of pH on NSI value and DH value of soybean protein

    2.3.2 加酶量對(duì)酶解大豆蛋白的影響 如圖6所示,隨著加酶量的增加,NSI值、DH值均逐漸升高。這是因?yàn)槎鼓虧{料經(jīng)酶法水解,可將漿料中的大分子蛋白質(zhì)水解成小分子肽類和氨基酸,因此提高了大豆蛋白的溶解性[20],隨著加酶量的增加,水解程度變大,表現(xiàn)為NSI值的升高。當(dāng)加酶量達(dá)到9000U/g pro時(shí),NSI值變化不顯著。繼續(xù)增加加酶量,木瓜蛋白酶會(huì)繼續(xù)水解小分子肽鏈,使DH值增加,但對(duì)NSI值影響不大。因此,選擇最適的加酶量為7000~11000U/g pro。

    圖6 加酶量對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響Fig.6 Effect of enzyme addition on NSI value and DH value of soybean protein

    2.3.3 酶解溫度對(duì)酶解大豆蛋白的影響 如圖7所示,隨著酶解溫度的升高,NSI值、DH值均先升高后降低,酶解溫度在35~55℃時(shí)NSI值、DH值呈上升的趨勢(shì),55℃時(shí) NSI值、DH值達(dá)到最大值,分別為70.67%和3.45%,高于55℃時(shí)呈下降的趨勢(shì)。溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響有兩個(gè)方面,一方面升高溫度可使反應(yīng)速度加快;另一方面隨著溫度的提高,酶失活速度也開(kāi)始加快。如果反應(yīng)體系中溫度超過(guò)酶的最適溫度,酶分子吸收了過(guò)多的能量,引起維持酶分子結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵解體,導(dǎo)致變性,因而酶活性減弱甚至喪失催化能力。這兩方面的綜合影響導(dǎo)致酶促水解反應(yīng)存在最適溫度,偏離最適溫度會(huì)降低水解效果[21],表現(xiàn)為NSI值、DH值的下降。因此,確定最適酶解溫度范圍是50~60℃。

    表3 酶制劑的對(duì)比及最佳酶制劑的選擇Table 3 Comparison of enzyme preparation and choosing of optimum enzyme preparation

    圖7 酶解溫度對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響Fig.7 Effect of enzymatic temperature on NSI value and DH value of soybean protein

    2.3.4 酶解時(shí)間對(duì)酶解大豆蛋白的影響 如圖8所示,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),NSI值、DH值均逐漸增加。當(dāng)水解90min后,NSI值變化不明顯,但DH值仍逐漸增加。這是由于隨著酶解反應(yīng)的進(jìn)行:底物濃度減小,反應(yīng)位點(diǎn)逐漸被酶分子飽和;產(chǎn)物濃度增加,其競(jìng)爭(zhēng)性抑制變強(qiáng);酶活性降低;中間復(fù)合物[ES]在經(jīng)歷了初始階段的積累后達(dá)到穩(wěn)態(tài),趨于恒定[22]。從節(jié)省時(shí)間和能源的角度考慮,確定最適的酶解時(shí)間范圍是60~120min。

    圖8 酶解時(shí)間對(duì)大豆蛋白NSI值及DH值的影響Fig.8 Effect of enzymatic time on NSI value and DH value of soybean protein

    2.4 最佳酶制劑的選擇與優(yōu)化

    通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn),比較中性蛋白酶和木瓜蛋白酶酶解大豆蛋白的NSI值及DH值變化情況,結(jié)果見(jiàn)表3。

    如表3,通過(guò)比較中性蛋白酶和木瓜蛋白酶酶解大豆蛋白的酶解產(chǎn)物NSI值、DH值、有無(wú)苦味產(chǎn)生及兩種蛋白酶的價(jià)格,選擇出用木瓜蛋白酶酶解大豆蛋白。

    2.5 響應(yīng)面法優(yōu)化木瓜蛋白酶酶解大豆蛋白的最佳工藝條件

    根據(jù)Box-Benhnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用四因素三水平響應(yīng)面分析法,依據(jù)回歸分析確定各工藝條件的主要影響因素,以NSI值為響應(yīng)值作響應(yīng)面,確定木瓜蛋白酶最佳的酶解條件,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖9。

    表4 二次旋轉(zhuǎn)回歸實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Design and results of quadratic regression rotation experiment

    通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件Design Expert7.0.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,建立二次響應(yīng)面回歸模型如下:Y=85.31-0.67X1+1.30X2-0.72X3+2.28X4-0.97X1X2+0.17X1X3-0.23X1X4+0.23X2X3-0.54X2X4-0.52X3X4-2.88X12-1.43X22-4.07X32-1.14X42

    由表5可知:方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯,該模型回歸顯著(p<0.0001),失擬項(xiàng)不顯著,并且該模型R2=95.48%,R2Adj=90.96%,說(shuō)明該模型與實(shí)驗(yàn)擬合良好,自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著,可以用于理論推測(cè)。由F檢驗(yàn)可以得到因子貢獻(xiàn)率為X4>X2>X3>X1,即酶解時(shí)間>加酶量>酶解溫度>pH。

    圖9 各因素交互作用影響酶解產(chǎn)物NSI值的響應(yīng)曲面圖Fig.9 Influence of various factors interaction on NSI values of enzymatic products

    表5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 5 Analysis of variance table of central composite rotatable design

    應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化分析方法對(duì)回歸模型進(jìn)行分析,得出木瓜蛋白酶酶解大豆蛋白的最佳工藝條件為 p H6.92,加 酶 量 8764.54U/g pro,酶 解 溫 度54.34℃,酶解時(shí)間為1.84h。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備所限,根據(jù)實(shí)際情況,采用酶解的最佳工藝條件應(yīng)為pH7,加酶量8765U/g pro,酶解溫度54℃,酶解時(shí)間為1.8h。此條件下NSI的實(shí)際值為85.83%,與模型預(yù)測(cè)值86.31%的相對(duì)誤差為0.56%,差異不顯著,這表明模型是合理有效的,此時(shí)DH值為4.62%,沒(méi)有苦味產(chǎn)生。

    3 結(jié)論

    3.1 大豆經(jīng)熱燙、磨漿及煮漿熱處理,去除了大豆中存在的脂肪氧化酶和抗?fàn)I養(yǎng)因子,同時(shí)去除了豆腥味,但豆奶粉的溶解性下降。為了提高豆奶粉的溶解性,本實(shí)驗(yàn)選用木瓜蛋白酶酶解大豆蛋白,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)并經(jīng)響應(yīng)面分析得到了酶改性條件與豆粉NSI值的回歸模型為 y=85.31-0.67X1+1.30X2-0.72X3+2.28X4-0.97X1X2+0.17X1X3-0.23X1X4+0.23X2X3-0.54X2X4-0.52X3X4-2.88X12-1.43X22-4.07X32-1.14X42并優(yōu)化出最佳工藝條件為:pH6.92,加酶量8764.54U/g,酶解溫度54.34℃,酶解時(shí)間為1.84h。此條件下NSI值為85.83%。

    3.2 豆奶經(jīng)酶解后在121℃殺菌15min,然后經(jīng)溫度55℃、轉(zhuǎn)數(shù)50r/min、時(shí)間20min的條件下進(jìn)行濃縮,并經(jīng)兩次均質(zhì),一次均質(zhì)壓力為26MPa,二次均質(zhì)壓力為10MPa,最后噴霧干燥得到豆奶粉,NSI值為83.18%。實(shí)驗(yàn)制得的豆奶粉無(wú)結(jié)塊,無(wú)豆腥味,具有豆粉特有的香味,沖調(diào)后易溶解,同時(shí)微生物指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

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