紅外加熱對(duì)大豆蛋白質(zhì)濕熱變性的影響

孫宏霞,楊春華,劉琳琳,張 光,王嘉琪,凃 婧,石彥國(guó)

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150076)

紅外加熱對(duì)大豆蛋白質(zhì)濕熱變性的影響

孫宏霞,楊春華,劉琳琳,張 光,王嘉琪,凃 婧,石彥國(guó)*

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150076)

實(shí)驗(yàn)以大豆粉為原料,利用紅外加熱方法,研究其對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性程度的影響,通過(guò)單因素及正交實(shí)驗(yàn)研究了熱處理時(shí)間、熱處理溫度和固液比對(duì)大豆蛋白質(zhì)溶解度有較大的影響。分析得出大豆蛋白質(zhì)變性最佳條件,即加熱溫度為110 ℃,加熱時(shí)間為35 min,固液比(w/w)為1∶2;在此條件下,大豆粉蛋白質(zhì)的氮溶解指數(shù)為22.36%,即大豆蛋白質(zhì)的變性最高。

大豆蛋白質(zhì)變性,紅外加熱,氮溶解指數(shù)

天然蛋白質(zhì)分子具有緊密的立體結(jié)構(gòu),氫鍵、疏水鍵、二硫鍵等作用使肽鏈卷曲于蛋白分子內(nèi)部,很難被蛋白酶水解[1]。為了促進(jìn)大豆蛋白質(zhì)的酶解反應(yīng),提高大豆蛋白質(zhì)水解度(degree of hydrolysis),常用能促進(jìn)酶解的方法,如對(duì)大豆蛋白質(zhì)進(jìn)行變性處理[2],在酶解反應(yīng)時(shí)用超聲波促進(jìn)酶反應(yīng)[3]等。

大豆蛋白質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多肽鏈緊密折疊在一起[4],其二級(jí)結(jié)構(gòu)中有 25% 的α-螺旋,25%的反平行β-折疊結(jié)構(gòu),42% 的β轉(zhuǎn)角以及 8% 的自由卷曲[5],其內(nèi)部的極性基團(tuán)和疏水基團(tuán)形成疏水區(qū)域,外面被親水外殼包裹,這些亞基間又彼此結(jié)合形成復(fù)雜的四級(jí)結(jié)構(gòu)。大豆蛋白質(zhì)分子高度壓縮,結(jié)構(gòu)緊密,對(duì)蛋白酶的酶解作用具有很強(qiáng)的抵抗力[6-7]。因此,要加快酶解速度,提高大豆蛋白質(zhì)的酶解反應(yīng),就須對(duì)大豆蛋白質(zhì)進(jìn)行變性處理,高溫會(huì)使蛋白變性,熱變性破壞蛋白質(zhì)的二、三級(jí)或四級(jí)結(jié)構(gòu),打開(kāi)氫鍵、二硫鍵及疏水鍵,使其高度壓縮的結(jié)構(gòu)松散開(kāi),使之變成無(wú)秩序的肽鏈狀態(tài)[8-10],那些原來(lái)在分子內(nèi)部包藏而易與酶發(fā)生作用的部位,由于分子結(jié)構(gòu)松散而暴露出來(lái),從而使蛋白水解酶的作用點(diǎn)大大增加,提高了酶解速度[11]。大豆蛋白質(zhì)作為主要成分,其變性現(xiàn)象是溶解度的變化,或者說(shuō),蛋白質(zhì)變性程度可用其氮溶解指數(shù)(NSI)的高低來(lái)表示[12]。蛋白質(zhì)發(fā)生熱變性,蛋白質(zhì)溶解性急劇下降[13]。

紅外加熱技術(shù)作為一種新型加熱技術(shù),不僅節(jié)能高效、清潔環(huán)保、而且可較好的保證產(chǎn)品品質(zhì)[14-16]。本實(shí)驗(yàn)采用紅外加熱法處理濕大豆粉,測(cè)定不同熱處理時(shí)間,不同熱處理溫度和不同加水量對(duì)大豆蛋白質(zhì)溶解度的影響,以確定大豆蛋白質(zhì)適宜的變性條件,為大豆蛋白質(zhì)的進(jìn)一步酶解反應(yīng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆 北大荒營(yíng)銷(xiāo)股份有限公司;鹽酸、氫氧化鈉、硫酸、硫酸銅、硫酸、硼酸 均為分析純,天津市大陸化學(xué)試劑廠。

KDN-F自動(dòng)定氮儀 上海纖檢儀器有限公司;78-1型磁力攪拌器 上海南匯電訊器材廠;ZHWY-110X3D電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海智誠(chéng)分析儀器有限公司;80-2型離心機(jī) 上海浦東物理光學(xué)儀器廠;ALC型電子天平 艾科勒電子天平公司;FW135型中草藥粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線 大豆→粉碎(過(guò)100目篩)→加水?dāng)嚢琛t外加熱→磁力攪拌→離心過(guò)濾→測(cè)水溶性氮

1.2.2 蛋白質(zhì)含量的測(cè)定 參照GB/T5009.5-2010采用微量凱氏定氮法。

1.2.3 氮溶解指數(shù)的測(cè)定 稱(chēng)取試樣5.00 g于磨口帶塞錐形瓶中,加水200 mL,振搖使其分散均勻,在30 ℃下振蕩2 h,取出后將混合液轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶中,用水稀釋至刻度,混勻后靜置2 min,將上清液倒入離心管中,于3000 r/min下離心10 min,再將離心液用快速濾紙過(guò)濾,收集濾液于錐形瓶中,隨后采用微量凱氏定氮法測(cè)定濾液中可溶解氮含量,氮溶解指數(shù)表示為可溶解氮與樣品中總氮的百分比。

1.2.4 紅外加熱方法對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.4.1 紅外加熱溫度對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響 固液比(w/w)為1∶2時(shí),分別在70、90、110、130和150 ℃情況下處理大豆粉30 min,測(cè)定其氮溶解指數(shù)。

1.2.4.2 紅外加熱時(shí)間對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響 在110 ℃,固液比(w/w)為1∶2的條件下,分別處理大豆粉0、10、20、30和40 min,測(cè)定其氮溶解指數(shù)。

1.2.4.3 固液比(w/w)對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響 加熱溫度為110 ℃下,改變大豆粉與水的比例從1∶0、1∶1、1∶2、1∶3到1∶4,處理大豆粉30 min,測(cè)定其氮溶解指數(shù)。

1.2.5 紅外加熱方法對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)紅外加熱方法對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取其中使大豆蛋白質(zhì)變性程度較高的因素和水平,進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn),確定大豆蛋白質(zhì)變性最佳條件。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 紅外加熱溫度對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響 由圖1可見(jiàn),紅外加熱溫度在70～110 ℃時(shí),隨著溫度的升高,NSI不斷降低。其原因是在加熱條件下,大豆蛋白分子由原來(lái)的卷曲緊密結(jié)構(gòu)舒展開(kāi)來(lái),僅分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露在蛋白質(zhì)表面,從而使分子外部的親水基團(tuán)相對(duì)減少,致使溶解性降低。當(dāng)溫度高于110 ℃時(shí),NSI有所增加,是由于加熱溫度過(guò)高,分子運(yùn)動(dòng)劇烈到足以打斷穩(wěn)定二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)的鍵,大豆粉蛋白質(zhì)的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)被破壞,蛋白質(zhì)分子發(fā)生解離,成為分子量較小的次級(jí)單位,從而使NSI緩慢增加,即溶解性再度增加。當(dāng)紅外加熱溫度為110 ℃時(shí),NSI達(dá)到最小值,即此時(shí)大豆粉蛋白質(zhì)變性程度較高。

圖1 紅外加熱溫度對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響Fig.1 Effect of infrared heating temperature on protein denaturation of soybean

2.1.2 紅外加熱時(shí)間對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響 由圖2可見(jiàn),在0～30 min時(shí)間內(nèi),隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),NSI迅速降低。由于加熱時(shí)間的增加,蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)變化,肽鏈松散,大部分疏水基團(tuán)大量暴露在蛋白質(zhì)肽鏈外部,NSI逐漸降低。當(dāng)加熱時(shí)間35 min后,NSI趨于平穩(wěn)。隨時(shí)間的延長(zhǎng),未變性的蛋白質(zhì)減少,其溶解性降低變緩。即在加熱時(shí)間為30 min時(shí),NSI達(dá)到最小值,即此時(shí)大豆粉蛋白質(zhì)變性程度較高。

圖2 紅外加熱時(shí)間對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響Fig.2 Effect of infrared heating time on protein denaturation of soybean

2.1.3 固液比對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響 由圖3可見(jiàn),當(dāng)物料不添加水時(shí),即使已經(jīng)達(dá)到蛋白質(zhì)變性溫度,NSI也幾乎不變。當(dāng)添加一定量的水時(shí),NSI明顯降低,證明蛋白質(zhì)的變性需要有水的參與。繼續(xù)增加固液比,蛋白質(zhì)濃度過(guò)低,蛋白分子間的碰撞幾率較小,形成融溶狀球蛋白的幾率減小,因此NSI降低不是很明顯,為了后續(xù)實(shí)驗(yàn)需要,物料含水率不能超過(guò)80%,所以在大豆粉蛋白質(zhì)變性效果相近的情況下,認(rèn)為固液比(w/w)1∶2時(shí),NSI為較小值,即此時(shí)大豆粉蛋白質(zhì)變性程度較高。

圖3 固液比對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性的影響Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on soybean protein denaturation

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)研究加熱時(shí)間、加熱溫度和固液比三個(gè)因素對(duì)大豆粉蛋白質(zhì)變性的影響程度見(jiàn)表2 。從表2可以看出:紅外加熱方法使大豆粉蛋白質(zhì)變性的過(guò)程中,加熱溫度是影響大豆粉蛋白的 NSI 的最主要的因素,加熱時(shí)間次之,固液比的影響最小。紅外加熱使大豆粉蛋白質(zhì)變性的正交實(shí)驗(yàn)表明,大豆粉蛋白質(zhì)熱處理變性的最優(yōu)組合為A2B3C2,即加熱溫度110 ℃,加熱時(shí)間35 min,液固比(w/w)為1∶2。在此實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到結(jié)果大豆粉蛋白質(zhì)的NSI為22.36%,小于表2中的最優(yōu)值。

3 結(jié)論

通過(guò)紅外加熱處理使大豆粉蛋白質(zhì)變性研究表明,加熱溫度對(duì)大豆蛋白質(zhì)變性有較大的影響,當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)蛋白質(zhì)才會(huì)發(fā)生變性;加熱時(shí)間對(duì)其也有一定的影響;大豆蛋白質(zhì)的熱變性程度,除與加熱溫度和時(shí)間有關(guān)外,還與水的存在與否密切相關(guān)。利用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化出大豆粉蛋白質(zhì)熱變性條件的最佳參數(shù)為:熱處理溫度110 ℃,熱處理時(shí)間35 min,固液比(w/w)為1∶2,經(jīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得出紅外加熱處理后大豆粉蛋白質(zhì)的NSI為22.36%。本課題是通過(guò)紅外加熱處理使大豆粉蛋白質(zhì)變性,為大豆蛋白質(zhì)的進(jìn)一步酶解反應(yīng)提供參考。

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Effection of infrared heating on soybean protein denaturation of damp and hot

SUN Hong-xia,YANG Chun-hua,LIU Lin-lin,ZHANG Guang,WANG Jia-qi,TU Qian,SHI Yan-guo*

(1.Key Laboratory of Food Science and Engineering,College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China)

The experiment took soybean meal as the raw material,used the method of infrared heating,the effect of soy protein denaturation degree was studied,through single factor and orthogonal experiment to study the effect of heat treatment time,heat treatment temperature and solid-liquid ratio on the solubility of soybean protein. Finally it was concluded that soybean protein denaturation optimum conditions,the heating temperature was 110 ℃,the heating time for 35 min,liquid-solid ratio of 1∶2. Under this condition,nitrogen soluble index was 22.36% of soybean meal protein,the soybean protein degeneration effect was highest.

soybean protein denaturation;infrared heating;nitrogen soluble index

2016-08-17

孫宏霞(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：大豆化學(xué)與加工技術(shù)，E-mail：sunhongxia1110@163.com。

*通訊作者:石彥國(guó)(1960-)，男，碩士，教授，研究方向：大豆化學(xué)與加工技術(shù)，E-mail：yanguosh@163.com。

2016年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題中華傳統(tǒng)豆類(lèi)食品工業(yè)化加工關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備開(kāi)發(fā)(2016YFD0400402)。

TS214.2

B

1002-0306(2017)05-0196-03

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.028