李楊,劉寶華,馬春芳,牛祥臣,王中江,江連洲,劉軍*
1(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院,黑龍江 哈爾濱,150030) 2(山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司,山東 禹城,251299)
葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯(gluconic acid zlactone,GDL)豆腐是以GDL為促凝劑制作的豆腐,由于其中含有大量水分和蛋白質(zhì),極易腐敗變質(zhì)。將其冷凍制成凍豆腐后,復(fù)水后卻沒(méi)有傳統(tǒng)豆腐的細(xì)膩感,并有海綿體形成,影響了口感[1]。且凍豆腐經(jīng)常需要在冷鏈內(nèi)儲(chǔ)藏或運(yùn)輸。將豆腐制備成冷凍干燥豆腐后,不僅可滿足其運(yùn)輸上的需求,還可以降低儲(chǔ)存難度。
近年來(lái),由于超聲處理可對(duì)大豆蛋白改性并且無(wú)外源性化學(xué)物質(zhì)生成,對(duì)環(huán)境不造成污染而引起人們的廣泛關(guān)注。HU等[2]研究發(fā)現(xiàn),高場(chǎng)強(qiáng)超聲處理可提高β-伴大豆球蛋白的表面疏水性、溶解性,乳化活性及乳化穩(wěn)定性。O’SULLIVAN等[3]研究發(fā)現(xiàn),與未經(jīng)超聲處理的乳液相比,經(jīng)超聲處理得到的大豆蛋白乳液的粒徑更小。HU等[4]研究發(fā)現(xiàn),高場(chǎng)強(qiáng)超聲波可以降低大豆分離蛋白溶液的粒徑,提高葡萄糖酸內(nèi)酯誘導(dǎo)大豆分離蛋白凝膠的凝膠性。LIN等[5]采用超聲波處理豆?jié){替代傳統(tǒng)工藝中的煮漿和冷卻過(guò)程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波處理可提高GDL豆腐的硬度。ZHANG等[6]研究發(fā)現(xiàn),高場(chǎng)強(qiáng)超聲可增強(qiáng)分子間ε-(γ-谷?;? 賴氨酸異肽鍵、二硫鍵和疏水相互作用,從而使谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶大豆蛋白冷凝膠的微觀結(jié)構(gòu)均勻、致密,并提高其凝膠強(qiáng)度、硬度和持水性。齊寶坤等[7]研究發(fā)現(xiàn),適宜的超聲處理可降低豆乳體系的粒徑,提高豆腐的持水性,改善冷凍干燥豆腐的微觀結(jié)構(gòu)并提高其復(fù)水性。HARNKARNSUJARIT等[8]采用液氮處理制備出了具有較好微觀結(jié)構(gòu)及復(fù)水效果的冷凍干燥豆腐。
低場(chǎng)核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)是一種無(wú)損、非侵入性測(cè)量高含水量樣品水分分布狀態(tài)及移動(dòng)性的工具[9]。LF-NMR在肉類及植物中的運(yùn)用較多,但近年來(lái)已有研究者將其運(yùn)用于豆腐水分分布的分析中,如LI等[10-11]利用LF-NMR分別研究了凝固劑種類對(duì)豆腐水分分布影響以及高壓均質(zhì)處理對(duì)南北豆腐水分分布的影響。朱巧梅等[12]研究了新型油包水鹽鹵凝固劑對(duì)大豆蛋白凝膠中水分變化的影響。LI等[13]采用LF-NMR研究了冷凍時(shí)間對(duì)豆腐水分分布的影響。但超聲制漿工藝對(duì)鮮豆腐以及復(fù)水冷凍干燥豆腐的水分分布鮮有人進(jìn)行研究。
鑒于此,本文通過(guò)對(duì)豆?jié){進(jìn)行超聲處理(0、100、200、300、400,500 W,10 min)并制備成GDL填充豆腐,聯(lián)合短時(shí)液氮處理和真空冷凍干燥技術(shù)制備冷凍干燥豆腐,利用LF-NMR及掃描電子顯微鏡研究超聲制漿工藝對(duì)復(fù)水冷凍干燥豆腐水分分布及微觀結(jié)構(gòu)的影響,以期為將超聲制漿工藝運(yùn)用于冷凍干燥豆腐生產(chǎn)中提供理論基礎(chǔ)。
大豆(蛋白質(zhì)含量42.8%,脂肪含量18.2%),購(gòu)自,當(dāng)?shù)爻校幌輨?,鄭州大志食品有限公司;葡萄糖?δ-內(nèi)酯,江西新黃海醫(yī)藥食品化工有限公司;液氮,購(gòu)自當(dāng)?shù)匾旱?;其他試劑均為?guó)產(chǎn)分析純。
JJ-2型組織搗碎勻漿機(jī)江,蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;JY92-IIN超聲波細(xì)胞粉碎機(jī),寧波新藝超聲設(shè)備有限公司;DK-S12數(shù)顯恒溫水浴鍋,上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;FD-5型真空冷凍干燥機(jī),北京博醫(yī)康技術(shù)公司;SU8020冷場(chǎng)掃描電子顯微鏡,日本日立公司;Mq-20低場(chǎng)核磁共振分析儀,德國(guó)布魯克公司。
1.3.1 超聲處理豆?jié){
將新鮮大豆清洗干凈,以1∶5(g∶mL)的比例浸泡于蒸餾水中15 h,將浸泡好的大豆以1∶5(g∶mL)的豆水比磨漿,用棉布過(guò)濾2次后加入0.1 g/L的消泡劑消除泡沫。由于豆?jié){的煮漿時(shí)間為10 min,因此本試驗(yàn)以不同超聲功率對(duì)豆?jié){進(jìn)行10 min超聲處理。分別取適量的豆?jié){于超聲波細(xì)胞破碎儀中,液面浸沒(méi)變幅桿3 cm,分別在超聲功率0、100、200、300、400,500 W條件下超聲10 min,工作時(shí)間和間歇時(shí)間均為4 s,以冰水浴控制超聲溫度為(20±2)℃。
1.3.2 冷凍干燥豆腐的制作工藝
HARNKARNSUJARIT等[8]的方法制備冷凍干燥豆腐,略作修改。
將處理后的豆?jié){煮沸10 min,冷卻至80℃時(shí)加入3.0 g/L的GDL,充分混勻后置于80℃恒溫水浴鍋中保溫30 min得到豆腐花,隨后壓制成GDL豆腐(壓力為0.01 kg/cm2)。將GDL豆腐切成10 mm×10 mm×9 mm的豆腐塊,置于-196 ℃液氮中保存15 min后轉(zhuǎn)移至-40 ℃冰箱冷凍24 h制成冷凍豆腐。隨后利用真空冷凍干燥機(jī)處理得到冷凍干燥豆腐。
1.3.3 冷凍干燥豆腐復(fù)水處理
復(fù)水處理參考HARNKARNSUJARIT等[8]的方法。將冷凍干燥豆腐置于25 ℃蒸餾水中浸泡100 min后取出,用濾紙擦干表面水漬用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
1.3.4 析水率的測(cè)定
豆腐持水性的測(cè)定參考AND等[14]和HARNKARNSUJARIT等[8]方法。取質(zhì)量約3 g剛制備好的鮮豆腐或復(fù)水豆腐樣品于離心管中,在3 000 r/min的條件下離心30 min,離心結(jié)束后吸干其表面水分后,按公式(1)計(jì)算樣品的析水率:
(1)
式中:m1,離心前樣品的質(zhì)量,g;m2,離心后樣品的質(zhì)量,g。
1.3.5 低場(chǎng)核磁共振
根據(jù)LI等[10]的方法利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖序列測(cè)定鮮豆腐及復(fù)水豆腐的橫向弛豫時(shí)間(T2)。將約3 g樣品放入核磁管中,隨后放入分析儀中檢測(cè)。CPMG序列采用的參數(shù):質(zhì)子共振頻率為22.6 MHz,回波個(gè)數(shù)C0=3 000,重復(fù)掃描次數(shù)NS=16,半回波時(shí)間TE=0.15 ms。利用CONTIN軟件調(diào)用CPMG序列反演,記錄每個(gè)峰時(shí)間常數(shù)T2i(峰頂時(shí)間)及其所占面積分?jǐn)?shù)M2i用于后續(xù)分析。
1.3.6 掃描電鏡的測(cè)定
將復(fù)水冷凍干燥豆腐(下文簡(jiǎn)稱復(fù)水豆腐)及鮮豆腐采用2.5%(體積分?jǐn)?shù))的戊二醛進(jìn)行固定,固定時(shí)間為24 h。隨后經(jīng)乙醇梯度洗脫、叔丁醇置換,冷凍干燥處理后,采用離子濺射方法鍍金,鍍金的條件為15 kV,15 mA,1.5 min。然后將樣品置于掃描電子顯微鏡(10 kV,100 Pa)下觀察其顯微結(jié)構(gòu),鮮豆腐圖像10 000倍放大,復(fù)水豆腐圖像1 000倍放大。
凝膠的析水率可反映其持水性的強(qiáng)弱,析水率越低,則凝膠的持水性越強(qiáng)。由圖1可知,當(dāng)超聲功率為0~300 W時(shí),2種豆腐的析水率隨超聲功率的增強(qiáng)而逐漸降低,這可能是由于適宜的超聲處理可提高豆?jié){體系內(nèi)蛋白的溶解性,降低蛋白和脂肪等物質(zhì)的粒度,使其形成更加均一的空間結(jié)構(gòu),而這種空間結(jié)構(gòu)可能會(huì)有益于凝膠對(duì)水分子的綁定[15]。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]表明,豆?jié){的平均粒徑隨超聲功率的增強(qiáng)而呈先降低后增大的趨勢(shì),當(dāng)超聲功率為300 W時(shí),豆?jié){的平均粒徑最小。WU等[16]研究發(fā)現(xiàn)提高蛋白質(zhì)的溶解性、降低其平均粒徑可增強(qiáng)凝膠的持水性。KAO等[17]研究發(fā)現(xiàn),較小的孔隙可以更牢固地保留水分子。當(dāng)超聲功率大于300 W時(shí),2種豆腐的析水率逐漸增大,這可能是由于過(guò)高的超聲功率致使豆?jié){體系內(nèi)部分蛋白發(fā)生聚集,形成大的蛋白質(zhì)聚合物,使豆腐內(nèi)部存在較大的空隙,從而使水分更易從豆腐內(nèi)部析出。HU等[4]研究發(fā)現(xiàn),大豆蛋白粒徑較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)形成大的孔洞,進(jìn)而促進(jìn)水分子的釋放,降低凝膠持水性。由圖1可知,復(fù)水豆腐的析水率顯著高于鮮豆腐(P<0.05),這可能是由于鮮豆腐在預(yù)冷凍過(guò)程中,水分迅速凍結(jié)形成冰晶,體積變大膨脹,經(jīng)冷凍干燥處理后,冰晶升華后留下大小不一的孔洞,改變了豆腐的微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而使復(fù)水豆腐孔洞的尺寸變大(如圖5和圖6),從而降低了對(duì)水分子的保留率。
圖1 超聲制漿工藝對(duì)鮮豆腐及復(fù)水冷凍干燥豆腐
析水率的影響
Fig.1 Effects of ultrasound pulping process on the water
separating proportion of fresh tofu and rehydrated
freeze-dried tofu
由于LF-NMR可測(cè)量對(duì)分子運(yùn)動(dòng)敏感的T2弛豫時(shí)間,因此可采用LF-NMR估量凝膠體系中被蛋白質(zhì)局部固定的不同水分子組分的流動(dòng)性和結(jié)構(gòu)特性[18-19]。圖2-a、圖2-b分別為超聲制漿工藝對(duì)鮮豆腐和復(fù)水豆腐T2弛豫時(shí)間分布的影響,其LF-NMR衰減曲線擬合的T2`弛豫時(shí)間均分布為3個(gè)峰,分別對(duì)應(yīng)為結(jié)合水(T2b,1.11~3.02 ms)、不易流動(dòng)水(T21,13.35~217 ms)和自由水(T22,132.08~709.1 ms)[20]。LI等[11]研究發(fā)現(xiàn),豆腐中油脂對(duì)水分弛豫信號(hào)的影響可以忽略,因此本部分討論不考慮豆腐中油脂存在的影響,并根據(jù)研究結(jié)果對(duì)鮮、復(fù)水豆腐中3種水分作如下歸類:T22組分為遠(yuǎn)離蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的水,這部分水存在于豆腐基質(zhì)中較大孔徑的孔洞之中,受蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)影響較?。籘21組分受蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)影響較大,這部分水存在于豆腐基質(zhì)中一些較小的孔洞中;T2b組分則被認(rèn)為是一些和蛋白質(zhì)高分子緊密結(jié)合的水分,甚至可被認(rèn)為是蛋白質(zhì)的一部分。
a-鮮豆腐;b-復(fù)水冷凍干燥豆腐;1-0 W;2-100 W;3-200 W;4-300 W;5-400 W;6-500 W圖2 超聲制漿工藝對(duì)鮮豆腐及復(fù)水冷凍干燥豆腐T2弛豫時(shí)間的影響Fig.2 Effects of ultrasound pulping process on the T2relaxation time of fresh tofu and rehydratedfreeze-dried tofu
豆腐的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由大小不一的孔洞和網(wǎng)孔組成,當(dāng)豆腐經(jīng)過(guò)冷凍處理后,這些孔洞和網(wǎng)孔形成更不均勻的微環(huán)境。此外,冰晶的形成和大豆蛋白的冷凍變性也促進(jìn)了水中更復(fù)雜和多樣的松弛行為[13]。對(duì)比圖3、圖4中數(shù)據(jù)可知,與鮮豆腐相比,復(fù)水豆腐的T21顯著增大,這可能是由于鮮豆腐在冷凍過(guò)程中會(huì)形成大量的冰晶,而這些冰晶在升華后會(huì)形成大小不一的孔洞,從而使復(fù)水豆腐內(nèi)部孔洞的孔徑變大,結(jié)構(gòu)變得疏松。YASUI等[19]研究發(fā)現(xiàn),弛豫時(shí)間越長(zhǎng),水分子組分與大分子的結(jié)合越松散。與鮮豆腐相比,復(fù)水豆腐的M21顯著降低(P<0.05),M22顯著增高(P<0.05),這說(shuō)明冷凍干燥豆腐經(jīng)復(fù)水處理后,有更多的自由水進(jìn)入到豆腐內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。
由圖3、圖4可知,當(dāng)超聲功率為0~300 W時(shí),鮮豆腐和復(fù)水豆腐的T21弛豫時(shí)間和M21峰面積百分?jǐn)?shù)均分別隨超聲功率的增大而顯著降低和升高(P<0.05),這可能是由于隨著超聲功率的增大,蛋白-蛋白之間的交聯(lián)作用增強(qiáng),蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔隙逐漸變小(如圖5、圖6),進(jìn)而將部分不易流動(dòng)水(T21)包埋在這種微觀結(jié)構(gòu)中,從而使T21降低[12]。李騰[21]通過(guò)研究高壓均質(zhì)處理對(duì)南北豆腐水分分布的影響發(fā)現(xiàn),致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可縮短蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)表面與水分子的距離,從而使T21降低。此外,兩種豆腐的M22均隨超聲功率的增大而顯著降低(P<0.05),這可能是由于超聲處理可促使豆腐中的自由水向不易流動(dòng)水轉(zhuǎn)化[22]。還有可能是隨著超聲功率的增大,豆?jié){內(nèi)蛋白質(zhì)逐漸解聚,顆粒變小,疏水性基團(tuán)暴露并促進(jìn)二硫鍵的形成或交換,使得豆腐的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸變得致密,提供了更多可用于截流自由水組分的結(jié)構(gòu)[23]。當(dāng)超聲功率大于300 W時(shí),兩種豆腐的T21、M21和M22均分別隨超聲功率的增大而呈顯著增高、降低和增高(P<0.05),這可能是由于隨著超聲功率繼續(xù)增強(qiáng),豆腐內(nèi)部形成較大的孔洞,從而使更多的自由水進(jìn)入到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部[12]。而兩種豆腐的M22均隨超聲功率的增大而顯著升高(P<0.05),這可能是由于超聲功率過(guò)高致使豆腐微觀結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松,孔徑變大(如圖5和圖6),從而使得自由水組分含量升高。李騰[21]通過(guò)研究豆腐T2弛豫參數(shù)與其持水性之間的皮爾森相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)T21與凝膠的持水性呈顯著正相關(guān)。以上結(jié)果進(jìn)一步證明,適宜的超聲處理可顯著改善豆腐的持水性。
圖3 超聲制漿工藝對(duì)豆腐T2弛豫時(shí)間的影響
Fig.3 Effect of ultrasound pulping process onT2
relaxation time of tofu
圖4 超聲制漿工藝對(duì)豆腐各弛豫峰峰面積百分?jǐn)?shù)的
影響
Fig.4 Effect of ultrasound pulping process on fraction of
each relaxation component of tofu
對(duì)比圖5和圖6可知,復(fù)水豆腐的孔洞尺寸顯著大于鮮豆腐,這可能是由于鮮豆腐在冷凍過(guò)程中涉及了水分由液體至固體的轉(zhuǎn)變,而水結(jié)冰時(shí)其體積會(huì)膨脹變大,形成冰晶并對(duì)豆腐的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的機(jī)械破壞[24],從而使復(fù)水豆腐微觀結(jié)構(gòu)中孔洞的孔徑變大[25]。而液氮的迅速冷凍效應(yīng)使鮮豆腐在凍結(jié)過(guò)程中形成的冰晶體分布更接近于其原有體系中的水分分布情況,冰晶體小而密集[26],從而可使復(fù)水豆腐極大程度上保持鮮豆腐原有的色澤、口感及特性。
A-F依次為超聲功率0~500 W,鮮豆腐圖像的放大倍數(shù)為10 000倍圖5 超聲制漿工藝對(duì)鮮豆腐微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effects of ultrasound pulping process on themicrostructure of the fresh tofu
A-F依次為超聲功率0~500 W,復(fù)水冷凍干燥豆腐圖像的放大倍數(shù)為1 000倍圖6 超聲制漿工藝對(duì)復(fù)水冷凍干燥豆腐微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effects of ultrasound pulping process on the micros-tructure of the rehydrated freeze-dried tofu
由圖5和圖6可知,當(dāng)超聲功率為0~300 W時(shí),鮮豆腐及復(fù)水豆腐內(nèi)部孔洞的孔徑均隨超聲功率的增大而逐漸減小,結(jié)構(gòu)逐漸變得均一、致密。這可能是由于超聲處理使豆乳內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生變性,隨后的加熱處理進(jìn)一步促進(jìn)了蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)解離[27],疏水基團(tuán)暴露[5],提高了蛋白質(zhì)分子間的疏水相互作用。HU等[28]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理豆乳中蛋白質(zhì)聚集體表面疏水基團(tuán)的數(shù)量從根本上決定了豆腐的結(jié)構(gòu)。而RENKEMA等[29]研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)分子的大小和形狀可影響凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。因此超聲處理可通過(guò)降低豆乳體系的粒徑來(lái)促使豆腐形成均一、致密的結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲功率大于300 W時(shí),靜電引力和疏水區(qū)域的二硫鍵促使變性蛋白質(zhì)發(fā)生聚集,形成大的蛋白質(zhì)聚集體,降低蛋白質(zhì)溶解度[28],提高豆?jié){體系的平均粒徑,從而使鮮豆腐及復(fù)水豆腐孔洞的孔徑逐漸增大。
通過(guò)研究不同超聲功率(0、100、200、300、400,500 W)對(duì)鮮豆腐及復(fù)水冷凍干燥豆腐持水性、水分分布及微觀結(jié)構(gòu)的影響,得到如下結(jié)果:
(1)復(fù)水豆腐的析水率顯著高于鮮豆腐(P<0.05),這可能是由于鮮豆腐在預(yù)冷凍過(guò)程中,水分迅速凍結(jié)形成冰晶,體積變大膨脹,改變了豆腐的微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而使復(fù)水豆腐孔洞的尺寸變大,從而降低了對(duì)水分子的保留率。
(2)當(dāng)超聲功率為0~300 W時(shí),超聲功率的逐漸增強(qiáng)促進(jìn)了疏水性基團(tuán)的暴露,豆?jié){內(nèi)蛋白質(zhì)間相互作用增強(qiáng),兩種豆腐微觀結(jié)構(gòu)孔洞的孔徑逐漸變小,持水性逐漸增強(qiáng),T21弛豫時(shí)間逐漸縮短,M21逐漸增大。
(3)當(dāng)超聲功率大于300 W時(shí),過(guò)高的超聲功率促使變性蛋白質(zhì)發(fā)生聚集,形成大的蛋白質(zhì)聚集體,降低蛋白質(zhì)溶解度,粒徑增大,從而使兩種豆腐微觀結(jié)構(gòu)孔洞的孔徑逐漸增大,持水性下降,T21弛豫時(shí)間逐漸延長(zhǎng),M21逐漸降低,M22逐漸增大,自由水組分含量逐漸增高。
(4)適宜的超聲處理(超聲功率為300 W)可改善復(fù)水冷凍干燥豆腐的微觀結(jié)構(gòu),降低其孔徑的尺寸大小,使其結(jié)構(gòu)變得均一、致密。
本實(shí)驗(yàn)具體分析了超聲制漿工藝對(duì)鮮、復(fù)水豆腐水分分布及微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為生產(chǎn)具有良好復(fù)水特性的冷凍干燥食品提供理論基礎(chǔ)。