大豆破碎耦合蒸汽滅酶工藝優(yōu)化

王修坤 吳嘉琪 崔政偉

(1. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無錫 江蘇 214122；2. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，無錫 江蘇 214122)

大豆中蛋白質(zhì)含量占比約40%，比肉類、蛋類及動(dòng)物乳類的蛋白質(zhì)含量普遍高出2倍，脂肪含量約為18%～22%，同時(shí)含有大量的不飽和脂肪酸。其中氨基酸成分和含量也均符合人體需求的比例[1]。豆?jié){是中國(guó)傳統(tǒng)植物蛋白飲料，大豆加工為豆?jié){后，蛋白質(zhì)游離度提高，人體更容易消化吸收[2]。

如何高效和最大程度減少豆?jié){腥味是控制豆?jié){質(zhì)量的關(guān)鍵。豆?jié){生產(chǎn)工藝根據(jù)大豆預(yù)處理是否浸泡分為干法和濕法工藝，根據(jù)磨漿和煮沸的先后順序分為生漿和熟漿工藝。干法工藝免除浸泡環(huán)節(jié)，能縮短生產(chǎn)周期，但未浸泡大豆硬度大，增加了磨漿機(jī)功耗和刀具的磨損，也不利于大豆蛋白質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)成分的溶出[3]。濕法工藝是提前對(duì)大豆進(jìn)行浸泡軟化處理，磨漿充分，豆?jié){口感細(xì)膩爽滑，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量更高，缺點(diǎn)是延長(zhǎng)了生產(chǎn)時(shí)間，增加了工業(yè)廢水的排放[4-5]。生漿工藝是先過濾豆渣再煮沸豆?jié){，這樣做出的豆?jié){蛋白質(zhì)、多糖和磷脂的含量較熟漿工藝要高。但由于煮漿工序靠后使得豆?jié){帶有更多豆腥味和苦澀味[6]。熟漿工藝在日本和韓國(guó)等國(guó)家運(yùn)用較多，生產(chǎn)的豆?jié){口感更加細(xì)膩，豆腥味要比生漿工藝明顯減少[7]。目前中國(guó)主要采用傳統(tǒng)濕法生漿工藝，不能完全消除豆腥味，影響豆?jié){品質(zhì)，迫切需要進(jìn)行工藝的改進(jìn)[8-9]。

大豆的脂肪氧化酶(lox)由大豆種皮包裹保護(hù)。在大豆種皮破碎后，lox結(jié)合水和氧氣與大豆中的不飽和脂肪酸迅速反應(yīng)生成主要成分為醛、醇、酮等具有豆腥味的化合物，一旦產(chǎn)生便難以去除[10-12]。國(guó)內(nèi)外探索豆?jié){脫腥的方法種類多，主要包括物理法、化學(xué)法、生物工程法、風(fēng)味掩蓋法等[13-14]。物理化學(xué)法大多使用高溫處理或添加化學(xué)物質(zhì)來使lox鈍化或失活，生物工程法目的是培養(yǎng)lox缺失的新型大豆，風(fēng)味掩蓋法通過添加呈味物質(zhì)來掩蓋部分豆腥味。要消除豆?jié){豆腥味，控制最初異味的產(chǎn)生是關(guān)鍵。

目前研究者普遍采用提前對(duì)大豆進(jìn)行熱處理來達(dá)到滅酶去腥味的目的，劉鑫等[15]采用單獨(dú)對(duì)脫皮大豆進(jìn)行熱燙處理，但整體大豆傳熱慢且均勻性差，還增加了工序和廢水排放；王偉華等[4]利用烘箱在180 ℃下單獨(dú)加熱，然后脫皮浸泡軟化，磨漿過程中再用熱水熱燙。但處理工序多，控制參數(shù)繁多，如脫皮大豆含水量、加熱和浸泡溫度等。而本研究?jī)?yōu)勢(shì)在于將滅酶和磨漿過程統(tǒng)一起來，在磨漿過程中就完成了對(duì)大豆的滅酶處理。蒸汽具有溫度高，流速快的特點(diǎn)，滅酶迅速，同時(shí)豆?jié){原有風(fēng)味得以保留[16]。本研究采用大豆破碎磨漿耦合蒸汽滅酶工藝，通入蒸汽可以隔絕空氣切斷酶反應(yīng)條件，在磨漿開始時(shí)迅速升溫滅酶，從而最大程度減少豆腥味氣體的產(chǎn)生。擬通過單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面分析，建立lox酶活力預(yù)測(cè)模型，在滿足氣味感官評(píng)價(jià)較好的基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝，以期為企業(yè)工業(yè)化快速生產(chǎn)無腥味豆?jié){提供一種改良方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原料

大豆：產(chǎn)地黑龍江綏化。

1.1.2 試劑

亞油酸：純度≥99.9%，美國(guó)Sigma公司；

硼酸、四硼酸鈉、吐溫-20：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.3 主要儀器和設(shè)備

全自動(dòng)小型電加熱蒸汽鍋爐：LDR24-0.45-Z型，溫州市順達(dá)服裝機(jī)械有限公司；

高速離心機(jī)：TGL-16C型，上海安亭科學(xué)儀器廠；

紫外可見光分光光度計(jì)：UV1800型，日本島津公司；

玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)：LZB-10WB型，祥云流量?jī)x器廠；

分析天平：AR1140型，奧豪斯國(guó)際貿(mào)易公司；

多功能果蔬破碎機(jī)：TM-767型，中山市海盤電器有限公司；

溫度計(jì)：CENTER-309型，群特科技股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 豆?jié){的制備工藝流程

挑選、浸泡→磨漿同時(shí)通入蒸汽→過濾→豆?jié){基料

1.2.2 浸泡 室溫下將50 g大豆按1∶3 (g/mL)豆水比浸泡(液面將大豆完全浸沒)，浸泡預(yù)定時(shí)間，然后過濾掉浸泡液，用離心機(jī)甩干大豆表面的水分。

1.2.3 破碎耦合蒸汽滅酶 提前通入蒸汽(蒸汽壓力0.13 MPa，蒸汽溫度為107 ℃)給破碎機(jī)預(yù)熱2 min，然后將浸泡好的50 g大豆按1∶6 (g/mL)豆水比加入破碎機(jī)，通入預(yù)定流速的蒸汽開始磨漿，等豆?jié){達(dá)到指定的溫度，停止通入蒸汽，統(tǒng)一磨漿時(shí)間為3 min。

1.2.4 過濾 通過100目濾網(wǎng)過濾豆渣，擠壓漿液直至沒有濾液滴出，濾液為所得樣品。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素試驗(yàn)選擇 蒸汽結(jié)束時(shí)豆?jié){的溫度、豆?jié){升溫速率和大豆浸泡時(shí)間為單因素試驗(yàn)的試驗(yàn)因素，以豆?jié){樣品中l(wèi)ox活性以及豆?jié){氣味感官評(píng)分為考查指標(biāo)，設(shè)計(jì)破碎耦合蒸汽滅酶的單因素試驗(yàn)。

(1) 通入蒸汽結(jié)束時(shí)豆?jié){的溫度：在升溫速率0.37 ℃/s，大豆浸泡時(shí)間12 h的條件下，選取蒸汽結(jié)束時(shí)豆?jié){的溫度分別為70，80，90，100 ℃，以確定最佳溫度。

(2) 豆?jié){的升溫速率：在通入蒸汽結(jié)束時(shí)豆?jié){的溫度90 ℃，大豆浸泡時(shí)間12 h的條件下，選取豆?jié){的升溫速率分別為0.30，0.34，0.37，0.40 ℃/s，以確定最佳升溫速率。

(3) 大豆的浸泡時(shí)間：在通入蒸汽結(jié)束時(shí)豆?jié){的溫度90 ℃，豆?jié){升溫速率0.37 ℃/s的條件下，選取大豆的浸泡時(shí)間分別為10，12，14，16 h，以確定最佳浸泡時(shí)間。

1.3.2 響應(yīng)面優(yōu)化 通過單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，使用Design-Expert 8.0.6軟件中Box-Behnken組合設(shè)計(jì)原理來設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)。以蒸汽結(jié)束時(shí)豆?jié){的溫度、豆?jié){升溫速率和大豆浸泡時(shí)間為響應(yīng)變量，以lox活性(R1)和氣味感官評(píng)分(R2)為響應(yīng)值，考察這3個(gè)因素交互作用程度[17]。

1.4 對(duì)所得豆?jié){樣品的氣味感官評(píng)價(jià)

對(duì)所得豆?jié){進(jìn)行氣味感觀評(píng)定，成立10人的感官評(píng)分小組，統(tǒng)一規(guī)定和解釋評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。樣品按排序檢驗(yàn)法規(guī)定的編號(hào)及排列方式分別送至氣味感觀評(píng)定小組評(píng)分[18-19]。

表1 豆?jié){氣味感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 脂肪氧化酶(lox)酶活檢測(cè)

(1) 亞油酸底物配制：0.3 mL 吐溫-20 滴入40 mL pH 9 的0.2 mol/L硼酸緩沖液中，然后向下逐滴加入0.3 mL 亞油酸，混合均勻使亞油酸充分分散在混合液中，避免產(chǎn)生氣泡。將混合液稀釋6倍，4 ℃環(huán)境下冷藏備用。

(2) 待測(cè)酶液配制：取豆?jié){樣本置于離心管中，設(shè)置離心機(jī)分離轉(zhuǎn)速8 000 r/min，離心時(shí)間15 min，結(jié)束后取離心管上清液稀釋適當(dāng)倍數(shù)作為待測(cè)酶液。

(3) 酶活測(cè)定步驟：使用紫外分光光度計(jì)對(duì)樣品酶活進(jìn)行檢測(cè)，將0.2 mol/L硼酸緩沖液0.9 mL和2.0 mL亞油酸底物在1 cm光程的石英比色皿中混合均勻，加入0.1 mL 的待測(cè)酶液后合上蓋子，上下振蕩搖勻，放入比色槽，在波長(zhǎng)234 nm處獲得OD值隨時(shí)間變化的曲線圖，測(cè)定時(shí)間為3 min，掃描時(shí)間間隔為12 s，變化曲線的直線部分的斜率即為相對(duì)酶活[4]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

各試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)定3次取平均值，采用Orign 9.0和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 通入蒸汽結(jié)束時(shí)的溫度對(duì)豆?jié){指標(biāo)的影響 溫度是影響lox活性的主要因素，不同的溫度處理，會(huì)有不同的滅酶效果，與豆?jié){豆腥味感官感受有直接聯(lián)系。由圖1可知，當(dāng)通入蒸汽結(jié)束溫度低于70 ℃時(shí)，lox檢測(cè)的活性依然很高，豆腥味氣體感覺明顯；lox活性隨通入蒸汽結(jié)束時(shí)溫度的升高而下降明顯，同時(shí)氣味感官評(píng)分也得到上升，90 ℃時(shí)酶活性已經(jīng)趨向于0。綜合考慮，90 ℃為最優(yōu)試驗(yàn)條件。

圖1 溫度對(duì)酶活性和氣味感官評(píng)分的影響

Figure 1 Effect of temperature on the residual lipoxygenase activity and odor sensory evaluation

2.1.2 升溫速率對(duì)豆?jié){指標(biāo)的影響 豆?jié){的升溫速率會(huì)影響豆?jié){進(jìn)入預(yù)設(shè)最高溫度的快慢，由于磨漿時(shí)間統(tǒng)一，升溫速率高的豆?jié){會(huì)在高溫階段維持更長(zhǎng)的時(shí)間，能對(duì)lox進(jìn)行更快更持久的滅活。由圖2可知，酶活在升溫速率0.3 ℃/s 以前依然很高，同時(shí)所生產(chǎn)的豆?jié){依然能感受到豆腥味，感官評(píng)分較低。推測(cè)是由于滅酶不及時(shí)，豆腥味氣體已經(jīng)產(chǎn)生。豆?jié){升溫速率在達(dá)到0.37 ℃/s時(shí)，lox酶活性下降變化放緩，繼續(xù)增大蒸汽流速意義不大。而豆?jié){氣味感官評(píng)分在升溫速率達(dá)到0.37 ℃/s后基本保持一致，綜合考慮，0.37 ℃/s為最優(yōu)試驗(yàn)條件。

2.1.3 浸泡時(shí)間對(duì)豆?jié){指標(biāo)的影響 浸泡可以讓大豆組織松軟，使蛋白質(zhì)等其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更容易在磨漿過程中析出，同時(shí)也可以減少刀具磨損和降低功耗。但是浸泡時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)帶來大豆?fàn)I養(yǎng)流失，浸泡液腐敗，提前促使異味產(chǎn)生[20]。由圖3可知，浸泡10 h之前，處理結(jié)束后基本無豆腥味，在氣味感官評(píng)價(jià)上差別不大。但是由于浸泡時(shí)間短，使豆?jié){機(jī)磨漿困難，磨漿功耗增加，同時(shí)所制豆?jié){不夠細(xì)膩，豆渣明顯增多。根據(jù)楊蕊蓮[21]的研究，豆?jié){浸泡在10～14 h時(shí)，可以更好地軟化大豆，同時(shí)保留大豆中的蛋白質(zhì)。當(dāng)浸泡時(shí)間超過14 h后能感受到豆腥味氣體的存在，推測(cè)大豆中l(wèi)ox已經(jīng)與水中的氧氣發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到16 h時(shí)，浸泡液渾濁，豆腥味明顯，氣味感官評(píng)分明顯下降。綜合考慮，12 h為最優(yōu)試驗(yàn)條件。

圖2 升溫速率對(duì)酶活性和氣味感官評(píng)分的影響

Figure 2 Effect of heating rates on the residual lipoxygenase activity and odor sensory evaluation

圖3 浸泡時(shí)間對(duì)酶活性和氣味感官評(píng)分的影響

Figure 3 Effect of time on the residual lipoxygenase activity and odor sensory evaluation

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化工藝

2.2.1 因素水平和編碼設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定的因素水平表見表2。

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 使用Design-Expert 8.0.6對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到破碎耦合蒸汽滅酶優(yōu)化工藝試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘@著性檢驗(yàn)和方差分析，結(jié)果見表4、5。

表2 因素水平表

y=0.032-0.080A-0.014B+0.006 2C+0.014AB-0.004 3AC-0.001 5BC+0.047A2-0.000 41B2+0.000 77C2。

(1)

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表4 酶活響應(yīng)面方差分析

表5 氣味感官評(píng)價(jià)響應(yīng)面方差分析

y=8.04+1.14A+0.33B-0.29C-0.45AB-0.075AC-0.10BC-1.18A2-0.26B2-0.13C2。

(2)

2.2.4 響應(yīng)面分析與優(yōu)化 根據(jù)Design-Expert 8.0.6的響應(yīng)面分析結(jié)果，建立的響應(yīng)面方程三維模型圖，結(jié)果見圖4、5。

圖4(a)、(b)比圖4(c)的曲面圖坡度更加陡峭，則溫度和升溫速率、溫度和浸泡時(shí)間對(duì)lox酶活交互作用影響更顯著。圖5(a)、(b)比圖5(c)的曲面圖坡度更加陡峭，則溫度和升溫速率、溫度和浸泡時(shí)間對(duì)氣味感官評(píng)分交互作用影響更顯著。

通過響應(yīng)面軟件優(yōu)選工藝參數(shù)，同時(shí)考慮節(jié)約能源，減少加工時(shí)間的原則。優(yōu)選的工藝參數(shù)為：通入蒸汽結(jié)束時(shí)溫度95.34 ℃、升溫速率0.37 ℃/s、浸泡時(shí)間10.53 h，氣味感官評(píng)分為8.48分。此條件進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)lox酶已滅活，很難感受到豆腥味，豆香味濃郁。為了試驗(yàn)便捷可操作，選用(96±1) ℃、0.37 ℃/s、(10.5±0.5) h的條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù)3次，在此條件下，lox已經(jīng)完全失活，達(dá)到與趙毅[22]在100 ℃熱水單獨(dú)熱燙8 min的滅酶效果。同時(shí)氣味感官評(píng)分為8～9，與響應(yīng)面預(yù)測(cè)值相符，說明該模型能夠較可靠地預(yù)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)化破碎耦合蒸汽滅酶制漿工藝的目的。

圖4 各因素對(duì)lox酶活性的交互作用Figure 4 Response surface plots for the effectsof various conditions onlipoxygenase activity

圖5 各因素對(duì)氣味感官評(píng)分的交互作用Figure 5 Response surface plots for the effects of various conditions on sensoryevaluation of odor

3 結(jié)論

通過蒸汽快速加熱滅酶，減少豆腥味氣體產(chǎn)生，可生產(chǎn)氣味感官評(píng)價(jià)好的豆?jié){。其最佳制漿工藝條件為通入蒸汽結(jié)束時(shí)溫度(96±1) ℃、升溫速率0.37 ℃/s、浸泡時(shí)間(10.5±0.5) h。在此條件下所制豆?jié){基料無豆腥味，充滿豆?jié){本身濃郁豆香，同時(shí)lox已經(jīng)完全失活，與模型預(yù)期效果一致，進(jìn)一步證實(shí)模型的可靠性。與劉鑫等[15]先對(duì)大豆單獨(dú)熱水熱燙處理，再進(jìn)行磨漿的方法研究相比，本研究將磨漿工序和滅酶統(tǒng)一起來，縮短了工序流程，減少處理廢水的排放，并且使用全豆制作，提高了大豆利用率。

由于不同品種大豆之間lox活性存在差異，當(dāng)酶活過高或過低時(shí)，需根據(jù)實(shí)際大豆品種進(jìn)行試驗(yàn)，以得到針對(duì)性的優(yōu)化參數(shù)。