不同復(fù)水方式對大豆拉絲蛋白復(fù)水品質(zhì)的影響及動力學(xué)模型構(gòu)建

曲 敏 ，賈圓芳 ，劉琳琳 ，朱秀清 ，朱 穎 ，黃雨洋 ，孫冰玉 ，呂銘守

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院/黑龍江省普通高校食品科學(xué)與工程重點實驗室/黑龍江省谷物食品與谷物資源綜合加工重點實驗室，哈爾濱 150076）

0 引 言

大豆拉絲蛋白（textured fibril soy protein，TFSP）是一種以低溫脫脂豆粕、大豆分離蛋白和谷朊粉等多種蛋白為主要原料，采用集成化程度高的低水分雙螺桿擠壓技術(shù)生產(chǎn)出來的高密度纖維狀植物蛋白[1-2]。富含8種人體必需氨基酸、無膽固醇、具有類似肌肉纖維的質(zhì)地、咀嚼感、豆腥味淡和泡水不散的特點，被廣泛應(yīng)用于大豆蛋白基仿真肉產(chǎn)品開發(fā)[3-4]?？捎行Ы档透哐⒏哐獕汉托哪X血管疾病等患病率的風險，緩解肉類供應(yīng)緊張及解決動物肉生產(chǎn)帶來的環(huán)境問題[5-6]。

TFSP在應(yīng)用前需要進行復(fù)水處理。復(fù)水，也稱為再水合，復(fù)水品質(zhì)是評價脫水產(chǎn)品非常重要的質(zhì)量指標[7]，其與復(fù)水過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，涉及干燥方式和條件、復(fù)水方式和溫度、復(fù)水比等[8]。常規(guī)的溫水復(fù)水時間長、營養(yǎng)損失大，導(dǎo)致產(chǎn)品的風味、化學(xué)成分及感官性質(zhì)發(fā)生不利變化，一定條件下限制了TFSP的應(yīng)用。因此，改善TFSP的復(fù)水品質(zhì)是大豆蛋白基仿真肉產(chǎn)品開發(fā)中迫切需要解決的問題。復(fù)水動力學(xué)模型可對復(fù)水過程中的水分變化規(guī)律進行有效預(yù)測和描述，深入理解食品的復(fù)水機理，主要包括理論模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢纱箢悾渲薪?jīng)驗?zāi)Ｐ鸵驍?shù)學(xué)運算簡單、實用性強被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品如南瓜片、姜片和薔薇果等的復(fù)水研究[9-11]，所得結(jié)果可用于了解該類脫水產(chǎn)品在復(fù)水過程中的傳質(zhì)特性，控制復(fù)水進程。

一定溫度處理可加速復(fù)水進程。即浸泡水溫度越高，越利于脫水產(chǎn)品的復(fù)水完成。然而高溫可能會影響產(chǎn)品的營養(yǎng)成分，提高生產(chǎn)成本[12]。因此，在食品工業(yè)中，通常采用40～45 °C作為脫水產(chǎn)品的適宜復(fù)水溫度。PENG等[13]認為將小麥組織蛋白在45 °C下復(fù)水，可縮短復(fù)水時間，最低限度降低對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的破壞；王大為等[14]通過考察綠豆最大飽和吸水率及最快復(fù)水時間，選用40°C作為浸泡綠豆的最佳溫度。WANG等[15]綜合顏色、外觀、氣味和質(zhì)地方面研究發(fā)現(xiàn)，40 °C的復(fù)水溫度是TFSP較適宜的復(fù)水條件。浸泡水中離子的存在也會加速復(fù)水進程。VáSQUEZ等[16]通過在豌豆浸泡水中添加碳酸氫鈉證明了其可以顯著縮短蒸煮時間、加速烹飪過程和改善烹飪效果。XIONG等[17]認為由于碳酸氫鈉呈弱堿性，具有良好的pH值調(diào)節(jié)能力，溶于水后分解成碳酸氫根離子，促進多糖和蛋白質(zhì)的分解，進一步促進對水分的吸收，同時有助于提高持水能力。ZOU等[18]研究表明，碳酸氫鈉可以通過提高pH值、增強靜電斥力等提高水煮（pale，soft and exudative，PSE）肉的的適口和加工性質(zhì)，并改善其嫩度。

使用高功率超聲波處理是加速復(fù)水的另一種方法。頻率高于20 kHz的高功率聲波，可引起食品的物理化學(xué)變化[19]。由于復(fù)水是一種傳質(zhì)單元操作，因此使用超聲波處理可直接或間接地加速這種傳輸現(xiàn)象[20]。一方面超聲波的直接效應(yīng)會導(dǎo)致食物組織的膨脹和收縮，引起內(nèi)部壓力變化從而促進復(fù)水過程中水的進入[21]；另一方面超聲波的間接效應(yīng)通過破壞蛋白質(zhì)的氫鍵以及空化和機械效應(yīng)產(chǎn)生的靜電力來改變蛋白質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，使其形成小而均一的孔洞結(jié)構(gòu)，促進對水分的吸收[22]，其還可以誘導(dǎo)生物化學(xué)效應(yīng)，進而影響產(chǎn)品的色澤、持水性和微觀結(jié)構(gòu)等[23]。王昱圭等[24]使用高功率超聲輔助復(fù)水改變了麻竹筍的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，密集孔洞的形成使水分子更易進入組織細胞，提高了復(fù)水比。PATERO等[25]使用超聲波促進了高粱的水合作用并提高了水的吸收速率和平衡含水量。

目前，超聲波與堿法輔助干制品的復(fù)水研究大多集中在果蔬谷物類食品及海產(chǎn)干制品[26-28]，而對TFSP的研究較少。本文以TFSP為研究對象，研究在40 °C的復(fù)水條件下超聲波和不同NaHCO3濃度輔助復(fù)水對TFSP復(fù)水特性及品質(zhì)特性的影響，并采用Weibull模型、Peleg模型和一階動力學(xué)模型等3種經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠頂M合TFSP的復(fù)水過程，預(yù)測其復(fù)水特性，以期為TFSP的復(fù)水加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆拉絲蛋白（蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為59 %、含水率為8 %），五常大羅新食品有限公司；碳酸氫鈉，湖南銀橋食品添加劑有限公司。

ESJ180-4型電子天平，上海恒平科學(xué)儀器有限公司；DK-8D型恒溫水浴鍋，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；THC-1000SF超聲清洗機，濟寧天華超聲電子儀器有限公司；NMI20-015 V-I低場核磁成像分析儀，蘇州紐邁電子科技有限公司；L2-4K型低速臺式離心機，湖南可成儀器設(shè)備有限公司；CS-800型色差儀，杭州彩譜科技有限公司；TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)分析儀，英國StableMicroSystem公司；S-3400N型掃描電鏡，日本Hitachi公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 復(fù)水樣品制備

復(fù)水試驗參考ZHOU等[29]的方法并稍作修改。將20 g質(zhì)地均一的TFSP樣品分別在0 、0.125 %、0.250 %、0.500 %、1.000 %、2.000 %的NaHCO3溶液或0、100、200、300、400、500 W的超聲條件（超聲頻率為45 kHz）下浸泡120 min，浸泡溫度40 °C，浸泡料液比1:30 g/mL，使用帶孔支架覆蓋于TFSP上使其完全浸入水中以保持浸泡中水分過量，防止該過程受到缺水的負面影響。復(fù)水過程中，在前30 min內(nèi)每隔5 min從水中取出樣品，用吸水紙吸去樣品表面殘留的水分，稱量，記錄樣品質(zhì)量，然后放回水中；在30 ～60 min內(nèi)每隔10 min從水中取出樣品，記錄一次；在60 ～120 min內(nèi)每隔20 min記錄一次，然后結(jié)束復(fù)水試驗。

參考HARNKARNSUJARITET等[30]的方法進行復(fù)水樣品的含水率(MC，g/g）計算，可表示如下：

式中W0為復(fù)水前樣品的質(zhì)量，g；Wt為復(fù)水后樣品的質(zhì)量，g。

1.2.2 復(fù)水動力學(xué)模型構(gòu)建

干制品的復(fù)水包括同時進行的3個連續(xù)過程：吸水、膨脹和可溶物的浸出[9]。在此過程中會發(fā)生分子擴散、對流、水力流動和毛細流動等。由于不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)差異，其復(fù)水主導(dǎo)機制也不同。表1為3種復(fù)水動力學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

表1 TFSP復(fù)水數(shù)據(jù)曲線擬合的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚑able 1 Empirical model for curve fitting of TFSP rehydration data

1.2.3 指標測定

1） 復(fù)水TFSP色澤的測定

采用BAO等[32]的測定方法并稍作修改，對1.2.1節(jié)中復(fù)水后TFSP的色澤L*、a*、b*值進行測試。

2） 復(fù)水TFSP持水性的測定

參考曲敏等[33]和沈曉梅等[34]的方法并加以改進。分別稱取3 g在1.2.1節(jié)中不同條件下完全復(fù)水的TFSP于50 mL離心管底部，并在樣品下面平鋪足量的紗布以吸收離心過程中排出的水分，以 4 000 r/min進行離心處理，每次離心持續(xù)20 min以使TFSP中的水分充分排出。通過測定離心前后樣品的質(zhì)量來計算持水性（%）。計算式如下：

式中m1為離心前樣品的質(zhì)量，g；m2為離心后樣品的質(zhì)量，g。

3） 復(fù)水TFSP水分分布及核磁成像的測定

為了描述復(fù)水過程中水分的結(jié)合形態(tài)，試驗采用XIN等[35]的方法對TFSP進行T2弛豫測量并稍作修改。選用1.2.1中復(fù)水的樣品5 g，立即用聚四氟乙烯膠帶密封，以防止蒸發(fā)，然后放入核磁共振試管中，使用核磁共振成像分析儀測定TFSP復(fù)水過程中的水分分布。采用Carr- Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)序列測定橫向弛豫時間T2。

根據(jù)PENG等[13]的方法進行核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）測定。取1.2.1節(jié)中TFSP在0 %（對照）、0.500 %NaHCO3溶液和500 W超聲處理條件下復(fù)水5、10、20、40和60 min時的樣品各5 g進行核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）測量。采用T1和T2的加權(quán)成像，并利用標準的多層自旋回波（spin echo，SE）序列來實現(xiàn)對TFSP的MRI測定。

4） 復(fù)水TFSP質(zhì)構(gòu)特性和組織化度的測定

將1.2.1節(jié)中復(fù)水的TFSP切成直徑2.5 cm、高1 cm的圓柱體，在TPA模式下進行質(zhì)構(gòu)測試。物性測試儀探頭型號為P/50，操作參數(shù)為測試前速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，測試后速度1 mm/s，下壓程度50 %，觸發(fā)力0.05 N，測定指標為硬度、彈性、咀嚼性。

將1.2.1節(jié)中復(fù)水的TFSP切成1.5 cm × 1.5 cm × 1.0 cm的長方體，采用A/CKB探頭計算紋理化在TPA模式下的質(zhì)構(gòu)測試。參數(shù)設(shè)定為：測試前速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，測試后速度2 mm/s，切割強度90 %。測定時將樣品分別沿擠出機出口的平行方向和垂直方向進行切割。橫、縱剪切力的比值即為組織化度。

5） 復(fù)水TFSP微觀結(jié)構(gòu)的表征

根據(jù)HAN等[36]的方法進行了一些修改。將1.2.1節(jié)中復(fù)水的TFSP用2.5 %戊二醛在25 °C下固定6 h，然后用0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液洗滌3次。采用濃度為30 %、50 %、70 %、80 %、90 %和100 %的分級乙醇對樣品進行脫水。凍干后，將樣品噴上一層金，并在500和2 000倍的放大倍數(shù)下觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組試驗重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標準差的形式表示。采用MATLAB R2015b對3個動力學(xué)方程與復(fù)水試驗數(shù)據(jù)進行擬合，用決定系數(shù)R2、估計的標準誤差SSSE和均方根誤差RRMSE檢驗動力學(xué)模型與試驗數(shù)據(jù)的擬合度。通過SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并通過單因素方差分析評估了顯著性差異(P<0.05)。用Origin 2019軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波及堿法處理對TFSP復(fù)水特性的影響

復(fù)水曲線反映了復(fù)水過程中含水率隨時間的變化情況。從圖1看出，對照組、NaHCO3處理組和超聲處理組的復(fù)水過程均呈先快后慢逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。隨復(fù)水時間和NaHCO3濃度的增加，復(fù)水TFSP的含水率發(fā)生一定變化。在20 min內(nèi)，各組樣品的含水率增速較快，NaHCO3組和對照差異較?。?0～30 min時，各組的水分含量變化有差異，對照低于NaHCO3組，NaHCO3組中以2%組增速最快；30～60 min時，各組增速變緩，對照增速最慢、與NaHCO3組的差異增大，NaHCO3組中以2.000 %組含水率最大，60 min時達到3.29 g/g；60 min后趨于平衡。復(fù)水至120 min時，0.125 %～2.000 %5個NaHCO3濃度處理的復(fù)水TFSP含水率分別較對照增加了約14.03 %、17.27 %、18.82 %、20.29 %、23.41 %。說明NaHCO3濃度變化對TFSP的復(fù)水過程影響較大，這可能是由于一定濃度的NaHCO3處理破壞了TFSP表層，增加了TFSP中可溶性蛋白的溶解性，從而促進了蛋白質(zhì)與水的快速結(jié)合、增大了TFSP的組織間隙，最終促進了水分向其內(nèi)部的滲透和擴散[37-38]。OLADELE等[38]發(fā)現(xiàn)一種巴西豆的平衡含水率和吸水速率隨著浸泡溶液中堿濃度的增加而增加，與本研究的結(jié)論一致。

圖1 大豆拉絲蛋白在40 °C下不同復(fù)水方式下的復(fù)水曲線Fig.1 Rehydration curves of textured fibril soy protein under different rehydration modes at 40 °C

隨復(fù)水時間和超聲功率的增加，復(fù)水TFSP的含水率增加。在20 min內(nèi)，各組樣品的含水率增速較快，其中，對照低于超聲處理組；在20～40 min時，各組的含水率增速均變緩，但對照明顯低于超聲組（P＜0.05），而以500 W組水分含量最大，40 min時達到3.51 g/g；40 min后各組樣品的含水率趨于平衡。復(fù)水至120 min時，100～500 W 5個超聲功率處理的復(fù)水TFSP含水率分別較對照增加了約16.05 %、18.82 %、23.33 %、24.02 %、27.14 %，即超聲功率越高、復(fù)水TFSP的含水率越高。可見，超聲處理明顯縮短了TFSP的復(fù)水時間并提高了平衡含水率。這可能是由于超聲波的直接效應(yīng)產(chǎn)生連續(xù)收縮和擴張的作用力以及空化和機械效應(yīng)產(chǎn)生的靜電力改變了TFSP內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，使其形成小而均一的微孔結(jié)構(gòu)，有利于水分子進入TFSP的內(nèi)部，使其在初始復(fù)水階段有較強的吸水力[22]。這與MIANO等[20]和SUN等[39]探究超聲處理對綠豆和生姜復(fù)水過程的研究結(jié)果一致，發(fā)現(xiàn)超聲的應(yīng)用增強了綠豆的復(fù)水過程，并縮短了該過程所需的時間，應(yīng)用超聲處理姜片得到更高的含水率。

2.2 復(fù)水曲線的建模

2.2.1 Weibull 模型

將TFSP含水率隨時間變化的數(shù)據(jù)代入模型中得到TFSP復(fù)水過程中Weibull 模型的擬合參數(shù)值。該模型中，α值為系統(tǒng)響應(yīng)的速率參數(shù)，表示復(fù)水完成全過程的63%所需要的時間；β值受物質(zhì)形狀和試驗條件的影響，β值越大，代表初始吸水速率越小[24]。從表2可看出，隨著NaHCO3濃度的增加，α值整體呈增大趨勢，β值呈先減小后增大趨勢。當NaHCO3的濃度大于1.000 %時，α值和β值超過對照組。說明，隨著NaHCO3濃度的增大，TFSP完成63 %水分吸收所需要的時間在增加，初始吸水速率呈先增大后減小的趨勢，此階段復(fù)水時間比對照組短。當NaHCO3濃度大于1.000 %時，復(fù)水時間比對照組長。此現(xiàn)象也發(fā)生在VáSQUE等[16]和劉陽等[40]在豌豆與綠豆的復(fù)水研究中。超聲輔助復(fù)水時，α值和β值整體隨著超聲功率的增大而逐漸降低，均小于對照組和NaHCO3處理組。說明隨著超聲功率的增大，TFSP的復(fù)水速率增加，其完成63 %復(fù)水所需要的時間越少。這與黃旭輝[41]探究超聲波處理對海參復(fù)水特性的研究結(jié)果一致。

表2 不同復(fù)水方式TFSP的Weibull 模型擬合參數(shù)Table 2 Weibull model fitting parameters of TFSP under different rehydration modes

在Weibull 模型、Peleg 模型及一階動力學(xué)模型中，R2越接近1，試驗值和預(yù)測值之間的關(guān)系就越大，SSE值和RMSE值越低，表明建立的模型擬合度越好[42]。由表2 Weibull 模型可知，兩個處理條件的R2均大于0.98，SSE和RMSE值均較小，說明模型與實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性良好，可有效擬合純水、NaHCO3和超聲輔助TFSP復(fù)水的過程。研究表明，Weibull 模型針對谷物豆類或海產(chǎn)干制品類等產(chǎn)品的復(fù)水特征也得到了高度擬合的復(fù)水數(shù)據(jù)，能較好預(yù)測不同處理條件下海軍豆、小麥組織蛋白和智利海參等的復(fù)水動力學(xué)[13、43-44]。

2.2.2 Peleg 模型

在Peleg模型中，擬合常數(shù)K1值與初始傳質(zhì)速率有關(guān)(t=t0)，K1越小，水分初始吸收速率越快，擬合常數(shù)K2值與最大吸水量(t=∞)有關(guān)，K2越小，平衡時的含水率越大[45]。由表3可知，隨著NaHCO3濃度的增加，參數(shù)K1值呈先減小后增大趨勢，參數(shù)K2值整體呈減小的趨勢。隨著超聲功率的增大，K1值逐漸變小，在500 W時達到最小值6.423 5，而K2值呈先增大后減小的趨勢。各組的K1值大小順序是：對照組、NaHCO3處理組、超聲處理組，說明超聲輔助較對照和NaHCO3處理TFSP吸水速率快。而K2值的大小順序則是：超聲處理組、對照組、NaHCO3組，表明隨著NaHCO3濃度的增加，TFSP的平衡含水率呈逐漸增加狀態(tài)，而隨著超聲功率的增大，產(chǎn)品的平衡含水率在降低。這與超聲輔助TFSP復(fù)水的結(jié)果不一致，且與Weibull模型相比，其R2、RMSE、SSE三個參數(shù)值都不理想。說明Peleg模型對TFSP的復(fù)水數(shù)據(jù)擬合度較低，不適合預(yù)測多孔性拉絲蛋白類干制產(chǎn)品的復(fù)水過程。LI等[31]報道了Peleg模型能較好地預(yù)測黑豆在不同溫度浸泡過程中的含水量變化，認為Peleg模型更適合擬合豆類的復(fù)水動力學(xué)?？梢?，復(fù)水產(chǎn)品的種類、結(jié)構(gòu)以及復(fù)水傳質(zhì)特點決定了復(fù)水動力學(xué)模型的選擇。

表3 不同復(fù)水方式TFSP的Peleg模型擬合參數(shù)Table 3 Peleg model fitting parameters of TFSP under different rehydration modes

2.2.3 一階動力學(xué)模型

一階動力學(xué)模型的常數(shù)k越大，復(fù)水速率越快。從表4中可以看出，隨著NaHCO3濃度的增大，k值整體逐漸降低，說明復(fù)水速率逐漸降低。隨著超聲功率的增大，k值呈現(xiàn)升高、降低、再升高的變化。k值的大小順序則是：超聲處理組、對照組、NaHCO3組。說明超聲輔助復(fù)水較對照和NaHCO3處理TFSP的復(fù)水速率快。此結(jié)論與劉陽等[40]探究超聲和NaHCO3處理對綠豆浸泡特性影響的結(jié)果一致。但在此模型中，R2、RMSE、SSE 3個參數(shù)值都不理想，試驗值和預(yù)測值之間差別較大，且該模型描述的變化規(guī)律與Peleg模型和Weibull 模型有一定的差異，說明該模型對TFSP的復(fù)水過程擬合度較小，不適合作為TFSP復(fù)水過程的擬合模型。KUMAR等[46]和SOYSAL等[8]報道了一階動力學(xué)模型更適合預(yù)測脫水甜玉米在儲存過程中復(fù)水率、復(fù)水系數(shù)和水分含量的變化以及預(yù)測油桃片在復(fù)水過程中溫度對水分轉(zhuǎn)移的情況和平衡含水量的變化。

表4 不同復(fù)水方式TFSP的一階動力學(xué)模型擬合參數(shù)Table 4 First-order kinetic model Fitting parameters of TFSP in different rehydration modes

已有研究表明，最適合模型的回歸方程應(yīng)具有接近1的R2和較低的SSE與RMSE[42]。因此，通過與其他2個模型的比較，得出了Weibull模型更適合描述本研究的試驗數(shù)據(jù)，SSE、RMSE值最低，R2值最高（R2≥0.986 7），因此Weibull模型可用于預(yù)測不同復(fù)水條件下達到TFSP目標水分含量所需要的時間。

2.3 超聲波及堿法處理對復(fù)水TFSP色澤的影響

色差檢測中，L*值表示樣品黑白值，其值越大說明顏色越白；a*值表示樣品紅綠值，其值越小顏色越綠；b*值表示樣品黃藍程度，其值越大色澤越偏黃色[47]。

從表5看出，NaHCO3處理和超聲處理均可對復(fù)水TFSP的色澤產(chǎn)生影響。經(jīng)NaHCO3和超聲處理后，L*值均顯著降低，其中，0.500 %NaHCO3組較對照下降了12.57 %，400 W超聲組下降了5.65 %。NaHCO3處理組中，a*值整體略有升高，而b*值無顯著性差異；超聲處理組中，a*值變化不明顯，而b*值增加較顯著，500 W較對照增加了8.21 %。一般來說，低脂肪水平和高含水量可導(dǎo)致較高的a*值和較低的L*值[48]。由于TFSP的蛋白質(zhì)含量高，脂肪含量較少，經(jīng)NaHCO3處理后其水分含量增多，復(fù)水TFSP的亮度降低，顏色呈米黃色。超聲處理產(chǎn)生的空化效應(yīng)會不可避免地造成色素的損失[15]，使得復(fù)水TFSP呈淡黃色。

表5 NaHCO3處理和超聲處理對TFSP色澤的影響Table 5 Effects of NaHCO3 treatment and ultrasonic treatment on the color of TFSP

2.4 超聲波及堿法處理對復(fù)水TFSP持水性的影響

干物質(zhì)對食品持水力的大小可以反映其重新吸水的能力，而影響持水力的主要原因是組織中蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對水分子的束縛作用[49]。

由圖2可看出，與對照組相比，NaHCO3處理和超聲處理均可提高TFSP復(fù)水后的持水性。隨著NaHCO3濃度的增加，持水性呈先增加后減小的趨勢，其中0.500 %添加組的持水性達到最大，較對照組提高8.12 %。說明適當濃度的堿處理可提高TFSP的持水性，過多或過少的堿濃度均不利于TFSP的持水性，尤其堿濃度過高，增大可溶性蛋白的溶解度，使TFSP的皮層發(fā)軟發(fā)粘，降低對水分的截留能力。隨著超聲功率的增加，TFSP復(fù)水后的持水性呈逐漸升高的趨勢，當超聲功率大于400 W時，持水性的變化不明顯，較對照組提高10.11 %。說明超聲處理增加了TFSP與水分子的結(jié)合，促進水對其的吸附。這與ZHANG等[50]探究超聲波處理對干海參復(fù)水特性的影響結(jié)果一致。且0.500 %NaHCO3處理與400 W超聲功率處理TFSP的持水性接近，較對照組的復(fù)水率高，且變化顯著（P＜0.05）。

圖2 不同復(fù)水方式對TFSP持水性的影響Fig.2 Effect of different rehydration methods on TFSP water holding capacity

2.5 超聲波及堿法處理對復(fù)水TFSP水分分布及核磁成像的影響

復(fù)水TFSP共有4組弛豫時間峰T21、T22、T23、T24，其中T21與T22代表結(jié)合水，包括組成水、分子間空間內(nèi)的水以及樣品中部分分子通過氫鍵與極性基團緊密結(jié)合的水；T23代表不易流動水，包括分布在與離子或離子基團結(jié)合的水分子單層外的水；T24代表自由水。峰面積A21、A22、A23和A24分別代表以上4種水分存在方式的含水量情況[51]。

圖3中顯示，不易流動水是對照、NaHCO3處理和超聲處理復(fù)水TFSP中水分的主要存在形式，其次是自由水和結(jié)合水。這與李楊等[52]研究超聲制漿對復(fù)水冷凍干燥豆腐水分分布的結(jié)果一致。NaHCO3處理組中弛豫時間T23區(qū)間出現(xiàn)兩個峰，可能是由于該區(qū)的部分不易流動水與離子或離子基團的結(jié)合程度減弱，水分受束縛程度變小。因此合并兩個峰面積研究不易流動水的含水量變化情況。對弛豫時間T2和各組分信號量A2進行統(tǒng)計分析得到表6，與對照組相比，隨著NaHCO3濃度的增加，T21和T24整體向長弛豫方向移動，而T22、T23向短弛豫方向移動；A21、A22與A24逐漸減小，A23呈先增大后減小的變化規(guī)律。當NaHCO3濃度為0.500 %時，峰較高且峰面積最大為4 458.34 g-1，T2弛豫時間最短為160.28 ms。說明經(jīng)NaHCO3處理的復(fù)水TFSP的結(jié)合水和自由水的流動性增強，而樣品組分分子與不易流動水結(jié)合的更緊密，且代表不易流動水的總水分含量增加。其中NaHCO3濃度為0.500 %時總水分含量最高，這主要是由不易流動水的含量增加引起的。

圖3 在不同復(fù)水方式下的TFSP的低場核磁共振弛豫時間分布Fig.3 Low-field NMR relaxation time distribution of TFSP under different rehydration modes

表6 不同復(fù)水方式下TFSP的水分弛豫時間T2和峰面積的變化Table 6 Changes of water relaxation time T2 and peak area of TFSP under different rehydration modes

隨著超聲功率的增加，T21變化較小，T22、T23和T24整體向短弛豫方向移動；A21、A22和A23呈增大趨勢，A24整體呈減小的變化規(guī)律，與對照組相比，經(jīng)超聲處理后TFSP的峰高和峰面積均明顯增加，當超聲功率為400 W時，A23峰面積為7 292.01 g-1，T23弛豫時間最短為153.20 ms?？梢娫诔曅?yīng)的作用下，自由水減少、結(jié)合水和不易流動水增加。說明TFSP中的自由水向結(jié)合水和不易流動水轉(zhuǎn)化，也可能在超聲效應(yīng)的作用下，隨著超聲功率的增加，促進了蛋白質(zhì)分子之間的交聯(lián)，使其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔隙變小，不易流動水可包埋在這種微觀結(jié)構(gòu)中，使不易流動水的含量增加[52]。此外，較NaHCO3處理組相比，超聲處理TFSP的峰面積較大且T2弛豫時間更短，與TFSP復(fù)水過程中水分含量的變化趨勢一致，超聲處理輔助復(fù)水可明顯縮短復(fù)水時間且最大程度提高水分含量。

MRI被用于監(jiān)測水分遷移過程，并揭示食品中的水分分布規(guī)律[53]。質(zhì)子密度越高，復(fù)水樣品的含水量越多。從圖4可以看出，隨著復(fù)水時間的增加，復(fù)水TFSP的對照組、NaHCO3處理組和超聲處理組均可觀察到亮度從外層到內(nèi)層逐漸增強，即呈現(xiàn)逐漸增高的質(zhì)子密度，說明水分分布面積增大。在相同的復(fù)水時間內(nèi)，水分分布多少的順序是：超聲處理組、NaHCO3組、對照組。這與上述復(fù)水規(guī)律一致，即超聲處理輔助復(fù)水TFSP的完全復(fù)水所需要的時間最短。這與WANG等[15]研究超聲處理可縮短低水分組織化大豆蛋白復(fù)水時間的結(jié)果一致。

圖4 TFSP復(fù)水過程中的質(zhì)子密度圖像Fig.4 Proton density image of TFSP during rehydration

2.6 超聲波及堿法處理對復(fù)水TFSP質(zhì)構(gòu)特性及組織化度的影響

在一定范圍內(nèi)，組織化度越大表示樣品的纖維結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品的質(zhì)量越好，也可以用于表征復(fù)水后組織化蛋白品質(zhì)越好[13、54]。如表7可知，NaHCO3處理和超聲處理均顯著影響了TFSP的質(zhì)構(gòu)特性和組織化度（P＜0.05），與對照組相比，隨著浸泡水中NaHCO3濃度和超聲功率的增加，組織化度呈先增大后減小的趨勢，TFSP的硬度和咀嚼性呈先減小后增大的趨勢，彈性無明顯變化。這是因為NaHCO3濃度和超聲功率的增加，使復(fù)水TFSP呈現(xiàn)橫、縱向剪切力同步減小或增大的趨勢，但縱向剪切力較橫向剪切力變化快，因此組織化度呈現(xiàn)先增大后減小的變化；當NaHCO3濃度增加到0.250 %時，TFSP的組織化度達到最大，硬度最小，咀嚼性相應(yīng)減小，硬度較對照組減小54.17 %。可能是因為一定濃度的NaHCO3處理，增大了TFSP皮層的溶解性，加速了TFSP吸水膨脹，使纖維結(jié)構(gòu)遇水變軟，導(dǎo)致硬度和咀嚼性變小[17]。超聲功率為400 W時，TFSP的組織化度達到最大，較對照組提高41.80 %，硬度和咀嚼性適中，這可能是因為超聲波的空化效應(yīng)導(dǎo)致TFSP溶脹更快并增大了纖維結(jié)構(gòu)之間的孔隙，使組織變得更疏松[22]，在較短時間內(nèi)即可達到TFSP的復(fù)水效果，從而降低產(chǎn)品的硬度，且保持較好的彈性和咀嚼性。已有研究表明超聲波輔助復(fù)水減少了玉米粒、大麥仁等谷類和鷹嘴豆、海軍豆等豆類的水合時間，且可有效改善食品的品質(zhì)特性[43、55-57]。

表7 不同復(fù)水條件處理的TFSP質(zhì)構(gòu)特性及組織化度Table 7 Textural characteristics and texture degree of TFSP treated under different rehydration conditions

因此，若以最大組織化度為主要評價指標，TFSP在復(fù)水時應(yīng)選擇400 W超聲輔助復(fù)水效果最佳；而若以最低硬度為主要評價指標，則選擇0.250 %NaHCO3輔助復(fù)水效果為好。NaHCO3復(fù)水的TFSP表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)細滑，適用于開發(fā)素肉糜類產(chǎn)品，NaHCO3的濃度范圍以0.250%～0.500%為宜；超聲處理復(fù)水的TFSP組織化度高咀嚼性強，適合做拆絲預(yù)處理開發(fā)有一定纖維感和彈性的素肉產(chǎn)品，超聲功率的范圍以300～400W為宜。

2.7 超聲波及堿法處理對復(fù)水TFSP微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖5實物圖顯示，復(fù)水前TFSP樣品的表面致密且不平整，橫截面的孔隙較?。ˋ、B），經(jīng)純水、NaHCO3和超聲復(fù)水條件處理后，復(fù)水TFSP的表面均呈現(xiàn)光滑連續(xù)的形狀，截面呈現(xiàn)多孔纖維結(jié)構(gòu)（C-H）。這表明水向TFSP的擴散有利于使其組織結(jié)構(gòu)變松散，從而使TFSP樣品的表面和橫截面存在較大差異。利用掃描電鏡對復(fù)水后TFSP表面和截面的微觀結(jié)構(gòu)進行了測量。在復(fù)水過程中，TFSP的微觀結(jié)構(gòu)與水分子從其表面向內(nèi)部擴散和內(nèi)部吸水特性密切相關(guān)，即片層和孔洞結(jié)構(gòu)有利于水從外向內(nèi)滲透的速度[14]。但由于3種復(fù)水方式的不同，從而使TFSP的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變化。掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）顯示，對照組的TFSP表面致密光滑，橫截面呈較緊密的片層結(jié)構(gòu)（圖C、F）；經(jīng)NaHCO3處理樣品的表面呈現(xiàn)明顯細膩的纖維狀紋理，橫截面有片層結(jié)構(gòu)，片層之間較充實并通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相互連接，產(chǎn)生了一定的縫隙（圖D、G）；經(jīng)超聲處理樣品的表面欠光滑、橫截面呈均勻清晰的薄片層結(jié)構(gòu)（圖E、H）。

圖5 不同復(fù)水方式下TFSP掃描電鏡圖Fig.5 The scanning electron microscope plot of TFSP in different rehydration modes

可見對照組采用常規(guī)的復(fù)水方法，由于TFSP表面結(jié)構(gòu)的特點導(dǎo)致復(fù)水時間過長；一定濃度的NaHCO3處理破壞了TFSP表面結(jié)構(gòu)，促進其吸水并增大了樣品組織的孔隙，提高了容納水的能力；而超聲波可引起食物內(nèi)部的壓力變化，在此壓力作用下TFSP中的水分產(chǎn)生了持續(xù)的流動，促進了復(fù)水過程，同時導(dǎo)致樣品的結(jié)構(gòu)變化，形成新的通道，加速復(fù)水傳輸現(xiàn)象。這與上述復(fù)水規(guī)律一致，即NaHCO3和超聲輔助處理均提高了復(fù)水TFSP的最終含水率。

如圖6所示，在復(fù)水過程中，超聲波改變了固體和水之間的界面壓力，在固液界面的轉(zhuǎn)移會產(chǎn)生振蕩和微流，增大了復(fù)水產(chǎn)品的孔隙，降低了傳質(zhì)內(nèi)阻，促進復(fù)水過程中水分子的進入，因此在較短時間內(nèi)即可容納更多的水[21-22]；NaHCO3溶于水后形成HCO3-，離子環(huán)境的存在增強了蛋白質(zhì)分子間作用力，促使其空間結(jié)構(gòu)改變并增加了一定間隙，進一步促進對水分的吸收，從而使復(fù)水產(chǎn)品可容納更多的水[17]。

圖6 超聲和NaHCO3處理對TFSP復(fù)水的機制圖Fig.6 Mechanism diagram of TFSP rehydration by ultrasound and NaHCO3 treatment

3 結(jié) 論

本研究分別利用超聲和NaHCO3輔助復(fù)水大豆拉絲蛋白（textured fibril soy protein，TFSP），研究發(fā)現(xiàn)：

1）超聲和NaHCO3處理均可提高TFSP的最終含水率，且超聲處理可有效縮短TFSP的復(fù)水時間。Weibull模型適用于擬合TFSP在純水、超聲輔助處理和NaHCO3輔助處理等不同復(fù)水方式下的動力學(xué)過程，擬合度高。其中，純水組（R2≥0.993 3）、超聲組（R2≥0.990 5）和NaHCO3組（R2≥0.986 7）。

2）與對照組相比，超聲和NaHCO3處理均顯著提高了TFSP的持水能力和弱結(jié)合水含量（P＜0.05），降低了TFSP的色澤，改善了TFSP的質(zhì)構(gòu)特性和組織化度。

3）掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察顯示，對照組的TFSP表面光滑，橫截面片層結(jié)構(gòu)緊致；NaHCO3處理TFSP的表面呈細膩纖維狀紋理，橫截面呈片層結(jié)構(gòu)；超聲處理組表面欠光滑、橫截面的薄片層結(jié)構(gòu)均勻清晰。

本文的研究結(jié)果證實了超聲和NaHCO3處理均可提高TFSP的復(fù)水速率和平衡含水率，Weibull模型適用于預(yù)測TFSP在復(fù)水過程中水分的變化規(guī)律，使其復(fù)水特性、色澤、質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)等復(fù)水品質(zhì)有不同程度的改善。若以最大組織化度為主要評價指標，TFSP在復(fù)水時應(yīng)選擇400 W超聲輔助復(fù)水效果最佳。超聲處理復(fù)水的TFSP組織化度高咀嚼性強，適合做拆絲預(yù)處理開發(fā)有一定纖維感和彈性的素肉產(chǎn)品，超聲功率的范圍以300～400W為宜；而若以最低硬度為主要評價指標，則選擇0.250 %NaHCO3輔助復(fù)水效果為好。NaHCO3復(fù)水的TFSP表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)細滑，適用于開發(fā)素肉糜類產(chǎn)品，NaHCO3的濃度范圍以0.250%～0.500%為宜。但由于兩種方法作用的機理和結(jié)果不同，因此，要根據(jù)其進一步加工的產(chǎn)品品質(zhì)特點選擇合適的復(fù)水處理方式，即在考慮復(fù)水速率的同時，還要綜合考慮復(fù)水品質(zhì)，以期為后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)完善加工工藝。同時，根據(jù)本研究結(jié)果在未來可以考慮研究使用超聲輔助堿法復(fù)水，以期獲得提高大豆拉絲蛋白復(fù)水速率與改善品質(zhì)的適宜復(fù)水策略，得到更好的復(fù)水效果。