基于大豆分離蛋白的脂肪模擬工藝條件優化

王建輝，靳 娜，成媛媛，劉永樂*，王發祥，李向紅，俞 健

基于大豆分離蛋白的脂肪模擬工藝條件優化

王建輝，靳 娜，成媛媛，劉永樂*，王發祥，李向紅，俞 健

（長沙理工大學 湖南省水生生物資源食品加工工程技術研究中心，湖南 長沙 410114）

為獲得與油脂感官特征相近的大豆分離蛋白基脂肪替代物，綜合運用單因素和Box-Behnken試驗設計，以大豆分離蛋白添加量、魔芋膠添加量、加熱溫度、 加熱時間、均質時間為考察因子，以復合體系的黏度及乳化穩定性為響應值，確定制備大豆分離蛋白基脂肪替代物的最佳工藝條件。結果表明，最佳工藝條件為大豆分離蛋白質量分數8%、魔芋膠質量分數0.08%、加熱溫度79.8 ℃、加熱時間13 min、均質時間40 s，此條件下復合體系的黏度為45.94 mPa·s，乳化穩定性為74.49 min，與市售植物油相當。

大豆分離蛋白；魔芋膠；脂肪替代物；剪切；流變性；乳化穩定性

脂肪柔滑細膩、口感宜人，是許多風味物質的載體，因而深受消費者喜愛，然而一旦攝入過量，難免會帶來肥胖癥、高血壓、動脈硬化、糖尿病等系列健康問題；正因消費者對食品中油脂含量很敏感，無法忍受單純減脂或無脂產品的粗糙口感，因此，旨以在滿足人們對風味追求的同時減少疾病的發生，以蛋白質、碳水化合物或脂肪等為基料，通過混合乳化劑、增稠劑等制成，能被人體消化吸收但提供較低能量，或不能被人體消化對人體不提供能量的脂肪替代物應運而生[1-2]。其中，蛋白基脂肪替代物占脂肪替代物的很大一部分[3]。蛋白質變性后，分子中的疏水基團和區域暴露于分子表面，能夠模擬出油脂的疏水性狀，同時，經微粒化處理的蛋白質水合后，若分散液中水合蛋白質顆粒直徑小于10 μm，此時，舌頭分辨不出單個顆粒，制品不再具有粗糙的顆粒感，因而能模擬出良好的潤滑、奶油狀感官特征[4-7]。大豆分離蛋白是以大豆為原料生產而來的優質蛋白質，其蛋白含量高，消化利用率達93%～97%，且具有優良的起泡性、溶解性、乳化性、黏彈性、凝膠性和吸水吸油性[8-9]。大豆分離蛋白及其水解液具有顯著的生理活性，能降低肝臟脂肪合成酶的活性和血漿中葡萄糖水平，加快脂肪與能量的新陳代謝[10]。魔芋膠又名魔芋葡甘聚糖，是一種優良的水溶性膳食纖維，其吸水溶脹能力極高，溶液具有很高的黏度，在加熱條件下可形成熱不可逆凝膠。魔芋膠保健功能優異，可預防和治療高血壓、高血脂、心血管疾病、糖尿病、肥胖、便秘等癥[11]。同時對低濃度大豆分離蛋白的乳化性能具有顯著改善作用[12]。本研究主要采用物理改性法，對添加魔芋膠后的大豆分離蛋白進行濕熱處理形成松散柔軟的疏水性蛋白質顆粒，再經高速剪切處理，從而研制出能模擬天然油脂潤滑、細膩口感特性，與市售植物油黏度相似，且具有較好乳化穩定性的大豆分離蛋白基脂肪模擬物。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白（堿提酸沉法，其蛋白含量達90%以上） 自制；長康均衡調和油 市購；魔芋膠長沙市雨花區日成晟食品添加劑廠；十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

AR1500ex流變儀 美國TA公司；T10均質機 德國IKA公司；AUY120電子分析天平 日本島津公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限公司；78-1磁力加熱攪拌器 金壇市醫療儀器廠；DS-1高速組織搗碎機 上海標本模型廠制造；UV2600紫外-可見分光光度計 上海舜寧恒平科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 改性條件單因素試驗

1.3.1.1 大豆分離蛋白及魔芋膠添加量的確定

固定加熱溫度80 ℃、加熱時間10 min、均質時間40 s（均質壓力20 MPa，下同），分別考察大豆分離蛋白質量分數6%、7%、8%，魔芋膠質量分數0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%對復合體系黏度及乳化穩定性的影響。

1.3.1.2 加熱溫度的確定

固定大豆分離蛋白質量分數8%、魔芋膠質量分數0.08%、加熱時間10 min、均質時間40 s，考察不同加熱溫度（65、70、75、80、85、90 ℃）對復合體系的黏度及乳化穩定性的影響。

1.3.1.3 加熱時間的確定

固定大豆分離蛋白質量分數8%、魔芋膠質量分數0.08%、加熱溫度80 ℃、均質時間40 s，考察不同加熱時間（5、10、15、20、25 min）對復合體系的黏度及乳化穩定性的影響。

1.3.1.4 均質時間的確定

固定大豆分離蛋白質量分數8%、魔芋膠質量分數0.08%、加熱溫度80 ℃、加熱時間10 min，考察不同均質時間（10、20、30、40、50 s）對復合體系的黏度與乳化穩定性的影響。

1.3.2 黏度的測定

平行板夾具直徑40 mm，間距1 000 μm，測量溫度25 ℃，穩態模式，剪切速率范圍為0.1～100 s-1，分別測定各樣本黏度和剪切應力隨剪切速率的變化情況[13]，并取剪切速率100 s-1時的黏度進行比較。

1.3.3 乳化穩定性的測定

取改性后的大豆分離蛋白與魔芋膠復合體系溶液50 mL于高速組織搗碎機，加入等體積植物油，以20 000 r/min均質2 min，于乳濁液底部以t時間間隔（t=0或30 min）取乳濁液100 μL，迅速與10 mL質量分數0.1%的SDS溶液混合，在500 nm波長條件下測定t時刻的吸光度At[14]。乳化穩定性（emulsion stability index，ESI）按以下公式計算：

1.3.4 Box-Behnken試驗設計

根據單因素試驗結果，采用Box-Behnken Design（BBD）設計原理，固定大豆分離蛋白質量分數8%、均質時間40 s，選取魔芋膠添加量、加熱溫度與加熱時間3 個因素進行響應面試驗設計[15]，旨在得到與植物油黏度相似及乳化穩定性良好的大豆分離蛋白樣品。具體因素水平表如表1所示。

表1 BBD試驗因素編碼值和實際值Table 1 Encoded and actual value of BBD experimental factors

2 結果與分析

2.1 調和油流變性研究

圖1 調和油剪切應力（A）和黏度（B）與剪切速率曲線Fig.1 Curves of shear stress (A) and viscosity (B) as a function shear rate for blended vegetable oil

由圖1A可知，調和油剪切應力與剪切速率基本呈線性關系（y=0.046 2x＋0.003 7，R2=1）。由圖1B可知，當剪切速率大于10 s-1時，調和油的黏度隨剪切速率的增加變化不明顯；當剪切速率在0～10 s-1范圍內變化時，可能緣于外界微小剪切力擾動作用在增加過程中，分子間的相互作用力逐漸遭到破壞[16]，調和油的黏度隨剪切速率的增加顯著下降。本研究主要以模擬調和油的流變性能為目的，旨在獲得與調和油黏度相近且乳化穩定性良好的變性大豆分離蛋白，故取剪切速率為100 s-1時，調和油黏度為46.27 mPa·s作為參照值。

2.2 大豆分離蛋白與魔芋膠添加量對大豆分離蛋白改性的影響

圖2 大豆分離蛋白與魔芋膠添加量對大豆分離蛋白改性的影響Fig.2 Effect of SPI and konjac glucomannan concentrations on SPI modification

黏度是指液體流動時表現出來的內摩擦，而感官評定中的滑膩感主要與流體的黏度呈明顯正相關；而乳化穩定性是蛋白質維持兩相穩定存在的能力[17]。如圖2所示，可能緣于大豆分離蛋白質量分數的增加，其分子間作用力增強，分子間結構發生變化[18]，改性后大豆分離蛋白的黏度隨添加量的增加而增大。隨著魔芋膠添加量的增加，復合體系的黏度增大，魔芋膠與大豆分離蛋白間存在協同增稠作用。當大豆分離蛋白質量分數8%，魔芋膠質量分數0.08%時，其黏度（43.18 mPa·s）與調和油黏度（46.27 mPa·s）接近。當大豆分離蛋白質量分數低于8%，即使魔芋膠質量分數達0.10%，復合體系的黏度仍低于調和油的黏度。在大豆分離蛋白質量分數較低的條件下，大豆分離蛋白的乳化穩定性較差，當其升至8%，乳化穩定性達43.75 min，添加魔芋膠，體系乳化穩定性明顯改善，隨魔芋膠添加量增大，乳化穩定性不斷增強。究其原因，可能緣于魔芋膠與大豆分離蛋白分子間相互作用，蛋白球狀分子伸展，疏水基團不斷暴露；加之，魔芋膠在體系中的增稠作用，使伸展的大豆分離蛋白分子處于較穩定的狀態，從而大大提高了溶液的乳化穩定性[19]。當魔芋膠添加量大于質量分數0.08%時，隨著魔芋膠添加量的增大，復合體系乳化穩定性的增加趨于平穩，此時乳化穩定性75.76 min。綜合考慮，固定大豆分離蛋白質量分數8%，魔芋膠質量分數0.08%。

圖3 加熱溫度對大豆分離蛋白改性的影響Fig.3 Effect of heating temperature on SPI modification

2.3 加熱溫度對大豆分離蛋白改性的影響加熱處理會造成蛋白質結構變化、肽鍵的水解、氨基酸側鏈的改性及蛋白質分子與其他分子間的縮合。隨著溫度的升高，蛋白質分子的熱運動增強，內部結構被破壞，分子間的黏滯作用減弱，蛋白質溶液的黏度降低。大豆分離蛋白的變性溫度一般在50 ℃左右，隨著溫度的升高，變性之后，蛋白質主鏈上的疏水性基團展開，疏水氨基酸不斷暴露，使大豆分離蛋白溶液在油水界面中具有很好的定位[18]。由圖3可知，復合體系的黏度隨加熱溫度的升高而逐漸下降，而乳化穩定性受溫度影響不大。當加熱溫度為80 ℃時復合體系的黏度（42.49 mPa·s）與調和油黏度最為接近，乳化穩定性趨于穩定，因此，選取80 ℃為最佳加熱溫度。

2.4 加熱時間對大豆分離蛋白改性的影響

圖4 加熱時間對大豆分離蛋白改性的影響Fig.4 Effect of heating time on SPI modification

由圖4可知，當加熱時間低于15 min時，復合體系的黏度及乳化穩定性均不斷增加；當加熱時間高于15 min時，復合體系的乳化穩定性隨著熱處理時間的延長而降低，可能緣于大豆分離蛋白中7S各亞基及部分11S酸性亞基和堿性亞基間發生聚合，形成聚合物；另外，由于空氣的黏度低，與蛋白質疏水基團間相互作用較弱，高分子質量的蛋白質聚合物擴散到氣-水界面，在其界面形成的吸附能力較低，因而，導致蛋白質的乳化穩定性下降[14]。因此，選取加熱時間為10 min，此時復合體系的黏度（44.48 mPa·s）及乳化穩定性均較佳。

2.5 均質時間對大豆分離蛋白改性的影響

在變性條件下，大豆分離蛋白因變性而展開，發生黏附并凝聚形成較大的顆粒，因此，在大豆分離蛋白變性而凝聚過程中進行高速剪切處理，即可有效防止較大凝聚顆粒的形成，一旦顆粒大小處于舌頭感官閾值之下（0.1～2.0 μm），此時舌頭無從分辨，從而模擬出類似脂肪的良好潤滑、奶油狀感官特性[20]。由圖5可知，均質時間對復合體系改性的影響不大，緣于均質只改變顆粒大小，實現細小顆粒的均勻分布，而對復合體系其他功能性質的影響不大。當均質時間為40 s時復合體系乳化穩定性達最大，此時體系的黏度（45.87 mPa·s）與調和油黏度最為接近，因此，選取40 s為最佳均質時間。

圖5 均質時間對大豆分離蛋白改性的影響Fig.5 Effect of homogenization time on SPI modification

2.6 Box-Behnken設計試驗

在確定大豆分離蛋白質量分數8%、均質時間40 s的條件下，以魔芋膠添加量、加熱溫度及加熱時間為影響因子，通過響應面試驗研究物理改性對大豆分離蛋白與魔芋膠復合體系的黏度與乳化穩定性的影響，并利用Design-Expert軟件對試驗結果進行二次多元回歸擬合[21]，結果及擬合方程分別見表2、3。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken experimental design with experimental results

由表3可知，兩個數學擬合模型的R2值分別為0.97和0.99，可見通過多元二次回歸得到的復合體系黏度（Y1）和復合體系乳化穩定性（Y2）的模型與試驗擬合較好，均具有較高的可靠性，即模型顯著（P＜0.01）。由表4可知，對于Y1模型，擬合數學模型的方差分析結果表明，各因素的線性對響應值的影響極顯著（P＜0.01），在所選試驗條件下，3 個因素對大豆分離蛋白溶液黏度的影響排序為魔芋膠添加量＞加熱時間＞加熱溫度。對于Y2模型，擬合數學模型的方差分析結果表明，在所選試驗條件下，3 個因素對大豆分離蛋白溶液乳化穩定性的影響排序為魔芋膠添加量＞加熱時間＞加熱溫度。

表3 模型擬合結果Table 3 The fitted regression models for viscosity and emulsion stability

表4 模型方差分析Table 4 Analysis of variance for the regression models

圖6 兩兩因素交互作用對復合體系黏度影響的響應面圖Fig.6 Three-dimensional response surface diagram for the viscosity of the composite solution

圖7 兩兩因素交互作用對復合體系乳化穩定性影響的響應面圖Fig.7 Three-dimensional response surface diagram for the emulsion stability of the composite solution

根據回歸方程可得出響應面圖（圖6、7），在魔芋膠添加量與加熱溫度適中、加熱時間較長時，復合體系的黏度與調和油接近，且乳化穩定性較高。應用Design-Expert軟件優化程序，得到最佳復合體系改性工藝參數：魔芋膠質量分數0.08%、加熱溫度79.75 ℃、加熱時間12.97 min，此條件下大豆分離蛋白黏度46.27 mPa·s，乳化穩定性73.44 min。考慮實際可操作性，將復合體系物理改性的工藝條件修正為魔芋膠質量分數0.08%、加熱溫度79.8 ℃、加熱時間13 min，在此優化條件下進行驗證實驗3 次，測得復合體系的黏度45.94 mPa·s，理論預測值46.3 mPa·s；乳化穩定性74.49 min，理論預測值73.44 min。預測值與實測值接近，偏差較小，說明試驗設計和數學模型具有可靠性與重現性。

3 結 論

本研究以市售植物油為參照，大豆分離蛋白與魔芋膠為原料，通過物理改性的方法開展了油脂模擬實驗研究，得到了制備大豆分離蛋白基脂肪模擬物的最佳工藝條件：大豆分離蛋白質量分數8%、魔芋膠質量分數0.08%、加熱溫度79.8 ℃、加熱時間13 min、均質時間40 s，此時，溶液黏度達到45.94 mPa·s，乳化穩定性為74.49 min，其黏度與市售調和油相似，模擬出了具有良好潤滑、奶油狀口感的脂肪性狀。由此可見，大豆分離蛋白濕熱變性后暴露于多肽鏈上的疏水基團，通過與魔芋膠的復合，其乳化性能大大提高，進而改善低脂食品的質構特性，模擬出脂肪的柔滑細膩特性。雖然本研究通過大豆蛋白基脂肪模擬物與市售植物油的黏度和乳化性能的擬合，得到了最佳擬合參數，然以期達到更好的替代效果，在評價手段及其制備工藝方面仍需進一步探索。

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Optimization of the Preparation Process for Soy Protein Isolate-Based Fat Simulant

WANG Jian-hui, JIN Na, CHENG Yuan-yuan, LIU Yong-le*, WANG Fa-xiang, LI Xiang-hong, YU Jian
(Hunan Provincial Engineering Research Center for Food Processing of Aquatic Biotic Resources, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

This study proposes a procedure for preparation of soy protein isolate (SPI)-based fat stimulant with similar sensory characteristics to oils and fats. The preparation conditions were investigated preliminarily by single-factor design and optimized by Box-Behnken design (BBD) with the viscosity and emulsion stability of composite system as a function of SPI concentration, konjac gum concentration, heating temperature, heating time and homogenization time. A composite system containing 8% SPI and 0.08% konjac gum heated at 79.8 ℃ for 13 min followed by 40 s homogenization was found to be optimal. The product obtained exhibited a viscosity of 45.94 mPa·s and an emulsion stability of 74.49 min, close to the quality of commercially available vegetable oils.

soy protein isolate; konjac glucomannan; fat replacers; shear; rheological behaviour; emulsion stability

TS201.2；TS201.7

A

1002-6630（2014）16-0006-05

10.7506/spkx1002-6630-201416002

2014-01-21

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD31B08）；國家自然科學基金青年科學基金項目（31301564；31201427）

王建輝（1980—），男，副教授，博士，研究方向為淡水生物資源開發與功能性食品。E-mail：wangjh0909@163.com

*通信作者：劉永樂（1962—），男，教授，博士，研究方向為大宗農產品加工技術。E-mail：lyle19@163.com