渦流空化對大豆分離蛋白黏度的影響

劉　雪,楊　鋒,任仙娥,*,黃永春

(1.廣西科技大學生物與化學工程學院,廣西柳州 545006;2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室,廣西柳州 545006;3.廣西高校糖資源加工重點實驗室,廣西柳州 545006)

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渦流空化對大豆分離蛋白黏度的影響

劉雪1,2,3,楊鋒1,2,3,任仙娥1,2,3,*,黃永春1,2,3

(1.廣西科技大學生物與化學工程學院,廣西柳州 545006;2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室,廣西柳州 545006;3.廣西高校糖資源加工重點實驗室,廣西柳州 545006)

為了豐富水力空化技術在食品工業中的應用,本文通過渦流空化裝置處理不同濃度的大豆分離蛋白(soy protein isolates，SPI)溶液,研究渦流空化對SPI黏度的影響。結果表明:不同濃度的SPI溶液經渦流空化處理后黏度均降低,其中SPI濃度越大,其黏度下降越明顯;與未處理的SPI溶液相比,經空化后的SPI溶液黏度隨溫度變化不明顯;濃度為70 g/L的SPI溶液經不同出口壓力空化處理后,其黏度隨轉速增加而增加,與空化前變化趨勢相反,其他濃度的SPI溶液空化前后均隨轉速的增加而增加;隨著空化處理時間的延長,SPI溶液黏度持續降低,其中在處理10 min內,下降更明顯。說明渦流空化可以降低SPI溶液黏度,有利于低黏度型的SPI廣泛應用于碎肉食品生產中。

SPI,水力空化,黏度

大豆分離蛋白(soy protein isolates,SPI)是以脫脂豆粕為原料,采用堿提酸沉法、膜分離法等生產工藝制成的大豆蛋白產品,其蛋白質含量在90%以上[1-3]。SPI常作為食品添加劑加入到飲料、湯、醬、奶油及肉汁等流體食品中,能夠有效調整其所要求的黏度,并改善食品品質[4]。潘思軼等[5]研究了添加大豆蛋白酶解產物對酸奶發酵程度及流變學性質的影響,結果表明牛奶中加入大豆蛋白酶解產物,可促進酸奶酸味的形成;添加7.5%的DH3.76%大豆蛋白水解產物能夠有效提高酸奶粘度;DH5.61%的大豆蛋白酶解產物取代7.5%～10%的牛奶時,能顯著縮短發酵終點所需時間。黃友如等[6]以醇洗豆粕為原料,制備得到低粘度型大豆分離蛋白,有助于火腿產品的生產。有研究表明大豆蛋白應用于肉制品中,可以減少瘦肉用量,增加脂肪和水用量,且火腿的組織狀態及口感能夠大大改善,生產成本降低[7]。近年來,國內外越來越多學者對超聲空化和水力空化進行研究,研究發現二者有著相同的空化效應,即局部瞬間產生高溫、高壓以及高時速微射流,為物理化學反應提供能量。朱建華等[8]研究了超聲對大豆分離蛋白粘度的影響,結果表明10%和12.5%的SPI溶液經25 kHz、400 W超聲處理20 min后,其粘度分別降至對照組的3.2%和6.5%,且相同條件下,增大超聲功率能明顯降低SPI溶液粘度。任仙娥等[9]研究了水力空化對大豆分離蛋白功能性質的影響,結果表明水力空化能顯著改善大豆分離蛋白的部分功能特性。目前渦流空化對大豆分離蛋白溶液黏度的研究鮮有報道。本實驗研究了基于渦流的水力空化對SPI溶液黏度的影響,為水力空化在食品行業的應用提供基礎和參考依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

大豆分離蛋白(SPI)購于山東禹王實業有限公司,蛋白含量≥90%。

DV-II+型Brookfield粘度計美國Brookfield公司;DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器鞏義市予華儀器有限責任公司;AL104型電子天平梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;20NPD047型渦流泵上海尼可尼泵業有限公司。渦流空化裝置自制,如圖1所示，渦流空化裝置是由一個渦流泵、壓力表、溶液貯箱、加熱裝置和閥門組成。渦流泵的運轉能夠帶動蛋白溶液在其中形成渦流,進而在渦流中心形成低壓區,由于壓強過低而產生了大量的空化氣泡,當這些氣泡進入到高壓區后,壓強突然增大使氣泡潰滅,從而產生空化效應。

圖1　渦流空化裝置示意圖Fig.1　Sketch map of hydrodynamic cavitation device

1.2實驗方法

1.2.1SPI黏度測定參照田少君的方法[10],用蒸餾水分別配制10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液300 mL,攪拌均勻,將樣液放入集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中,用Brookfield粘度計選用2號轉子在不同轉速(100、120、140、160、180、200 r/min)、不同水浴溫度(30、40、50、60、70、80、90 ℃)下分別測定其黏度。

1.2.2渦流空化處理SPI參照田少君的方法[10],考察不同濃度的SPI溶液通過渦流空化裝置,在不同出口壓力、空化處理時間下對溶液黏度的影響,黏度變化計算公式如下:

式中:ηr-黏度變化率,%;η0-空化前溶液黏度,mPa·s;ηt-空化后溶液黏度,mPa·s。

1.2.2.1經不同出口壓力處理后的SPI黏度隨溫度的變化配制 10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液各2 L在出口壓力分別為0.2、0.4、0.6 MPa時空化處理30 min后,得到的樣液在轉速為200 r/min、水浴溫度為30～90 ℃條件下測定黏度,并計算黏度變化。

1.2.2.2經不同出口壓力處理后的SPI黏度隨轉速的變化配制 10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液各2 L在出口壓力分別為0.2、0.4、0.6 MPa時空化處理30 min后,得到的樣液在水浴溫度為30 ℃、轉速為100～200 r/min條件下測定黏度,并計算黏度變化。

1.2.2.3經不同時間空化處理后的SPI黏度隨溫度的變化配制10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液各2 L在出口壓力為0.4 MPa時分別空化處理10、30、60 min后,得到的樣液在轉速為200 r/min,水浴溫度為30～90 ℃條件下測定黏度,并計算黏度變化。

1.2.2.4經不同時間空化處理后的SPI黏度隨轉速的變化配制10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液各2 L在出口壓力為0.4 MPa時分別空化處理10、30、60 min后,得到的樣液在水浴溫度為30 ℃,轉速為100～200 r/min條件下測定黏度,并計算黏度變化。

2　結果與討論

2.1不同出口壓力對SPI黏度的影響

2.1.1經不同出口壓力渦流空化處理后的SPI黏度隨溫度的變化不同濃度的SPI溶液經不同出口壓力渦流空化處理后,其黏度隨溫度的變化結果如圖2所示。

圖2　SPI溶液黏度(不同的渦流空化出口壓力)隨溫度的變化Fig.2　Changes with temperature in the viscosity of SPI(different outlet pressure of swirling cavitation)注:A:未空化處理,B:0.2 MPa,C:0.4 MPa,D:0.6 MPa。

由圖2可知,相對于未空化的SPI,濃度10、30、50、70 g/L SPI溶液經不同出口壓力處理后的蛋白溶液黏度明顯降低,且水浴溫度為30 ℃,出口壓力為0.4 MPa時,濃度為10、30、50 g/LSPI溶液黏度下降速率較大,分別為33.06%、38.69%、65.14%;出口壓力為0.6 MPa時,濃度為70 g/L SPI溶液黏度下降速率較大,即為81.45%。這可能由于在一定范圍內增加出口壓力,溶液流速加快,循環體系內單位體積的溶液增加了更多能量,渦流中心產生更多空化氣泡,空化效應增強[11],SPI溶液黏度下降率增加。而進一步增大出口壓力,溶液流速過快,空化泡生長困難及其最大半徑變小,氣泡潰滅時釋放的能量減少,空化效應不再提高[12],可能會導致蛋白分子間聚集形成大分子,不利于黏度降低。

空化處理前后,不同出口壓力下的SPI溶液黏度均隨溫度升高而降低,與許暉[13]研究濃度為5%的亞麻籽分離蛋白溶液黏度與溫度的關系、陳利梅[14]研究大豆分離蛋白溶液黏度與溫度的關系有相同的變化趨勢。其中,在水浴溫度為90 ℃時,各濃度的SPI溶液黏度均降到最低。經空化作用后的SPI溶液黏度隨水浴溫度的下降速率變平緩。這可能是因為空化作用使蛋白結構發生很大變化,蛋白分子顆粒變小、分子形狀變得更加規則,水浴溫度對處理后的蛋白溶液黏度影響作用減小。

2.1.2經不同出口壓力渦流空化處理后的SPI黏度隨轉速的變化不同濃度的SPI溶液經不同出口壓力渦流空化處理后,其黏度隨轉速的變化結果如圖3所示。

圖3　SPI溶液黏度(不同的渦流空化出口壓力)隨轉速的變化Fig.3　Changes with rotational speed in the viscosity of SPI(different outlet pressure of swirling cavitation) 注:A:未空化處理,B:0.2 MPa,C:0.4 MPa,D:0.6 MPa。

由圖3可知,相對于未空化的SPI,在轉速為100 r/min、同一出口壓力下,濃度為10、30、50、70 g/L SPI溶液黏度下降率依次升高。表明,SPI濃度越高,黏度下降速率越快,空化效果越明顯。同時,濃度為10、30、50 g/L SPI溶液,在出口壓力為0.4 MPa時,黏度下降率最大,分別為3.12%、32.31%、68.95%;濃度70 g/L的SPI溶液在出口壓力為0.6 MPa時,黏度下降最多,即下降90.45%。經不同的出口壓力,未空化濃度為10、30、50 g/L SPI溶液黏度隨轉速升高而升高,與陳利梅[14]研究濃度為8%、10%、15%的大豆分離蛋白溶液黏度在6 r/min下高于3 r/min下的實驗結果一致;濃度為70 g/L SPI溶液黏度隨轉速升高而不斷下降,許暉[13]研究濃度為15%的亞麻籽分離蛋白溶液黏度隨剪切速度增加也呈現降低的變化趨勢,這與本文的研究結果相符。且相同轉速下,濃度為10、30、50 g/L SPI溶液的黏度與70 g/L的相差較大。空化處理后各濃度的SPI溶液黏度均隨轉速升高而升高,相同轉速、相同出口壓力下,不同濃度的SPI溶液黏度相差不大,且隨著SPI溶液濃度的增加而增加,與黃友如[6]研究的大豆分離蛋白溶液黏度隨濃度的增加而增加的結論相一致。表明不同的剪切應力作用下SPI溶液顯現出不同的黏度,屬于非牛頓流體,同時隨著蛋白濃度的增加使得蛋白分子間作用增強,分子結構發生了變化,從而蛋白溶液黏度增大[14]。

2.2渦流空化時間對SPI黏度的影響

2.2.1經不同時間渦流空化處理后的SPI黏度隨溫度的變化不同濃度的SPI溶液經不同時間空化處理后,其黏度隨溫度的變化結果如圖4所示。

圖4　SPI溶液黏度(不同的渦流空化處理時間)隨溫度的變化Fig.4　Changes with temperature in the viscosity of SPI(different treatment time of swirling cavitation)注:A:未空化處理,B:10 min,C:30 min,D:60 min。

由圖4可知,相對于未空化的SPI,濃度10、30、50、70 g/L SPI溶液經空化處理的樣液在水浴溫度為30 ℃,空化10 min內,SPI溶液黏度的下降速率最快,隨著空化時間的進一步增加,SPI溶液黏度的下降率減小,空化30～60 min之間SPI溶液黏度下降不大,趨于平衡。這是由于反應初期,渦流空化產生強大的空化作用破壞了蛋白親水膠體與水分子的作用,而空化效應使膠體粒子得到能量,同時膠體粒子的碰撞被加速,使其易于越過膠體粒子的位壘,發生凝聚、沉降。隨著空化時間的延長,這些膠體被充分變性脫水、絮凝,其水化層幾乎完全被破壞,并且分子間作用力已減弱到極點,因此黏度下降速度逐漸減弱直至黏度不再發生變化。經不同時間的空化處理,不同濃度的SPI溶液黏度均隨溫度升高而降低,且在水浴溫度為90 ℃時,各濃度的SPI溶液黏度均降到最低。其中,SPI溶液濃度越大,空化10 min內其黏度隨溫度的變化越明顯,隨著空化時間的延長,溫度對其黏度的影響作用減小。

圖5　SPI溶液黏度(不同的渦流空化處理時間)隨轉速的變化Fig.5　Changes with rotational speed in the viscosity of SPI(different treatment time of swirling cavitation)注:A:未空化處理,B:10 min,C:30 min,D:60 min。

2.2.2經不同時間渦流空化處理后的SPI黏度隨轉速的變化不同濃度的SPI溶液經不同時間空化處理后,其黏度隨轉速的變化結果如圖5所示。

由圖5可知,相對于未空化的SPI,在轉速為100 r/min,空化10 min內,濃度為50、70 g/L SPI溶液黏度下降速率最快,空化30～60 min蛋白溶液黏度下降率變化不大,黏度趨于平衡。其他濃度的SPI溶液黏度隨空化時間延長,變化不明顯。經不同空化時間處理后的SPI溶液黏度均隨轉速的增加而緩慢增大,這與馮凌凌[15]研究微波處理的大豆濃縮蛋白在剪切速率大于3 s-1時黏度開始上升的結果相符,且在同一轉速、不同空化時間下,10、30、50 g/L SPI溶液的黏度與70 g/L的相差較大,其原因還有待于進一步考察。

3　結論

研究了不同濃度的SPI溶液經不同出口壓力、空化時間處理后,其黏度隨水浴溫度、轉速的變化。其他條件不變,實驗結果如下:

渦流空化能降低不同濃度的SPI溶液黏度,濃度越大黏度下降越明顯;

經不同出口壓力空化處理后,在水浴30 ℃或轉速100 r/min下,70 g/L以下的SPI在0.4 MPa時各黏度均降到最低,而70 g/L的SPI在0.6 MPa時黏度降到最低?？栈蟛煌瑵舛鹊腟PI溶液隨水浴溫度的升高,其黏度下降趨勢變平緩,90 ℃時各黏度均降到最低;

70 g/L以下的SPI溶液空化前后黏度隨轉速的升高而增加,70 g/L SPI溶液空化處理后黏度隨轉速的變化與其一致,而與未空化的變化趨勢相反;

不同濃度的SPI溶液黏度隨空化時間的延長而降低,且在空化10 min內,溶液濃度越大黏度下降率越快。

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Influence of swirling cavitation on the viscosity of soy protein isolates

LIU Xue1,2,3,YANG Feng1,2,3,REN Xian-e1,2,3,*,HUANG Yong-chun1,2,3

(1.Department of Biological and Chemical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China;2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources,Liuzhou 545006,China;3.Key Laboratory for Processing of Sugar Resources of Guangxi Higher Education Institutes,Liuzhou 545006,China)

In order to enrich the application of hydrodynamic cavitation in food industry,the effects of swirling cavitation treatment on the viscosity of soy protein isolates under different concentration of SPI solution were studied. It was found that the viscosity of different concentration was decreased by the swirling cavitation,and with the increasing of SPI concentration the viscosity decreased efficiently. Meanwhile the impact of temperature was not very obvious for SPI viscosity by swirling cavitation treatment. The viscosity of 70 g/L SPI was increased with increasing rotational speed by cavitation treatment under different outlet pressure. It contrast to the trends of the control. However,the viscosity of other SPI concentrations was increased by untreated and cavitation treated. The viscosity reduction rate increased with the increase in the treatment time. It was also observed that the viscosity reduction rate increased rapidly in 10 min. It illustrated that hydrodynamic cavitation based on the turbine could decrease viscosity,and low viscosity SPI was used into the meat products.

SPI solution;hydrodynamic cavitation;viscosity

2016-01-25

劉雪(1989-),女,碩士研究生,研究方向:食品蛋白質的結構與功能,E-mail:x1072097479@126.com。

任仙娥(1979-),女,碩士,高級實驗師,研究方向:食品蛋白質的結構與功能，E-mail:renxiane@126.com。

廣西高等學校高水平創新團隊及卓越學者計劃資助(桂教人[2014]7號);廣西科技大學創新團隊支持計劃資助。

TS205

B

1002-0306(2016)16-0141-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.020