大豆分離蛋白膜阻濕性優(yōu)化及其在微波食品中的應(yīng)用

崔月婷 鄭環(huán)宇， 高春蕾 韓建春， 丁陽月 許 慧

(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院1，哈爾濱 150030)

(黑龍江省綠色食品科學研究院2，哈爾濱 150028)

(國家大豆工程技術(shù)研究中心3，哈爾濱 150028)

大豆分離蛋白(SPI)中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達90%以上，不但具有極高的營養(yǎng)價值，而且具有分散性、乳化性、凝膠性、成膜性等多種功能特性，在食品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1－3］。近年來，大豆分離蛋白膜因其優(yōu)良的性能而備受關(guān)注。大豆分離蛋白膜具有一定的阻水性能和機械強度，能有效的阻止CO2遷移，還具有良好的阻氧性，其透氧率要比玉米蛋白膜和面筋蛋白膜低72% ～85%，比多糖基質(zhì)膜低200倍左右［4］。大豆分離蛋白膜可應(yīng)用于水果、肉制品、食用包裝，不但富有營養(yǎng)、還具有一定的生理活性和抑菌殺菌能力，可延長食品貨架期［5］，便于降解處理，安全環(huán)保［6－7］。但大豆分離蛋白膜的性能還有待進一步提高，目前已有諸多科研手段用于改善蛋白膜的性能［8－16］。其中，關(guān)曼等［14］利用檸檬酸鈉增強大豆分離蛋白復合膜的阻濕性。蔣瑩麗等［15］利用茉莉酸甲酯(MeJA)與大豆分離蛋白復合，制備的復合膜材料外觀光滑平整，與單一大豆分離蛋白膜相比，Me JA的添加顯著增加了膜的厚度和延伸率，降低了膜的透明性及水蒸氣透過率，提高了其光阻隔性，改善了膜的阻濕性。張媛［16］利用超高壓均質(zhì)改善蛋白膜的性能，研究表明經(jīng)過超高壓均質(zhì)處理的大豆分離蛋白分子結(jié)構(gòu)被打開，親水基團和疏水基團相背分布，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間以二硫鍵、氫鍵等作用力相互作用，形成結(jié)構(gòu)均一、致密而穩(wěn)定的膜，在二硫鍵相互結(jié)合的周圍有了局部的疏水作用，以此排斥水的靠近，從而增加了蛋白膜的阻水性能。但目前這些研究均為單一方法處理改善蛋白膜的阻濕性，多種方法組合運用改善膜的阻濕性還鮮見報道。因此，本研究探討了復合采用不同蛋白改性處理方法以提高大豆分離蛋白膜阻濕性。

雞米花是微波復熱食品的一種典型代表，以其酥脆的口感備受青睞，但雞米花在微波復熱后酥脆性變差。本研究在雞米花表層涂覆一層大豆蛋白膜液，利用其阻隔性能降低水分遷移的速度。但大豆分離蛋白作為成膜的主要物質(zhì)本身是一種親水性物質(zhì)，其膜的阻濕性有待提高，為改善這一缺點，本研究確定了最優(yōu)的蛋白改性處理方法，制備蛋白膜液，將其應(yīng)用于微波復熱雞米花上，旨在解決雞米花微波復熱后的“浸濕”現(xiàn)象，提高雞米花的脆性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白(有效物質(zhì)含量90%):哈高科大豆食品有限公司;甘油、氫氧化鈉、葡萄糖、亞硫酸鈉，以上試劑均為分析純;大豆油:九三集團哈爾濱惠康食品有限公司;雞胸肉(實驗前置于5℃解凍，24 h):購于家樂福超市;

1.2 儀器與設(shè)備

S－3400N掃描電鏡;AH－100D高壓均質(zhì)機;TA－XT plus物性測定儀;磁力攪拌器;HH－S型電熱恒溫水浴鍋;

1.3 實驗方法

1.3.1 大豆分離蛋白膜的制備

質(zhì)量體積比為5%的大豆分離蛋白溶液→加入蒸餾水快速混合均勻→加入增塑劑(2.0%甘油)→磁力攪拌20 min→調(diào)節(jié)pH到10.0→恒溫水浴90℃加熱30 min→冷卻至室溫→真空脫氣5 min→涂膜液倒入平皿(18 g/個)→玻璃棒刮平→干燥

1.3.2 大豆分離蛋白膜阻濕性優(yōu)化試驗組設(shè)計:

1.3.2.1 在質(zhì)量體積比為5%的大豆分離蛋白溶液中分別添加質(zhì)量分數(shù)為 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的還原劑亞硫酸鈉，制成蛋白膜。

1.3.2.2 在質(zhì)量體積比為5%的大豆分離蛋白溶液中分別添加質(zhì)量分數(shù)為 0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25% 、0.3%的交聯(lián)劑葡萄糖，制成蛋白膜。1.3.2.3 對質(zhì)量體積比為5%的大豆分離蛋白溶液經(jīng)高速勻漿，再分別在30、60、100、120、150 MPa 下超高壓均質(zhì)，取此大豆蛋白液制成蛋白膜。

1.3.2.4 在超高壓均質(zhì)改性和交聯(lián)劑葡萄糖改性單因素實驗基礎(chǔ)上:配制質(zhì)量體積比為5%的大豆分離蛋白溶液，先經(jīng)高速勻漿機勻漿，然后超高壓均質(zhì)，取此大豆蛋白液100 mL，0.1%的葡萄糖制成蛋白膜。

1.3.3 雞米花的制作工藝

雞米花制備:雞胸肉(去除結(jié)締組織、切塊，每次用量均為500 g)→腌制1 h(食鹽、五香粉等)→分別用空白組的大豆分離蛋白膜液和上述4種大豆分離蛋白膜液浸泡1 min，使其膜液充分包裹肉塊→預混粉→雞肉塊面糊包裹(雞胸肉:面糊的質(zhì)量比為10∶1.2)→預混粉→預油炸(用油量 1.5 L，180 ℃，3 min)→室溫冷卻→速凍(30℃，30 min)、冷藏( －18 ℃，7 d)→微波復熱［17－18］

1.3.4 大豆分離蛋白膜及雞米花指標的測定

1.3.4.1 膜阻濕性測定

阻濕性由水蒸氣透過系數(shù)(WVP)值反映，WVP是指在規(guī)定的溫度、相對濕度環(huán)境中，在單位壓差下，單位時間內(nèi)透過單位面積和單位厚度膜的水蒸氣的量。WVP值越大說明膜的阻濕性越差。WVP值［g·mm/(m2·h·kPa)］的測定方法是依據(jù)GB 1037－70—1996，采用擬杯子法［19］。水蒸氣透過系數(shù)(WVP)按下式計算:

式中:q/t:單位時間內(nèi)透濕杯增加重量的算術(shù)平均值/g/h;d:樣品膜厚度/mm;S:樣品膜實驗面積/m2;ΔP:試樣兩側(cè)的蒸汽壓差/kPa。

1.3.4.2 雞米花外殼水分、油分測定

分別參照 GB 5009.3—2016［20］和 GB 5009.6—2016［21］。將雞米花外殼樣品置于105℃ 恒溫鼓風干燥箱中干燥，干燥至恒重后計算外殼水分含量，然后用石油醚對外殼進行索氏抽提6 h，計算外殼油分含量。

1.3.4.3 掃描電鏡觀測蛋白膜及雞米花截面

采用掃描電鏡對膜的微觀結(jié)構(gòu)進行分析，取膜樣品用雙面刀片將膜切成小細條，將膜樣品的截面向上粘貼在電鏡樣品臺上，然后置于離子鍍膜濺射儀真空噴金，掃描電鏡下觀察并拍攝圖片，電鏡工作電壓為5.00 kV。

將油炸冷凍后的雞米花，用雙面刀切成小塊取面糊層截面，用2.5%的戊二醛固定并置于4℃冰箱中固定1.5 h，用0.1 mol/L的磷酸緩沖溶液沖洗3次，每次10 min，用1%的四氫化鋨固定1 h，再用0.1 mol/L的磷酸緩沖溶液沖洗3次，每次10 min，然后分別用濃度為50%、70%、90%的乙醇進行脫水1次，100%的乙醇脫水2次，每次15 min，分別用體積比為1∶1的100%乙醇:叔丁醇和純叔丁醇置換1次，每次15 min，然后干燥、粘樣、鍍膜將處理好的樣品放入樣品盒中待檢，最后采用掃描電鏡觀察［22］。

1.3.5 統(tǒng)計學分析

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。所有數(shù)據(jù)均通過3次平行實驗，結(jié)果表示為:Mean±SD。采用SPSS 20.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行ANOVA差異顯著性分析(P＜0.05為顯著性差異)。采用 SigmaPlot 12.5進行繪圖工作。

2 討論與分析

2.1 大豆分離蛋白膜阻濕性的優(yōu)化實驗結(jié)果與分析

2.1.1 還原劑亞硫酸鈉、交聯(lián)劑葡萄糖及不同均質(zhì)壓力對膜阻濕性的影響

由圖1可知，隨著還原劑亞硫酸鈉、交聯(lián)劑葡萄糖及均質(zhì)壓力的增加，大豆分離蛋白膜的水蒸氣透過系數(shù)均呈現(xiàn)先降低后增加趨勢，但均低于未處理蛋白膜的水蒸氣透過系數(shù)。

當亞硫酸鈉添加量為0.1%時，蛋白膜的水蒸氣透過系數(shù)最低為8.19 g·mm/(m2·h·kPa)。這是由于還原劑可以打斷蛋白分子間的二硫鍵，增多巰基數(shù)量，有利于在后續(xù)涂膜干燥過程中二硫鍵重新分布，新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空隙發(fā)生改變［23－25］。以至于大豆分離蛋白膜的水蒸氣透過系數(shù)均低于未添加亞硫酸鈉的蛋白膜。同時，亞硫酸鈉會打斷SPI中原有的二硫鍵，致使新形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間空隙變大，膜中的親水基團暴露，膜的阻濕性下降［23－25］。

當葡萄糖添加量為0.1%時，蛋白膜的水蒸氣透過系數(shù)最低為6.75 g·mm/(m2·h·kPa)。這是由于葡萄糖能夠加強蛋白質(zhì)分子間的交聯(lián)作用，增加蛋白質(zhì)之間的聚合程度，有利于空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，從而改善膜了的阻濕性［26］。但隨著葡萄糖含量的增加，在單位體積內(nèi)每個蛋白質(zhì)分子可接觸的糖分子數(shù)量增多，加快糖基化反應(yīng)，會在短時間內(nèi)產(chǎn)生不溶副產(chǎn)物，并且糖分子消耗完后，在高溫下蛋白分子之間會聚合形成大分子物質(zhì)，這些都會導致膜阻濕性下降，從而出現(xiàn)先下降后上升的趨勢［27］。這與文獻［27］研究糖基化過程中蛋白結(jié)構(gòu)變化的研究結(jié)果一致。

圖1 還原劑Na2SO3、葡萄糖及不同均質(zhì)壓力改性對膜阻濕性的影響

在超高壓均質(zhì)壓力為100 MPa時，蛋白膜的水蒸氣透過系數(shù)最低為4.51 g·mm/(m2·h·kPa)。這是由于超高壓均質(zhì)改性后，蛋白分子的顆粒變小，空間結(jié)構(gòu)改變，分子內(nèi)部的巰基和疏水基團暴露，巰基含量升高，可促進成膜時形成新的分子間二硫鍵，而分子內(nèi)部疏水基團暴露增強了疏水作用［12，28］，Ng等［28］研究肉膏中水作為介質(zhì)得出的實驗結(jié)果，與本研究結(jié)果類似。因此可明顯降低膜的水蒸氣透過系數(shù)，提高膜的阻濕性。但當壓力高于100 MPa時暴露巰基可能氧化生成二硫鍵，使得蛋白質(zhì)分子聚集在一起，成膜后阻濕性下降［12］。

2.1.2 超高壓均質(zhì)聯(lián)合交聯(lián)劑葡萄糖改性對膜阻濕性影響

在超高壓均質(zhì)改性和交聯(lián)劑葡萄糖改性單因素實驗基礎(chǔ)上:配制質(zhì)量體積比為5%的大豆分離蛋白溶液，先經(jīng)高速勻漿機勻漿，然后超高壓均質(zhì)，取此大豆蛋白液100 mL，0.1%的葡萄糖制成蛋白膜，然后測定其WVP值并與其他實驗組進行對比，實驗結(jié)果見圖2。

圖2 超高壓均質(zhì)聯(lián)合交聯(lián)劑葡萄糖改性對SPI膜阻濕性的影響

由圖2可以看出，4種改性方法對大豆分離蛋白膜的阻濕性均有改善作用，其中超高壓均質(zhì)聯(lián)合葡萄糖改性可使阻濕性提高68.62%，其次超高壓均質(zhì)(100 MPa)提高程度可達到53.60%，添加葡萄糖(0.1%)改性和亞硫酸鈉(0.1%)改性作用相對較小，分別為30.55%和15.74%。

2.2 膜微觀形態(tài)分析

膜的阻濕性取決于膜的微觀結(jié)構(gòu)，而微觀結(jié)構(gòu)又與膜的組成及形成過程有關(guān)。膜微觀結(jié)構(gòu)，能夠解釋膜在宏觀性能上的差異性。圖3為不同蛋白膜截面掃描電鏡的微觀形貌。

由圖3可知，空白組蛋白膜截面呈疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。葡萄糖(0.1%)改性的蛋白膜結(jié)構(gòu)致密平整，這是由于葡萄糖的交聯(lián)作用［26］。亞硫酸鈉(0.1%)改性的蛋白膜，疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得致密但有孔洞。超高壓均質(zhì)(100 MPa)改性后的蛋白膜具有緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這是膜液經(jīng)高速剪切和高壓作用，蛋白溶解性提高的結(jié)果［12］。而超高壓均質(zhì)聯(lián)合葡萄糖改性的蛋白膜，形成較好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更致密，使膜具有更好的阻濕性。這與上述測定結(jié)果一致。

圖3 不同蛋白膜截面掃描電鏡的微觀形貌(×2 000)

3 大豆分離蛋白涂膜液在微波雞米花中的應(yīng)用

表1為經(jīng)過4種不同方法改性的大豆分離蛋白制備的可食性膜對微波雞米花品質(zhì)影響的實驗設(shè)計，實驗分為空白對照組和4個實驗組，具體如表1所示。

表1 應(yīng)用在微波雞米花涂膜液中的大豆分離蛋白改性實驗設(shè)計

3.1 大豆分離蛋白涂膜種類對雞米花外殼中水分含量的影響

由圖4可知，微波復熱后，雞米花外殼水分均高于新鮮油炸組，但內(nèi)芯涂覆大豆分離蛋白膜液的處理組雞米花外殼的水分含量均比空白對照組低。表明在雞米花內(nèi)芯中涂覆大豆分離蛋白膜液可以阻止微波復熱時內(nèi)芯水分向表皮的遷移，且內(nèi)芯涂覆大豆分離蛋白膜液的種類不同，雞米花面糊層的水分增加量也不同，其大小關(guān)系是涂有超高壓均質(zhì)聯(lián)合交聯(lián)劑葡萄糖改性的大豆分離蛋白膜液的雞米花＜涂有超高壓均質(zhì)(100 MPa)改性的大豆分離蛋白膜液的雞米花＜涂有葡萄糖(0.1%)改性的大豆分離蛋白膜液的雞米花＜涂有亞硫酸鈉(0.1%)改性的大豆分離蛋白膜液的雞米花＜空白組雞米花。隨著大豆分離蛋白膜阻濕性的提高，雞米花內(nèi)芯水分向表皮的遷移率可得到有效地降低［12］。

圖4 大豆分離蛋白膜種類對油炸和微波復熱后雞米花外殼中水分的含量的影響

3.2 大豆分離蛋白涂膜種類對微波復熱雞米花外殼脆性的影響

圖5 大豆分離蛋白涂膜種類對油炸和微波后雞米花外殼脆性的影響

由圖5可知，油炸后，內(nèi)芯涂覆大豆分離蛋白涂膜液的實驗組雞米花外殼脆性優(yōu)于空白對照組，口感松脆多汁。微波復熱后雞米花脆性均低于新鮮油炸組，但內(nèi)芯涂覆大豆分離蛋白涂膜液的雞米花外殼脆性下降的幅度要比空白對照組小，其中微波復熱組內(nèi)芯涂有超高壓均質(zhì)聯(lián)合交聯(lián)劑葡萄糖改性大豆分離蛋白膜液的雞米花外殼脆性下降幅度最小，口感與新鮮油炸后最相近。涂抹改性大豆分離蛋白膜后，在微波處理過程中，面糊層可形成更為穩(wěn)定的油水乳化體系［29－30］，在雞米花內(nèi)芯與外殼之間形成了一層堅實的保護膜，在一定程度上阻止了內(nèi)芯的水分和油分，使其不外溢，因而雞米花外層較少“浸濕”，極大程度上保持了產(chǎn)品復熱后的脆性。

3.3 涂膜后雞米花電鏡觀察分析

由圖6可知，空白組雞米花面糊層截面不平整，有大孔隙，微波復熱過程中雞米花內(nèi)芯水分會通過這些空隙向外遷移到外殼，使雞米花外殼“浸濕”現(xiàn)象嚴重，品質(zhì)下降。而經(jīng)涂膜處理的雞米花面糊層截面平整，孔隙減小。說明在雞米花內(nèi)芯和外層之間涂有一層大豆分離蛋白膜，可以減少內(nèi)芯水分的外溢，對雞米花微波復熱后品質(zhì)有明顯改善作用。而且由實驗組結(jié)果可知，內(nèi)芯涂有超高壓均質(zhì)聯(lián)合葡萄糖改性蛋白膜液的雞米花面糊層截面平整，孔隙小，而內(nèi)芯涂有亞硫酸鈉(0.1%)改性蛋白膜液的雞米花面糊層截面的孔隙多、相對較大，阻止內(nèi)芯水分的外溢作用相對弱。

圖6 內(nèi)芯涂有不同種類的大豆蛋白膜液的雞米花截面電鏡觀察圖(×150)

4 結(jié)論

經(jīng)超高壓均質(zhì)聯(lián)合交聯(lián)劑葡萄糖改性的大豆分離蛋白膜，其疏水作用顯著增加(P＜0.05)，當其涂抹在微波雞米花內(nèi)芯時，有效地阻止了水分、油分的外溢，微觀結(jié)構(gòu)分析顯示經(jīng)此改性后的蛋白膜可形成較好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更致密，微波雞米花面糊層幾乎無空洞，阻斷了水分擴散的途徑，微波復熱后雞米花外殼脆性接近于新鮮油炸產(chǎn)品。通過對比4種不同的處理方法對蛋白膜阻濕性的影響及其應(yīng)用于微波雞米花后品質(zhì)的變化，結(jié)果顯示:超高壓均質(zhì)聯(lián)合交聯(lián)劑葡萄糖改性的蛋白膜阻濕性最好，且應(yīng)用于雞米花后脆性最佳。