脫脂豆粉酶法改性的條件優化及產物在冰淇淋中的應用

錢 鐳，那治國，張 娜，劉 婷，馬永強，*，石彥國，*

（1.黑龍江東方學院食品工程學部，黑龍江哈爾濱 150086；2.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江哈爾濱150076；3.中國綠色材料科技有限公司，黑龍江哈爾濱150060）

脫脂豆粉酶法改性的條件優化及產物在冰淇淋中的應用

錢 鐳1，2，那治國1，張 娜2，劉 婷3，馬永強2，*，石彥國2，*

（1.黑龍江東方學院食品工程學部，黑龍江哈爾濱 150086；2.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江哈爾濱150076；3.中國綠色材料科技有限公司，黑龍江哈爾濱150060）

采用中性蛋白酶對脫脂大豆粉進行酶法改性，應用響應面分析法對改性條件進行優化，然后用改性后的豆粉替代配方中部分乳粉生產出新型大豆冰淇淋，并以大豆冰淇淋的膨脹率、質構特性和融化率為指標與普通冰淇淋進行品質比較，確定最適替代量。結果表明，酶最佳改性條件為：酶解溫度為73.86℃、時間為4.37h、酶用量5784.97U/g底物、底物濃度為6.44%。替代率15%時生產出的大豆冰淇淋，與普通冰淇淋相比性質類似，既滿足了產品的營養全面性，又降低了投料成本。

脫脂豆粉，中性蛋白酶，響應面分析，冰淇淋

脫脂豆粉是大豆蛋白中蛋白質含量相對較高的一種豆粉，色澤較白，使用方便，已在食品行業中得到廣泛的利用[1]。但是，脫脂豆粉只經過了簡單的處理，口感較粗，豆腥味濃，存在抗營養因子，難以直接應用到食品生產中[2]。應用酶法處理脫脂豆粉條件溫和、安全可靠，通過改性可以改善脫脂豆粉中蛋白質的起泡性、溶解性和乳化性等功能特性[3]，這些功能特性與生產冰淇淋所需的原料性能一致，符合冰淇淋實際生產的要求。我國冰淇淋的產量增長迅猛，年產銷量超過200萬t[4]。傳統的冰淇淋以牛奶、奶粉等為主要原料，但奶粉的價格逐年增高，如何在不失營養的前提下，利用價格較低的替代品代替部分奶粉，生產出成本較低的新產品，是冷飲行業研究人員關注的問題[5]。付堯等[6]利用Alcalase堿性蛋白酶對大豆分離蛋白進行酶水解改性，并替代奶粉應用于冰淇淋中，產品的各項指標令人滿意。吳瓊等[7]采用酶改性方法，提高大豆分離蛋白的乳化性，使其替代乳粉添加到冰淇淋中，確定了最佳的產品配方。以往的研究主要是采用酶解大豆分離蛋白來代替乳蛋白，而用酶處理相對廉價的脫脂豆粉，并將其應用到冰淇淋中的報道則不多見。本實驗擬用中性蛋白酶酶解脫脂豆粉，采用響應面分析法確定最佳酶解工藝條件，并將改性后的產物應用到冰淇淋的制作中，通過測的適合比例，為企業生產出品質高、價格低的新品冰淇淋提供實驗科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

脫脂豆粉 黑龍江省鏡泊湖農業開發股份有限公司，低溫豆粕粉碎后過80目篩，水分12.83%、蛋白質54.3%、灰分5.89%；中性蛋白酶（140000U/g） 北京奧博星生物技術有限公司；其他化學試劑 均為分析純。

高壓均質機 JJ-0.3/25型，廊坊通用機械有限公司；冰淇淋機 313型，廣東省新會市晶菱制冷實業有限公司；質構儀 TA-XT2i型，英國Stable Micro System公司；數字顯示黏度計 NDJ-85型，上海精密儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素及響應面實驗設計 單因素實驗分4組進行：第1組控制酶解時間3h，酶用量5000U/g底物，底物濃度5%，分別在50、55、60、65、70、75、80、85℃條件下，確定適宜的酶解溫度。第2組控制酶解溫度為70℃，酶用量5000U/g底物，底物濃度5%，分別在酶解1、2、3、4、5、6、7、8h的條件下，確定適宜的酶解時間。第3組控制酶解溫度為70℃，酶解時間3h，底物濃度5%，分別在酶用量2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000U/g底物條件下，確定適宜的酶用量。第4組控制酶解溫度為70℃，酶解時間3h，酶用量5000U/g底物，分別在底物濃度為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%的條件下，確定適宜的底物濃度。每組實驗以酶解后蛋白質的乳化活力指數（EAI）為指標，根據單因素的結果，采用響應面Box-Benhken中心組合設計，以乳化活力指數為響應值，以溫度（A）、時間（B）、酶用量（C）、底物濃度（D）為自變量，設計了4因素3水平的響應面分析實驗，因素水平編碼見表1。

表1 響應面實驗因素水平表

1.2.2 冰淇淋生產工藝流程 原料混合→均質→巴氏殺菌→老化→凝凍→裝杯、硬化→成品

1.2.3 操作要點

1.2.3.1 均質 本實驗均質壓力為20MPa，均質溫度在65～70℃。

1.2.3.2 殺菌 殺菌條件為70℃、保溫30min的間歇式巴氏殺菌。

1.2.3.3 老化 實驗分兩個階段進行老化操作。首先將混合原料在冷水浴中冷卻至15～20℃，此溫度能夠促進穩定劑的水合作用，然后將混合原料在4℃冰箱中保持4h。

1.2.3.4 硬化 成型后的冰淇淋樣品迅速轉移到-18℃的冷庫中，進行硬化。

1.2.4 改性脫脂豆粉最適替代量的確定 選出8名食品科學專業的研究生對不同替代量的大豆冰淇淋進行感官評定，然后根據評定結果確定出脫脂豆粉的替代量不宜超過25%，否則產生不良風味，引起冰淇淋口感下降，因此實驗選擇10%、15%和20%三個替代量，通過測定黏度、膨脹率、融化率和質構特性等指標來確定改性脫脂豆粉的最適替代量。

1.2.5 分析測定方法

1.2.5.1 中性蛋白酶活力的測定 采用福林法。

1.2.5.2 脫脂豆粉中蛋白質含量的測定 采用凱氏自動定氮儀法。

1.2.5.3 蛋白質乳化能力的測定 采用濁度法[8]。

1.2.5.4 冰淇淋漿料黏度的測定 選擇NDJ-85數字顯示黏度計3號探頭測定黏度。

1.2.5.5 冰淇淋膨脹率的測定 采用蒸餾水定容法。

1.2.5.6 冰淇淋融化率的測定 在恒定溫度（30℃）下，將冰淇淋切成60g左右，放在間距為3mm的金屬篩網上。絲網下方放置一臺電子天平，天平上放一長方形的盒子，用于盛放融化后滴下的冰淇淋。在絲網上放冰淇淋的同時啟動秒表，然后每隔5min記錄1次融化的冰淇淋的量。用融化的量除以總質量就得到融化的百分比，最后以時間（min）和融化百分比（%）做回歸方程，斜率被記錄下來，作為冰淇淋的融化率（%/min）[9]。

1.2.5.7 冰淇淋質構參數的測定 應用TA-XT2i型質構儀進行TPA質構特性實驗。樣品在室溫下測定，每個樣品進行3次平行實驗。參數設定：測試前探頭下降速度為2mm/s；測試速度為3mm/s；測試后探頭回程速度為5mm/s；測試距離為20mm；觸發力為20g；探頭類型為P/5[10]。

2 結果與討論

2.1 響應面分析優化酶解工藝

2.1.1 實驗安排及實驗結果 在單因素實驗（結果略）的基礎上，進行響應面分析實驗，結果見表2。

表2 實驗設計與實驗結果

利用Design Expert對表2的數據進行二次多項式擬合，獲得乳化活力指數對酶解溫度、時間、酶用量、以及底物濃度的二次回歸方程：

2.1.2 多元回歸模型分析 對擬合的二次多項式中4個自變量進行方差分析，結果見表3。由表3方差分析可知，模型P值（<0.0001）遠遠小于0.05，此時回歸方差模型是高度顯著的，因此這種實驗方法是可靠的。方程的失擬誤差表現為不顯著，這進一步說明各因素值和響應值之間的關系可以用此模型來函數化。決定系數R2=0.9695，說明回歸方程的擬合程度較好。

表3 實驗結果方差分析表

模型的響應曲面見圖1～圖6所示。可以看出各因素的交互作用不大，反應溫度對乳化能力的影響很小，酶用量和底物濃度對乳化能力的影響較大，這與方差分析的結果一致。

圖1 溫度和時間對乳化能力的影響

圖2 溫度和酶用量對乳化能力的影響

圖3 溫度和底物濃度對乳化能力的影響

圖4 時間和酶用量對乳化能力的影響

圖5 時間和底物濃度對乳化能力的影響

圖6 酶用量和底物濃度對乳化能力的影響

2.1.3 驗證實驗 軟件提供的最佳工藝條件如下：酶解溫度為73.86℃、時間為4.37h、酶用量5784.97U/g底物、底物濃度為6.44%。進行驗證實驗，3次實驗的平均乳化活力指數為53.6，這與理論預測值54.4316比較接近，說明采用響應面優化得到的酶解工藝條件參數準確可靠，按照建立的模型進行預測在實踐中是可行的。

2.2 冰淇淋漿料黏度的測定結果分析

表4 黏度分析

由表4可知，改性脫脂豆粉代替配方中乳粉量越多，其漿料黏度也就越大。這可能是因為脫脂豆粉的加入，增加了非脂乳固體中蛋白質含量，蛋白質有增加冰淇淋黏度的作用[11]，這主要是由蛋白質的化學結構決定的，當這些蛋白與料液中的其它物質經均質、老化工序混合后提高了料液的黏度。

表5 實驗樣品的TPA質構參數

2.3 冰淇淋TPA質構實驗結果分析

改性脫脂大豆冰淇淋的TPA實驗結果見表5。與普通冰淇淋相比，大豆冰淇淋的硬度隨豆粉量的增加而有所提高，可能是因為大豆蛋白容易發生水化作用，導致冰淇淋中的水相體積增大，相應的成品冰淇淋的冰相體積增大，所以最終產品的硬度較高。替代率為15%的冰淇淋黏附性和彈性與普通冰淇淋的最為相似，添加過多的脫脂豆粉反而會引起黏附性的降低。普通冰淇淋的凝聚性高于大豆冰淇淋，而且隨著脫脂豆粉添加量的增加凝聚性明顯下降，這說明大豆冰淇淋內部結構不夠緊湊，保型性較差。替代率為15%和20%的大豆冰淇淋與普通冰淇淋的膠性比較接近。從咀嚼性的數據可以看出，替代率15%的大豆冰淇淋咀嚼性較高，對于半固態食品來說，較高的咀嚼性可以獲得較好的口感[12]。綜合以上6個質構特性參數，可以看出，替代率為15%的大豆冰淇淋的質構特性與普通冰淇淋最為接近，但是大豆冰淇淋的質構參數值整體上與普通冰淇淋還有一定的差距，仍需要進一步的深入研究來進行改善。

2.4 冰淇淋膨脹率分析

實驗樣品膨脹率的測定結果見圖7。由圖7可知，添加脫脂豆粉的大豆冰淇淋膨脹率高于普通冰淇淋，其中替代率15%的大豆冰淇淋膨脹率最高。可能是由于在冰淇淋的加工過程中大豆蛋白質受到急速的機械攪拌時，大量的氣體混入，形成水-空氣界面，大豆蛋白質分子吸附到這些界面上來，降低界面張力，促進界面形成，同時由于大豆蛋白質的部分肽鏈在界面上伸展開來，并通過肽鏈間（包括分子內和分子間）的相互作用，形成了一個二維保護網絡，使界面膜得以加強，促進了泡沫的形成與穩定[13]，因此提高了冰淇淋的膨脹率。但隨著大豆蛋白質的增加，冰淇淋漿料的黏度也不斷升高（見表4），黏度過高會使得冰淇淋在凝凍時空氣不易進入體系，最終導致產品膨脹率下降[14]。

圖7 大豆冰淇淋的膨脹率

2.5 冰淇淋融化速率分析

表6列出了樣品融化速率的測定結果。由表6可知，隨著改性脫脂豆粉加入量的增多，冰淇淋的融化速率逐漸降低，抗融性提高，替代率為20%的大豆冰淇淋融化速率最低，抗融性最好。這可能是由于大豆蛋白質絕大部分都是糖蛋白，而糖蛋白可以降低冰淇淋漿料中液態水的冰點，使加工過程中形成的冰結晶尺寸變小。有研究表明冰淇淋中冰結晶的尺寸大小對融化速率有一定的影響，冰淇淋的融化速率會隨著冰結晶尺寸的減小而降低，這與冰淇淋在融化時的流動性有關[9]。當存在大量的細小冰晶時，冰融化時料液流過的路徑會更加曲折，這就意味著液體必須要經過較多的障礙（大量冰晶），因此融化速率會降低[15]。另外大豆蛋白導致冰淇淋漿料黏度的升高也可能是降低融化速率的原因。表6 冰淇淋融化率測定結果

冰淇淋樣品普通冰淇淋替代率10%替代率15%替代率20%融化速率（%·min-1） 1.085 1.0508 0.9415 0.6233

3 結論

通過響應面分析得到中性蛋白酶酶解脫脂豆粉的最佳改性條件為：酶解溫度為73.86℃、時間為4.37h、酶用量5784.97U/g底物、底物濃度為6.44%。TPA實驗表明，改性脫脂豆粉替代乳粉的替代率為15%時，生產出的大豆冰淇淋其質構特性最接近普通冰淇淋，同時替代率為15%的樣品具有較高的膨脹率和較好的抗融性，能夠滿足企業生產的要求。

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Optimization of enzymatic hydrolysis of defatted soybean powder and the application of hydrolysates in ice cream

QIAN Lei1，2，NA Zhi-guo1，ZHANG Na2，LIU Ting3，MA Yong-qiang2，*，SHI Yan-guo2，*

（1.Heilongjiang East College Institute of Food Engineering,Harbin 150086,China；2.Harbin University of Commerce Institute of Food Engineering,Harbin 150076,China；3.China Green Material Technologies Inc.,Harbin 150060,China）

The aim of this study was to modificate defatted soybean powder by neutral protease with response surface methodology(RSM)，and then to use it in ice cream as the milk powder replacers.The overrun，texture and melting rate of the soybean ice cream was determined and the date was compared with traditional ice cream.The results indicated that the optimum enzymatic modification conditions as followings:temperature was 73.86℃，time was 4.37h， enzyme/substrate was 5784.97U/g，substrate concentration was 6.44%and with the condition the optimal replacement was 15%.The overrun and melting rate of the soybean ice cream was good，the texture property of the soybean ice cream was similar to traditional ice cream.

defatted soybean powder；neutral protease；response surface methodology；ice cream

TS201.1

B

1002-0306（2011）10-0328-05

2010－11－22 * 通訊聯系人

錢鐳（1981-），男，在讀博士，講師，研究方向：植物蛋白工程。

黑龍江省教育廳科學技術研究（指導）項目（11553072）。