方便豆腐腦粉生產(chǎn)過程中超聲波改性工藝條件的優(yōu)化

趙瑩瑩，董文賓*

（陜西科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

方便豆腐腦粉是一種加入熱水能夠迅速溶解，并能在較短時間內(nèi)凝固成豆腐腦的豆粉。這種豆粉沖調(diào)出的豆腐腦在口感和性狀上都與傳統(tǒng)的豆腐腦相似，它不僅滿足了人們對食品方便、營養(yǎng)、衛(wèi)生和保健的要求，還適于進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。這種產(chǎn)品預(yù)計(jì)在飲食條件受到限制的人群中市場巨大，也將受到西方顧客的歡迎，是一種有巨大發(fā)展前景的食品。

大豆蛋白的適度變性是方便豆腐腦粉形成凝膠的基礎(chǔ)[1]。生產(chǎn)方便豆腐腦粉的傳統(tǒng)工藝中主要通過對大豆?jié){料熱處理來達(dá)到使大豆蛋白適度變性的目的。有研究表明，大豆蛋白的改性方法可以分為物理改性、化學(xué)改性和酶解改性[2]。其中物理改性方法不僅安全可靠、易于控制、對大豆?jié){料的營養(yǎng)成分破壞較小，而且還比較容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。物理改性的方法包括輻射改性、微波改性[3]、超聲波改性[4-5]、超高壓均質(zhì)處理改性等。目前很少有將超聲波改性工藝應(yīng)用于方便豆腐腦粉的研究報(bào)道，因此本文將探討一下超聲波改性工藝對方便豆腐腦粉性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

市售大豆，葡萄糖酸內(nèi)酯（GDL，Glucono-Delta-Lactone葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯）。

BS323S-電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；PB-10型精密酸度計(jì)，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；JBZ-14H型磁力攪拌器，上海大浦儀器有限公司；JY92-Ⅱ超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，寧波新芝生物技術(shù)股份有限公司；DDS-11A電導(dǎo)率儀，上海洛奇特電子設(shè)備有限公司；TDL-40B離心機(jī)，KDN-04C型數(shù)顯消化爐，上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司；KDN-04C型凱氏定氮儀，上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司；TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System公司；SD-Basic噴霧干燥儀，英國Labplant公司。

1.2 工藝流程

大豆原料—選擇清洗—浸泡磨漿—煮漿—調(diào)配均質(zhì)[6]—超聲波改性處理—噴霧干燥制粉—測NSI值

將浸泡過的大豆以1:10的料水比進(jìn)行磨漿[7-8]，用尼龍布過濾后得大豆?jié){料。將制得的大豆?jié){料在95℃水浴條件下熱處理10min，并調(diào)配至所需的pH值和離子強(qiáng)度后進(jìn)行超聲波處理。將處理所得的漿料加入一定量的GDL制成凝膠之后，測定其凝膠強(qiáng)度和凝膠失水率；將處理后的漿料進(jìn)行噴霧干燥制粉[9]，噴霧干燥條件[10]設(shè)定為，進(jìn)風(fēng)溫度為150℃，出風(fēng)溫度為80℃，然后測定其NSI值。

1.3 凝膠強(qiáng)度的測定

質(zhì)構(gòu)儀測豆腐腦凝膠強(qiáng)度，探頭型號：P/0.5；測前速度：1mm/s；測試速度：2mm/s；側(cè)后速度：1mm/s；探頭下降深度：8mm/s。使凝膠破碎的最大力為凝膠強(qiáng)度，單位是g。每個樣品測3個平行。

1.4 凝膠失水率的測定

將測過凝膠強(qiáng)度的豆腐腦取一定量放入離心管中，放入4000r/min的離心機(jī)中離心5min，然后傾出離心管內(nèi)游離水分，并用濾紙小心將管內(nèi)吸附于離心管壁處的可見水分吸出，稱重。

失水率W（%）=（W1-W2）/W1×100

式中：W1：離心前豆腐腦的重量（g）；W2：離心后豆腐腦的重量（g）。

1.5 大豆蛋白溶解性NSI的測定

準(zhǔn)確稱取0.50g豆腐腦粉，加水30mL用磁力攪拌器攪拌1h，然后移至50mL容量瓶中定容。靜置30min后取上清液于離心管中，放入1500r/min的離心機(jī)中離心10min，將離心所得上清液進(jìn)行消化定氮。以氮溶指數(shù)NSI表示大豆蛋白的溶解性。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波改性處理大豆?jié){料主要影響因素分析

2.1.1 超聲波時間的影響

在超聲波功率440W、大豆?jié){料pH=7.0、大豆?jié){料離子強(qiáng)度為0.025M的條件下，考察超聲波處理時間分別為0、5min、10min、15min、20min時對大豆蛋白性質(zhì)的影響。結(jié)果如圖1所示。

圖1 超聲波處理時間對大豆蛋白性質(zhì)的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on the nature of soybean protein

由圖可知，在超聲波處理時間0～20min范圍內(nèi)，隨著處理時間的延長，大豆蛋白的氮溶指數(shù)NSI和凝膠強(qiáng)度先增加然后降低。原因可能是隨著超聲波時間的延長，先增加了可溶性大豆蛋白的含量，后使大豆蛋白的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過多的變化形成了局部凝膠，從而導(dǎo)致其溶解性和凝膠性能都下降。因此，超聲波處理時間應(yīng)該在5min～10min為宜。

2.1.2 超聲波功率的影響

在超聲波處理時間5min，大豆?jié){料pH=7.0、大豆?jié){料離子強(qiáng)度為0.025M的條件下，考察超聲波功率分別為0、110W、220W、330W、440W時對大豆蛋白性質(zhì)的影響。結(jié)果如圖2所示。

圖2 超聲波功率對大豆蛋白性質(zhì)的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on the nature of soybean protein

由圖可知，隨著超聲波功率的增強(qiáng)，大豆蛋白的溶解性和凝膠性能都得到了提高。原因可能是隨著超聲波功率的增強(qiáng)，超聲波的攪拌和空化作用變的更加劇烈，使得更多深埋在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水結(jié)構(gòu)暴露出來，從而導(dǎo)致大豆蛋白的溶解性和凝膠性能都得到了提高[11-12]。當(dāng)超聲波功率達(dá)到一定值時，二者的變化都趨于平緩，因此，選擇超聲波功率應(yīng)該在220W～440W之間。

2.1.3 大豆?jié){料pH值對超聲波處理的影響

在超聲波處理時間5min，超聲波功率440W，大豆?jié){料離子強(qiáng)度為0.025的條件下，考察大豆?jié){料pH值分別為6.0、6.5、7.0、7.5時對大豆蛋白性質(zhì)的影響。結(jié)果如圖3所示。

由圖可知，在所選范圍內(nèi)的pH值對大豆蛋白溶解性及凝膠性能的影響不是很大。因此對大豆?jié){料的pH值將不再做過多的調(diào)整。

2.1.4 大豆?jié){料離子強(qiáng)度對超聲波處理的影響

在超聲波處理時間5min，超聲波功率440W，大豆?jié){料pH=7.0的條件下，考察大豆?jié){料離子強(qiáng)度分別為0.01M、0.015M、0.02M、0.025M時對大豆蛋白性質(zhì)的影響。結(jié)果如圖4所示。

圖3 大豆?jié){料pH值對大豆蛋白性質(zhì)的影響Fig.3 Effect of pH value of soybean paste on the nature of soybean protein

圖4 大豆?jié){料離子強(qiáng)度對大豆蛋白性質(zhì)的影響Fig.4 Effect of ionic strength of soybean paste on the nature of soybean protein

由圖可知，隨著離子強(qiáng)度的增加，大豆蛋白的溶解性和凝膠性能先增加，當(dāng)離子強(qiáng)度為0.02M時，大豆蛋白的NSI值最大，凝膠強(qiáng)度和凝膠保水性也最大。因此，選擇離子強(qiáng)度應(yīng)該在0.015M～0.025M之間。

2.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化超聲波改性工藝

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

根據(jù)Box-Behnken的試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合以上單因素試驗(yàn)所得結(jié)果，選擇對大豆蛋白NSI有顯著影響的3個因素：超聲波處理時間（X1）、超聲波功率（X2）和大豆?jié){料離子強(qiáng)度（X3），進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。方便豆腐腦粉的NSI值為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面分析法和Design Expert軟件設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)（表1），并對結(jié)果進(jìn)行了分析（表2）。

表1 3因素3水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Three factors and three levels of response surface analysis experiment

表2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of response surface analysis experiment

應(yīng)用Design Expert軟件對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析，得到二次多項(xiàng)回歸方程：

由表3可知，模型顯著性檢驗(yàn)p＜0.05，方程達(dá)到顯著水平。同時失擬項(xiàng)不顯著，模型R2為0.9663，R2Adj為0.9229，該模型能解釋92.29%響應(yīng)值的變化，說明該回歸方程對實(shí)際試驗(yàn)擬合情況較好，可以用此模型對超聲波處理方便豆腐腦粉改性工藝研究進(jìn)行分析和預(yù)測。

表3 模型方差分析Table 3 Variance analysis of the model

回歸方程各項(xiàng)的方差結(jié)果表明：各因素中一次項(xiàng)、二次項(xiàng)對NSI值得影響比較顯著，交互項(xiàng)X2X3對NSI值相對比較顯著。對回歸方程中一次項(xiàng)系數(shù)的絕對值進(jìn)行比較，可得各因素對大豆蛋白NSI值影響主次順序?yàn)椋篨2＞X1＞X3。

2.2.2 響應(yīng)面分析及最佳條件的確立

借助Design Expert軟件依據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)面立體分析及等高線圖，如圖5～7所示。各個因素交互作用對響應(yīng)值的影響可以從圖中直觀的反映出來，其中等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，圓形則與之相反[13]。

從圖5～7可以直觀的看出，超聲波時間和功率的交互作用非常顯著，超聲波時間和離子強(qiáng)度的交互作用、超聲波功率和離子強(qiáng)度的交互作用都不太顯著。由圖5可以看出，在超聲波時間和超聲波功率的交互作用中，超聲波功率對NSI 值得影響大于超聲波時間；由圖6可以看出，在超聲波時間和離子強(qiáng)度的交互作用中，超聲波時間對NSI值的影響大于離子強(qiáng)度；由圖7可以看出，在超聲波功率和離子強(qiáng)度的交互作用中，超聲波功率對NSI值的影響大于離子強(qiáng)度。

圖5 超聲波時間和功率交互作用的響應(yīng)面Fig.5 Interaction response surface of the ultrasonic time and power

圖6 超聲波時間和離子強(qiáng)度交互作用的相應(yīng)面Fig.6 Interaction response surface of the ultrasonic time and ionic strength

2.2.3 回歸模型的驗(yàn)證

由Design Expert 軟件分析出超聲波處理大豆?jié){料的最佳工藝條件：超聲波時間12.03min、超聲波功率378.63W、大豆?jié){料離子強(qiáng)度0.015M，大豆蛋白NSI的預(yù)測值為86.318%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證方便豆腐腦粉的最優(yōu)超聲波改性工藝，考慮到實(shí)際操作情況，將最佳工藝條件修正為超聲波處理時間12min、超聲波功率400W、大豆?jié){料離子強(qiáng)度為0.02M。采用上述條件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，得大豆蛋白平均NSI值為85.89%，與理論預(yù)測值誤差0.4%，驗(yàn)證結(jié)果與預(yù)測值偏差較小，說明采用響應(yīng)面法得到的工藝參數(shù)是可行。

圖7 超聲波功率和離子強(qiáng)度交互作用的響應(yīng)面Fig.7 Interaction response surface of the ultrasonic power and ionic strength

3 結(jié)論

（1）本研究應(yīng)用響應(yīng)曲面法優(yōu)化方便豆腐腦粉生產(chǎn)過程中超聲波改性處理工藝是可行的，取得了較好的結(jié)果。

（2）經(jīng)過優(yōu)化后最佳的改性工藝條件為超聲波處理時間為12min、超聲波功率為400W、大豆?jié){料離子強(qiáng)度為0.02M，在此條件下NSI理論值達(dá)到86.318%，通過驗(yàn)證試驗(yàn)得到的實(shí)際NSI值為85.89%，比未經(jīng)超聲波處理的樣品提高了25.59%；制得的產(chǎn)品的凝膠強(qiáng)度為30g，較未經(jīng)超聲波處理的產(chǎn)品的凝膠強(qiáng)度提高了8g。

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