酶法改性提高全蛋粉起泡性能的研究

于 翠，遲玉杰，胥 偉，孫 強

(東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030)

酶法改性提高全蛋粉起泡性能的研究

于 翠，遲玉杰*，胥 偉，孫 強

(東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030)

為提高全蛋粉的起泡性能，利用中性蛋白酶酶解全蛋液，采用響應面法建立了酶解改性提高全蛋粉起泡性能的二次回歸模型，并驗證了該模型的有效性，探討了酶解溫度、酶解時間、酶添加量三因素對全蛋粉起泡力(FA)和泡沫穩定性(FS)的影響，同時分析比較了改性前后全蛋粉的微觀結構和分子量變化。結果表明最適改性條件為:酶解溫度42℃，酶解時間90min，酶添加量1120u/g;與未改性全蛋粉相比，酶解改性后的全蛋粉FA從62.96%提高到77.36%，FS從20.67%提高到37.54%。

全蛋粉，起泡性能，中性蛋白酶

全蛋粉作為鮮蛋的理想替代品，具有營養價值高，便于運輸和貯藏等優點［1］，同時還具有起泡性、凝膠性、乳化性等多種功能性質，其中起泡性多用于焙烤食品和冷飲食品中，可顯著地改善產品的質地和口感［2］。我國生產的全蛋粉大多為普通全蛋粉，起泡性能不高，不能廣泛應用于對起泡性能要求高的產品中，通常添加改性或未改性的蛋清粉來提供起泡性能，但蛋清粉生產成本較全蛋粉的高，而且僅僅添加蛋清粉，會使產品失去蛋黃的豐富營養和香味。因此，在原有工藝的基礎上，對全蛋粉的生產工藝進行改進，生產高起泡性的全蛋粉，對全蛋粉在食品中的應用以及全蛋粉的工業化生產具有重要的意義。全蛋粉中有起泡作用的主要是蛋清蛋白質，蛋清蛋白質作為起泡劑是由于其能夠快速地遷移并吸附在氣－液界面上形成穩定薄膜［3］。目前，國內外主要通過物理法、化學法和酶法來提高蛋白質起泡性能，其中酶法改性具有反應條件溫和、設備要求低、安全性高等優點而被廣泛采用。Horiuchi和Fukushima利用胃蛋白酶水解蛋清蛋白質提高了蛋清粉的起泡性能［4］。李鴻健等人在蛋清粉加工過程中加入中性蛋白酶，改善了蛋清粉的起泡性能［5］。Guang Wang和Tong Wang利用蛋白酶水解卵黃中的脂蛋白，提高了其起泡性能［6］。本文在前人研究的基礎上，采用中性蛋白酶酶解全蛋液，對酶解過程工藝參數進行了優化，建立了數學模型，得出提高全蛋粉起泡性能的最適工藝條件，為起泡型全蛋粉的生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮雞蛋 市售;中性蛋白酶(酶活60000u/g，最適pH范圍7.0～7.8，最適溫度范圍40～50℃) 北京奧博星有限公司;其它試劑均為分析純。

BUCHI 290噴物干燥塔 瑞士 BUCHI Spray Dryer;S－3400S掃描電鏡(SEM) 日本日立公司; JY600C電泳儀 北京君意東方電泳設備有限公司; JJ－2B型高速組織搗碎機 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;JJ－1精密增力電動攪拌器 上海浦東物理光學儀器廠;恒溫水浴鍋 余姚市東方電工儀器廠;ALC－310.3電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司;pHS－3C精密pH計 上海精密儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 全蛋粉的制備 全蛋液→攪拌→過濾→巴氏殺菌(45℃，30min)→在pH7.0條件下，控制酶解時間、酶解溫度、中性蛋白酶添加量進行酶解全蛋液→噴霧干燥(進風溫度170℃，出風溫度80～90℃)→出粉冷卻→成品

1.2.2 全蛋粉起泡性能的測定 起泡力(FA)的測定:取全蛋粉2.0g于小燒杯中，量取100mL pH7.0磷酸緩沖溶液，先用少量緩沖溶液溶解樣品，然后全部倒入高速組織搗碎機中，以2000r/min的速率攪打2min，將產生的泡沫全部轉移到500mL的量筒中，讀取泡沫體積A，實驗重復三次取平均值。

式中:A－攪打結束時刻泡沫體積，mL。

泡沫穩定性(FS)的測定:將泡沫靜止放置20min，讀取泡沫體積B，實驗重復三次取平均值［7］。

式中:B－攪打結束20min時泡沫體積，mL。

1.2.3 酶解前后全蛋粉微觀結構的觀察 微觀結構的表征采用S－3400N掃描電鏡(SEM)進行測定。將待測樣品借助牙簽均勻涂在粘有雙面膠的樣品臺上，用E－1010(Giko)型離子濺射鍍膜儀進行離子濺射噴金，將處理好的樣品放入樣品盒中待檢。

1.2.4 酶解前后全蛋粉凝膠電泳分析 采用十二烷基硫酸鈉－聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS－PAGE)法對為改性全蛋粉以及最適工藝條件下酶解改性制備的全蛋粉進行分析，濃縮膠和分離膠的質量分數分別為5.0%和12.5%，電泳凝膠色帶用掃描儀掃描，通過bandscan軟件對電泳凝膠圖像進行分析［8］。

1.3 實驗設計

在單因素實驗的基礎上，以酶解溫度、酶解時間、酶的添加量為影響因子，以FA、FS為響應值，進行Box－Behnken實驗設計，實驗因素及水平見表1。

表1 實驗因素水平編碼表Table 1 Code and levels of factors design for experiment

2 結果與分析

2.1 回歸方程的建立

對影響全蛋粉起泡性能的酶解溫度、酶解時間、酶添加量三個因素進行優化，設計了Box－Behnken實驗方案，實驗結果如表2所示。

對表2實驗結果進行回歸擬合，得到酶法改性提高全蛋粉起泡性能的回歸方程:

表2 Box－Behnken實驗條件及結果Table 2 Design and results of Box－Behnken experiment

由表3可以看出，FA和FS的失擬p值均大于0.05，這說明其它因素對實驗結果干擾較小，模型能較好地反映數據;而FA和FS的模型p值均小于0.05，說明方程與實際情況擬合良好，能夠反映出改性后的全蛋粉的起泡性能與酶解溫度、酶解時間、酶添加量之間的關系;同時復相關系數R2FA(0.9870)和(0.9804)均大于0.8000，因此可以利用此模型對酶法提高全蛋粉起泡性能的過程進行分析和預測。

表3表明A、B、C、BC、B2對FA有極顯著的影響(p＜0.01)，A2、C2對FA有顯著的影響(p＜0.05);A、B、A2、B2、C2對FS有極顯著的影響，C、AC、BC對FS有顯著的影響，其它因子影響不顯著。

對模型的回歸方程進行中心標準化處理，分析各因素對改性后的全蛋粉的FA影響從大到小依次為:酶解時間、酶添加量、酶解溫度;對FS的影響從大到小依次為:酶解時間、酶解溫度、酶添加量。

2.2 自變量對響應值的影響

分別將模型中的酶解溫度、酶解時間、酶添加量三個因素的一個因素固定在零水平，即可得到另兩個因素對FA和FS影響子模型，如圖1～圖3所示。

由圖1、圖2知，隨著酶解溫度的增高，全蛋粉的FA先增加后趨于平緩，FS先增加后降低。這是由于適宜的溫度有利于打開蛋白的折疊結構，提高酶的活性、降低反應的活化能促進酶解反應;溫度過低使體系內分子運動激烈程度降低，酶解反應進程緩慢;溫度過高則導致酶變性，活性降低，抑制酶促反應［9］，另外，溫度過高導致蛋白質變性，使蛋白質起泡性能降低。

由圖1、圖3知，隨酶解時間的延長，全蛋粉的FA及FS先升高后降低。這是由于酶解將全蛋粉中的蛋白質水解成小分子肽，界面張力降低，蛋白質在氣－液界面上吸附能力增強，起泡性得到顯著的提高，但過長的酶解時間將導致蛋白質過度水解產生低分子量肽，不利于蛋白質在界面形成黏附性的薄膜，進而起泡性能下降［10］。

表3 全蛋粉FA/FS方差分析Table 3 Variance analysis of FA/FS

圖1 酶解時間、酶解溫度對FA和FS影響的響應曲面Fig.1 Response surface for the effects of hydrolysis time and hydrolysis temperture on FA and FS

由圖2、圖3知，隨著酶添加量的增加，全蛋粉的FA呈增加趨勢，FS呈先增加后降低的趨勢。酶添加量增大，使水解反應加快，大分子能夠快速分解成小分子肽，有學者指出蛋白質分子表面疏水性氨基酸殘基暴露得越多，起泡力也就越強，即蛋白質的疏水性與其起泡能力有著直接的關系［11］。中性蛋白酶作用于疏水性較強的Leu/Phe的氨基，蛋白質經中性蛋白酶有限水解后，疏水性側鏈基團外露，增加表面疏水性，提高了起泡力。

2.3 工藝的優化及驗證實驗

參數優化時，理想的結果是在約束條件范圍內盡可能增加全蛋粉的起泡性能，以FA及FS為指標，建立如下模型:目標函數FA、FS取最大值，約束條件:40≤A≤50、75≤B≤100，為節約成本將C設為最小。通過RSM分析對回歸方程進行模擬尋優，得到在起泡性能最大時最佳工藝參數組合為:酶解溫度41.64℃，酶解時間92.32min，酶添加量1119.68u/g，FA可達77.90%，FS可達37.17%。

圖2 酶添加量、酶解溫度對FA和FS影響的響應曲面Fig.2 Response surface for the effects of enzymes contents and hydrolysis temperture on FA and FS

為了驗證響應面法的可靠性，將得到的最佳工藝條件進行驗證實驗，同時考慮到實際生產操作的便利性，確定酶解溫度42℃，酶解時間90min，酶添加量1120u/g為最佳工藝參數，進行5批次實驗，FA平均值為77.36%，FS平均值為37.54%。預測值與實測值誤差在±1%以內，說明預測條件與實際較相符，采用響應面法優化得到的工藝條件參數準確可靠。

與普通全蛋粉的相比，酶法改性使全蛋粉的FA從62.96%提高到 77.36%，FS從 20.67%提高到37.54%，說明中性蛋白酶酶解改性可提高全蛋粉的FA和FS。

2.4 改性前后全蛋粉微觀結構的觀察

圖3 酶添加量、酶解時間對FA和FS影響的響應曲面Fig.3 Response surface for the effects of enzymes contents and hydrolysis time on FA and FS

圖4為5000倍放大倍數下普通全蛋粉及酶解改性全蛋粉電鏡掃描圖。從圖中可以看出，與普通全蛋粉相比，酶解改性的全蛋粉的分子聚集體變小，表面呈現多處不規則的凹陷，可能是由于中性蛋白酶屬內切酶，它從蛋清蛋白質的內部水解肽鍵，使蛋白質內部的極性基團和疏水基團暴露。Richwi等人認為極性基團和疏水基團暴露使蛋白質分子更容易分布在氣相和水相的界面上，起到了增加泡沫和穩定泡沫的作用［12］，這就從微觀上解釋了酶解改性提高全蛋粉泡沫性能的原因。

圖4 未改性(左)及酶解改性(右)全蛋粉電鏡掃描圖Fig.4 SEM of whole egg power(left)and whole egg power modified(right)by enzymes modified

2.5 改性前后全蛋粉凝膠電泳分析

從圖5中可以看出，經酶解改性，全蛋粉中大分子量的蛋白質減少，10～40ku的肽段分子增多。Horiuch等人認為水解產生的小分子肽能很快進入氣液界面、展開并重組界面，從而提高蛋白質的起泡功能;蛋白質和多肽的發泡能力與它們的分子量有密切聯系，在一定范圍內，分子量越小發泡能力越強，當分子量降低到某一范圍時，發泡能力也隨之降低［13］。

3 結論

3.1 全蛋粉酶解改性各因素對FA的影響從大到小依次為:酶解時間、酶添加量、酶解溫度;對FS的影響從大到小依次為:酶解時間、酶解溫度、酶添加量。

3.2 最適酶解工藝條件為酶解溫度42℃，酶解時間90min，酶添加量1120u/g;與未改性全蛋粉相比，酶解改性后全蛋粉FA從62.96%提高到77.36%，FS從20.67%提高到37.54%。

圖5 酶解改性及未改性全蛋粉凝膠電泳分析Fig.5 SDS－PAGE of whole egg power and whole egg power modified by enzymes modified

3.3 SEM分析表明酶解改性的全蛋粉分子聚集體變小，表面有凹陷;SDS－PAGE結果表明全蛋粉中大分子量的蛋白質減少，10～40ku的肽段分子增多。從微觀和分子量分布上表征了酶解后全蛋粉結構和分子量的變化。

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Study on foaming properties improvement of whole egg powder by enzymes modification

YU Cui，CHI Yu－jie*，XU Wei，SUN Qiang
(College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

In order to improve foaming properties of whole egg powder，the technology was improved by hydrolyzing liquid whole egg with neutral protease.Regression models were established by responsive surface method and validity of the model was authenticated.The hydrolysis temperature，neutral protease content and hydrolysis time on foaming properties of whole egg powder were studied.We compared microstructure and SDS－PAGE of whole egg powder and enzyme modified whole egg powder.The results showed that the best condition was as follows:hydrolysis temperature 42℃，neutral protease content 1120u/g，hydrolysis time 90min.Compared with the tradtional process，FA of whole egg powder increased from 62.96%to 77.36%，FS increased from 20.67%to 37.54%.

whole egg powder;foaming properties;neutral protease

TS253.4+3

B

1002－0306(2012)21－0214－04

2012－04－11 *通訊聯系人

于翠(1986－)，女，碩士研究生，研究方向:農產品加工及貯藏工程。

國家蛋雞產業技術體系項目(CARS－41－K25)。