不同工藝參數對生姜蛋白酶凝乳流變學性質的影響研究

范金波，侯 宇，黃訓文，周素珍，馮敘橋，*（.渤海大學食品科學研究院，遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧錦州03；.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京00083）

不同工藝參數對生姜蛋白酶凝乳流變學性質的影響研究

范金波1，侯 宇1，黃訓文2，周素珍1，馮敘橋1，*
（1.渤海大學食品科學研究院，遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧錦州121013；2.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京100083）

從生姜中分離得到具有凝乳活力的生姜蛋白酶，研究了加工條件對生姜蛋白酶凝乳流變學性質的影響，發現在60℃以上凝乳時，生姜蛋白酶凝乳的儲能模量較高，以1℃/min升溫速度從45℃加熱至80℃制作的脫脂乳凝膠的儲能模量增加速度較大；在冷卻過程中凝膠的儲能模量顯著增大，損耗正切值在45℃左右存在一個最大值，小于20℃時則趨于平穩；冷藏過程中凝膠的儲能模量、損耗模量和損耗正切逐漸降低，經過2h趨于平穩。綜合以上結果表明，動態升溫模式能夠使生姜蛋白酶凝乳形成較高強度的質地，低溫冷藏對凝膠具有穩定作用。

生姜蛋白酶，凝膠，流變學性質

流變學性質是乳凝膠的重要物理性質，對產品的質量控制和功能特性具有重要作用[1-2]。許多因素影響凝乳酶促使牛乳形成凝膠的過程，如pH、溫度、離子強度、酶濃度等。由于植物凝乳酶具有較高的蛋白水解活力，Esteves等[3]觀察到植物凝乳酶（Cynara cardunculus L.）與小牛皺胃酶的凝乳曲線存在明顯差異，其在低pH下（pH6.0～6.3）催化牛乳凝乳時，隨時間的變化儲能模量存在一個最大值，之后儲能模量下降。生姜蛋白酶是制作我國特色食品姜汁奶的重要原料，姜汁奶是在60～70℃自然pH下制作而成的，凝乳溫度是制作姜汁奶的關鍵工藝參數。此外，由于姜汁奶是一種即食型的東方型奶酪，保質期較短，通常需要冷藏貯存來延長其保質期。然而，目前國內外缺乏有關加熱、冷藏條件對于生姜蛋白酶凝乳性質的影響研究。因此，本文將重點研究恒溫、動態升溫條件、冷卻過程以及冷藏條件對生姜蛋白酶凝乳流變學性質的影響，以期為姜汁奶工業化生產在關鍵工藝條件控制上提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低熱脫脂乳粉 新西蘭西部乳業有限公司；凝乳酶 通過超濾技術得到的生姜蛋白酶濃縮液。

AR1500ex流變儀 美國TA Instrument公司；恒溫水浴鍋 上海一恒儀器公司；BL310分析天平 北京賽多利斯天平有限公司；Orion 3 star型pH計 美國熱電公司；小型超濾設備 美國Millipore公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 脫脂乳的制備 在研究牛乳凝膠的流變學性質時，為了避免乳成分的變化對流變性質的測定產生影響，通常使用低熱脫脂乳粉配制脫脂乳[4]。實驗所用脫脂乳為12%復原脫脂乳，將12g低熱脫脂乳粉溶解于100mL去離子水中復原而成，pH約為6.6。添加0.2%疊氮鈉抑制微生物的生長和0.15%大豆源胰蛋白酶抑制劑抑制血纖維蛋白溶酶的蛋白水解活性。

1.2.2 流變實驗 流變儀夾具選取直徑為60mm的平板，板間間隙1mm，使用珀爾貼板控制溫度。將10mL脫脂乳預先加熱至60℃，孵育30min，加入43μL酶液（凝乳活力為60SU），在預先加熱至60℃的流變儀模具底盤上孵育2h后測定樣品的線性粘彈區。板間外露的部分用植物油覆蓋以免在實驗過程中水分蒸發對樣品產生影響。應變掃描范圍0.01%～100%，頻率0.1Hz。以下動態小振幅流變實驗皆在線性粘彈區進行，測定不同掃描程序下凝膠的儲能模量（G′）、損耗模量（G″）和損耗正切（tanδ）等流變學性質的變化。脫脂乳的凝乳時間定義為儲能模量達到0.5Pa時的時間。

1.2.2.1 不同溫度對生姜蛋白酶凝膠流變學性質的影響 將脫脂乳分別加熱至55、60、65℃，加入酶液（4.3μL/mL脫脂乳）后進行恒溫掃描。程序如下：設定溫度分別為55、60、65℃、應變1%、頻率0.1Hz，測定2h時凝膠的G′、G″和tanδ。

1.2.2.2 不同升溫速率對生姜蛋白酶凝乳流變學性質的影響 向脫脂乳中加入酶液（4.3μL/mL脫脂乳）后分別進行溫度掃描，測定凝膠的G′、G″和tanδ隨溫度的變化。程序如下：分別以0.5、1.0、1.5℃/min從45℃加熱至80℃，應變1%、頻率0.1Hz。

1.2.2.3 冷卻過程對生姜蛋白酶凝膠流變學性質的影響 在1.2.2.2實驗后對凝膠進行冷卻溫度掃描，觀測冷卻過程凝膠的G′、G″和tanδ隨溫度的變化。程序如下：以2℃/min的冷卻速率冷卻至5℃，應變1%、頻率0.1Hz。

1.2.2.4 冷藏對生姜蛋白酶凝乳流變學性質的影響 對1.2.2.3所得凝膠進行時間掃描，以確定凝膠的G′、G″和tanδ在冷藏條件下隨時間的變化，程序如下：溫度5℃、應變1%、頻率0.1Hz。

1.3 數據分析

實驗數據為測定結果的平均值，方差分析采用SPSS 16.0數理統計分析軟件，顯著水平為95%（p＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 應變對生姜蛋白酶凝膠流變性質的影響

凝膠的流變學性質通常具有對振動應變的依賴性，但在線性黏彈區域動態模量對應變沒有依賴性。當應變超過閾值時儲能模量開始下降，樣品開始流動[5]。在非線性形變中，結構成分間形成的鍵斷裂，在實驗條件下不能恢復到原始狀態，如果施加更大的應力，實驗材料則會破裂，比如材料中某一平面的鍵全部斷裂。在凝膠的線性黏彈區域，能夠維持一定的平衡狀態，使拉伸的鍵回復到原始狀態[6]。用生姜蛋白酶制作的乳凝膠（生姜蛋白酶凝乳）也具有這樣的性質（圖1），當施加的應變小于5%時，儲能模量保持在21.0Pa左右，這與Whittle和Dickison[7]觀測的凝膠的線性黏彈區域一致。

圖1 生姜蛋白酶凝膠的儲能模量隨應變的變化曲線圖Fig.1 Curve of storage modulus of ginger protease-induced milk gels by strain

2.2 溫度對生姜蛋白酶凝膠流變學性質的影響

2.2.1 不同溫度對生姜蛋白酶凝膠流變學性質的影響 表1為不同溫度下生姜蛋白酶促使脫脂乳形成凝膠的流變學性質。凝乳溫度對凝膠的流變學參數具有顯著影響，隨凝乳溫度的升高儲能模量增高，溫度高于60℃時沒有顯著差異（p＞0.05）。損耗模量和損耗正切值隨溫度的升高顯著下降。

表1 溫度對生姜蛋白酶凝乳黏彈性質的影響Table 1 Effect of temperature on the viscoelastical properties of skim milk gel

2.2.2 不同升溫速率對生姜蛋白酶凝乳流變學性質的影響 圖2為從45℃以不同速率升溫至80℃的過程中生姜蛋白酶凝乳的流變圖。凝膠曲線顯示加熱速率對凝膠的最終強度有顯著影響，加熱速率越小，終端凝膠的儲能模量越高，0.5℃/min制作的凝膠強度是1.0℃/min的1.5倍，約為1.5℃/min制作的凝膠強度的4倍。以1.0℃/min加熱速率制作的凝膠，儲能模量的增加速度（1.62Pa）比0.5℃/min（0.86Pa）和1.5℃/min（0.67Pa）時的增加速度高。另外，生姜蛋白酶的凝乳活力在60℃以下較低，因此導致以0.5℃/min加熱速率制作凝膠時其硬度增加速率較低。

2.3 冷卻過程對生姜蛋白酶凝膠流變學性質的影響

圖3為生姜蛋白酶凝乳的儲能模量、損耗模量和損耗正切在冷卻過程中的變化。生姜蛋白酶凝乳的儲能模量和損耗模量隨溫度降低不斷增大，乳清分離蛋白－交聯糯玉米淀粉混合粉和馬鈴薯淀粉－濃縮亞麻子蛋白混合粉形成的凝膠在降溫過程中也呈現相似的趨勢[8]。Oh等[9]報道添加淀粉或未加淀粉的酸凝乳凝膠也具有類似的性質。該性質是降溫過程中疏水相互作用降低導致顆粒和蛋白纖絲間的接觸面積增大引起的[10]。

圖2 不同升溫速率對生姜蛋白酶凝乳過程流變學性質的影響Fig.2 Effect of different heating rate on Rheogram of skim milk coagulation induced by ginger protease

圖3 冷卻過程對生姜蛋白酶凝乳儲能模量、損耗模量和損耗正切的影響Fig.3 Effect of cooling down process on the storage modulus

不同尋常的是，生姜蛋白酶凝乳的損耗正切值開始隨溫度降低而增大，在45℃左右時損耗正切值最大，之后則迅速降低，溫度進一步降低至20℃以下時損耗正切逐漸趨于平緩。冷卻結束時的損耗正切值比冷卻起始時稍高。冷卻的起始溫度（80℃或60℃）對冷卻結束時生姜蛋白酶凝乳的損耗正切值沒有顯著影響（p＝0.057＞0.05）。損耗正切增大表明生姜蛋白酶凝乳中的鍵更易于發生遲豫，凝膠的網狀結構進行重排的可能性增大[11]。

圖4 生姜蛋白酶凝乳在5℃下的儲能模量、損耗模量和損耗正切隨時間變化的流變圖Fig.4 Rheologram of storage modulus,loss modulus,and tanδ as a function of time at 5℃for skim milk gel

2.4 冷藏對生姜蛋白酶凝乳流變學性質的影響

圖4是5℃下冷藏過程中生姜蛋白酶凝乳流變學性質隨時間變化的流變圖。生姜蛋白酶凝乳在冷藏過程中其儲能模量、損耗模量和損耗正切隨著溫度的降低不斷降低，經過2h的冷藏后變化比較平穩。損耗正切降低表明鍵的重排趨勢降低，可以看出低溫下由于凝膠中蛋白質間形成鍵的遲豫降低，這是由于低溫下酪蛋白分子和顆粒的熱運動降低引起的。疏水相互作用和靜電斥力等分子間非共價鍵的作用力隨溫度降低而減小，而氫鍵隨溫度的降低而增加[12]。疏水相互作用和靜電斥力降低使酪蛋白微粒間的接觸面積增大，蛋白間的相互作用增加，這可能促進了分子間氫鍵的形成，氫鍵較疏水相互作用和靜電作用大，所以在低溫下對凝膠結構具有穩定作用。

3 結論

本研究結果表明生姜蛋白酶在凝乳過程中的流變學性質的變化趨勢與小牛皺胃酶相似，高溫沒有改變凝乳曲線的特征。動態升溫能夠使脫脂乳形成強度較高的質地，升溫速率較快時生姜蛋白酶水解κ-酪蛋白的時間較短，凝膠的最終強度較低，升溫速率較慢時（0.5℃/min），凝膠強度的增加速度減小，雖然能夠得到足夠強度的凝膠，但凝乳時間耗費較長。冷藏過程中儲能模量、損耗模量和損耗正切降低，經過2h趨于平穩。因此脫脂乳凝膠網狀結構在低溫具有更高的穩定性。

[1]Lee WJ，Lucey JA.Structure and physical properties of yogurt gels：Effect of inoculation rate and incubation temperature[J]. Journal of Dairy Science，2004，87（10）：3153-3164.

[2]Lee WJ，Lucey JA.Impact of gelation conditions and structural breakdown on the physical and sensory properties of stirredyogurts[J].JournalofDairyScience，2006，89（7）：2374-2385.

[3]Esteves CLC，Lucey JA，Wang T，et al.Effect of pH on the gelation properties of skim milk gels made from plant coagulants and chymosin[J].Journal of Dairy Science，2003，86（8）：2558-2567.

[4]Esteves CLC，Lucey JA，Pires EMV.Reological properties of milk gels made with coagulants of plant origin and chymosin[J]. International Dairy Journal，2002，12（5）：427-434.

[5]Manoj P，Kasapis S，Chronakis IS.Gelation and phase separation in maltodextrin-caseinate systems[J].Food Hydrocolloids，1996，10（4）：407-420.

[6]Lucey JA，Johnson ME，Horne DS.Perspectives on the basis of the rheology and texture properties of cheese[J].Journal of Dairy Science，2003，86（9）：2725-2743.

[7]Whittle M，Dickinson E.Stress overshoot in a model particle gel[J].Journal of Chemical Physics，1997，107（23）：10191-10200.

[8]Hagenimana A，Ding XL，Gu WY.Steady state flow behaviours of extruded blend of rice flour and soy protein concentrate[J]. Food Chemistry，2007，101（1）：241-247.

[9]Oh HE，Anema SG，Wong M，et al.Effect of potato starch addition on the acid gelation of milk[J].International Dairy Journal，2007，17（7）：808-815.

[10]Lucey JA.Formation and physical properties of milk protein gels[J].Journal of Dairy Science，2002，85（2）：281-294.

[11]Van Vliet T，Van Dijk HJM，Zoon P，et al.Relation between syneresis and rheological properties of particle gels[J].Colloidal and Polymer Science，1991，269（6）：620-627.

[12]Bryant CM，Mc Clements DJ.Molecular basis of protein functionality with special consideration of cold-set gels derived from heat-denatured whey[J].Trends in Food Science and Technology，1998，9（4）：143-151.

Effect of different process parameters on the rheological properties of ginger protease-induced milk gels

FAN Jin-bo1，HOU Yu1，HUANG Xun-wen2，ZHOU Su-zhen1，FENG Xu-qiao1，*
（1.Food Science Research Institute of Bohai University，Food Safety Key Lab of Liaoning Province，Jinzhou 121013，China；2.College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Ginger protease with milk coagulating activity was isolated from ginger root.The rheological properties of ginger protease inducing skim milk gels were investigated.Also the processing conditions at a dynamic heating pattern for making skim milk gel and its physicochemical variation during cold storage were assayed. The results showed that storage modulus of ginger protease inducing skim milk gel were high at temperatures over 60℃.The rate of increase in storage modulus of skim milk gel made at a heating rate of 1℃/min from 45℃to 80℃was the highest.During the cooling process，storage modulus of milk gel increased significantly，and there was a peak value at 45℃for loss tangent value and tended to be constant below 20℃.The storage modulus，loss modulus，and loss tangent of milk gel gradually decreased during cold storage，and stabilized after 2h storage.These results showed that dynamic heating pattern enabled the ginger protease to form skim milk gel with high gel strength and cold storage stabilized the milk gel.

ginger protease；gels；rheological properties

TS255.1

A

1002-0306（2014）14-0143-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.023

2013－10－25 *通訊聯系人

范金波（1977-），男，博士，講師，主要從事食品生物化學方面的研究。

遼寧省食品安全重點實驗室開放課題項目（LNSAKF2013017）。