低溫冷凍條件對大豆分離蛋白功能性的影響

許 慧，王 玲，朱秀清,*，李佳棟，鄭環宇，吳海波

（1.東北農業大學 國家大豆工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

低溫冷凍條件對大豆分離蛋白功能性的影響

許 慧1，王 玲2，朱秀清1,*，李佳棟1，鄭環宇1，吳海波1

（1.東北農業大學 國家大豆工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150030；
2.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

通過大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）冷凍前后功能性的變化，研究低溫冷凍條件（料液比、冷凍溫度、冷凍時間）對SPI功能性（保水保油性、乳化特性及質構特性）的影響。結果表明：在經過冷凍實驗的樣品中，隨著SPI添加量的減小，其保水保油性、乳化性先增加后減小，當SPI料液比為1∶12時，其保水性、保油性、乳化穩定性、硬度和彈性均達到相對最大；冷凍溫度為-18 ℃時，其保水保油性、乳化性、硬度和彈性相對最大，-20 ℃時，其乳化穩定性相對最好；隨著冷凍時間延長，其乳化穩定性減小，冷凍3 d時，SPI的乳化穩定性相對最好，冷凍2 d時其保水性相對最大。和未經冷凍處理的原樣品相比，經過冷凍處理的SPI，功能性明顯減弱，其中保水保油性、乳化性、質構特性都小于未冷凍處理的SPI。

低溫冷凍；大豆分離蛋白；保水保油性；乳化特性；質構特性

大豆分離蛋白是食品行業應用最廣泛的植物蛋白類添加劑[1]，具有多種功能特性，如乳化性、保水保油性等，這些功能特性是決定蛋白加工中最關鍵的因素和最重要的理化性質[2-3]。近年來，隨著生活節奏的加快和生活水平的提高，人們更加傾向于食用方便快捷的冷凍食品，大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）作為營養安全的蛋白類食品添加劑[4]，應用在冷凍肉制品中，常常會出現功能性不穩定、復煮時保水保油性差等問題[5]，不僅影響了肉丸制品的食用品質，而且降低了SPI的有效利用率，造成原料浪費。Das等[6]研究得出在冷凍山羊肉餡餅中添加20%大豆分離蛋白時，可以有效降低蒸煮損失，但是當冷凍條件變化時，蒸煮損失也會發生明顯改變[7]；Lee等[8]研究發現冷凍能引起大豆加工特性方面的變化，冷凍處理的大豆比未經過冷凍處理的大豆口感更好，而且烹飪時間減半；林偉鋒等[9]研究報道在冷凍環境中大豆分離蛋白對低脂肉丸質構特性的影響，大豆分離蛋白的添加顯著地改善了肉丸制品的質構特性[10-11]，但是增加了肉丸的蒸煮損失。所以了解冷凍過程中大豆蛋白功能性[12]的變化，可以為有針對性地改善SPI的某種功能性質提供技術數據支持。目前冷凍條件對大豆蛋白功能性質應用研究的報告還很少，本實驗對冷凍條件下SPI的保水保油性、乳化特性和質構特性進行初步研究。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

大豆分離蛋白 哈高科大豆食品有限責任公司；大豆油 九三集團哈爾濱惠康食品有限公司。

硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、無水碳酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉等均為國產分析純。

1.2儀器與設備

HH-S電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫療儀器廠；3K-15型臺式高速冷凍離心機 德國Sigma公司；DHG-9240A型電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；TU-1901雙光束紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；BC-169海爾雙王子電冰箱 青島海爾電冰箱股份有限公司；TA-XT plus 物性測定儀 英國Stable Micro System 公司。

1.3方法

1.3.1大豆分離蛋白基本成分的測定

蛋白質含量測定：凱氏定氮法（GB 5009.5— 2010《食品中蛋白質的測定（含第1號修改單）》）；粗脂肪含量測定：索氏提取法（GB/T 5512—2008《糧油檢驗 糧食中粗脂肪含量測定》）；灰分測定：（GB/T 22510—2008《谷物、豆類及副產品 灰分含量的測定》）；水分測定：（GB 5009.3—2010 《食品安全國家標準 食品中水分的測定》）；粗纖維含量的測定（GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》）。

1.3.2大豆分離蛋白冷凍樣品的制備

將干燥的SPI樣品與水以不同的比例混合，攪拌均勻后，于室溫下靜置20 min后送入冰箱內-18 ℃冷凍。將冷凍后的SPI，在水中解凍，解凍后的樣品放入鼓風干燥箱低溫烘干，將烘干后的固體粉碎，制成粉末狀樣品，備用。

實驗中的冷凍條件是指家用冰箱的普通冷凍，冷凍溫度和冷凍時間是指物料在已經設定的冷凍低溫后直接放入冷凍室中，進行冷凍的時間。

1.3.3保水性測定[13]

將一定量待測樣品（指大豆分離蛋白冷凍樣品和原樣品，下同），在低溫下烘干至恒質量，再向其中加入過量的水，攪拌均勻，室溫下放置30 min，再在離心機中以4 000 r/min的轉速離心10 min后去除分離出來的水。保水性以每克蛋白樣品（干質量）吸附水的克數表示，計算公式如式（1）所示。

1.3.4保油性測定[14]

1 g待測樣品中加5 mL大豆油，用玻棒攪拌均勻，靜置30 min后在4 000 r/min，離心10 min記下游離油的體積，結果以每克蛋白質吸附油的體積數表示，計算公式如式（2）所示。

1.3.5質構分析[15]

1.3.5.1SPI凝膠的制作

配制質量濃度為15 g/100 mL待測樣品，用1 mol/L NaOH溶液將蛋白漿的pH值調到7.0，放入25 ℃水浴中輕輕攪拌使其充分水合，水合30 min后，用保鮮膜將燒杯封口，在90 ℃條件下加熱30 min，之后放入4 ℃冰水中，快速冷卻，再放置于4 ℃冰箱中冷藏24 h，用于凝膠性質的測定。

1.3.5.2SPI凝膠質構儀參數設定

采用P/0.5柱形探頭，設定前進速率為10 mm/s，沖壓速率10 mm/s；后撤速率為10 mm/s，沖壓深度為10 mm；一次測定過程中探頭下壓2 次。每個樣品重復3 次，測定過程，取平均值，得凝膠質構參數。

1.3.6乳化性及乳化穩定性測定[16]

將樣品配制成0.5 g/100 mL的溶液。取40 mL配制好的樣品溶液，再加入14 mL大豆油，用高速勻漿機在10 000 r/min的條件下處理1 min，立刻從該乳化液底部取 50 μL，加入到 5 mL 的緩沖溶液中（0.1 mol/L的磷酸緩沖溶液，pH 7.0），混勻，在 500 nm波長測定其吸光度。按照式（3）計算乳化性。在上述乳化液的基礎上，間隔10 min后，從底部取50 μL乳化液，加入到5 mL的緩沖溶液中（0.1 mol/L 的磷酸緩沖溶液，pH 7.0），混勻，在500 nm波長測定其吸光度，按照式（4）計算乳化穩定性。

式中：A0為500 nm波長處吸光度；n為稀釋倍數；ρ為樣品質量濃度/（g/100 mL）；φ為0.25。

式中：A0為0 min時500 nm波長處吸光度；A10為間隔10 min后的吸光度。

1.4數據處理及分析

所有數據均通過3次平行實驗得到；采用SPSS 13.0進行相關分析；采用Microsoft Excel 2010進行作圖處理。

2　結果與分析

2.1大豆分離蛋白的成分

表1　大豆分離蛋白成分分析Table 1 Proximate analysis of SPI

表1　大豆分離蛋白成分分析Table 1 Proximate analysis of SPI

成分水分粗脂肪蛋白質灰分粗纖維含量/%5.16±0.091.23±0.1288.3±1.174.02±0.300.53±0.24

由表1可知，SPI的蛋白質含量（干基）可達到90%以上，蛋白質資源豐富。

2.2不同料液比的冷凍樣品對SPI功能性的影響

在冷凍溫度為-18 ℃、冷凍48 h的條件下，考察SPI的添加量對SPI保水保油性、乳化特性和質構特性的影響。

2.2.1對保水保油性的影響

圖1　不同料液比的冷凍樣品對SPI保水保油性的影響Fig.1 Effect of sample concentration on water-holding and oil-holding capacity of SPI

由圖1可知，與未經冷凍SPI相比，冷凍的SPI保水性都變小，隨著料液比的減小，保水性先增加后減小，在料液比1∶8、1∶12、1∶16時，保水性為2.34、2.88、2.19 g/g，在料液比為1∶12時候，經過冷凍的SPI的保水性相對最大。由于天然的大豆蛋白質結構中含有極性側鏈具有親水性 因此蛋白質能吸收水分并能在食品成品中保留住水分，表現為大豆蛋白的保水性[17]。受環境條件如溫度等的影響[18]，蛋白質的結構發生變化，進而導致功能性的改變[19]。對照組的保油性為1.42 mL/g，而冷凍后的SPI，在料液比為1∶12時，保油性最大，達到1.4 mL/g，比對照組降低了0.2 mL/g，雖然冷凍處理，使得SPI的保油性下降，但是當其他冷凍條件固定不變時，料液比保持在1∶12，仍然能保持天然大豆蛋白的良好的保油性。

2.2.2對SPI乳化特性的影響

圖2　不同料液比的冷凍樣品對SPI乳化性及乳化穩定性的影響Fig.2 Effect of sample concentration on emulsifying capacity and emulsion stability of SPI

將不同料液比的SPI樣品溶液在-18 ℃條件下冷凍48 h，測定冷凍后SPI的乳化特性。由圖2可知，冷凍后SPI乳化性和乳化穩定性都減小，且顯著地小于未冷凍SPI。隨著料液比的減小，乳化性及其乳化穩定性先增加后減小；在料液比為1∶12時，經過冷凍的SPI的乳化穩定性達到相對最大值31.69 min，顯著高于其他樣品（P＜0.05）；在料液比為1∶14時乳化性最好，達到

73.54m2/g。由于冷凍環境的影響，蛋白質的內部二硫鍵斷裂，使得部分肽鏈變短，而長的蛋白肽鏈變為短肽后，具有較少的氨基酸序列，限制了蛋白質分子的折疊和蛋白-蛋白之間的重新聚集[20]，使得蛋白質空間四級結構改變，其結構取向的變化影響乳化特性的穩定，從而引起大豆蛋白不同濃度之間乳化特性的差異[21]。

2.2.3對SPI質構特性的影響

表2　不同料液比的冷凍樣品對SPI質構特性的影響Table 2 Effect of sample concentration on texture properties of SPI?

表2　不同料液比的冷凍樣品對SPI質構特性的影響Table 2 Effect of sample concentration on texture properties of SPI?

樣品硬度/g彈性黏聚性咀嚼性/g未冷凍SPI 665.37±17.690.998±0.0060.735±0.026457.36±7.94 1∶8350.50±12.740.847±0.0220.439±0.005329.41±5.76 1∶10472.63±9.510.870±0.0130.697±0.02420.35±6.86 1∶12541.77±12.840.935±0.0050.631±0.008404.51±8.25 1∶14397.52±10.600.769±0.0180.546±0.006367.09±6.67 1∶16345.96±11.090.712±0.0060.420±0.013285.38±7.09

由表2可知，冷凍處理的SPI質構特性明顯小于未冷凍的SPI。隨著料液比的減小，SPI的硬度、彈性、黏聚性和咀嚼性均先增加后減小，當料液比為1∶10時，經過冷凍的SPI的黏聚性和咀嚼性相對最大，分別為0.697和420.35 g；當料液比為1∶12時，硬度和彈性最大，分別為541.77 g和0.935。以上結果表明，將SPI以料液比為1∶10的比例應用冷凍食品中，可以充分發揮SPI在其冷凍條件下的良好的黏聚性和咀嚼性；料液比為1∶12時，可以發揮SPI良好的硬度和彈性。

2.3冷凍溫度對SPI功能性的影響

在SPI料液比為1∶12、冷凍時間為48 h的條件下，考察冷凍溫度的變化對SPI保水保油性、乳化特性和質構特性的影響。

2.3.1對SPI保水保油性的影響

圖3　冷凍溫度對SPI保水保油性的影響Fig.3 Effect of freezing temperature on water-holding and oil-holding capacity of SPI

由圖3可知，隨著冷凍溫度的降低，SPI的保水保油性先增加后減小。整體上，在冷凍環境下，SPI的保水性明顯大于保油性，在-12～-15 ℃溫度范圍內，保水性保油性變化不明顯，都隨著溫度的降低，保水性保油性平穩增加；當-15～-18 ℃冷凍時，保水性的增加幅度大于保油性，并且在-18℃時，保水保油性都達到相對較好的狀態，保水、保油性分別為3.96 g/g和1.37 mL/g，隨著冷凍溫度的繼續降低，保水性保油性都開始下降[22]。說明SPI在適宜的冷凍溫度下，可以保持良好的保水保油性，若冷凍的溫度較高或者冷凍溫度過低，都不利于SPI保水保油等功能性的發揮。

2.3.2對SPI乳化特性的影響

圖4　冷凍溫度對SPI乳化性及乳化穩定性的影響Fig.4 Effect of freezing temperature on emulsifying capacity and emulsion stability of SPI

由圖4可知，隨著冷凍溫度的降低，SPI的乳化性先增大后減小，在-18℃時，經過冷凍的SPI的乳化性達到相對最大值59.18 m2/g；而乳化穩定性呈現緩慢增加的的趨勢，從-12～-20 ℃，乳化穩定性由18.26 min增加到28.04 min，-20 ℃的乳化穩定性顯著高于其他冷凍組（P＜0.01），但-12 ℃和-15 ℃這兩個處理組之間的乳化穩定性差異均不顯著（P＞0.05）。由于實驗的樣品或冷凍食品都含有較高的水分，冷凍過程水分子會形成冰晶，而冰晶的形成與冷凍速率密切相關[23]，冷凍溫度越低，冷凍速率就越快，形成的冰晶體積越小，對蛋白質等生物大分子的空間結構破壞程度越小，結構與功能性是緊密相連的[24]，適宜的冷凍溫度會使SPI保持最好的功能性。

2.3.3對SPI質構特性的影響

表3　冷凍溫度對SPI質構特性的影響Table 3 Effect of freezing temperature on texture properties of SPI

表3　冷凍溫度對SPI質構特性的影響Table 3 Effect of freezing temperature on texture properties of SPI

冷凍溫度/℃硬度/g彈性黏聚性咀嚼性/g -12365.01±12.4700.652±0.0030.533±0.008362.57±8.940 -15429.86±10.7500.689±0.0070.648±0.017402.16±9.380 -18531.17±12.6600.775±0.0280.512±0.021343.31±7.160 -20482.60±9.5900.748±0.0190.489±0.005317.60±9.30

由表3可知，隨著冷凍溫度的降低，質構指標均先增大后減小。其中硬度和彈性在-18℃時達到最大，分別為531.17 g和0.775；-15 ℃時，黏聚性和咀嚼性取得最大值，分別為0.648、402.16 g。說明冷凍溫度不同，對SPI的硬度、彈性、黏聚性和咀嚼性的影響各不相同。不同冷凍溫度下SPI的硬度和彈性的變化趨勢相同，黏聚性和咀嚼性變化趨勢相同。為了使SPI在冷凍條件下獲得良好的硬度和彈性，應選擇冷凍溫度為-18 ℃；為了獲得SPI良好的黏聚性和咀嚼性，應選擇冷凍溫度為-15 ℃。

2.4冷凍時間對SPI功能性的影響

在SPI料液比為1∶12、冷凍溫度為-18 ℃的條件下，考察冷凍時間的變化對SPI保水保油性、乳化特性和質構特性的影響。

2.4.1對SPI保水保油性的影響

圖5　冷凍時間對SPI保水保油性的影響Fig.5 Effect of freezing time on water-holding and oil-holding capacity of SPI

由圖5可知，隨著冷凍時間的延長，SPI的保水性保油性都有增加的趨勢，但是冷凍48 h和72 h的保水性變化不顯著（P＞0.05），與冷凍24 h的保水值2.62 g/g相比變化顯著。因此，為了利用SPI在冷凍肉制品的良好保水性，應該選擇冷凍48 h，減少冷凍時間，節約生產成本。此結論說明，冷凍時間對蛋白質變性程度及保水性有重大影響，與Ngapo等[25]得到結論一致。隨著冷凍時間的延長，SPI的保油性呈現梯度遞增變化，變化趨勢比保水性更明顯，同樣在冷凍48 h和72 h后，測得的SPI的保油性分別為1.15 mL/g和1.23 mL/g，二者只相差0.08 mL/g，說明冷凍時間的延長，并不能顯著提高SPI的保油性。

2.4.2對SPI乳化特性的影響

圖6　冷凍時間對SPI乳化性及乳化穩定性的影響Fig.6 Effect of freezing time on emulsifying capacity and emulsion stability of SPI

由圖6可知，隨著冷凍時間的延長，乳化性逐漸增大，在冷凍24～72 h過程中，乳化性由54.63 m2/g增加到66.31 m2/g，整整提高了11.68 m2/g，冷凍時間對SPI乳化性的影響是顯著的（P＜0.05）；而乳化穩定性與冷凍時間呈負相關，隨著冷凍時間的延長，乳化穩定性減小，在冷凍24～72 h過程中，乳化穩定性由27.05 min減小至24.78min，變化不顯著（P＞0.05）。

2.4.3對SPI質構特性的影響

表4　冷凍時間對SPI質構特性的影響Table 4 Effect of freezing time on texture properties of SPI

表4　冷凍時間對SPI質構特性的影響Table 4 Effect of freezing time on texture properties of SPI

冷凍時間/h硬度/g彈性黏聚性咀嚼性/g 24437.66±10.480 0.683±0.0090.533±0.007 345.98±10.460 48485.17±9.960 0.749±0.0140.574±0.012 396.12±11.50 72542.89±13.640 0.834±0.0170.631±0.020 427.83±9.780

由表4可知，隨著冷凍時間的延長，硬度、彈性、黏聚性和咀嚼性均逐漸增加，且在冷凍72 h時，4項指標分別為542.89 g、0.834、0.631和427.83 g；其中冷凍72 h與冷凍24 h、冷凍48 h相比，硬度、彈性和黏聚性之間的差異是顯著的（P＜0.05），咀嚼性之間的差異不顯著（P＞0.05）；冷凍48 h與冷凍24 h相比，彈性和咀嚼性差異顯著（P＜0.05），彈性和黏聚性差異不顯著（P＞0.05）。綜合以上結果，為了使SPI在冷凍環境中獲得良好的質構特性，應選擇冷凍時間為72 h。

3　結 論

研究冷凍SPI的保水保油性、乳化特性及質構特性與料液比、冷凍溫度和冷凍時間的關系，在料液比為1∶12時，冷凍SPI的保水保油性、乳化穩定性、硬度和彈性最大；料液比為1∶14時乳化性取得最大值73.54 m2/g，料液比為1∶10時，黏聚性和咀嚼性取得最大值，分別是0.697和420.35 g。隨著冷凍溫度和冷凍時間的變化，SPI不同功能特性之間差異顯著。在-18 ℃時，SPI的保水保油性、乳化性最大，在-20 ℃時，乳化穩定性達到最大值28.04 min。在質構特性的變化過程中，-18 ℃時硬度和彈性最大，-15 ℃時黏聚性和咀嚼性取得最大值；在冷凍時間變化過程中，冷凍48 h時，SPI的保水性最好，冷凍72 h，乳化穩定性達到最大值66.31 min。經過冷凍處理的SPI，功能性明顯減弱，其保水保油性、乳化性、質構特性都小于未冷凍處理的SPI。

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Effect of Cryopreservation on Functional Properties of Soy Protein Isolates

XU Hui1, WANG Ling2, ZHU Xiu-qing1,*, LI Jia-dong1, ZHENG Huan-yu1, WU Hai-bo1
(1. National Research Center of Soybean Engineering and Technology, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2. College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China )

The changes in functional properties of soybean protein isolates (SPI) before and after freezing were investigated to reveal the effect of cryopreservation conditions, namely sample concentration, freezing temperature, freezing time on functional properties of SPI including water-holding capacity, oil-holding capacity, emulsifying property and texture property. The results showed that reduced SPI concentration could lead to an initial increase and then a final decrease in water-holding capacity, oil-holding capacity and emulsifying property. When SPI concentration was 1:12, the waterholding capacity, oil-holding capacity, emulsion stability, hardness and elasticity achieved maximum levels. When freezing temperature was -18 ℃, the water-holding capacity, oil-holding capacity, emulsion stability, hardness and elasticity reached maximum levels; however, when freezing temperature was -20 ℃, the best emulsion stability was observed. With the prolongation of freezing time, the emulsion stability of SPI gradually decreased, reaching the highest level when freezing time was 3 days; after 2 days of freezing, the highest water-holding capacity was achieved. Compared with unfrozen samples, the functional properties of frozen SPI were obviously weakened, indicating poorer water-holding capacity, oilholding capacity, emulsifying property and texture property.

cryopreservation; soybean protein isolates; water-holding and oil-holding capacity; emulsifying property; texture property

TS214.2

A

1002-6630（2014）15-0049-05

10.7506/spkx1002-6630-201415010

2013-08-25

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD34B04）；黑龍江省財政資助項目

許慧（1979—），女，碩士，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：dadouxuhui@163.com

*通信作者：朱秀清（1968—），女，研究員，碩士，研究方向為大豆蛋白精深加工。E-mail：xqzhuwang@163.com