羧甲基纖維素鈉對大豆蛋白凝膠特性的影響

苗鐘化 - 辛宜聰 - 曾瑞琪 - 鄭 炯,2 ,2

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715)

羧甲基纖維素鈉對大豆蛋白凝膠特性的影響

苗鐘化1MIAOZhong-hua1辛宜聰1XINYi-cong1曾瑞琪1ZENGRui-qi1鄭 炯1,2ZHENGJiong1,2

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715)

為探究羧甲基纖維素鈉(Sodiuncarboxy methyl cellulose，CMC)對大豆蛋白凝膠特性的影響，向質量分數為5%的大豆分離蛋白凝膠中，分別加入0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%的CMC，研究凝膠體系的流變、質構、持水性及微觀結構的變化。結果表明：凝膠體系的動態黏彈性會隨著CMC的加入量增加，出現明顯變化，凝膠體系的儲能模量隨著CMC的加入持續升高，但損耗角正切逐漸減小。當CMC用量超過0.3%后體系的儲能模量略有降低，損耗角正切出現回升。隨著CMC的加入，凝膠的硬度、彈性、內聚性、持水性和咀嚼性都在逐漸提升，并在CMC的添加量達到0.3%時最大。微觀結構表明：CMC的加入有助于凝膠多孔的形成，在CMC的加入量達到0.3%時凝膠的孔隙較多，凝膠結構更為致密，繼續加入CMC會導致凝膠網絡結構受到影響。

羧甲基纖維素鈉；大豆蛋白；流變特性；凝膠結構

大豆蛋白被認為是可以媲美動物蛋白營養價值的植物蛋白[1]，因其含有8種必須氨基酸，且其含量接近于FAO/WHO的理想建議值，所以大豆蛋白已在世界范圍內被各個國家用作食品原料開發產品，據報道[2]15-16美國已有大豆蛋白食品高達2 500多種。除被用作食品原料外，由于大豆蛋白還具有良好的凝膠性、起泡性、乳化性和持水性等功能特性[3]，因此在食品工業中常將其添加入產品，以改良產品的流變或質構特性，保持良好的吸水性或穩定性[4-5]。據報道，李維瑤等[6]使用了大豆蛋白與乳化劑復配得到了高起泡性的植物蛋白起泡劑；Matulis等[7]發現在腸中添加3%的大豆蛋白可以顯著改善凝膠硬度。目前中國主要生產普通凝膠型大豆蛋白，因其產品功能性和穩定性較差，在食品加工中容易變性，分散性差因此應用領域窄，高檔功能性蛋白仍主要依靠進口[2]15。將多糖加入大豆蛋白凝膠體系以改善大豆蛋白的性能，得到高專用性能的大豆蛋白如高起泡型、高凝膠型和高乳化型的大豆蛋白是目前的研究熱點之一。

羧甲基纖維素鈉(Sodiuncarboxy methyl cellulose，CMC)是一種纖維素衍生物，也是最主要的離子型纖維素膠。由于具有獨特的懸浮性、增稠性和黏合性等[8]，在食品行業中常將其用作增稠劑、穩定劑、乳化劑或持水劑添加于食品中。李靜等[9]報道，CMC添加于乳飲料中可以明顯改善溶液的穩定性；劉梅等[10]發現在軟冰淇淋中添加CMC可以有效降低冰淇淋的硬度。此外由于食品復合膠不僅可以發揮單種膠體的優良性能，還可以同其他膠體互補，因此也有關于CMC同其他食品膠復配的研究。如李新新等[11]報道了果膠與CMC復配后顯著地提升了酸豆乳的穩定性；劉彥等[12]報道了阿拉伯膠與CMC的加入可以改良面團的流變學特性。

目前有研究[13]使用CMC與大豆分離蛋白，制成了良好的包裝材料。還有研究報道[14-15]使用CMC與大豆蛋白可以制得性能良好的復合膜。但將CMC添加到大豆蛋白中，制備多糖-蛋白質的復合凝膠用于食品加工中的報道較少。本試驗以大豆蛋白為原料，考察不同添加量的CMC對凝膠流變性能、質構特性、持水性以及微觀結構的影響，為CMC/大豆蛋白凝膠體系的研究與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羧甲基纖維素鈉：食品級，杭州普修化工產品有限公司；

大豆蛋白：食品級，河南千志商貿有限公司；

葡萄糖酸內酯：食品級，江西新黃海醫藥食品化工有限公司。

1.2 儀器與設備

電子分析天平：FA2004A型，上海精天電子儀器有限公司；

旋轉流變儀：AR-G2型，美國TA公司；

物性測定儀：TA.XT2i型，英國Stable Micro Systems公司；

鎢燈絲掃描電子顯微鏡：JSM-6510LV型，日本電子株式會社(JEOL)；

高速臺式離心機：TGL-16B型，上海安亭科學儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 凝膠的制備 參考李向紅等[16]的方法，稱取一定量的大豆分離蛋白和CMC，加入不同質量的去離子水，使得大豆蛋白含量為5%，CMC的含量分別為0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%?；旌虾笾糜?0 ℃的水浴鍋中，攪拌加熱30 min，取出置于冰水浴中降至室溫，加入0.60%的葡萄糖酸內酯作為凝固劑，攪拌1 min使凝固劑在溶液中分散均勻，再用保鮮膜覆蓋后置于水浴鍋中80 ℃靜置加熱30 min。隨后取出燒杯，待溶液穩定冷卻到室溫后置于4 ℃冰箱中保存備用。

1.3.2 流變特性的測定 根據文獻[17]修改后如下：

(1) 動態黏彈性測定：設置掃描應變值為1%，振蕩頻率設定從0.1～10 Hz，保留時間300 s，在25 ℃下觀察不同樣品的儲能模量G′、損耗模量G″的變化情況。

(2) 動態溫度掃描測定：設置溫度掃描范圍25～80 ℃，每分鐘降溫2 ℃，固定振蕩頻率1 Hz，保留時間300 s，觀察不同樣品的儲能模量G′與損耗角正切tanδ隨溫度的變化情況。

(3) 動態時間掃描測定：設置溫度30 ℃，固定振蕩頻率1 rad/s，掃描應變1%，保留時間300 s，觀察不同樣品的儲能模量G′、損耗角正切tanδ在1 h內的變化。

1.3.3 持水性的測定 將凝膠切成大小 3 mm×3 mm×3 mm，體積均一的小塊，加入到離心管中進行持水性測定，離心條件為：在室溫下， 5 000 r/min 離心20 min，每個樣品測量3次取平均值。通過式(1)計算持水性：

(1)

式中：

WHC——凝膠的持水性，g/g；

W0——50 mL空離心管的質量，g；

W1——離心后去除上層水之后的離心管重量，g；

W2——稱量前總質量，g。

1.3.4 質構的測定 參考金郁蔥[18]的方法制備凝膠樣品，靜置12 h，采用TA.XT2i型物性測定儀對樣品進行質地剖面分析(TPA)測試。測定條件為：探頭P/0.5；測前速度1.00 mm/s；測試速率1.00 mm/s；返回速度1.00 mm/s；觸發力5.0 g；壓縮形變程度20%。

1.3.5 微觀結構的觀察 采用掃描電子顯微鏡(SEM)對所制備的樣品進行微觀結構的觀察。進行電鏡掃描前，將制備好的凝膠樣品進行真空冷凍干燥，方便獲得更清晰的圖片。處理步驟：將制備好的凝膠放置在冰箱冷凍24 h，再進行冷凍干燥24 h。制備好的樣品固定在樣品臺上，經離子濺射儀噴金后，在15 kV的電壓和2 000放大倍率下進行掃描電鏡的觀察，選擇有代表性并且清晰的視野進行拍攝記錄。

1.4 數據處理

使用SPSS 18.0、Microcal Origin 9.0軟件進行圖表的繪制和數據的處理，數據結果用“平均值±標準差(Mean ± S.E)”表示，使用LSD法(P<0.05)比較平均值之間的差異性。

2 結果與分析

2.1 CMC對大豆蛋白凝膠流變特性的影響

2.1.1 動態黏彈性流變特性 凝膠體系的動態黏彈性質實際上可以反映出物質的三維空間網絡結構，其中儲能模量又稱為彈性模量反映了材料的彈性大小，損耗模量又稱黏性模量反映了材料的黏性大小[19]。損耗角正切是損耗模量G″同儲能模量G′的比值，損耗角正切越大則體系表現出更明顯的流體特征，黏性越大，損耗角正切越小則體系表現出更明顯的固體特征，彈性越大。由圖1可知，隨著CMC添加量的增大，大豆蛋白凝膠體系的儲能模量G′逐漸上升，且在不同角頻率下，添加了CMC的凝膠體系的儲能模量，均比單一大豆蛋白的大。而圖2表明隨剪切頻率的增大，體系的損耗角正切始終小于1，因此凝膠體系表現出明顯的固體特征，但隨剪切頻率的增大損耗角正切不斷上升，可能是較高的剪切頻率破壞了凝膠分子間的吸引作用。

添加CMC后的凝膠體系，其儲能模量增加可能是大豆蛋白中含有大量的氨基、羧基、羥基等基團，會同CMC糖苷上的—OH結合形成氫鍵，因此加大了凝膠的儲能模量。而張超等[14]通過紅外光譜分析，也證明了在大豆蛋白中添加CMC，會促使分子間發生交聯反應，通過氫鍵結合形成更強的凝膠。但當CMC的加入量超過0.3%后，凝膠體系的儲能模量有所下降，而損耗正切值也出現一定回升，可能是添加少量的CMC后，大豆蛋白分子會同CMC相連接，利于形成更多的孔洞以提升凝膠的彈性。姚玉靜等[20]認為大豆蛋白凝膠的強度與pH有重要關系，而添加量過多后，由于CMC是陰離子型多糖，它可能會中和葡萄糖酸內酯溶解后的H+離子，使得變性大豆蛋白質表面所帶的負電荷增多，不利于蛋白質與蛋白質、蛋白質與CMC之間的交聯結合形成空間網絡結構[21-22]。此時對凝膠體系而言由于靜電斥力導致的不利因素起主導作用，因此凝膠體系的彈性有所下降，進而引起了損耗角正切略微的上升[23]。

圖1 凝膠體系儲能模量隨角頻率變化曲線Figure 1 Curves of storage modulus with angular frequency of gel system

圖2 凝膠體系損耗角正切隨頻率變化曲線Figure 2 Curves of tanδ with frequency of gel system

2.1.2 動態時間掃描 圖3(a)和(b)可顯示大豆蛋白凝膠體系儲能模量和損耗角正切在1 h內隨時間的變化趨勢。可以看出，添加了CMC的凝膠體系在1 h的時間掃描過程中，其儲能模量與損耗角正切變化幅度較小，且在CMC添加量為0.3%時凝膠體系的儲能模量和損耗角正切變化最為平穩。根據張逸婧等[24]報道，CMC添加后大豆蛋白的二級出現明顯變化，其中α-螺旋的含量降低，β-折疊和β-轉角的含量上升。而α-螺旋主要依靠分子內氫鍵形成，β-折疊主要依靠分子間氫鍵形成[25]，因此推測在CMC添加量為0.3%時，蛋白質分子間以及蛋白質分子與CMC之間的氫鍵結合較多，此時氫鍵對凝膠形成的有利作用比CMC加入引起的靜電斥力作用更強烈，因此儲能模量達到最大值，同時損耗角正切也達到最小值，凝膠表現出更多的固體特征。但繼續增加CMC的用量，CMC引起的靜電斥力作用會起主導作用，導致凝膠的抗應變能力降低，儲能模量有所下降，損耗角正切以及其變化程度也增大。

2.1.3 動態溫度掃描 圖4(a)和(b)反映了凝膠體系在不同溫度下儲能模量和損耗正切值變化趨勢，圖5則是不同CMC添加量下凝膠體系的儲能模量峰值。圖4表明，隨著溫度的降低，凝膠的儲能模量在不斷增加，而損耗正切值也在逐漸降低。

圖3 凝膠體系儲能模量及損耗角正切隨保留時間變化曲線Figure 3 Curves of storage modulus and tanδ with time of gel systems

圖4 凝膠體系儲能模量及損耗角正切隨溫度變化曲線Figure 4 Curves of storage modulus and tanδ with temperature of gel systems

張海瑞[26]認為，大豆蛋白在加熱條件下，大豆蛋白質分子會解離、變性，分子間與分子內的氫鍵斷裂，分子內部基團被打開，此時蛋白質功能基團暴露，蛋白質分子充分展開，因此凝膠體系的彈性模量低。在降溫初期，由于溫度還較高，氫鍵不易形成，因此凝膠體系的彈性模量增加緩慢。隨著溫度的下降，可以看出彈性模量迅速增加，可能是加入的葡萄糖酸內酯，已經降低了蛋白質分子中負電荷基團間的靜電斥力，使得溫度下降后蛋白質分子內、蛋白質分子間、蛋白質分子與CMC可以迅速形成氫鍵。因此在降溫后期氫鍵的迅速形成可能導致了凝膠彈性模量的上升，以及損耗角正切的降低，此時凝膠的固體特征越來越明顯。但當溫度繼續下降，凝膠體系的彈性模量上升趨勢變緩，可能是此時凝膠體系的結構逐漸趨于穩定，分子間與分子內的氫鍵大部分已經形成，因此導致了曲線的變化速度減小。

圖5表明，添加了CMC后的凝膠體系，其儲能模量的峰值均大于未添加CMC的單一大豆蛋白凝膠體系，且當CMC添加量達到0.3%時凝膠體系的儲能模量達到峰值。研究[27]表明，大豆蛋白凝膠形成的主要作用力為疏水相互作用和氫鍵，凝膠結構的維持則主要靠二硫鍵和氫鍵的作用。而CMC的添加，加強了凝膠體系中的氫鍵[13]，因此隨著CMC的用量增加體系的儲能模量峰值不斷上升。但熊振[28]指出多糖與蛋白質的凝膠過程還會受到體系中電荷數目的影響，當添加過多的CMC后，由于體系中負電荷數目的增多，陰離子多糖與蛋白質之間的靜電斥力逐漸加大，使凝膠的形成受到影響，反而降低了凝膠體系的儲能模量峰值。

圖5 凝膠體系儲能模量峰值Figure 5 The peak of the storage modulus of the gel systems

2.2 CMC對大豆蛋白凝膠持水性的影響

圖6為不同CMC添加量的大豆蛋白凝膠持水性的變化趨勢。可以看出添加適量CMC后的凝膠體系持水性有不同程度的上升，并且在CMC添加量達到0.3%時其持水性達到最大，繼續添加CMC后，凝膠體系的持水性稍有下降。譚慧[29]指出在靜壓力的作用下添加了CMC的大豆蛋白凝膠體系的持水性會顯著提升，且遠高于單一大豆蛋白的持水性。這印證了CMC-大豆蛋白復合體系的空間網絡結構更加致密，因此在壓力的作用下凝膠仍然能夠保持較好的持水性。

不同字母代表顯著性差異(P<0.05)圖6 凝膠體系持水性隨CMC添加量變化曲線Figure 6 The change of the water holding capacity of the gel system with the addition of CMC

2.3 CMC對大豆蛋白凝膠質構特性的影響

表1是添加CMC后大豆蛋白凝膠體系的質構參數，可以看出，硬度、彈性和咀嚼性在CMC添加量為0.3%時達到最大，但黏度和內聚性則在不斷上升。由表1可知，大豆蛋白單一成膠，其各方面機械強度與形變性能都較差，可能是大豆蛋白形成的單一凝膠結構簡單。金郁蔥[17]認為凝膠網絡結構中的孔隙大小和數目會對凝膠的機械性能有影響，適當的孔洞數目與孔隙大小會增加凝膠的硬度、咀嚼性和內聚性。因此推測少量CMC的加入會優化大豆蛋白的空間網絡結構，由于其與大豆蛋白的交聯作用，可能形成擁有更多更致密孔洞的凝膠結構，進而導致彈性、硬度、咀嚼性以及內聚性的增加。再繼續增加CMC的用量，可能會導致不利于形成凝膠網絡結構的因素居于主導地位，此時凝膠的網絡結構可能會劣變，這解釋了當CMC添加量超過0.3%后硬度、彈性和咀嚼性下降的原因。同時試驗發現，由于CMC的加入，在降溫凝膠后復合凝膠會有更多的水析出，這可能導致了凝膠體系的黏性物質被濃縮，因而凝膠體系的黏著性不斷上升。

表1 添加CMC后大豆蛋白凝膠體系質構參數?Table 1 Parameters of texture profile of soybean protein gel system after adding CMC

? 同列不同字母代表顯著性差異(P<0.05)。

2.4 CMC對大豆蛋白凝膠微觀結構的影響

圖7為不同CMC添加量的大豆蛋白凝膠體系在2 000倍下的掃描電鏡觀察圖。圖7(a)表明，未添加CMC的凝膠體系，其膠束表面凹凸較多，不平整光滑，凝膠結構較為簡單，形成的凝膠網絡與孔洞較少，且可以看出孔洞的孔徑較小。而圖7(b)則為0.1%添加量的觀察圖，可以看出隨CMC的加入，凝膠體系的膠束逐漸平整光滑，膠束上的凹坑和突起逐漸較少，并開始形成細小的孔洞與立體的空間結構。圖7(c)和(d)分別顯示0.2%和0.3% CMC添加量的大豆蛋白凝膠體系，可以看出凝膠的膠束表面更為光滑，突起凹坑較少，其凝膠網絡在逐漸優化，出現了更多的立體空間結構，形成了更多的凝膠多孔結構，且其孔洞孔徑也在逐漸變大。而圖7(e)顯示出，隨CMC的繼續添加，凝膠膠束雖然仍然平整光滑，但是其網絡結構中的孔洞數目有所減少，膠束之間的距離增大，使得凝膠的孔徑變大，導致部分空間間隔較大無法形成凝膠網絡。此時凝膠體系中的CMC添加量已經超過0.3%，因此推測過多的CMC加入后可能由于其所帶的負電荷過多，同蛋白質分子展開后的某些基團相互排斥，造成膠束之間的距離變大，進而導致形成的凝膠網絡結構受到影響。

圖7 不同CMC添加量的大豆蛋白凝膠體系電鏡掃描圖

Figure 7 Scanning electron microscope images of different content CMC in soybean protein gel system

3 結論

(1) CMC的加入使得大豆蛋白凝膠的流變性有所改善，其彈性、黏性等流變學特征得到了優化，凝膠體系抗應變能力也得到了提升，但加入過多的CMC后，反而會導致凝膠的流變學特性下降。

(2) 隨CMC的用量增加，大豆蛋白凝膠的硬度、彈性、黏性、咀嚼性以及持水性都得到了不同程度的改善。除黏度外這些性能在CMC添加量為0.3%時達到最大，但黏度仍然沒有出現下降的趨勢。微觀結果表明，適量CMC的添加利于凝膠體系的空間網絡形成，但添加過多則會導致凝膠網絡結構受到影響。

(3) 綜合考慮以上結果，可以看出適量添加CMC，對大豆蛋白凝膠體系有著明顯的優化作用。這種凝膠體系或許可以在肉制品、焙烤制品以及豆腐制品中發揮其功能作用。但中國關于CMC對大豆蛋白凝膠體系的研究報道較少，還需要進一步的研究以便拓寬CMC-大豆蛋白復合凝膠在食品行業中的應用。

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基金項目：中國地質科學院巖溶地質研究所基本科研業務費資助項目(編號：2015013)

作者簡介：秦愫妮(1982—)，女，中國地質科學院巖溶地質研究所助理研究員，博士。E-mail: qinsuni@karst.ac.cn

收稿日期：2017—02—04

Effect of Sodiuncarboxy methyl cellulose on the gel properties of soybean protein

(1.CollegeofFoodScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China;2.ChongqingEngineeringResearchCenterofRegionalFood,Chongqing400715,China)

In order to investigate the influence of sodiuncarboxy methyl cellulose on the gel properties of soybean protein, CMC of 0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, and 0.4% were added, respectively, to soybean protein with a mass fraction of 5%, and the change of the rheological properties, gelation and microstructure were also studied. The results showed that the dynamic viscoelasticity of the gel system changed, and the storage modulus of the gel system increased with the addition of CMC. However, the loss tangent decreased gradually with the addition of CMC. When the amount of CMC exceeded 0.3%, the storage modulus of the system decreased slightly and the loss tangent rose. With the addition of CMC, the hardness, elasticity, cohesion, water retention and chewiness of the gel increased, and these properties reached maximum when the addition of CMC was 0.3%. The microstructure showed that the addition of CMC contributed to the formation of the gel. In addition, when the amount of CMC was 0.3%, the gel has more pores with more dense structure, nevertheless, too much CMC could influence the stability of the gel network.

sodiuncarboxy methyl cellulose; soybean protein; rheological properties; quality and structure

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.012

陜西省科學技術研究與發展計劃項目(編號：2016NY-158)

文懷興(1957—)，男，陜西科技大學教授，博士。 E-mail:wenhx@sust.edu.cn

2016—11—28