影響大豆分離蛋白流動性和揚塵性的因素研究

牛祥臣，王洪彩，李順秀，李成輝，王吉龍，劉 軍

(山東禹王生態食業有限公司，山東 禹城251200)

大豆分離蛋白是采用低溫脫溶豆粕為原料提取加工的植物蛋白，其蛋白質含量在90%以上，是含有人體必需氨基酸最豐富的蛋白[1]。大豆分離蛋白具有較好的凝膠性、乳化性、起泡性、保水性等功能[2]，被廣泛用于火腿、千葉豆腐、固體飲料等產品中[3]。在實際加工過程中，蛋白的粉體特性對加工過程帶來較大影響，其中最明顯的是蛋白粉的流動性和揚塵性。

粉體流動性是指粉體在重力作用下，通過料斗或漏斗表現出的流動性，也稱為粉體干流性[4]，可以采用休止角進行評價[5]。粉體揚塵性是指粉體在自然傾倒時的飛揚程度，可以采用分散度來評價。

大豆分離蛋白的流動性直接影響粉體傾倒、粉體運輸、粉體過篩、粉體包裝等過程的效率。此外，大豆分離蛋白的流動性直接影響包裝的質量，尤其對于干混類產品，流動性好的粉體，袋與袋包裝誤差減少，均勻度高[6]。

大豆分離蛋白粉的揚塵性對加工過程的環境和人體影響較大，揚塵性過大，在加工過程中容易起塵，污染周圍環境，一旦濕度過大，就會引起微生物繁殖，進而給產品帶來風險。

本文研究大豆分離蛋白的流動性和揚塵性的影響因素，以期能夠指導大豆分離蛋白開發，滿足不同客戶的需求。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

低溫食用豆粕：山東禹王生態食業有限公司；鹽酸、液堿，均為食品級，市售。

BT-1000粉體綜合特性測定儀；F25-52F高剪切分散乳化機；HH-6數顯恒溫水浴鍋；JJ-1精密增力電動攪拌器；PHS-3C型pH計；TD5A-WS型臺式離心機；KQ-500DB型數控超聲波清洗器；SYH-200三維運動混合機；LPG-5噴霧干燥機；SN-3400掃描電鏡，日本日立公司；Rise-2012干法激光粒度儀；EMS550離子濺射鍍膜儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆分離蛋白提取工藝

萃取：稱取500 g低溫食用豆粕，按料水比1∶10分散于去離子水中，調節pH至8.5，在室溫下攪拌提取30 min，然后離心(2 400 r/min)10 min，得到一萃豆乳和一萃豆渣。一萃豆渣中加入2 kg去離子水，調節pH至8.5，再次萃取30 min，然后離心(2 400 r/min)10 min，得到二萃豆乳和豆渣。一萃豆乳和二萃豆乳合并得到混合豆乳。

酸沉：將混合豆乳pH調節至4.4～4.5，靜置15 min，3 000 r/min離心5 min，去除上清液得到蛋白凝乳。

中和：蛋白凝乳加入去離子水溶解，剪切2 min，然后調節pH至6.0～8.5，蛋白溶液質量分數根據實驗情況調整，攪拌10 min，并添加適當的消泡劑進行消泡抑泡處理。

殺菌：采用殺菌溫度140℃，殺菌時間5 s，得到殺菌后的蛋白料液。

干燥：采用離心式噴霧干燥機進行干燥，進風溫度190℃，出風溫度70℃，干燥后得到大豆分離蛋白。

1.2.2 流動性的測試

采用BT-1000粉體綜合特性測定儀測定粉體的休止角，進樣量30 g。

1.2.3 揚塵性的測試

采用BT-1000粉體綜合特性測定儀測定粉體的分散度，通過分散度的大小反映產品的揚塵性好壞，進樣量10 g。

1.2.4 粒徑的測試

采用Rise-2012測試粒徑(D50)。測試條件：分散介質為壓縮空氣，樣品折射率1.76-0.05i，介質折射率1.0。

1.2.5 掃描電鏡測試

取適量不同pH的樣品均勻粘附在掃描電鏡觀察臺上，用離子濺射鍍膜儀在蛋白表面鍍金，約15 nm厚。處理好的樣品置于樣品盒中，加速電壓為20 kV，用2 000倍的電子顯微鏡觀察蛋白表面結構。

2 結果與分析

2.1 蛋白溶液質量分數對流動性和分散度的影響

調節中和工序蛋白溶液質量分數至10%、12%、14%、16%、18%、20%，中和pH 7.5，消泡劑添加量0.2%(以蛋白粉干基質量計)，然后進行殺菌、噴霧干燥(噴嘴孔徑1.4 mm)，測定粉體的休止角及分散度，同時測定粉體粒徑，結果見圖1。

圖1 蛋白溶液質量分數對蛋白粉流動性、分散度和粒徑的影響

由圖1可知，隨著蛋白溶液質量分數的升高，大豆分離蛋白粉的休止角和分散度降低，表明蛋白粉的流動性變好，揚塵性變低，蛋白粉不容易飛揚，這有利于生產加工操作。分析其原因，主要是由于蛋白溶液質量分數升高，黏度提升，在噴霧干燥時，形成的霧滴中干物質多，形成的粉體顆粒較大。

隨著蛋白溶液質量分數的升高，粉體粒徑明顯增加，這進一步表明了蛋白溶液質量分數越高，蛋白質發生聚集作用，并且隨著蛋白溶液質量分數的增加，聚集程度越大，顆粒尺寸越大，從而粒徑變大，越不易飛揚，同時蛋白分子之間的相互靜電作用減少，造成蛋白粉的流動性變好，揚塵性變低。這與郭鳳仙[7]的研究結果一致。

因此，在保證產品其他功能性指標的前提下，蛋白溶液質量分數越高越好，對于蛋白凝膠性要求低的產品，蛋白溶液質量分數可調整到18%以上，而對凝膠性要求高的產品，蛋白溶液質量分數不宜超過14%。

2.2 中和pH對流動性和分散度的影響

調節中和pH至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，蛋白溶液質量分數12%，消泡劑添加量0.2%，然后進行殺菌和噴霧干燥(噴嘴孔徑1.4 mm)，測定粉體的休止角及分散度，結果見圖2。

圖2 中和pH對蛋白粉流動性、分散度的影響

由圖2可知，隨著中和pH的升高，大豆分離蛋白的休止角和分散度都呈升高的趨勢。中和pH從6.0升高至8.5，產品休止角從35.86°升高至47.74°，分析原因是低pH減少離子表面粗糙度，球形粒子的光滑表面能減少接觸點數，減少摩擦力。當中和pH在6.5左右時，產品休止角為40°，此時可滿足一般加工廠對于產品流動性的需求，但當pH低于7.0時，大豆分離蛋白的功能性會受到一定的影響，因此需要綜合考慮各項指標確定最適的中和pH。

選取中和pH 6.0、7.0、8.0下制備的蛋白粉進行掃描電鏡測試，結果見圖3。

圖3 不同pH的蛋白粉電鏡掃描圖譜

由圖3可知，不同pH的大豆分離蛋白粉的膨脹度不同，表面差別較大，pH越低，蛋白粉的結構越接近球形，且蛋白粉不粘連，從而造成蛋白粉的流動性較好。隨pH升高，蛋白表面結構變化明顯，出現不規則膨脹，蛋白相互粘連增多，進而流動性變小，同時揚塵度升高。

2.3 消泡劑添加量對流動性和分散度的影響

調節中和工序蛋白溶液質量分數至12%,中和pH 7.5，中和過程中分別添加0、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%的消泡劑，然后進行殺菌和噴霧干燥(噴嘴孔徑1.4 mm)，測定粉體的休止角和分散度，結果見圖4。

圖4 消泡劑添加量對蛋白粉流動性和分散度的影響

由圖4可知，隨著消泡劑添加量的增加，大豆蛋白粉的休止角逐漸升高，粉體流動性變低，分散度降低，粉體揚塵性變低。分析其原因主要是，消泡劑的主要成分是二甲基硅氧烷乳液，該成分加入中和液后，和蛋白結合，起消泡作用，同時成為了一種粘合劑，使蛋白之間粘連。另外，該物質具有一定的黏性，附著在蛋白表面，阻礙蛋白的流動性。因此，消泡劑的添加量可依據實際生產情況進行確定，對于流動性要求高的蛋白可以適當降低消泡劑的添加量，最佳狀態是不添加消泡劑，而對于低揚塵度的產品可適當添加消泡劑。

2.4 干燥噴嘴孔徑對產品流動性和分散度的影響

調節中和工序蛋白溶液質量分數至12%，中和pH 7.5，消泡劑添加量0.2%，采用孔徑1.3、1.4、1.6、1.7 mm噴嘴進行噴霧干燥，測定粉體的休止角、分散度和粒徑，結果見圖5。

圖5 噴嘴孔徑對蛋白粉流動性、分散度和粒徑的影響

由圖5可知，隨著噴嘴孔徑增加，粉體的休止角降低，流動性變好，分散度降低，揚塵性變低。噴嘴孔徑直接影響干燥后粉體粒徑，孔徑增加0.4 mm，粉體粒徑提高18%。此外，大噴嘴噴霧情況下可以有效解決由于霧化料液重疊導致的產品出現潮粉的問題。

一般生產中在滿足粉體細度要求的前提下，采用更大孔徑的噴嘴獲得的產品流動性好，揚塵性低。

2.5 抗結劑類物質對流動性和分散度的影響

目前，我國許可使用的抗結劑類物質有二氧化硅、硅鋁酸鈉、磷酸三鈣、亞鐵氰化鉀和微晶纖維素5種。本實驗采用干法混合的方法，在大豆分離蛋白粉(按1．2．1方法制備，中和過程中蛋白溶液質量分數為12%，中和pH為7.5，消泡劑添加量為0.2%，干燥時噴嘴孔徑為1.4 mm)中分別加入0、0.05%、0.10%、0.15%的二氧化硅，在三維混料機中混合3 h，然后測定休止角和分散度，結果見圖6。

圖6 二氧化硅添加量對蛋白粉流動性和分散度的影響

由圖6可知，隨二氧化硅添加量增加，粉體休止角降低明顯，流動性變好，分散度升高，粉體揚塵性明顯。二氧化硅一般作為食品工業中的抗結劑和助流劑使用。二氧化硅類助流劑附著在粉體表面，減少粉體之間的粘連，降低靜電效果，粉體之間的摩擦降低，從而使流動性變好。

一般對流動性要求高的產品，比如固體飲料類產品，可根據生產需要，添加少量二氧化硅，添加量在0.1%左右較佳。

3 結 論

控制大豆分離蛋白粉體的流動性和揚塵性可從中和工序蛋白溶液質量分數、中和pH、消泡劑添加量、干燥噴嘴孔徑、抗結劑方面進行控制。一般性的，生產流動性好、揚塵度低的大豆分離蛋白產品的較佳參數為：中和工序蛋白溶液質量分數控制在14%左右，中和pH控制在6.5左右，消泡劑添加量0.05%，噴嘴孔徑在1.6 mm左右，根據需要適當添加二氧化硅類(添加量控制在0.1%左右)的抗結劑。