基于豆清發酵液點漿的二次漿渣共熟生產豆腐的工藝優化

劉海宇,范 柳,趙良忠,*,鄧雅欣,謝春平,沈國祥,歐紅艷,林最奇,庾 坤,莫 鑫

(1.邵陽學院食品與化學工程學院,湖南邵陽 422000;2.豆制品加工技術湖南省應用基礎研究基地,湖南邵陽 42200;3.湖南省果蔬清潔加工工程技術研究中心,湖南邵陽 422000;4.北京康得利智能科技有限公司,北京 100074)

擁有2000多年歷史的傳統大豆制品—豆腐是大豆蛋白的高度膠凝型食品,具有極高的營養價值[1]。100 g豆腐中水分含量約70%,膳食纖維0.1 g,碳水化合物4.3 g,脂肪8.6 g,蛋白質15.7 g,熱量611.2 kJ[2-3]。Takahashi等[4]認為,豆腐具有防癌效果,并減少許多疾病發病風險如高血壓、高脂血癥、高膽固醇血癥、動脈硬化、冠狀動脈心臟病。豆腐作為高蛋白制品的營養功效致使其在國民日常膳食中起著舉足輕重的作用[5],豆腐也被稱為“植物肉”。

傳統的豆腐加工包括大豆的浸泡、研磨、豆漿的加熱、過濾、凝固和壓榨等,是一個受眾多因素影響的復雜過程[6-7]。制漿工序是豆腐生產過程中的關鍵工序。根據過濾與熱處理的先后順序不同,將豆漿制備工藝分為生漿工藝與熟漿工藝[8],生漿工藝是將磨好的豆糊過濾所得的豆漿加熱煮熟的一種方法;熟漿工藝是將豆糊先煮熟[9],再過濾得到豆漿的一種方法。二次漿渣共熟制漿工藝是“湘派”豆干中具有特色的制漿工藝,是后來在生產和實際應用中發展起來的熟漿工藝[10]。二次漿渣共熟工藝是經三次煮漿,增加豆糊中纖維素的脹潤度,使其分子體積增大,從而減少豆漿中粗纖維含量,使豆腐口感細膩;同時二次漿渣共熟能時豆漿中蛋白質形成更穩定的交聯網狀結構,提高豆腐的持水性和產品得率。

豆清發酵液是豆腐生產過程中產生的豆清液經多菌種協同發酵生產的一種新型豆腐凝固劑,豆清液的循環利用及其發酵條件研究[11-14]是目前國內外豆制品工藝研究熱點,趙貴麗等[15]優化了豆清液的最適自然發酵條件,得到用于生產豆腐生物凝固劑的豆清發酵液,張影等[16]用利用豆清液自然發酵制備豆清發酵液凝固劑,確定了酸漿豆腐生產工藝的最佳條件,喬明武等[17]用響應曲面法優化發酵豆清液制備豆腐凝固劑,制得的豆腐質地細膩,硬度、彈性最佳,豆腐香味濃。

通過二次漿渣共熟法制備豆清發酵液豆腐,產品韌性好、保水性高,豆腐風味獨特,深受廣大消費者歡迎[18],同時也會提高豆腐蛋白質的提取率及豆漿中多糖的含量,使豆腐的品質得到了很大提升[19]。本研究采用二次漿渣共熟加工方法,以豆腐水分含量、保水性得率和蛋白質含量為評定指標,研究水豆比、煮漿溫度、煮漿時間以及豆清發酵液添加量對豆腐品質的影響,以期為提高豆腐的產量及蛋白質含量,也為豆清發酵液豆腐標準化工業生產提供有效的技術支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆 加拿大非轉基因豆(蛋白質含量38%),岳陽市萬越進出口貿易有限公司;豆清發酵液 豆制品加工技術湖南省應用基礎研究基地提供;消泡劑(食品級) 南京金鑰匙生物科技有限公司;其他試劑 均為國產分析純。

MZJJ-1 0.2噸熟漿集成 北京康得利智能科技有限公司;EL204型電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;UV-1780型紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;UDK139型凱氏定氮儀 意大利VELP公司;VELOCITY18R型臺式冷凍離心機 澳大利亞達卡米公;GZX-9140MBE型電熱鼓風干燥箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 二次漿渣共熟工藝流程

1.2.2 豆清發酵液標準的統一 取澄清的豆清液,過濾掉豆花殘渣,將加工好的豆清液加入菌液發酵,分別在不同時間條件下,測定豆清發酵液酸度、pH、蛋白酶酶活,研究出在豆清發酵液最佳酸度、pH、蛋白酶活性條件下的發酵時間。

1.2.3 豆清發酵液豆腐的制備 挑選5 kg飽滿且無霉變的大豆,清洗,添加3倍水在常溫條件下浸泡8～12 h,根據二次漿渣共熟法生產豆腐,加入一定豆清發酵液后蹲腦,壓制成型,冷卻制成豆清發酵液豆腐。

1.2.4 單因素實驗 固定水豆質量比6∶1 kg/kg、煮漿溫度105 ℃、煮漿時間6 min、豆清發酵液添加量為30%配比,以豆腐得率、蛋白質含量、水分含量以及保水性為評價指標,依次對水豆比、煮漿溫度、煮漿時間、豆清發酵液添加量進行考察,實驗水平分別選擇水豆質量比為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1 kg/kg;煮漿溫度分別為95、100、105、110、115 ℃;煮漿時間為 0、3、6、9、12 min;豆清發酵液添加量為15%、20%、25%、30%、35%。

1.2.5 響應面試驗設計 根據以上單因素實驗結果確定水豆比、煮漿溫度、煮漿時間和豆清發酵液添加量為實驗因素,選取四者較優水平,采用四因素三水平進行響應面分析。

表1 響應面實驗因素水平編碼

1.2.6 豆腐得率的測定 豆清發酵液豆腐的得率參照Cai等[20]方法進行測定。

濕豆腐得率(%)=樣品制成豆腐的濕重/大豆樣品風干重×100

1.2.7 豆腐蛋白質及水分含量的測定 蛋白質含量的測定參照GB 5009.5-2016[21];水分含量的測定參照GB 5009.3-2016[22]。

1.2.8 豆腐保水性的測定 保水性(WHC)參照 Puppo 等[23]的方法進行測定,稍加修改。精確稱取2.0000 g(精確到0. 0001 g)豆腐,放于底部有脫脂棉的 50 mL 離心管中,以1000 r/min 轉速離心10 min后稱重并記錄(W1),置于105 ℃下干燥至恒重(W0)。

式(1)

式中:WHC代表豆腐的保水性,%;W0代表干燥至恒重的質量,g。

1.3 數據處理

運用IBM SPSS Statistics 22、軟件Origin 9.0軟件以及Design-Expert 8.0進行數據處理分析,且每組實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 豆清發酵液參數標準的統一

隨著發酵時間的梯增,豆清發酵液pH逐漸下降,酸度慢慢上升(圖2),而蛋白酶酶酶活先增加后減少(圖3)。因為隨著發酵時間的增長,菌種在培養過程中產生了的大量的酸性代謝物,其在豆發酵液中大量囤積,致豆清發酵液pH的降低,酸度上升;菌種迅速生長,從而要提高大量的營養成分,即菌種會分泌出大量的蛋白酶[24],基質分解速度加快,蛋白酶酶活性隨之升高,12 h后,菌絲生長速度減緩,蛋白酶酶活性也隨之呈下降趨勢。綜上,豆清發酵液應發酵在12 h左右,其酸度、pH、蛋白酶酶活達到最佳點漿要求,本文所用豆清發酵液在酸度、pH、蛋白酶酶活均為統一的。

圖2 發酵時間對豆清發酵液pH和酸度的影響

圖3 發酵時間對豆清發酵液蛋白酶酶活的影響

2.2 水豆質量比對豆清發酵液豆腐品質的影響

隨著磨漿水豆質量比的增加,豆腐的得率、蛋白質含量呈先增加然后減少的趨勢(圖4),保水性先升后降(圖5)。因為磨漿水量較低時,豆漿中蛋白質濃度較高,而添加一定量的豆清發酵液時,豆清發酵液中氫離子和蛋白酶的含量不能完全和豆漿反應,致使蛋白質凝膠形成不完全,豆腐中三維網絡結構不致密,從而導致豆腐網絡結構鎖定的水分較低,故豆腐的水分含量和保水性較低。隨著磨漿水豆質量比的增加,豆清發酵液中氫離子和蛋白酶的含量逐漸上升,可以和豆漿反應逐漸完全,使豆腐保水性上升[25-26]。但磨漿水豆質量比超過一定范圍時,豆漿中蛋白質含量太低,從而不能形成較多的蛋白質凝膠和空間三維網絡結構,豆腐的水分含量及保水性也隨之降低。張玉靜[27]表明豆腐蛋白質含量與得率、豆腐水分含量、豆腐保水性呈極顯著正相關,與本研究相符。

圖4 水豆質量比對豆腐得率和蛋白質含量的影響

圖5 水豆質量比對豆腐水分含量和保水性的影響

2.3 煮漿溫度對豆清發酵液豆腐品質的影響

豆腐的得率及蛋白質含量隨著煮漿溫度的升高而遞增(圖6),同時其水分含量和保水性也隨之提高(圖7)。因為煮漿溫度上升,大豆蛋白分子的構象改變,從天然的β折疊狀態變為展開狀態[28],大豆蛋白的親水基團更多暴露,從而有利于大豆蛋白溶于水[29],使豆漿中的蛋白顆粒增加[30-31],豆渣中殘留的蛋白質含量減少,從而使豆腐的得率和蛋白質含量提高。溫度過高時豆腐的得率、蛋白質含量、水分含量及保水性會隨之降低,因為溫度過高會使豆漿中的蛋白質過度變性,使其導致暴露出疏水基團和其他活性基團失活,豆腐不能形成緊密的網絡凝膠結構。

圖6 煮漿溫度對豆腐得率和蛋白質含量的影響

圖7 煮漿溫度對豆腐水分含量和保水性的影響

2.4 煮漿時間對豆清發酵液豆腐品質的影響

由圖8、圖9可知,隨著煮漿時間的增加,豆腐的得率、蛋白質含量、水分含量以及保水性先增加后減少,由于隨著煮漿時間延長,蛋白質分子內部的巰基和疏水性基團被暴露出來,這些暴露的基團之間通過二硫鍵以及疏水相互作用等形成聚集體[32],可形成凝膠三維網絡結構的變性蛋白質分子逐漸增多,使制得的豆腐凝膠的強度增大,失水率減小,得率、蛋白質含量增加,而隨著時間的增加,豆漿中蛋白質分子上的疏基發生氧化,從而使豆腐中各項指標隨之降低。

圖8 煮漿時間對豆腐得率和蛋白質含量的影響

圖9 煮漿時間對豆腐水分含量和保水性的影響

2.5 豆清發酵液添加量對豆清發酵液豆腐品質的影響

如圖10、圖11所示,隨著豆清發酵液添加量的增多,豆腐各項指標先增加后減少,且呈現顯著性相關,由圖可知,添加量達到25%時,豆腐的得率、蛋白質含量、水分含量及保水性均為最高,因為豆清發酵液中有機酸主要為乳酸,其產生的H+使豆漿的pH下降,弱酸性的蛋白質負離子易獲取這種H+,使蛋白質表明帶電量降低而呈電中性,形成致密、有序和穩定的三維蛋白網絡結構,構成了宏觀豆腐凝膠[33],即豆腐的各項指標隨之增加,而隨著添加量的繼續增加,豆腐各項指標隨之下降,這是因為隨著H+濃度的增大,會破環豆漿中蛋白質分子之間的平衡力,豆腐的膠凝三維網絡結構變的松散[34]。

圖1 二次漿渣共熟工藝流程圖

圖10 豆清發酵液對豆腐得率和蛋白質含量的影響

圖11 豆清發酵液對豆腐水分含量和保水性的影響

2.6 二次漿渣共熟工藝響應面優化試驗結果

2.6.1 響應面實驗結果及分析 響應面實驗結果見表2,通過 Design-expert 8.0軟件對數據進行多元回歸擬合,得到豆清發酵液豆腐得率(Y1)和蛋白質含量(Y2)的二次多項式回歸模型為:

表2 響應面試驗設計及結果

Y1=250.00-1.83A+6.25B-2.17C+12.58D-3.75AB-3.00AC+2.25AD+BC+6.50BD-6.00CD-25.25A2-26.13B2-23.25C2-30.87D2

式(1)

Y2=10.53-0.17A+0.45B-0.22C+1.02D+0.46AB+0.22AC-0.27AD+0.43BC-0.08BD+0.01CD-0.56A2-1.47B2-1.17C2-1.87D2

式(2)

表3 豆腐得率試驗方差分析結果

表4 豆腐蛋白質含量試驗方差分析結果

通過對兩個模型的回歸方程及方程分析可知:各因素影響豆腐得率大小依次為:D(豆清發酵液添加量)>C(煮漿溫度)>B(煮漿時間)>A(水豆質量比);影響豆腐蛋白質含量大小依次:D(豆清發酵液添加量)>C(煮漿溫度)>A(水豆質量比)>B(煮漿時間),說明D(豆清發酵液添加量)對豆腐得率、蛋白質含量的影響最大,A(水豆質量比)對豆腐得率的影響最小,而B(煮漿時間)對豆腐蛋白質含量影響最小;兩個回歸模型中,豆清發酵液添加量均起主要作用,這可能是因為豆清發酵液決定了豆腐能否凝膠成型,添加量較少時,豆漿不能充分反應,豆腐不能完全成型,而添加量過度時,會析出大量豆清液,使豆腐中有效營養物質流出,即豆腐得率、蛋白質含量隨之減少。

在回歸模型Y1中,由各偏回歸系數的顯著性檢驗結果可知,B(煮漿時間)和D(豆清發酵液添加量)之間的交互效應極顯著(P<0.01),D(豆清發酵液添加量)和C(煮漿溫度)之間的交互效應極顯著(P<0.01),而A(水豆質量比)和D(豆清發酵液添加量)之間的交互效應不顯著(P>0.05),B(煮漿時間)和C(煮漿溫度)之間的交互效應不顯著(P>0.05)。在回歸模型Y2中,A(水豆質量比)和D(豆清發酵液添加量)之間的交互效應極顯著(P<0.01),B(煮漿時間)和C(煮漿溫度)之間的交互效應極顯著(P<0.01),而B(煮漿時間)和D(豆清發酵液添加量)之間的交互效應不顯著(P>0.05),D(豆清發酵液添加量)和C(煮漿溫度)之間的交互效應不顯著(P>0.05)。

2.6.2 交互作用分析 根據上述回歸方程及回歸模型方差分析表,分別選取對兩個指標影響極顯著的因素繪出雙因子效應分析圖,如圖12、圖13。兩因素之間的影響基本呈拋物線型關系,且均有一個極大值點,變化趨勢是先增大后減小。

圖12 各兩因素交互作用對豆腐得率影響的響應曲面

圖13 各兩因素交互作用對豆腐蛋白質含量的影響的響應曲面

2.6.3 最優條件及驗證實驗 根據Design Expert 8. 0軟件提供的優化方案,可知豆腐得率最佳時最佳配比為:水豆質量比為5.9∶1 kg/kg,煮漿時間為5.79 min,煮漿溫度為105.7 ℃,豆清發酵液添加量為26.13%;蛋白質含量最佳配比為:水豆質量比為5.8∶1 kg/kg,煮漿時間為5.88 min,煮漿溫度為105.7 ℃,豆清發酵液添加量為26.23%。通過R2大小的比較以及考慮到實際操作將加工條件改為水豆質量比為6∶1 kg/kg,煮漿時間為5.8 min,煮漿溫度為106 ℃,豆清發酵液添加量為26.3%。在最佳的組合條件下重復實驗3次,最終測定的豆清發酵液豆腐得率和蛋白質含量分別為255%±3%、11.12%±0.3%吻合預測值,比實驗優化前(水豆質量比為5∶1 kg/kg,煮漿時間為5 min,煮漿溫度為105 ℃,豆清發酵液添加量為30%。)得率提高4.45%,蛋白質含量提高5.30%;與盧義伯等[35]用其他加工工藝制備的豆腐相比,本研究制備的豆腐在各項理化指標上具有明顯的優勢。說明得到的回歸模型與實際情況擬合較好,進一步驗證了該模型的可行性,具有實用價值。

3 結論

在單因素的實驗基礎上,利用響應曲面法建立二次回歸模型,得出豆清發酵液豆腐二次漿渣共熟漿工藝最佳工藝條件為水豆比為6∶1 kg/kg,煮漿時間為5.8 min,煮漿溫度為106 ℃,豆清發酵液添加量為26.3%,得率和蛋白質含量分別為255%、11.12%。通過優化二次漿渣共熟加工工藝制備豆清發酵液豆腐,可以為豆清發酵液在豆制品生產中作為一種新型的良好凝固劑的運用提供可靠的理論依據和試驗基礎,有利于擴大二次漿渣共熟工藝豆腐的生產規模,促進豆腐市場的發展,對我國豆制品發展具有重大意義。