不同冷卻溫度添加氯化鎂和谷氨酰胺轉氨酶對大豆全粉凝膠流變性質的影響

李 君，康 昕，蒲雪麗，崔懷田，王勝男，宋 虹，朱丹實，劉 賀

（渤海大學食品科學與工程學院，生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧 錦州 121013）

大豆，雙子葉植物綱、豆科、大豆屬的一年生草本植物，原產我國。我國大豆的集中產區在東北平原、黃淮平原、長江三角洲和江漢平原。目前，豆制品加工包括傳統豆制品加工、新興豆制品加工以及油脂制品加工[1]。

豆及其制品是高營養的植物性食品，含有豐富的優質蛋白質[2]。傳統豆制品的制作過程相當繁瑣，而且在生產中會產生大量的副產物，如豆渣、黃漿水等[3]，除少量用于飼料中外，大部分被丟棄。副產物處理耗能極大，會導致企業成本升高、環境污染等問題。豆渣中營養元素種類多且豐富，祝義偉等[4]研究表明，豆渣中含有豐富的營養成分，如蛋白質、膳食纖維、鉀、鈣、磷等，同時，豆渣也是VB1、鋅、銅等營養元素的良好來源。豆渣還具有調節腸道菌群平衡、輔助治療糖尿病等功效[5]。黃漿水中也含有蛋白質、脂肪、大豆異黃酮以及低聚糖等營養物質[6]。因此，提高大豆利用率及全大豆制品的研究已經越來越受到人們的關注。De Lima等[7]利用全豆粉喂食高脂高膽固醇的小鼠，結果表明，全豆粉可以減少BALB/c小鼠炎癥和心血管疾病的危險因素。李學偉等[8]利用全大豆和脫脂大豆釀造醬油，結果表明全大豆釀造醬油在滋味、香氣及色澤方面均優于脫脂大豆。全大豆制品不僅提高了產品的營養，且省掉了部分工序為企業節約了成本，同時減少對環境的污染。

全大豆產品中纖維和多糖含量過高，纖維和多糖的存在會阻礙有序網絡結構的形成，影響全豆豆腐的硬度、彈性及咀嚼性[9]，有研究表明，豆渣多糖會吸附在大豆蛋白表面，隱藏部分蛋白質表面疏水區域，降低蛋白質之間的疏水作用，影響凝膠結構[10]，進而提升了產品加工的難度。因此需要通過探究全豆產品的凝膠機理從而改善口感，為消費者帶來更好的體驗。本研究利用氯化鎂和谷氨酰胺轉氨酶（glutamine transaminase，TG）誘導豆乳凝膠，通過調控溫度改善大豆全粉凝膠的質構和流變特性，并探究其影響規律。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

大豆全粉 山東禹王集團；氯化鎂 青海晶潔鎂露科技責任有限公司；TG 泰興市東圣生物科技有限公司。

TA-XTplus型質構儀 英國SMS公司；DHR-1型流變儀 美國TA公司；S-4800型發射掃描電鏡 日本日立公司；OA21002型精密電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；DJ13R-P3型全自動家用豆漿機 九陽股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 大豆全粉凝膠的制備

參考劉昱彤[11]方法并稍作修改。將超微粉碎處理的大豆全粉和去離子水，按1∶7的料液比放入豆漿機中煮漿30 min，迅速冷卻至5、15、25 ℃，制得全豆豆乳備用。取60 g全豆豆乳于100 mL玻璃容器中，分別添加0.6%、0.8%和1.0%的氯化鎂以及1.2 U/g TG，快速攪拌均勻，55 ℃保溫凝固1 h，然后升溫至80 ℃繼續凝固20 min，取出后迅速冷卻，得到大豆全粉凝膠。

1.2.2 凝膠性質的測定

參考郭興鳳等[12]方法并稍作修改。將制備好的豆乳凝膠樣品放置在載物臺上，將分析儀探頭對準樣品中心。參數設置為：探頭型號P/5；測試距離20 mm；接觸力1 g；測試前速率、測試速率、測試后速率均為1 m/s。

1.2.3 流變性質的測定

參考吳超義等[13]及Zhao Haibo[14]等方法并稍作修改。采用流變儀測定大豆全粉凝膠形成過程中儲能模量（G′）和損耗模量（G”）參數的變化。向降至不同冷卻溫度的全豆豆乳中添加0.8%氯化鎂及1.2 U/g TG，混合均勻后迅速加至樣品臺上，使探頭完全覆蓋樣品。參數設置：40 mm平行板探頭；探頭與樣品間隙：1 000 μm；應變：1%；頻率：1 Hz。溫度掃描程序：以5 ℃/min的速率分別從5、15 ℃和25 ℃升溫至55 ℃，在此溫度下持續掃描60 min，再以5 ℃/min的速率升溫至80 ℃，持續掃描20 min，測定時使用油封，確保參數在線性黏彈范圍內。

1.2.4 微觀結構的測定

采用S-4800場發射掃描電鏡觀察大豆全粉凝膠的超微結構。將豆乳凝膠切薄片，加入質量分數為2.5%的戊二醛溶液，放置在4 ℃冰箱中固定12 h后，取出樣品，用pH 7.2的磷酸緩沖溶液清洗3 次，每次10 min，吸出廢液。然后分別用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇溶液進行梯度脫水，每次10 min。再加入氯仿脫脂4 h。將樣品凍干、噴金，在電鏡下觀察豆乳凝膠的超微觀結構[15]。

1.3 統計分析

采用SPSS Statistics 21.0軟件對凝膠的質構數據進行處理和分析；流變數據用Origin 8進行處理。

2 結果與分析

2.1 在不同冷卻溫度添加凝固劑對大豆全粉凝膠性質的影響

如表1所示，隨冷卻溫度的升高，凝膠強度呈現逐漸降低的趨勢，不同冷卻溫度對凝膠強度影響差異顯著。在冷卻至5 ℃時添加0.8%、1.0%氯化鎂的豆乳凝膠的凝膠強度均大于其他冷卻溫度下誘導的凝膠，在冷卻至5 ℃添加TG誘導的大豆全粉凝膠體系達到最大凝膠強度（56.23±4.55）g，而未降溫處理組無法形成凝膠。大豆蛋白形成豆腐凝膠，主要是因為大豆蛋白加熱變性后，暴露出疏水基團，在疏水相互作用下大豆蛋白分子相互結合，形成了豆腐凝膠[16]。有研究表明當使用氯化鎂作為凝固劑時，相鄰的蛋白質在鹽橋的作用下靠近，經過疏水性互作用，后又形成二硫鍵，進一步凝結，形成蛋白質凝膠[17]。根據該結果推測，在大豆蛋白加熱變性后，疏水基團暴露，此時向全豆豆乳中添加氯化鎂無法形成凝膠可能是由于纖維及多糖的存在導致蛋白質無法靠鹽橋作用靠近從而無法形成凝膠結構。將豆乳降溫后，其凝膠強度增大，可能是豆乳冷卻后，更多疏水基團暴露而，在疏水相互作用下蛋白質相互連接從而形成了凝膠，且在5 ℃時凝膠強度最大。

表1 冷卻溫度對大豆全粉凝膠強度的影響Table 1 Effect of cooling temperature on the strength of heat-induced gels from whole soybean flour

Wang Xufeng等[18]研究發現，鎂離子能夠與大豆蛋白快速結合，二者適當（足夠）聚集產生更致密和更強的凝膠結構，而過度聚集使凝膠網絡更粗糙。根據Wang Xufeng等[18]的研究結果推測，氯化鎂添加量達到0.8%時，凝膠強度最大，而添加量達到1.0%時凝膠強度下降，表明高濃度鎂離子與蛋白質結合更加迅速從而使凝膠網絡變得粗糙，凝膠強度下降。石彥國等[19]研究證實了這一點，其研究發現，在添加凝固劑之前，蛋白質分子之間的靜電斥力占主導地位；添加凝固劑后，蛋白質分子間的作用力達到平衡，豆漿中的蛋白質結合形成有序的網絡結構；當凝固劑濃度超出一定的范圍時，分子間作用力的平衡被破壞，此時靜電斥力減小，蛋白質相互結合的速率加快，導致凝膠網絡結構粗糙，凝膠強度降低。

結果表明，添加TG大豆全粉凝膠的凝膠強度有相似的變化趨勢，在不同冷卻溫度下，添加0.8%氯化鎂凝膠強度達到最大，且均大于同溫度下無酶組的凝膠強度。Zhao Zhongkai等[20]的研究結果表明，在相同處理條件下，向甘薯蛋白中添加TG，凝膠的硬度、黏性均比未添加TG的樣品有提高，其認為酶處理進一步增強了特異性肽鍵的共價交聯從而增強了硬度等特性。Li Hongjuan等[21]認為TG可以交聯αs-、β-和κ-酪蛋白并在酪蛋白膠束之間和之內產生鍵，是凝膠三維結構更加穩固致密，從而提高凝膠的硬度。孫英婷[22]在豆腐腸中添加TG，產品蒸煮損失降低，凝膠三維網絡結構更加致密，表明TG的添加使凝膠具有更強的硬度、咀嚼性等特點。

表2 冷卻溫度對大豆全粉凝膠破裂距離的影響Table 2 Effect of cooling temperature on the breaking distance of heatinduced gels from whole soybean flour

凝膠破裂距離，即測試過程中凝膠體破裂時探頭下移的距離，凝膠破裂距離表征凝膠的彈性[23]。表2表明在不同冷卻溫度下誘導凝膠的凝膠破裂距離差異顯著。添加TG結果表明溫度越低，凝膠破裂距離越大，凝膠彈性越大，而未進行降溫處理組無法形成凝膠。根據董昳廷[24]的研究結果推測，隨著冷卻溫度降低凝膠彈性增大的原因可能是在5 ℃氯化鎂釋放緩慢，釋放量較少，可以與豆乳中蛋白質結合形成結構致密的凝膠網絡，提高凝膠的彈性，而較高溫度會使氯化鎂快速釋放較快，過度結合導致凝膠網絡粗糙，彈性降低。

2.2 升溫過程中豆乳凝膠體系G′及G”的變化

G′越大，說明樣品的彈性越好，凝膠性質越好；G”是能量損失的一種度量，即反映液體部分的性質，代表黏度[25]。

圖1～3分別表示從25、15 ℃以及5 ℃升溫到80 ℃過程中大豆全粉凝膠體系的G′、G”和凝膠體系隨時間及溫度的變化情況。在升溫過程，凝膠體系的G′呈現緩慢上升的趨勢。在添加TG的體系中G′呈現快速上升趨勢，在5 ℃及15 ℃條件下添加TG豆乳凝膠的G′明顯大于未添加TG的豆乳凝膠，且溫度越低，凝膠的G′越大。

圖1 25 ℃加熱到80 ℃條件下凝膠體系G′及G”的變化Fig. 1 Changes in storage modulus and loss modulus in heat-induced gels from whole soybean flour with increasing heating temperature from 25 to 80 ℃

圖2 15 ℃加熱到80 ℃條件下凝膠體系G′及G”的變化Fig. 2 Changes in storage modulus and loss modulus in heat-induced gels from whole soybean flour with increasing heating temperature from 15 to 80 ℃

圖3 5 ℃加熱到80 ℃條件下凝膠體系G′及G”的變化Fig. 3 Changes in storage modulus and loss modulus in heat-induced gels from whole soybean flour with increasing heating temperature from 5 to 80 ℃

上述升溫過程中，在冷卻至5 ℃時添加凝固劑的豆乳凝膠的G′均大于其他其他冷卻溫度下誘導的凝膠。王旭峰[26]研究發現當SPI乳狀液凝膠中所含聚集體逐漸增大時，其G′也逐漸增大。根據其研究結果推測，隨著冷卻溫度的下降，誘導豆乳形成凝膠時，凝膠強度增強的原因可能是隨著冷卻溫度下降，豆乳中聚集體逐漸增大使得G′增大。Chen Nanan等[27]對SPI聚集體大小與凝膠時間的關系進行研究表明，凝膠時間隨著聚集體尺寸增加而降低。G′=G”時為凝膠點，其對應時間為凝膠時間[28]。根據Chen Nanan等[27]研究結果比較實驗中在25 ℃和5 ℃兩個溫度下添加氯化鎂和TG的凝膠時間發現，5 ℃的凝膠時間先于25 ℃，推測在5 ℃時豆乳中聚集體的尺寸大于25 ℃。

隨著溫度的變化，部分凝膠的G′在二次升溫時產生下降趨勢。趙海波[29]的實驗結果表明，在保溫后降溫G′呈現快速上升的趨勢。根據其研究結果推測，保溫后二次升溫豆乳凝膠體系G′呈現下降的趨勢可能是一些強的離子鍵斷裂導致。何志勇等[30]認為SPI隨溫度升高產生下降-上升的結果可能是因為SPI制備過程中受熱形成聚集體，升溫后聚集體解離導致G′下降，繼續升溫蛋白質開始變性內部基團暴露并相互作用形成網絡結構。根據其實驗結果推測，誘導豆乳形成凝膠時G′上升-下降-上升的原因可能是，在一階段升溫過程中豆乳中蛋白聚集，G′增大，繼續升溫導致蛋白聚集體解離致使G′迅速下降，當溫度繼續上升后，被包裹的基團暴露出來并經過相互作用形成了網絡結構，導致又呈現上升趨勢。

添加TG大豆全粉凝膠體系的G′較大，形成網絡結構更加緊密交聯穩定的大豆全粉凝膠，凝膠彈性提高，劉昱彤等[31]的實驗結果也證明了這一點。結果表明，隨著添加凝固劑時豆乳溫度的降低，凝膠的G′提高，表明降低添加凝固劑時豆乳的溫度有助于提高豆乳凝膠的彈性。

2.3 不同冷卻溫度添加凝固劑豆乳凝膠體系的微觀結構

圖4 不同冷卻溫度下添加凝固劑制備的豆乳凝膠掃描電子顯微鏡圖像（×50 000）Fig. 4 SEM images of heat-induced gels from whole soybean flour with and without added TG at different cooling temperatures (× 50 000)

圖4 a中凝膠體系在掃描電鏡下呈現不均勻聚集形態，形成的聚集體堆疊嚴重，有明顯分布不均的孔洞存在于結構中且交聯情況較差。圖4b中凝膠體系在掃描電鏡下呈現較為有序的網絡結構，較圖4a的網絡結構更加明顯致密，但仍存在不均一孔洞。圖4c中凝膠網絡結構較圖4a、b致密，表明在5 ℃條件下氯化鎂誘導形成的豆乳凝膠能夠形成更均勻致密的網絡結構，且網絡結構中孔洞分布較圖4a、b更為均勻。圖4d較圖4c的凝膠網絡結構有更明顯的交聯性，表明TG處理能使大豆全粉凝膠形成更加規則、均勻、致密的網絡結構和較小的蛋白顆粒膠束，使得形成的網絡結構更穩定，有利于保留、滯納水相，能夠減弱凝膠的脫水收縮，此時的大豆全粉凝膠網絡結構最緊密。

3 結 論

本研究通過質構、流變測定在不同冷卻溫度下添加凝固劑及TG對大豆全粉凝膠性質的比較，并通過掃描電鏡測定凝膠的微觀結構。凝膠質構性質的測定結果表明不同冷卻溫度對凝膠硬度和彈性影響差異顯著，隨著添加凝固劑時豆乳溫度的降低，豆乳凝膠的硬度和彈性都逐漸增強。流變測試也證明在此研究中豆乳溫度達到5 ℃時添加凝固劑更有利于大豆全粉凝膠的形成，在該溫度下誘導全豆豆乳形成的凝膠網絡結構更加致密有序。