鈣強化豆漿粉的制備及理化性質表征

唐兆怡 ，陳 沛 ，侯俊杰 ，王金梅 ※，楊曉泉

（1. 華南理工大學食品科學與工程學院,小麥和玉米國家工程研究中心,廣州 510640；2. 廣東省農業科學院農業生物基因研究中心,廣東省農作物種質資源保存與利用重點實驗室,廣州 510640；3. 廣西梧州冰泉實業股份有限公司,梧州 543000）

0 引言

豆漿作為傳統植物基飲品，含有優質的蛋白質，一直備受消費者關注。目前，相關產品形式主要包括液體豆奶和固體豆漿粉。與牛奶相比，豆漿的鈣含量相對較低，且具有令人不愉快的豆腥味。這主要是因為在脂氧合酶（lipoxygenase,LOX）的作用下，多不飽和脂肪酸氧化成其他化合物（如醛、醇、酮和呋喃等），從而導致豆腥味的產生[1]。這些問題可能嚴重限制豆漿產品的消費需求。

針對豆漿鈣含量低的問題，可以通過添加鈣進行營養強化。常見的鈣強化劑有乳酸鈣、葡萄糖酸鈣等有機鈣鹽和碳酸鈣、磷酸鈣等無機鈣鹽。目前，豆奶產品的鈣強化主要針對液體高鈣豆奶產品，在豆漿粉鈣強化方面關注較少，且主要集中于產品穩定性方面。PATHOMRUNGSIYOUNGGUL 等[2]嘗試使用乳酸鈣作為鈣強化劑，發現在熱殺菌后豆漿立即凝結。這是因為豆漿蛋白與鈣離子（Ca2+）結合使得表面電荷減少，導致膠體粒子之間的靜電排斥被部分屏蔽，空間穩定效應減弱。KAHARSO 等[3]以檸檬酸三鉀作為乳酸鈣的螯合劑，提高了鈣強化豆漿的穩定性，但顯著（P＜0.05）劣化了其感官品質。一般認為，有機鈣鹽溶解性較好，但會影響豆漿的熱穩定性。而難溶的無機鈣鹽因與蛋白間相互作用相對較弱，其對豆漿穩定性影響較小。

針對豆漿豆腥味重的問題，已有研究通過篩選LOX缺失的大豆品種來減少豆漿產品的豆腥味[4]。另外，已有學者嘗試通過改進加工工藝減少大豆產品的豆腥味問題。現有研究發現，提高熱處理溫度能夠加速LOX 失活，從而減少酶促反應生成豆腥味物質[5]。POLISELI-SCOPEL等[6]研究發現超高壓均質（ultra high pressure homogenization,UHPH）可以使蛋白質均勻地包裹在油脂表面，從而減少脂質氧化產生的豆腥味物質。然而，這些方法在減少豆腥味物質含量的同時，也損失了有益的非豆腥味物質，使得豆漿總體的風味變得寡淡，甚至可能失去其風味特征。

羥基磷灰石（hydroxyapatite,HA）是國家標準GB 1 886.332-2021 允許添加的鈣強化劑。相較于其他鈣強化劑，HA 具有更高的生物利用度與相容性，易被人體吸收而不引起排斥反應[7]。此外，HA 的六方晶系結構使其具有較大的比表面積和孔容[8]，且表面含有較多羥基和磷酸根，可能對風味物質的吸附能力較強[9]。該研究選用HA 作為鈣強化劑，通過研究鈣的添加和高壓均質處理對豆漿粉的理化性質、感官評價和揮發性風味物質組成的影響，為豆漿粉感官品質的改善提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫皮大豆由廣西梧州冰泉實業股份有限公司提供；HA購于西安瑞林生物科技有限公司；麥芽糖漿購于山東金田生物科技有限公司；其他試劑均為分析純或食品級。

1.2 儀器與設備

DM-ZF100 分離式磨漿機，佛山市樂創網絡科技有限公司；S-90B 恒速攪拌機和R502C 旋轉蒸發器，上海申勝生物技術有限公司；UH-12 試驗型高壓均質機，永聯生物科技（上海）有限公司；LPG-5 離心噴霧干燥機和1/2DW-550 高壓噴射蒸煮器，廣州市鑫奕食品機械制造有限公司；LS-POP(9)激光粒度分析儀，珠海歐美克儀器有限公司；HAAKE MARS 600 流變儀，美國Thermo公司；GCMS-QP 2010 Ultra 氣相色譜質譜聯用儀，日本島津公司；Merlin 場發射掃描電子顯微鏡，德國Zeiss 公司。

1.3 方 法

1.3.1 鈣強化豆漿粉的制備

將脫皮大豆經清水浸泡12 h 后，用85℃熱水以豆/水比為1:3（g/g）進行第一次磨漿。取第一次磨漿后的豆渣，加入其2 倍質量的水進行第二次磨漿，將兩次磨漿所得的漿液混合，過120 目濾布（孔徑0.125 mm），即為豆漿[10-11]。向豆漿中加入麥芽糖漿和HA，使豆漿粉終產品的蛋白質量分數為40%，鈣添加量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。調節豆漿pH 值至7.40，進行高壓均質處理（0、20、40、60、80 MPa）。利用高壓噴射蒸煮器進行煮漿殺菌，溫度135～140℃，壓力0.01～0.03 MPa，煮沸后保持1 min，取出冷卻至50～55℃。本試驗所用離心噴霧干燥機要求的物料最低固形物含量約為6%，但固形物含量過高的物料在噴霧干燥過程中易堵塞霧化器且分散不均勻，因此本試驗采用旋轉蒸發器將豆漿固形物含量濃縮至20%，進行噴霧干燥制備豆漿粉。進風溫度設為175℃，出風溫度為70℃。豆漿粉過50 目篩（孔徑0.28 mm）后密封包裝，干燥貯藏。

1.3.2 粉體性質

松裝密度（bulk density,g/mL）、振實密度（tapped density,g/mL）、壓縮度（compressibility index,%）和休止角（angle of repose,(°)）的測定參考PEKEL 等[12]的方法。潤濕時間（wetting time,s）和分散時間（dispersing time,s）的測定參考CHEGINI 等[13]的方法。

1.3.3 微觀形貌

參考肖志剛等[14]的方法，取適量豆漿粉，以導電雙面膠固定在樣品臺上，使用離子濺射儀對其進行噴金處理，然后將其放入樣品室，以15 kV 的電壓進行場發射掃描電子顯微鏡（field-emission scanning electron microscope,FESEM）拍照觀察。

1.3.4 豆漿粉沖調后的粒度

豆漿體積平均粒徑（volume average diameter,μm）的測定參考ZUO 等[15]的方法，將豆漿粉以粉/水比1:8（g/g）沖調后，利用激光粒度分析儀進行測定。

1.3.5 豆漿粉沖調后的剪切黏度和摩擦系數

參考羅瑋倩[16]的方法，并稍作改動。將豆漿粉以粉/水比1:4（g/g）沖調后，采用哈克流變儀進行測定。錐板探頭直徑為60 mm，間隙為0.052 mm。測定其在溫度為25℃、剪切速率為0.01～100 s-1范圍內黏度變化。采用直徑為12.7 mm 的球體和尺寸為4 mm×4 mm×15 mm的鋼條，樣品添加量為400 μL，法向應力設置為2.0 N，測定其在37℃條件下、夾帶速率為0.1～200 mm/s 范圍內的摩擦系數。

1.3.6 豆漿粉沖調后的感官評價

參考GB 18 738-2006《速溶豆粉和豆奶粉》中的感官要求，設計鈣強化豆漿粉感官評價表1。感官評價小組由10 位經過食品感官評價培訓的人員組成，男女性各5 位，年齡為20～30 歲。將豆漿粉樣品隨機編碼，進行感官評價。每次品評后漱口休息，以防評價人員感官疲勞。

表1 鈣強化豆漿粉感官評價Table 1 Sensory evaluation of calcium-fortified soymilk powder

1.3.7 揮發性風味物質的測定

參考施小迪等[17]的方法，并稍作改動。將豆漿粉以粉/水比1:4（g/g）沖調后，取5 mL 樣品置于20 mL 頂空萃取瓶中，加入磁力轉子和1 g NaCl，用密封墊迅速密封樣品瓶，置于磁力攪拌器（攪拌速度600 r/min）加熱臺上，插入固相微萃取針，45℃水浴萃取30 min 后，將固相微萃取針插入氣相色譜-質譜聯用儀（gas chromatograph-mass spectrometry,GC-MS）中進行分析。

采用DB-WAX 色譜柱（30 m×0.25 mm,0.25 μm），進樣口溫度250℃；不分流進樣，載氣為高純度（99.999%）氦氣。質譜條件：離子源溫度230℃，電離能量70 eV，接口溫度250℃，四級桿溫度150℃，離子碎片掃描范圍30～400 m/z，溶劑延遲時間4 min。檢測到的揮發性風味物質利用質譜數據庫NIST 2011 進行檢索，選擇相似度指數（similarity index,SI）大于80（SI＞80）的鑒定結果，采用峰面積歸一化法計算其相對百分含量。

1.3.8 數據處理與分析

試驗樣品測定均獨立進行3 次及以上重復。通過SPSS 26.0 軟件進行數據的方差分析（analysis of variance,ANOVA），采用Duncan 檢驗對多組樣本間進行顯著性分析（P＜0.05）。使用OriginPro 2021 對相關圖進行繪制。

2 結果與分析

2.1 鈣添加量對豆漿粉理化性質的影響

豆漿粉的粉體性質影響輸送、包裝和儲存。由表2可知，隨著鈣添加量的增加，豆漿粉的松裝密度和振實密度顯著（P＜0.05）增大，但壓縮度無顯著差異（P＞0.05）。這可能是因為鈣的添加填補了豆漿粉間的空隙，使得粉體結構變得更緊湊，導致堆積時的孔隙率相對較小，松裝密度和振實密度增加。一般來說，流動性越好的粉體，其壓縮度和休止角越小[18]。由表2 可知，鈣的添加增加了豆漿粉間的摩擦阻力，降低了其粉體流動性。

表2 不同鈣添加量豆漿粉的理化性質Table 2 Physicochemical properties of soymilk powder with different calcium additions

當豆漿粉復溶時，需經過潤濕和分散這兩個階段。鈣的添加導致豆漿粉的潤濕和分散時間顯著（P＜0.05）增加。鈣添加量為0～2%時，潤濕時間從87 s 增加到156 s，分散時間從46 s 增加至152 s。鈣強化豆漿粉潤濕性的下降可能是因為鈣鹽的存在阻礙了其與水充分接觸。豆漿粉的粒徑影響其復溶時的潤濕和分散，從而影響消費體驗。隨著鈣添加量的增加，豆漿粉的體積平均粒徑顯著（P＜0.05）減小。這可能是因為無機鈣表面部分游離的Ca2+與豆漿中的蛋白質形成鹽橋，一定程度上破壞其水化層，限制其分子展開，在噴霧干燥過程中形成了粒徑更小的粉體顆粒

黏度和摩擦系數是反映豆漿的口感及穩定性的重要指標。由圖1a 可知，鈣強化豆漿粉復溶后具有剪切變稀特性，即黏度隨剪切速率增加而降低，且隨著鈣添加量的增加，其黏度上升，說明鈣與豆漿中蛋白質發生了一定的相互作用[19]。鈣強化豆漿在人體口腔中的感知可通過測定其摩擦學特性進行預測[20]。鈣強化豆漿的摩擦系數在夾帶速度0.1～200 mm/s 區間內基本符合Stribeck 曲線（圖1b），能根據滑動速度區分為邊界摩擦、混合摩擦和流體摩擦3 種主要摩擦類型，不同類型間的轉變取決于潤滑物質的表面粗糙度和彈性[21]。在整個摩擦測試區間內，摩擦系數隨著鈣添加量的增加而增加，這可能與豆漿的口感感知改變有一定關系。鑒于以上結果，選取1.5%鈣的添加量進行后續研究。

圖1 不同鈣添加量豆漿的剪切黏度和摩擦曲線Fig.1 Shear viscosity and friction curves of soymilk with different calcium additions

2.2 均質壓力對鈣強化豆漿粉理化性質的影響

該研究進一步探究了高壓均質對鈣強化豆漿粉理化性質的影響。由表3 可知，固定鈣添加量為1.5%，隨著均質壓力的增加，松裝密度先逐漸增大后略有減小。低壓均質（≤60 MPa）使豆漿粉微粒的密度變大，而高壓均質（80 MPa）使其密度變小。休止角的變小說明，低壓均質能改善其流動性，而高壓均質則相反。低壓均質可使豆漿粉的潤濕和分散時間顯著（P＜0.05）減小，沖調后豆漿粒子的粒徑逐漸變小。在均質過程中，豆漿經過強烈剪切、高速撞擊和氣穴作用[22]，大顆粒物質被破碎成小顆粒，有利于其與水充分接觸，從而減少潤濕和分散時間。但是隨著均質壓力繼續增加至80 MPa，更大的剪切力使得豆漿粒子間界面的崩塌率增加，豆漿粒子凝聚的頻率增加，從而更容易出現團簇，導致其粒徑增大，使得水分難以滲入其內部以浸潤粉末。

表3 不同均質壓力鈣強化豆漿粉的理化性質Table 3 Physicochemical properties of different homogenization pressure calcium-fortified soymilk powders

由圖2 可知，隨著均質壓力增加到20 MPa 以上，鈣強化豆漿的黏度和摩擦系數明顯下降。這可能意味著較高的均質壓力帶來更順滑口感的同時，可能使豆漿的稠厚感減弱。結合圖1 可知，在實際生產中可以綜合考慮調整鈣添加量與均質壓力來平衡鈣強化豆漿粉的口感。

圖2 不同均質壓力鈣強化豆漿的剪切黏度和摩擦曲線Fig.2 Shear viscosity and friction curves of calcium-fortified soymilk with different homogenization pressures

2.3 鈣強化豆漿粉的微觀形貌

圖3 為豆漿粉的掃描電鏡圖。未均質豆漿粉顆粒呈皺縮狀，這可能是因為在噴霧干燥過程中，粒徑較小的蛋白質微粒可以遷移到液滴表面，而粒徑較大的蛋白質微粒可能無法完全遷移到液滴表面。因此，當水分瞬間蒸發時，位于液滴表面的蛋白質將形成蛋白膜，但其剛性不足以撐起整個顆粒結構[23]，所以表現為皺縮狀態。鈣的添加對豆漿粉顆粒的微觀形貌基本無影響。隨著均質壓力的增加，豆漿粉顆粒的形貌逐漸接近球體，皺縮現象減少，這可能是因為均質減小了豆漿脂肪球的大小，有利于其緊密地與蛋白相互作用，在噴霧干燥時形成更為穩固的凝膠網絡結構[24]。當壓力繼續增加到80 MPa時，其球體形貌略有破裂，這可能是因為過高的均質壓力使得豆漿微粒破碎，形成的豆漿粒子為達到熱力學穩定而傾向于凝聚[25]，這與豆漿粒徑結果相一致（表3）。然而，豆漿微粒間新形成的界面穩定性較差，崩塌頻率增大，使其形貌產生破損。

圖3 不同豆漿粉的掃描電鏡圖Fig.3 Scanning electron micrographs of different soymilk powders

2.4 鈣強化豆漿粉的感官評價

不同豆漿粉的感官評價結果如表4 所示。未均質豆漿粉色澤和風味、順滑度和稠厚感欠佳，感官評分最低。經過加鈣和20 MPa 均質后的豆漿，感官指標方面都有了顯著（P＜0.05）改善，感官評分最高。鈣的添加使得豆漿的口感變得更加稠厚，與豆漿黏度和摩擦系數變化結果基本一致（圖1）。值得注意的是，豆漿經過均質處理后，風味評分均顯著提高，且鈣強化豆漿粉的改善更為突出。HA 的加入可能吸附更多的風味物質[8]，可以減少加工過程中豆漿風味物質的損失，使得鈣強化豆漿粉極大地保留了豆香味物質。同時，均質產生的剪切、撞擊改變了脂肪球的微結構，使一些風味物質結構發生分解、氧化或酯化等反應，生成更易揮發的醇類、酯類或其他物質[26-27]，減少豆腥味物質的生成。此外，相比于20 MPa 均質的鈣強化豆漿粉，80 MPa 均質使其潤濕和分散時間顯著（P＜0.05）增加（表3），溶解性欠佳，導致順滑度和稠厚感的評分降低。

表4 不同豆漿粉的感官評價Table 4 Sensory evaluation of different soymilk powders

2.5 鈣強化豆漿粉的揮發性風味物質

本研究采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用（headspace-solid phase microextraction-gas chromatographymass spectrometry,HS-SPME-GC-MS）技術分析豆漿粉的揮發性風味物質組成。表5 為豆漿粉的揮發性風味物質種類數量及相對含量，共檢測出41 種揮發性風味物質，其中醛類13 種、醇類11 種、酮類7 種、烴類3 種、酯類4 種、其他類3 種，與GIRI 等[28]、POLISELI-SCOPEL等[6]研究基本一致。未加鈣豆漿總揮發性風味物質種類數量不超過26 種，且經均質之后總揮發性風味物質種類數量有所減少，其中醛類物質的相對含量顯著（P＜0.05）減小，而醇類、酮類和酯類物質的相對含量顯著（P＜0.05）增加，與感官評價中的風味分析相一致（表4）。HA 的加入使豆漿粉的總揮發性風味物質數量有所增加，且均質處理后總揮發性風味物質高達35 種。

表5 不同豆漿的揮發性風味物質種類數量及相對含量Table 5 Quantities and relative contents of volatile flavor compounds in different soymilk

LV 等[29]采用動態頂空稀釋分析法氣相色譜-嗅聞-質譜（dynamic headspace dilution analysis-gas chromatographyolfactometry-mass spectrometry,DHDA-GC-O-MS）確定標準豆乳中的關鍵性風味物質有8 種，其中豆腥味物質：正己醛、反-2-己烯醛、1-辛烯-3-醇、1-己醇、反,反-2,4-癸二烯醛，共5 種；非豆腥味物質：正壬醛、反-2-辛烯醛、反-2-壬烯醛，共3 種。總體而言，鈣的添加和20 MPa均質可以顯著（P＜0.05）降低關鍵性豆腥味物質含量（主要為正己醛），同時更好地保留關鍵性非豆腥味物質（主要為正壬醛、反-2-辛烯醛、反-2-壬烯醛），與感官評分中的風味結果相一致（表4）。

正己醛是豆腥味的主要成分，具有青草氣味且在水中的閾值極低（4.5 μg/L）[30]。由表6 可知，經20 MPa均質后的豆漿，正己醛含量顯著性下降，當均質壓力上升至80 MPa 時，其含量略有上升。這可能是因為正己醛能與大豆蛋白發生疏水結合[31]，而20 MPa 均質可以降低豆漿粒徑（表3），增大其比表面積，使正己醛與大豆蛋白間更容易接觸并結合，降低正己醛的揮發性，檢測到的含量降低[32]。然而，80 MPa 均質產生的過高剪切力使豆漿微粒破碎（圖3），不利于正己醛與大豆蛋白結合，檢測到的正己醛含量升高。本研究中反-2-己烯醛和1-辛烯-3-醇的含量變化不顯著（P＞0.05），也未檢測到1-己醇，這與LV 等[29]研究結果不一致，可能是因為檢測方法、試驗原料和工藝流程存在差異。

表6 不同豆漿關鍵性風味物質的相對含量Table 6 Relative content of critical flavor compounds in different soymilk %

正壬醛是非豆腥味的主要成分，呈現綠菜花和柑橘味，主要由脂氧合酶1（LOX1）降解不飽和脂肪酸形成9-氫過氧化物，再經氫過氧化物裂解酶（hydroperoxide lyase,HPL）分解形成[33]。由表6 可知，其含量變化規律大致與前述的正己醛相反，這可能是因為這兩種醛類物質與大豆蛋白的結合都依靠疏水相互作用[31]，存在競爭性結合，但正壬醛碳鏈較長，空間位阻較大，與大豆蛋白的結合能力低于正己醛。均質后的豆漿蛋白粒子與正己醛較好地結合[32]，使較多的正壬醛暴露在豆漿中，檢測到的含量增加。反-2-辛烯醛呈現黃瓜味，反-2-壬烯醛呈現水果味，其變化規律與前述的正壬醛類似。

3 結論

1）鈣的添加會降低豆漿粉的流動性、潤濕和分散性，沖調后黏度和摩擦系數明顯增加，口感更為稠厚。低壓均質（≤60 MPa）改善其流動性、潤濕和分散性，粉體顆粒表面皺縮減少，豆漿黏度和摩擦系數減小，口感更為順滑；過高的壓力（80 MPa）導致豆漿粒子更易崩塌，顆粒形貌略有破損。相比于對照樣品，鈣添加量為1.5%的豆漿粉經20 MPa 均質后，在色澤、風味、順滑度、稠厚感和滋味等方面都有了顯著（P＜0.05）改善，感官評分最高。

2）未加鈣豆漿粉的總風味物質種類不超過26 種，HA 的加入使揮發性風味物質數量增加，且均質處理后風味物質數量高達35 種。20 MPa 均質處理顯著（P＜0.05）降低正己醛等關鍵性豆腥味物質檢測到的含量，且正壬醛、反-2-辛烯醛、反-2-壬烯醛等關鍵性非豆腥味物質得到較好的保留。80 MPa 均質處理使正己醛含量略有上升，而正壬醛、反-2-辛烯醛、反-2-壬烯醛含量顯著（P＜0.05）下降。