大豆-牛奶双蛋白益生菌酸奶配方的确定及其营养分析

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(农业部食物与营养发展研究所,北京 100081)

基于《国民营养计划(2017-2030年)》提出,开发利用我国丰富的特色农产品资源,针对不同人群的健康需求,着力发展双蛋白食物等新型营养健康食品[1]。“双蛋白工程”旨在利用全球植物蛋白、动物蛋白、海洋蛋白和新蛋白资源、运用现代高新技术促进不同来源蛋白的营养量效和精准互作配制,满足不同人群关键营养需求。优质的动物蛋白和植物蛋白不仅能够协同增强抗阻运动后的肌肉蛋白的生成,还能使动植物蛋白优势互补,发挥各自的生理调节功效,从而改善人体健康,尤其是运动员及老年人肌肉健康。

国内外对蛋白食物的研究日益重视,罗永康等[2]研究表明乳清浓缩蛋白替代10%～20%的全脂奶粉和脱脂奶粉制作酸奶,酸奶保水性增加。Unal等[3]研究表明酸奶中添加乳清蛋白能够增加血管紧张素转化酶的抑制活性。有研究发现,与单一乳清蛋白相比,大豆与牛奶混合蛋白促进运动后肌肉蛋白合成的能力增强[4]。Ren等[5]研究发现运动后的大鼠摄入大豆-牛奶混合蛋白与摄入单独某一种蛋白相比,能够维持高浓度的色氨酸及支链必需氨基酸释放。

益生菌是指对宿主发挥有益作用的活性微生物的总称,当摄入一定量时能够耐受胃液、胆汁、定植于人体肠道、生殖系统内,改善宿主微生态平衡、对人体健康起到有益作用的微生物总称。本实验中采用双歧杆菌,是一种生物反应调节剂,对人体健康具有改善胃肠道功能、免疫增强作用、降低胆固醇等多种重要的生理功能[6]。Ataiejafari[7]研究表明添加嗜酸乳杆菌和双歧杆菌研制益生菌酸奶,有利于降低高胆固醇患者的血清胆固醇水平。范金波等[8]研究证明双歧杆菌BB-2和BB-3能够促进小鼠先天性免疫力和获得性免疫力的提高。

目前,国内外主要集中于对某一种蛋白的营养功能研究,而对双蛋白食物的研究较少,且缺乏营养分析研究。本文以大豆蛋白和牛奶蛋白为主要营养基料,经保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和双歧杆菌发酵,得出双蛋白益生菌酸奶最适配方,并对其进行营养分析,为双蛋白食物的发展提供一定的科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

787IP大豆分离蛋白 杜邦公司;WPC8200乳清浓缩蛋白 HILMAR公司;全脂奶粉 食品级,安佳公司;蔗糖 食品级,舒可曼公司;5000乳糖 HILMAR公司;食品级植物油 聚龙粮油有限公司;YoFlex Advance 2.0发酵剂(由保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和双歧杆菌组成) 汉森公司;凝固型原味酸奶(共3款,编号为MY1、MY2、MY3) 市售;氢氧化钠、酚酞 分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

YP8001型电子天平 上海越平科学仪器有限公司;BT125D型分析天平 Sartorius公司;PH-070A型干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;FA25型高速剪切机 弗鲁克公司;JHG-Q54-P60型高压均质机 上海普丽盛融合机械设备有限公司;HWS-12型水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司;YT-CJ-2ND型超净工作台 北京亚泰科隆仪器技术有限公司;DHG-9075A型培养箱 上海一恒科学仪器有限公司;DV-1粘度仪 美国博勒飞公司;L-8900型全自动氨基酸分析仪 日本日立公司;Kjeltec2300型 自动定氮仪瑞典FOSS;Soxtec2050型 全自动索氏提取器瑞典FOSS。

1.2 实验方法

1.2.1 双蛋白酸奶的制备 酸奶配料→溶解→剪切乳化→高压均质→杀菌冷却→接种→发酵→后熟→双蛋白益生菌酸奶

工艺要点:双蛋白益生菌酸奶配料包括大豆分离蛋白(SPI)、乳清浓缩蛋白(WPC)、全脂奶粉(WMP)、乳糖、蔗糖、植物油、纯净水、发酵剂。高压均质压力15～20 MPa,均质温度60～70 ℃[9]均质2次。杀菌温度95 ℃,时间10 min[10],冷水浴中冷却到43～45 ℃。超净工作台中接种[11]。发酵温度42 ℃,时间4 h[12]。后熟温度4 ℃,时间24 h。

1.2.2 双蛋白配比的确定 全脂奶粉45 g、乳糖15 g、蔗糖90 g、植物油16 g、纯净水975 g、发酵剂0.095 g、大豆分离蛋白和乳清浓缩蛋白共计45 g。实验设计大豆分离蛋白和乳清浓缩蛋白的3种重量配比,分别为1∶2、1∶1、2∶1,依次编号为DY1、DY2、DY3,如表1所示。发酵温度42 ℃,发酵一定时间。发酵开始时记为0 h,发酵过程中于0、1、2、3、4、5、6、7 h取样测量样品的pH和酸度。在发酵4 h后,4 ℃后熟24 h后测定酸奶粘度。

表1 大豆分离蛋白和乳清浓缩蛋白的配比Table 1 Ratio of soy protein isolate and whey protein concentrate

1.2.3 乳糖添加量的确定 大豆分离蛋白15 g、乳清浓缩蛋白30 g、全脂奶粉45 g、蔗糖90 g、植物油16 g、纯净水975 g、发酵剂0.095 g。乳糖以配料总重量为基准分别添加0%、1%、2%(0、12、24 g),依次编号为MS0、MS1、MS2。发酵温度42 ℃,发酵一定时间。发酵开始时记为0 h,发酵过程中于0、1、2、3、4、5、6、7 h取样测量样品的pH和酸度。在发酵4 h后,4 ℃后熟24 h后测定酸奶粘度。

1.2.4 营养分析 酸奶贮藏于4 ℃冰箱中,贮藏第3 d测定营养指标,同时采集外观图。营养指标包括蛋白质含量、氨基酸含量、脂肪含量、PDCAAS。最佳配方研制的双蛋白益生菌酸奶,编号为DY。3款常见市售凝固型原味酸奶作为对照,编号为MY1、MY2、MY3。

1.2.5 检测方法

1.2.5.1 pH测定 用玻璃棒搅拌样品至均匀,样品温度恢复至室温,使用pH计测量pH[13]。

1.2.5.2 酸度测定 根据GB 5009.239-2016《食品安全国家标准食品酸度的测定》方法进行测定。0.1 mol/L的NaOH溶液滴定法[14]。

1.2.5.3 粘度测定 酸奶样品自然恢复至室温,采用粘度仪5#转子进行测定。时间30 s,扭矩为10%～100%时记录测定数据。

1.2.5.4 蛋白质含量测定 根据GB 5009.5-2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》方法进行测定。

1.2.5.5 氨基酸含量测定 根据GB 5009.124-2016《食品安全国家标准食品中氨基酸的测定》方法进行测定。

1.2.5.6 脂肪含量测定 根据GB 5009.6-2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》方法进行测定。

1.2.5.7 蛋白质消化率修正的氨基酸评分 每克食物的必需氨基酸(EAA)成分与人体EAA需要量模式相比(FAO/WHO推荐2～5岁儿童EAA需要量模式为评分标准,mg/g pro),得出氨基酸记分(AAS)。在AAS基础上考虑到食物蛋白质真消化率,以第一限制性氨基酸的AAS乘以食物蛋白质真消化率,得到蛋白质消化率修正的氨基酸评分(PDCAAS),满分为1分,当超过1时,则记为1分,本文中食物蛋白质真消化率为0.92。

食物蛋白真消化率=人体吸收氮含量/食物摄入氮含量

AAS=食物蛋白质氨基酸(mg/g pro)/(FAO/WHO)评分标准蛋白质氨基酸含量(mg/g pro)

PDCAAS=AAS×食物蛋白质真消化率

1.3 数据处理

实验结果重复3次,数据处理采用软件Graphpad Prism 7,处理方法为单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 双蛋白益生菌酸奶配方的确定

通过实验,以发酵产品的pH、酸度和粘度为判断依据,确定双蛋白益生菌酸奶最佳双蛋白配比和乳糖添加量。

2.1.1 双蛋白配比对酸奶发酵pH的影响 如图1所示,发酵过程中双蛋白益生菌酸奶pH下降。0～3 h,pH下降速度快,三者间出现明显差异。4～6 h,pH下降速度降低,DY2、DY3高于DY1。主要是因为双蛋白基料中大豆蛋白含量增加,益生菌生长速度降低,产酸能力下降。6～7 h,pH变化不大。主要是因为益生菌处于衰退期,乳酸产生速度降低,也有可能是pH降低到一定程度时对益生菌生长起到反馈抑制。总体分析,DY1与DY2、DY3相比pH下降速度快。

图1 双蛋白配比对酸奶发酵过程中pH的影响Fig.1 Effects of pH in the fermentation process of yogurt prepared by different dual protein ratio

2.1.2 双蛋白配比对酸奶发酵酸度的影响 如图2所示,0～3 h,酸度增长慢,DY1、DY2、DY3没有明显差异。3～4 h,酸度增长快。从第3 h开始,DY1、DY2、DY3间出现差异,DY1>DY2>DY3。4～7 h,酸度增长,但增长速度下降。第7 h,DY1最大,DY3最小。这同刘晓恒[15]用大豆分离蛋白或大豆浓缩蛋白替代牛乳进行发酵的研究结果相似。总体分析,DY1的酸度增长速度快于DY2、DY3。

图2 双蛋白配比对酸奶发酵过程中酸度的影响Fig.2 Effects of acidity in the fermentation process of yogurt prepared by different dual protein ratio

2.1.3 双蛋白配比对酸奶粘度的影响 如图3所示,DY2和DY3粘度大于DY1,主要因为DY2和DY3中大豆蛋白含量更高,酸奶的凝胶结构更为致密,蛋白胶束间连接作用增强,硬度增加,粘度升高。DY2、DY3没有明显差异,可能是因为大豆蛋白含量达到一定范围,酸奶粘度变化不大。

图3 双蛋白配比对酸奶粘度的影响Fig.3 Effects in viscosity of yogurt prepared by different dual protein ratio

DY1与DY2、DY3相比,在发酵过程中pH下降快,酸度增长快,后熟结束时粘度较低,均符合品质要求。因此,确定双蛋白配比为大豆蛋白∶乳清蛋白(w/w)=1∶2。

2.2 乳糖在双蛋白益生菌酸奶中添加量的确定

2.2.1 乳糖对酸奶发酵pH的影响 如图4所示,0～2 h,MS0、MS1、MS2的pH变化不大,没有明显差异。2～5 h,pH降低速度快,MS1和MS2低于MS0。5～7 h,pH下降速度降低,MS1和MS2没有明显差异。主要原因是乳糖是一种易于益生菌利用的还原性糖类,能够促进乳酸产生,因此MS1和MS2的pH下降速度略快,当乳糖添加量超过1%时pH变化不大,这同李锋[16]的观点相似,发酵豆奶中添加1%乳糖时酸奶品质较佳。

图4 乳糖添加量对酸奶发酵过程pH的影响Fig.4 Effects of pH in the fermentation process of yogurt prepared by different lactose additions

2.2.2 乳糖对酸奶发酵酸度的影响 如图5所示,0～2 h,MS0、MS1、MS2的酸度变化不大。2～5 h,MS0、MS1、MS2的酸度增长速度加快,MS1、MS2的增长速度高于MS0。主要是因为此时乳酸产生速度快。5～7 h,MS0、MS1、MS2的增长速度下降。第7 h,MS1和MS2的酸度高于MS0。总体分析,发酵过程中MS1和MS2的酸度增长速度强于MS0。

图5 乳糖添加量对酸奶发酵过程酸度的影响Fig.5 Effects of acidity in the fermentation process of yogurt prepared by different lactose additions

2.2.3 乳糖对酸奶粘度的影响 如图6所示。MS1和MS2的粘度大于MS0,MS1和MS2没有明显差异,且符合酸奶品质要求。主要是因为乳糖促进益生菌生长,有利于大豆蛋白和牛乳蛋白产生凝胶;也有可能是益生菌在发酵过程中产生胞外多糖,促进形成坚固、稳定的网络凝胶结构,因此粘度升高。

图6 乳糖添加量对酸奶粘度的影响Fig.6 Effects in viscosity of yogurt prepared by different lactose additions

MS1、MS2与MS0相比,发酵pH降低,酸度升高,粘度增加。MS1和MS2没有明显差异,出于成本考虑,1%乳糖添加量较为合适。

综上所述,双蛋白益生菌酸奶最佳配方:大豆蛋白∶乳清蛋白(w/w)=1∶2,1%乳糖添加量。以此研制的双蛋白益生菌酸奶DY和3款市售酸奶MY1、MY2、MY3的外观图如图7所示。DY乳白色、光泽明亮、无乳清析出。MY1、MY2、MY3淡黄色、略有光泽、少量乳清析出。因此,双蛋白益生菌酸奶呈现出较优的外观品质。

图7 4种酸奶的外观图Fig.7 Appearance of four kinds of yogurt

2.3 双蛋白的益生菌酸奶的营养分析

按照上述双蛋白益生菌酸奶最佳配方制备双蛋白益生菌酸奶DY与3款市售酸奶MY1、MY2、MY3进行营养成分对比。

2.3.1 基本营养成分 如表2所示,双蛋白益生菌酸奶与市售酸奶相比,蛋白质含量高,脂肪含量低。蛋白质含量和脂肪含量分别为3.89%和2.15%,与3款市售酸奶(平均值)相比,蛋白质含量高22.8%,脂肪含量低37.3%。

表2 不同酸奶的基本营养成分(%)Table 2 Basic nutrients of different yogurt(%)

2.3.2 必需氨基酸含量 如表3所示,双蛋白益生菌酸奶和市售酸奶的E/T高于联合国粮农组织/世界卫生组织(WHO/FAO)建议的40%[17]。DY的必需氨基酸总量396.8 mg/g pro高于MY1、MY2、MY3(249.1、293.4、264.5 mg/g pro),高47.5%(比平均值),色氨酸未检测。DY中亮氨酸含量最高,其次是赖氨酸,蛋氨酸/胱氨酸含量最低,高于市售酸奶70%以上。同王芳[18]的研究相似,低温酸奶中亮氨酸含量最高,蛋氨酸含量最低。

表3 4种酸奶的必需氨基酸含量Table 3 Essential amino acid content of four kinds of yogurt

2.3.3 蛋白质消化率修正的氨基酸评分 蛋白质消化率修正的氨基酸评分(PDCAAS)是一种简单、准确的蛋白质质量评价方法,对植物蛋白质及其制品是一种可行的常规营养评价方法。

如表4所示,双蛋白益生菌酸奶DY的PDCAAS为0.89,高于3款市售酸奶0.39、0.50、0.43,高70%以上。主要是因为双蛋白基料中大豆蛋白和乳清蛋白含有丰富的必需氨基酸,实现动植物蛋白互补效应,因此PDCAAS高。

表4 4种酸奶的蛋白质消化率修正的氨基酸评分Table 4 Protein digestibility-corrected amino acid score on four kinds of yogurt

3 结论

双蛋白益生菌酸奶最佳配方:大豆蛋白∶乳清蛋白(w/w)=1∶2,乳糖添加量1%。与市售酸奶(平均值)相比,蛋白质含量高22.8%,脂肪含量低37.3%,必需氨基酸总量高47.5%,蛋氨酸/胱氨酸含量高市售酸奶70%以上,PDCAAS高70%以上。双蛋白益生菌酸奶有助于提高人体健康水平,是一种值得推广的营养食品。