大豆破碎耦合蒸汽灭酶工艺优化

王修坤 吴嘉琪 崔政伟

(1. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，无锡 江苏 214122；2. 江南大学机械工程学院，无锡 江苏 214122)

大豆中蛋白质含量占比约40%，比肉类、蛋类及动物乳类的蛋白质含量普遍高出2倍，脂肪含量约为18%～22%，同时含有大量的不饱和脂肪酸。其中氨基酸成分和含量也均符合人体需求的比例[1]。豆浆是中国传统植物蛋白饮料，大豆加工为豆浆后，蛋白质游离度提高，人体更容易消化吸收[2]。

如何高效和最大程度减少豆浆腥味是控制豆浆质量的关键。豆浆生产工艺根据大豆预处理是否浸泡分为干法和湿法工艺，根据磨浆和煮沸的先后顺序分为生浆和熟浆工艺。干法工艺免除浸泡环节，能缩短生产周期，但未浸泡大豆硬度大，增加了磨浆机功耗和刀具的磨损，也不利于大豆蛋白质和其他营养成分的溶出[3]。湿法工艺是提前对大豆进行浸泡软化处理，磨浆充分，豆浆口感细腻爽滑，营养物质含量更高，缺点是延长了生产时间，增加了工业废水的排放[4-5]。生浆工艺是先过滤豆渣再煮沸豆浆，这样做出的豆浆蛋白质、多糖和磷脂的含量较熟浆工艺要高。但由于煮浆工序靠后使得豆浆带有更多豆腥味和苦涩味[6]。熟浆工艺在日本和韩国等国家运用较多，生产的豆浆口感更加细腻，豆腥味要比生浆工艺明显减少[7]。目前中国主要采用传统湿法生浆工艺，不能完全消除豆腥味，影响豆浆品质，迫切需要进行工艺的改进[8-9]。

大豆的脂肪氧化酶(lox)由大豆种皮包裹保护。在大豆种皮破碎后，lox结合水和氧气与大豆中的不饱和脂肪酸迅速反应生成主要成分为醛、醇、酮等具有豆腥味的化合物，一旦产生便难以去除[10-12]。国内外探索豆浆脱腥的方法种类多，主要包括物理法、化学法、生物工程法、风味掩盖法等[13-14]。物理化学法大多使用高温处理或添加化学物质来使lox钝化或失活，生物工程法目的是培养lox缺失的新型大豆，风味掩盖法通过添加呈味物质来掩盖部分豆腥味。要消除豆浆豆腥味，控制最初异味的产生是关键。

目前研究者普遍采用提前对大豆进行热处理来达到灭酶去腥味的目的，刘鑫等[15]采用单独对脱皮大豆进行热烫处理，但整体大豆传热慢且均匀性差，还增加了工序和废水排放；王伟华等[4]利用烘箱在180 ℃下单独加热，然后脱皮浸泡软化，磨浆过程中再用热水热烫。但处理工序多，控制参数繁多，如脱皮大豆含水量、加热和浸泡温度等。而本研究优势在于将灭酶和磨浆过程统一起来，在磨浆过程中就完成了对大豆的灭酶处理。蒸汽具有温度高，流速快的特点，灭酶迅速，同时豆浆原有风味得以保留[16]。本研究采用大豆破碎磨浆耦合蒸汽灭酶工艺，通入蒸汽可以隔绝空气切断酶反应条件，在磨浆开始时迅速升温灭酶，从而最大程度减少豆腥味气体的产生。拟通过单因素试验及响应面分析，建立lox酶活力预测模型，在满足气味感官评价较好的基础上优化工艺，以期为企业工业化快速生产无腥味豆浆提供一种改良方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原料

大豆：产地黑龙江绥化。

1.1.2 试剂

亚油酸：纯度≥99.9%，美国Sigma公司；

硼酸、四硼酸钠、吐温-20：国药集团化学试剂有限公司。

1.1.3 主要仪器和设备

全自动小型电加热蒸汽锅炉：LDR24-0.45-Z型，温州市顺达服装机械有限公司；

高速离心机：TGL-16C型，上海安亭科学仪器厂；

紫外可见光分光光度计：UV1800型，日本岛津公司；

玻璃转子流量计：LZB-10WB型，祥云流量仪器厂；

分析天平：AR1140型，奥豪斯国际贸易公司；

多功能果蔬破碎机：TM-767型，中山市海盘电器有限公司；

温度计：CENTER-309型，群特科技股份有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 豆浆的制备工艺流程

挑选、浸泡→磨浆同时通入蒸汽→过滤→豆浆基料

1.2.2 浸泡 室温下将50 g大豆按1∶3 (g/mL)豆水比浸泡(液面将大豆完全浸没)，浸泡预定时间，然后过滤掉浸泡液，用离心机甩干大豆表面的水分。

1.2.3 破碎耦合蒸汽灭酶 提前通入蒸汽(蒸汽压力0.13 MPa，蒸汽温度为107 ℃)给破碎机预热2 min，然后将浸泡好的50 g大豆按1∶6 (g/mL)豆水比加入破碎机，通入预定流速的蒸汽开始磨浆，等豆浆达到指定的温度，停止通入蒸汽，统一磨浆时间为3 min。

1.2.4 过滤 通过100目滤网过滤豆渣，挤压浆液直至没有滤液滴出，滤液为所得样品。

1.3 试验设计

1.3.1 单因素试验选择 蒸汽结束时豆浆的温度、豆浆升温速率和大豆浸泡时间为单因素试验的试验因素，以豆浆样品中lox活性以及豆浆气味感官评分为考查指标，设计破碎耦合蒸汽灭酶的单因素试验。

(1) 通入蒸汽结束时豆浆的温度：在升温速率0.37 ℃/s，大豆浸泡时间12 h的条件下，选取蒸汽结束时豆浆的温度分别为70，80，90，100 ℃，以确定最佳温度。

(2) 豆浆的升温速率：在通入蒸汽结束时豆浆的温度90 ℃，大豆浸泡时间12 h的条件下，选取豆浆的升温速率分别为0.30，0.34，0.37，0.40 ℃/s，以确定最佳升温速率。

(3) 大豆的浸泡时间：在通入蒸汽结束时豆浆的温度90 ℃，豆浆升温速率0.37 ℃/s的条件下，选取大豆的浸泡时间分别为10，12，14，16 h，以确定最佳浸泡时间。

1.3.2 响应面优化 通过单因素试验数据分析，使用Design-Expert 8.0.6软件中Box-Behnken组合设计原理来设计三因素三水平的响应面试验。以蒸汽结束时豆浆的温度、豆浆升温速率和大豆浸泡时间为响应变量，以lox活性(R1)和气味感官评分(R2)为响应值，考察这3个因素交互作用程度[17]。

1.4 对所得豆浆样品的气味感官评价

对所得豆浆进行气味感观评定，成立10人的感官评分小组，统一规定和解释评价标准。样品按排序检验法规定的编号及排列方式分别送至气味感观评定小组评分[18-19]。

表1 豆浆气味感官评价标准

1.5 脂肪氧化酶(lox)酶活检测

(1) 亚油酸底物配制：0.3 mL 吐温-20 滴入40 mL pH 9 的0.2 mol/L硼酸缓冲液中，然后向下逐滴加入0.3 mL 亚油酸，混合均匀使亚油酸充分分散在混合液中，避免产生气泡。将混合液稀释6倍，4 ℃环境下冷藏备用。

(2) 待测酶液配制：取豆浆样本置于离心管中，设置离心机分离转速8 000 r/min，离心时间15 min，结束后取离心管上清液稀释适当倍数作为待测酶液。

(3) 酶活测定步骤：使用紫外分光光度计对样品酶活进行检测，将0.2 mol/L硼酸缓冲液0.9 mL和2.0 mL亚油酸底物在1 cm光程的石英比色皿中混合均匀，加入0.1 mL 的待测酶液后合上盖子，上下振荡摇匀，放入比色槽，在波长234 nm处获得OD值随时间变化的曲线图，测定时间为3 min，扫描时间间隔为12 s，变化曲线的直线部分的斜率即为相对酶活[4]。

1.6 数据处理

各试验数据重复测定3次取平均值，采用Orign 9.0和SPSS 17.0软件进行统计和方差分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 通入蒸汽结束时的温度对豆浆指标的影响 温度是影响lox活性的主要因素，不同的温度处理，会有不同的灭酶效果，与豆浆豆腥味感官感受有直接联系。由图1可知，当通入蒸汽结束温度低于70 ℃时，lox检测的活性依然很高，豆腥味气体感觉明显；lox活性随通入蒸汽结束时温度的升高而下降明显，同时气味感官评分也得到上升，90 ℃时酶活性已经趋向于0。综合考虑，90 ℃为最优试验条件。

图1 温度对酶活性和气味感官评分的影响

Figure 1 Effect of temperature on the residual lipoxygenase activity and odor sensory evaluation

2.1.2 升温速率对豆浆指标的影响 豆浆的升温速率会影响豆浆进入预设最高温度的快慢，由于磨浆时间统一，升温速率高的豆浆会在高温阶段维持更长的时间，能对lox进行更快更持久的灭活。由图2可知，酶活在升温速率0.3 ℃/s 以前依然很高，同时所生产的豆浆依然能感受到豆腥味，感官评分较低。推测是由于灭酶不及时，豆腥味气体已经产生。豆浆升温速率在达到0.37 ℃/s时，lox酶活性下降变化放缓，继续增大蒸汽流速意义不大。而豆浆气味感官评分在升温速率达到0.37 ℃/s后基本保持一致，综合考虑，0.37 ℃/s为最优试验条件。

2.1.3 浸泡时间对豆浆指标的影响 浸泡可以让大豆组织松软，使蛋白质等其他营养物质更容易在磨浆过程中析出，同时也可以减少刀具磨损和降低功耗。但是浸泡时间过长会带来大豆营养流失，浸泡液腐败，提前促使异味产生[20]。由图3可知，浸泡10 h之前，处理结束后基本无豆腥味，在气味感官评价上差别不大。但是由于浸泡时间短，使豆浆机磨浆困难，磨浆功耗增加，同时所制豆浆不够细腻，豆渣明显增多。根据杨蕊莲[21]的研究，豆浆浸泡在10～14 h时，可以更好地软化大豆，同时保留大豆中的蛋白质。当浸泡时间超过14 h后能感受到豆腥味气体的存在，推测大豆中lox已经与水中的氧气发生反应。当浸泡时间达到16 h时，浸泡液浑浊，豆腥味明显，气味感官评分明显下降。综合考虑，12 h为最优试验条件。

图2 升温速率对酶活性和气味感官评分的影响

Figure 2 Effect of heating rates on the residual lipoxygenase activity and odor sensory evaluation

图3 浸泡时间对酶活性和气味感官评分的影响

Figure 3 Effect of time on the residual lipoxygenase activity and odor sensory evaluation

2.2 响应面法优化工艺

2.2.1 因素水平和编码设计 根据单因素试验结果确定的因素水平表见表2。

2.2.2 响应面试验设计及结果 使用Design-Expert 8.0.6对表3数据进行多元回归拟合，得到破碎耦合蒸汽灭酶优化工艺试验模型的显著性检验和方差分析，结果见表4、5。

表2 因素水平表

y=0.032-0.080A-0.014B+0.006 2C+0.014AB-0.004 3AC-0.001 5BC+0.047A2-0.000 41B2+0.000 77C2。

(1)

表3 响应面试验设计及结果

表4 酶活响应面方差分析

表5 气味感官评价响应面方差分析

y=8.04+1.14A+0.33B-0.29C-0.45AB-0.075AC-0.10BC-1.18A2-0.26B2-0.13C2。

(2)

2.2.4 响应面分析与优化 根据Design-Expert 8.0.6的响应面分析结果，建立的响应面方程三维模型图，结果见图4、5。

图4(a)、(b)比图4(c)的曲面图坡度更加陡峭，则温度和升温速率、温度和浸泡时间对lox酶活交互作用影响更显著。图5(a)、(b)比图5(c)的曲面图坡度更加陡峭，则温度和升温速率、温度和浸泡时间对气味感官评分交互作用影响更显著。

通过响应面软件优选工艺参数，同时考虑节约能源，减少加工时间的原则。优选的工艺参数为：通入蒸汽结束时温度95.34 ℃、升温速率0.37 ℃/s、浸泡时间10.53 h，气味感官评分为8.48分。此条件进行试验检测lox酶已灭活，很难感受到豆腥味，豆香味浓郁。为了试验便捷可操作，选用(96±1) ℃、0.37 ℃/s、(10.5±0.5) h的条件进行验证实验，重复3次，在此条件下，lox已经完全失活，达到与赵毅[22]在100 ℃热水单独热烫8 min的灭酶效果。同时气味感官评分为8～9，与响应面预测值相符，说明该模型能够较可靠地预测试验数据，已经达到了优化破碎耦合蒸汽灭酶制浆工艺的目的。

图4 各因素对lox酶活性的交互作用Figure 4 Response surface plots for the effectsof various conditions onlipoxygenase activity

图5 各因素对气味感官评分的交互作用Figure 5 Response surface plots for the effects of various conditions on sensoryevaluation of odor

3 结论

通过蒸汽快速加热灭酶，减少豆腥味气体产生，可生产气味感官评价好的豆浆。其最佳制浆工艺条件为通入蒸汽结束时温度(96±1) ℃、升温速率0.37 ℃/s、浸泡时间(10.5±0.5) h。在此条件下所制豆浆基料无豆腥味，充满豆浆本身浓郁豆香，同时lox已经完全失活，与模型预期效果一致，进一步证实模型的可靠性。与刘鑫等[15]先对大豆单独热水热烫处理，再进行磨浆的方法研究相比，本研究将磨浆工序和灭酶统一起来，缩短了工序流程，减少处理废水的排放，并且使用全豆制作，提高了大豆利用率。

由于不同品种大豆之间lox活性存在差异，当酶活过高或过低时，需根据实际大豆品种进行试验，以得到针对性的优化参数。