不同冷却温度添加氯化镁和谷氨酰胺转氨酶对大豆全粉凝胶流变性质的影响

李 君，康 昕，蒲雪丽，崔怀田，王胜男，宋 虹，朱丹实，刘 贺

（渤海大学食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁 锦州 121013）

大豆，双子叶植物纲、豆科、大豆属的一年生草本植物，原产我国。我国大豆的集中产区在东北平原、黄淮平原、长江三角洲和江汉平原。目前，豆制品加工包括传统豆制品加工、新兴豆制品加工以及油脂制品加工[1]。

豆及其制品是高营养的植物性食品，含有丰富的优质蛋白质[2]。传统豆制品的制作过程相当繁琐，而且在生产中会产生大量的副产物，如豆渣、黄浆水等[3]，除少量用于饲料中外，大部分被丢弃。副产物处理耗能极大，会导致企业成本升高、环境污染等问题。豆渣中营养元素种类多且丰富，祝义伟等[4]研究表明，豆渣中含有丰富的营养成分，如蛋白质、膳食纤维、钾、钙、磷等，同时，豆渣也是VB1、锌、铜等营养元素的良好来源。豆渣还具有调节肠道菌群平衡、辅助治疗糖尿病等功效[5]。黄浆水中也含有蛋白质、脂肪、大豆异黄酮以及低聚糖等营养物质[6]。因此，提高大豆利用率及全大豆制品的研究已经越来越受到人们的关注。De Lima等[7]利用全豆粉喂食高脂高胆固醇的小鼠，结果表明，全豆粉可以减少BALB/c小鼠炎症和心血管疾病的危险因素。李学伟等[8]利用全大豆和脱脂大豆酿造酱油，结果表明全大豆酿造酱油在滋味、香气及色泽方面均优于脱脂大豆。全大豆制品不仅提高了产品的营养，且省掉了部分工序为企业节约了成本，同时减少对环境的污染。

全大豆产品中纤维和多糖含量过高，纤维和多糖的存在会阻碍有序网络结构的形成，影响全豆豆腐的硬度、弹性及咀嚼性[9]，有研究表明，豆渣多糖会吸附在大豆蛋白表面，隐藏部分蛋白质表面疏水区域，降低蛋白质之间的疏水作用，影响凝胶结构[10]，进而提升了产品加工的难度。因此需要通过探究全豆产品的凝胶机理从而改善口感，为消费者带来更好的体验。本研究利用氯化镁和谷氨酰胺转氨酶（glutamine transaminase，TG）诱导豆乳凝胶，通过调控温度改善大豆全粉凝胶的质构和流变特性，并探究其影响规律。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

大豆全粉 山东禹王集团；氯化镁 青海晶洁镁露科技责任有限公司；TG 泰兴市东圣生物科技有限公司。

TA-XTplus型质构仪 英国SMS公司；DHR-1型流变仪 美国TA公司；S-4800型发射扫描电镜 日本日立公司；OA21002型精密电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；DJ13R-P3型全自动家用豆浆机 九阳股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 大豆全粉凝胶的制备

参考刘昱彤[11]方法并稍作修改。将超微粉碎处理的大豆全粉和去离子水，按1∶7的料液比放入豆浆机中煮浆30 min，迅速冷却至5、15、25 ℃，制得全豆豆乳备用。取60 g全豆豆乳于100 mL玻璃容器中，分别添加0.6%、0.8%和1.0%的氯化镁以及1.2 U/g TG，快速搅拌均匀，55 ℃保温凝固1 h，然后升温至80 ℃继续凝固20 min，取出后迅速冷却，得到大豆全粉凝胶。

1.2.2 凝胶性质的测定

参考郭兴凤等[12]方法并稍作修改。将制备好的豆乳凝胶样品放置在载物台上，将分析仪探头对准样品中心。参数设置为：探头型号P/5；测试距离20 mm；接触力1 g；测试前速率、测试速率、测试后速率均为1 m/s。

1.2.3 流变性质的测定

参考吴超义等[13]及Zhao Haibo[14]等方法并稍作修改。采用流变仪测定大豆全粉凝胶形成过程中储能模量（G′）和损耗模量（G”）参数的变化。向降至不同冷却温度的全豆豆乳中添加0.8%氯化镁及1.2 U/g TG，混合均匀后迅速加至样品台上，使探头完全覆盖样品。参数设置：40 mm平行板探头；探头与样品间隙：1 000 μm；应变：1%；频率：1 Hz。温度扫描程序：以5 ℃/min的速率分别从5、15 ℃和25 ℃升温至55 ℃，在此温度下持续扫描60 min，再以5 ℃/min的速率升温至80 ℃，持续扫描20 min，测定时使用油封，确保参数在线性黏弹范围内。

1.2.4 微观结构的测定

采用S-4800场发射扫描电镜观察大豆全粉凝胶的超微结构。将豆乳凝胶切薄片，加入质量分数为2.5%的戊二醛溶液，放置在4 ℃冰箱中固定12 h后，取出样品，用pH 7.2的磷酸缓冲溶液清洗3 次，每次10 min，吸出废液。然后分别用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇溶液进行梯度脱水，每次10 min。再加入氯仿脱脂4 h。将样品冻干、喷金，在电镜下观察豆乳凝胶的超微观结构[15]。

1.3 统计分析

采用SPSS Statistics 21.0软件对凝胶的质构数据进行处理和分析；流变数据用Origin 8进行处理。

2 结果与分析

2.1 在不同冷却温度添加凝固剂对大豆全粉凝胶性质的影响

如表1所示，随冷却温度的升高，凝胶强度呈现逐渐降低的趋势，不同冷却温度对凝胶强度影响差异显著。在冷却至5 ℃时添加0.8%、1.0%氯化镁的豆乳凝胶的凝胶强度均大于其他冷却温度下诱导的凝胶，在冷却至5 ℃添加TG诱导的大豆全粉凝胶体系达到最大凝胶强度（56.23±4.55）g，而未降温处理组无法形成凝胶。大豆蛋白形成豆腐凝胶，主要是因为大豆蛋白加热变性后，暴露出疏水基团，在疏水相互作用下大豆蛋白分子相互结合，形成了豆腐凝胶[16]。有研究表明当使用氯化镁作为凝固剂时，相邻的蛋白质在盐桥的作用下靠近，经过疏水性互作用，后又形成二硫键，进一步凝结，形成蛋白质凝胶[17]。根据该结果推测，在大豆蛋白加热变性后，疏水基团暴露，此时向全豆豆乳中添加氯化镁无法形成凝胶可能是由于纤维及多糖的存在导致蛋白质无法靠盐桥作用靠近从而无法形成凝胶结构。将豆乳降温后，其凝胶强度增大，可能是豆乳冷却后，更多疏水基团暴露而，在疏水相互作用下蛋白质相互连接从而形成了凝胶，且在5 ℃时凝胶强度最大。

表1 冷却温度对大豆全粉凝胶强度的影响Table 1 Effect of cooling temperature on the strength of heat-induced gels from whole soybean flour

Wang Xufeng等[18]研究发现，镁离子能够与大豆蛋白快速结合，二者适当（足够）聚集产生更致密和更强的凝胶结构，而过度聚集使凝胶网络更粗糙。根据Wang Xufeng等[18]的研究结果推测，氯化镁添加量达到0.8%时，凝胶强度最大，而添加量达到1.0%时凝胶强度下降，表明高浓度镁离子与蛋白质结合更加迅速从而使凝胶网络变得粗糙，凝胶强度下降。石彦国等[19]研究证实了这一点，其研究发现，在添加凝固剂之前，蛋白质分子之间的静电斥力占主导地位；添加凝固剂后，蛋白质分子间的作用力达到平衡，豆浆中的蛋白质结合形成有序的网络结构；当凝固剂浓度超出一定的范围时，分子间作用力的平衡被破坏，此时静电斥力减小，蛋白质相互结合的速率加快，导致凝胶网络结构粗糙，凝胶强度降低。

结果表明，添加TG大豆全粉凝胶的凝胶强度有相似的变化趋势，在不同冷却温度下，添加0.8%氯化镁凝胶强度达到最大，且均大于同温度下无酶组的凝胶强度。Zhao Zhongkai等[20]的研究结果表明，在相同处理条件下，向甘薯蛋白中添加TG，凝胶的硬度、黏性均比未添加TG的样品有提高，其认为酶处理进一步增强了特异性肽键的共价交联从而增强了硬度等特性。Li Hongjuan等[21]认为TG可以交联αs-、β-和κ-酪蛋白并在酪蛋白胶束之间和之内产生键，是凝胶三维结构更加稳固致密，从而提高凝胶的硬度。孙英婷[22]在豆腐肠中添加TG，产品蒸煮损失降低，凝胶三维网络结构更加致密，表明TG的添加使凝胶具有更强的硬度、咀嚼性等特点。

表2 冷却温度对大豆全粉凝胶破裂距离的影响Table 2 Effect of cooling temperature on the breaking distance of heatinduced gels from whole soybean flour

凝胶破裂距离，即测试过程中凝胶体破裂时探头下移的距离，凝胶破裂距离表征凝胶的弹性[23]。表2表明在不同冷却温度下诱导凝胶的凝胶破裂距离差异显著。添加TG结果表明温度越低，凝胶破裂距离越大，凝胶弹性越大，而未进行降温处理组无法形成凝胶。根据董昳廷[24]的研究结果推测，随着冷却温度降低凝胶弹性增大的原因可能是在5 ℃氯化镁释放缓慢，释放量较少，可以与豆乳中蛋白质结合形成结构致密的凝胶网络，提高凝胶的弹性，而较高温度会使氯化镁快速释放较快，过度结合导致凝胶网络粗糙，弹性降低。

2.2 升温过程中豆乳凝胶体系G′及G”的变化

G′越大，说明样品的弹性越好，凝胶性质越好；G”是能量损失的一种度量，即反映液体部分的性质，代表黏度[25]。

图1～3分别表示从25、15 ℃以及5 ℃升温到80 ℃过程中大豆全粉凝胶体系的G′、G”和凝胶体系随时间及温度的变化情况。在升温过程，凝胶体系的G′呈现缓慢上升的趋势。在添加TG的体系中G′呈现快速上升趋势，在5 ℃及15 ℃条件下添加TG豆乳凝胶的G′明显大于未添加TG的豆乳凝胶，且温度越低，凝胶的G′越大。

图1 25 ℃加热到80 ℃条件下凝胶体系G′及G”的变化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 ℃

图2 15 ℃加热到80 ℃条件下凝胶体系G′及G”的变化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 ℃

图3 5 ℃加热到80 ℃条件下凝胶体系G′及G”的变化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 ℃

上述升温过程中，在冷却至5 ℃时添加凝固剂的豆乳凝胶的G′均大于其他其他冷却温度下诱导的凝胶。王旭峰[26]研究发现当SPI乳状液凝胶中所含聚集体逐渐增大时，其G′也逐渐增大。根据其研究结果推测，随着冷却温度的下降，诱导豆乳形成凝胶时，凝胶强度增强的原因可能是随着冷却温度下降，豆乳中聚集体逐渐增大使得G′增大。Chen Nanan等[27]对SPI聚集体大小与凝胶时间的关系进行研究表明，凝胶时间随着聚集体尺寸增加而降低。G′=G”时为凝胶点，其对应时间为凝胶时间[28]。根据Chen Nanan等[27]研究结果比较实验中在25 ℃和5 ℃两个温度下添加氯化镁和TG的凝胶时间发现，5 ℃的凝胶时间先于25 ℃，推测在5 ℃时豆乳中聚集体的尺寸大于25 ℃。

随着温度的变化，部分凝胶的G′在二次升温时产生下降趋势。赵海波[29]的实验结果表明，在保温后降温G′呈现快速上升的趋势。根据其研究结果推测，保温后二次升温豆乳凝胶体系G′呈现下降的趋势可能是一些强的离子键断裂导致。何志勇等[30]认为SPI随温度升高产生下降-上升的结果可能是因为SPI制备过程中受热形成聚集体，升温后聚集体解离导致G′下降，继续升温蛋白质开始变性内部基团暴露并相互作用形成网络结构。根据其实验结果推测，诱导豆乳形成凝胶时G′上升-下降-上升的原因可能是，在一阶段升温过程中豆乳中蛋白聚集，G′增大，继续升温导致蛋白聚集体解离致使G′迅速下降，当温度继续上升后，被包裹的基团暴露出来并经过相互作用形成了网络结构，导致又呈现上升趋势。

添加TG大豆全粉凝胶体系的G′较大，形成网络结构更加紧密交联稳定的大豆全粉凝胶，凝胶弹性提高，刘昱彤等[31]的实验结果也证明了这一点。结果表明，随着添加凝固剂时豆乳温度的降低，凝胶的G′提高，表明降低添加凝固剂时豆乳的温度有助于提高豆乳凝胶的弹性。

2.3 不同冷却温度添加凝固剂豆乳凝胶体系的微观结构

图4 不同冷却温度下添加凝固剂制备的豆乳凝胶扫描电子显微镜图像（×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)

图4 a中凝胶体系在扫描电镜下呈现不均匀聚集形态，形成的聚集体堆叠严重，有明显分布不均的孔洞存在于结构中且交联情况较差。图4b中凝胶体系在扫描电镜下呈现较为有序的网络结构，较图4a的网络结构更加明显致密，但仍存在不均一孔洞。图4c中凝胶网络结构较图4a、b致密，表明在5 ℃条件下氯化镁诱导形成的豆乳凝胶能够形成更均匀致密的网络结构，且网络结构中孔洞分布较图4a、b更为均匀。图4d较图4c的凝胶网络结构有更明显的交联性，表明TG处理能使大豆全粉凝胶形成更加规则、均匀、致密的网络结构和较小的蛋白颗粒胶束，使得形成的网络结构更稳定，有利于保留、滞纳水相，能够减弱凝胶的脱水收缩，此时的大豆全粉凝胶网络结构最紧密。

3 结 论

本研究通过质构、流变测定在不同冷却温度下添加凝固剂及TG对大豆全粉凝胶性质的比较，并通过扫描电镜测定凝胶的微观结构。凝胶质构性质的测定结果表明不同冷却温度对凝胶硬度和弹性影响差异显著，随着添加凝固剂时豆乳温度的降低，豆乳凝胶的硬度和弹性都逐渐增强。流变测试也证明在此研究中豆乳温度达到5 ℃时添加凝固剂更有利于大豆全粉凝胶的形成，在该温度下诱导全豆豆乳形成的凝胶网络结构更加致密有序。