大豆蛋白轻度酶解物对营养棒储藏品质的影响

冯 魏

(杭州衡美食品科技有限公司,浙江 杭州 310026)

高蛋白营养棒通常是由蛋白质、脂类、碳水化合物和保湿剂构成,其蛋白质质量分数通常为15%～50%。高蛋白营养棒不仅营养价值高,而且能在短时间内有效为机体补充能量,具有质量轻、体积小的优点,因此被广泛用作运动食品、军事食品以及减肥人群等所需的特殊营养食品[1]。由于在储藏过程中营养棒会发生糖结晶[2]、相分离[3]、水分迁移[4]、蛋白质交联[5]和美拉德反应[6]等一系列理化反应,使营养棒硬化,风味和口感变差,从而使其市场竞争力下降,经济价值降低。

近年来,国内外学者针对高蛋白营养棒储藏品质下降的问题展开了研究。研究发现:水分迁移是导致高蛋白营养棒初期硬化的主要因素,而高蛋白营养棒储藏中后期发生硬化的主要因素是美拉德反应和蛋白质间的交联[7]。余韵等[8]研究了浓缩乳蛋白的脱钙处理对改善高蛋白营养棒质构的影响;谢琪等[9]研究了乳蛋白预涂油膜对营养棒硬化及色变的改善效果。因此,优化蛋白质的溶解性、持水性和吸油性等性质对改善高蛋白营养棒储藏期间的硬度和色泽有重要意义。由于大豆分离蛋白的必需氨基酸含量丰富,蛋白质质量分数在90%以上,不含胆固醇,且具有乳化性、凝胶性、起泡性和抑菌性等多种功能特性,因此常用于制作高蛋白营养棒,但以未经处理的大豆蛋白为原料制作的高蛋白营养棒的储藏品质相对较差。由于大豆蛋白轻度酶解产物的肽链分子构象发生变化,一些被包裹的基团可以释放出来,因此其功能特性得到提升。笔者通过中性蛋白酶和木瓜蛋白酶对大豆蛋白进行酶解改性,研究不同大豆蛋白轻度酶解产物对高大豆蛋白营养棒储藏品质的影响,为提高高蛋白营养棒的储藏稳定性提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

大豆蛋白粉,山东香驰豆业科技有限公司;麦芽糖浆、甘油、椰子油、大豆磷脂,食品级,杭州衡美食品科技有限公司;中性蛋白酶(酶活力5×104U/g),诺维信(中国)生物技术有限公司;木瓜蛋白酶(酶活力6×105U/g),广州日日香酶制剂有限公司;5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸,DTNB)、三羟甲基氨基甲烷(Tris)、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、茚三酮、氯化钾、硝酸银、硝酸等均为分析纯,中国国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

TA-XT Plus物性测试仪,英国Stable Micro Systems公司;WSC-Y自动测色色差计、ML104T电子天平,梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司;电子数显恒温水浴锅,北京六一生物科技有限公司;罗卓尼克台式水分活度仪,瑞士Rotronic公司;紫外-可见分光光度计(SP-75),上海光谱仪器有限公司;Allegra 64R Centrifuge离心机,美国Beckman Coulter公司;JY92-2D超声波乳化机,宁波新芝有限公司;SPX-150B-Z型恒温培养箱,上海博迅实业有限公司医疗设备厂。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程

大豆蛋白粉验收→酶解→冷冻干燥→杀菌→配料→总混→压制成型→冷却→切块→冷却→内包装→检验→外包装→成品入库。

1.3.2 大豆蛋白轻度酶解产物粉的制备

将100 g大豆蛋白溶解在1 900 mL去离子水中,磁力搅拌2 h,得到大豆蛋白溶液。将大豆蛋白溶液加热到55 ℃,调节溶液pH为7,均分为4组,第1组不加蛋白酶;第2组加入中性蛋白酶;第3组加木瓜蛋白酶;第4组加入混合酶,配比为m(木瓜蛋白酶)∶m(中性蛋白酶)=1∶1。每组所加酶的总酶活均为2×104U。酶解30 min后,将4组酶解液放置在沸水中使酶失活,结束酶反应。冷却酶解液,冷冻干燥后即得大豆蛋白轻度酶解产物粉。

1.3.3 高大豆蛋白营养棒的制备

以每100 g高蛋白营养棒计,4组高蛋白营养棒的配方见表1。将4组椰子油和大豆磷脂加热融化后混匀,分别加入称量好的麦芽糖浆和甘油,混匀,再分别加入称量好的未经酶解的大豆蛋白、经中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和混合酶酶解的大豆蛋白轻度酶解产物粉,混匀,将各组混合均匀的原料压制成型,温室下平衡3～4 h,切割成长条状,规格为50 g/根,经内外包装后制得高蛋白营养棒,分别编号为对照组、中性蛋白酶组、木瓜蛋白酶组和混合酶组。

表1 高蛋白营养棒的配方

1.3.4 大豆蛋白轻度酶解产物性能测定

1)溶解性:取5 g大豆蛋白轻度酶解产物样品加入到95 mL去离子水中,调节溶液pH为7,磁力搅拌30 min后离心,测定上清液中的氮质量分数,溶解性结果以氮溶解指数NSI表示,其计算公式为

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2)保水性:取5 g大豆蛋白轻度酶解产物样品加入到30 mL去离子水中,磁力搅拌至均匀,室温放置1 h后离心,测定残留物质量。

3)吸油性:取5 g大豆蛋白轻度酶解产物样品加入到15 mL大豆油中,磁力搅拌至均匀,室温放置1 h,使其充分吸油,然后离心,测定残留物质量。

4)黏度:取4.5 g大豆蛋白轻度酶解产物样品溶于去离子水,配制成质量分数为15%的样品溶液30 mL,磁力搅拌均匀,用旋转黏度仪测定样品黏度。

1.3.5 硬度测定

参照巫雨婷等[7]的方法并略作修改。样品取出后,每组样品随机取3根,室温平衡2 h后,切成15 mm×15 mm×10 mm的长方体,利用TA-XT Plus物性仪测定营养棒硬度。测试条件:探头为直径2 mm的圆柱形(P/4探头),下压速率1 mm/s,深度10 mm。样品硬度用下压过程中的最大应力来表示,每个样品取3个测量点。

1.3.6 色差测定

样品取出后,每组样品随机取3根,室温平衡2 h后,随机均匀选取营养棒表面20个点,使用WSC-Y自动测色色差计测定色差。将选取好的样点紧扣在矫正后的色差计镜口上,测定样品的L*、a*和b*值,取各颜色指标的平均值。

1.3.7 水分活度测定

参照谢琪等[9]的方法,利用罗卓尼克台式水分活度仪测定高蛋白营养棒的水分活度。

1.3.8 游离巯基测定

采用Ellman试剂法并略作修改[10]。从4组高蛋白营养棒中随机各取3根,室温下调节2 h,取1 g样品与50 mL Tris-Gly缓冲液混合,待样品完全溶解,取1 mL样液加入50 μL DTNB试剂和4 mL Tris-Gly缓冲液,25 ℃下避光振动混合1 h,离心后取上清液,在412 nm波长下测定上清液的吸光值。以DTNB试剂作为空白对照,吸光值记为A0。初始样品的吸光值A1,储藏5 d测定一次营养棒样品上清液的吸光值AX。游离巯基保留率的计算公式为

(2)

1.3.9 感官评定

参考Promluck等[11]的方法并略作修改。邀请20位有经验的感官评定人员组成评定小组,评定人员通过视觉、嗅觉、触觉和味觉等感觉对样品营养棒的组织形态、色泽、风味、口感和黏度等相关参数进行评定,营养棒感官评价标准见表2。

表2 营养棒感官评价标准

1.4 数据处理

实验采取完全随机方式,重复3次,数据分析与结果绘制采用Origin8.0软件,数据结果以平均值±标准差表示,显著性水平设置为P<0.05。

2 结果分析

2.1 大豆蛋白轻度酶解产物功能性分析

大豆蛋白酶解产物的功能特性对高蛋白营养棒的储藏品质有较大影响。用溶解度、保水率、吸油性和黏度表征大豆蛋白轻度酶解产物的功能特性,结果如表3所示。不同大豆蛋白酶解产物在保水性、吸油性和黏度方面表现出相似的趋势,其大小顺序均为木瓜蛋白酶组>中性蛋白酶组>混合酶组>对照组,酶解组与对照组结果存在显著差异(P<0.05)。溶解性的大小顺序为中性蛋白酶组>木瓜蛋白酶组>混合酶组>对照组,这是因为大豆蛋白酶解后肽链断开生成的多肽和寡肽使胺基和羟基等亲水基团暴露,所以溶解性增加[12]。轻度酶解使大豆蛋白的亲水基团大量外露,保水率升高,但进一步酶解会使分子间氢键和二硫键断开,从而破坏蛋白质的网状结构,使保水率降低[13]。溶解度和保水率测定结果表明酶解30 min时木瓜蛋白酶酶解大豆蛋白的程度低于中性蛋白酶;黏度和吸油性测定结果也可以用上述推论解释。

表3 不同大豆蛋白轻度酶解产物的功能特性

2.2 硬度变化

硬度直接影响高蛋白营养棒的口感,是鉴定营养棒品质的重要指标,可以用发生一定形变时的最大应力来表示。由不同大豆蛋白轻度酶解产物所制作的高蛋白营养棒在储藏期内硬度变化如图1所示,图中纵坐标中的h为硬度值,4组营养棒硬度均呈上升趋势,对照组营养棒的硬度显著高于中性蛋白酶组、木瓜蛋白酶组和混合酶组(P<0.05),在储藏初期第5天和后期第30天时各组营养棒硬度都大幅增加,酶解组的硬度值显著低于对照组(P<0.05),这是由于酶解产物的溶解度较高,可以更均匀分散在基质中。在储藏中期硬度变化相对平缓,这是由于储藏初期水分子营养棒表面迁移到内部并与蛋白质结合,使蛋白质颗粒增大,硬度增加。储藏中期主要发生美拉德反应,故硬度变化较为平缓,而储藏后期发生蛋白质分子之间的交联,使硬度迅速增加[14-15]。大豆蛋白轻度酶解产物由于保水性更好,可以锁住更多水分,阻碍美拉德反应和蛋白质分子交联,从而降低硬化程度。

图1 营养棒在储藏期间的硬度变化

由图1可知:酶解大豆蛋白产物可以有效改善营养棒的硬度,尤其是在硬化初期和后期。混合蛋白酶轻度酶解处理效果最好,使酶解产物的溶解度和保水性达到了一个较好的平衡。

2.3 颜色变化

色泽是营养棒品质的重要感官指标,直接影响消费者对产品的接受度。高蛋白营养棒的亮度L*、红绿值a*和黄蓝值b*可以准确反映不同储藏阶段的色泽情况,不同大豆蛋白轻度酶解产物所制营养棒的颜色变化见表4。由表4可知:酶解组的色泽保持情况优于对照组,随着储藏时间的增加,4组高蛋白营养棒L*逐渐下降,混合酶组的L*显著高于其他组(P<0.05)。L*降低代表颜色逐渐变深,这是由于营养棒体系中的麦芽糖与氨基酸、多肽及大豆蛋白发生了美拉德反应生成类黑素物质使体系色泽逐渐加深。酶解组的L*的下降幅度显著低于对照组,这可能是由于酶解作用使大豆蛋白肽链断裂,亲水基团大量暴露使得水分子在酶解产物表面形成一层水膜,使氨基酸分子与麦芽糖之间形成空间位阻,大豆蛋白轻度酶解产物由于疏水基团的暴露吸油性增加进一步增大了空间位阻,从而阻碍了美拉德反应的发生。a*和b*呈上升趋势,且均为对照组>中性蛋白酶组>木瓜蛋白酶组>混合酶组,这表明随着时间的增加,4组营养棒的颜色逐渐由红变黄,但趋势趋于平缓。这主要由于美拉德反应初期有黄色产物生成,而反应后期生成的类黑素产生了掩盖作用。酶解组a*和b*的变化显著低于对照组,这也进一步说明了大豆蛋白轻度酶解产物可以阻碍美拉德反应的发生,从而使营养棒的色泽得到改善。

表4 不同大豆蛋白轻度酶解产物所制营养棒的颜色变化

2.4 水分活度

水分活度反映了营养棒的持水力,水分活度越小则持水力也越小,营养棒的持水力直接影响其口感、硬度和货架期。4组营养棒储藏期间水分活度变化如图2所示,4组营养棒的水分活度为0.55～0.65,且呈现先下降再升高后下降的趋势。低水分活度可抑制营养棒体系中微生物的生长和繁殖,有利于保藏。水分活度在第5天都有所下降,这是由于营养棒表面水分质量分数高于内部水分质量分数,在储藏初期水分向蛋白质内部迁移,并与蛋白质结合,导致游离水减少,水分活度下降[16-17]。而在储藏中期由于发生美拉德反应产生水分,从而使水分活度增加。储藏后期营养棒由于密封包装,会发生类似于干耗的水分蒸发,从而使水分活度值下降。

图2 营养棒在储藏期间水分活度变化

由图2可知:酶解组的水分活度值及变化趋势小于对照组,这是由于轻度酶解作用使大豆蛋白酶解产物的保水性和黏度增加,营养棒的内部蛋白质、多肽与其他小分子物质由于水分子作用而均匀分布,混合酶处理的效果最好,因此营养棒的水分活度在一定程度上趋于稳定。

2.5 游离巯基保留率测定

蛋白质通过蛋白质分子间二硫键或分子间非共价键的作用形成相互聚集交联。蛋白质交联是影响营养棒硬度的主要因素,因此游离巯基保留率在一定程度上可以反映营养棒体系内由巯基诱导产生二硫键而发生的蛋白质交联情况[18]。不同酶解方式制备的营养棒在储存期间游离巯基保留率如图3所示,4组营养棒的游离巯基保留率都呈下降趋势,在0～5 d的储存初期下降最快,5～25 d的储存中期下降较慢,而在25～30 d的储藏后期又迅速下降。这是由于储藏初期水分子迁移,使得蛋白质分子迅速聚集形成大量二硫键,使得游离巯基快速下降,而储藏后期由于美拉德反应的作用使蛋白质交联程度进一步加大,使得游离巯基保留率进一步下降。酶解组的游离巯基保留率显著高于对照组(P<0.05),这是由于大豆蛋白酶解后其一级和二级结构都遭到不同程度的破坏,使肽链间的二硫键和氢键断裂,各分子间作用力也有所降低,使得蛋白质间的相互聚集和交联减弱,游离巯基保留率增加。中性蛋白酶和木瓜蛋白酶混合处理的营养棒游离巯基保留率最高,与硬度测定结果一致。

图3 营养棒在储藏期间游离巯基保留率变化

2.6 不同酶解处理对营养棒感官评定的影响

不同酶解处理所制营养棒的感官评价结果如表5所示。0,30 d的总分均为对照组<中性蛋白酶组<木瓜蛋白酶组<混合酶组,混合酶组的感官评分显著高于其他组(P<0.05),与其他品质指标的测定结果一致。大豆蛋白酶解过程中,由于木瓜蛋白酶和中性蛋白酶的协同作用,使大豆蛋白的酶解度较为适中,使得轻度酶解产物的空间结构、水溶性、保水性和分子量等特性更适于营养棒的体系,使营养棒的口感得到较大改善。混合酶组的风味和色泽评分也显著高于其他组(P<0.05),说明混合酶解处理所制备的营养棒风味和色泽也得到了极大改善,这可能是由于酶解产生了使营养棒风味更佳的氨基酸或者短链肽。综上,混合酶解处理所致营养棒的硬度、色泽和风味等储藏品质都得到了改善,且效果优于单一酶解处理。

表5 不同大豆蛋白轻度酶解产物所制营养棒的感官评价结果

3 结 论

利用3种不同酶解方式制备大豆蛋白轻度酶解产物,研制出4种高蛋白营养棒。经轻度酶解处理的大豆蛋白酶解产物的溶解度、保水性、吸油性和黏度等功能特性都较高。与对照组营养棒对比,大豆蛋白轻度酶解产物所制备的高蛋白营养棒的硬度、色泽和风味在储藏期间都得到了较好的保持,说明其储存稳定性得到提高,中性蛋白酶和木瓜蛋白酶混合处理的效果最好。通过测定游离巯基保留率,研究了轻度酶解大豆蛋白处理对高蛋白营养棒储藏品质的改善机制。轻度酶解大豆蛋白产物具有较好的溶解度和保水性,使其在营养棒体系中分布更均匀,对蛋白质交联和美拉德反应造成阻碍,从而减缓营养棒的硬化程度,因此大豆蛋白客轻度酶解产物可以用来改善高蛋白营养棒的储藏品质。