大豆蛋白的吸水持水性能.pdf

收稿日期:19981018大 豆 蛋 白 的 吸 水 和 持 水 性 能华欲飞,顾玉兴(无锡轻工大学食品学院,214036 江苏省无锡市惠河路 170 号;第一作者:男,38岁,副教授/博士)摘要:对大豆蛋白的吸水和持水性能及其影响因素进行了论述,大豆蛋白制品吸水能力的差别很小,一般为 40 g 水/100 g 蛋白60 g 水/100 g 蛋白。大豆蛋白制品的持水能力差别很大,约为130 g 水/100 g 蛋白625 g 水/100 g 蛋白,持水性能在本质上是蛋白分子物理截留水的能力,其影响因素包括蛋白分子大小、形状、空间、构象等。高分子物理方法是一种新的研究方法,对这个方法在大豆蛋白吸水及持水性能方面的应用进行了讨论。关键词:蛋白质;大豆蛋白;大豆产品;吸水性;功能性质大豆蛋白与水的相互作用是这类产品最重要的物理化学性质。目前,粉状大豆分离蛋白和大豆浓缩蛋白大量用于肉制品中,主要就是利用其保留水的能力,达到改善产品质量、提高产品得率的目的。传统上,大豆蛋白质与水的相互作用可区分为结合水性能(或吸水性能)和持水性能 1两种基本作用方式,前者是“化学结合”,后者是“物理截留”。近年来,高分子物理方法被应用于蛋白质水化性能的研究,该方法认为蛋白质、淀粉等生物大分子是无定型的或部分结晶玻璃态或高弹态物质,而水是普适增塑剂,具有增加聚合物链段的分子运动性、降低玻璃化温度 Tg 的作用 2。本文对大豆蛋白的结合水与持水性能的影响因素进行了讨论,并对高分子物理方法在蛋白质水相互作用中的应用进行了介绍。1蛋白质保留水分的方式吸湿等温线是研究物料水相互作用的基础 3。曲线一般分成三个区域,区域和中水分子与蛋白质带电基团、亲水基团以及非极性基团紧密结合,这部分水的特征是在-40下不凝结、没有增塑作用、不能作为溶剂等特征;区域的水与普通水的性质基本相同,但由于物理截留作用其宏观流动性受到限制。与吸湿等温线相对应的是大豆蛋白的吸水性,即干燥的蛋白与一定相对湿度水蒸汽平衡后的含水量。蛋白质吸收水分时的结合能为-20.9 kJ/mol,并伴随系统熵减小。因此,结合水过程是一个放热反应,而且水分子在蛋白表面结合之后的有序程度增加,与水蒸汽冷凝相似。如果结合水超过单分子层,结合过程的焓及熵将迅速减小。一般情况下,蛋白质在低水分时(A?W:00.25)吸附较慢,达到平衡需要 5 d7 d,在中等水分时(AW为 0.250.5)吸附加快,在高水分时吸附速率最低。有关大豆分离蛋白吸水性能的报道差距很大,84%和 99%相对湿度时的吸水能力分别为 20 g 水/100 g 蛋白35 g 水/100 g 蛋白和 40 g 水/100 g 蛋白60 g水/100 g 蛋白。将干燥蛋白质与液态水直接作用,所吸收的水分称为持水性,它在本质上是一种超分子水平作用,与蛋白质吸水性能相比是一种宏观现象。一般认为,持水性能是蛋白质溶胀、粘度增加、形成凝胶等一系列物理化学反应的综合效应。不同大豆蛋白产品的持水能力差别很大 4。大豆粉、大豆浓缩蛋白、大豆分离蛋白的持水能力分别为:1.3 g 水/g 蛋白质2.6 g 水/g 蛋白质、2.2 g 水/g 蛋白质2.75 g 水/g 蛋白质、和 4.4 g 水/g 蛋白质6.25 g 水/g 蛋白质。显然持水性强的蛋白质将有较大的吸水能力,但吸水能力大并不保证持水性能好。2蛋白质的吸水能力的影响因素 32.1氨基酸组成带电基团、极性基团对水的亲和性、结合水速率以及与水的结合程度都较强,然而这些极性基团必须在分子表面,在分子内部的基团有由于空间效应而无法与水结合。2.2蛋白质构象蛋白质从紧密的球状结构转变为疏松的随机线团结构有利于基团暴露,结合水能力增加。一般来说,蛋白质变性后每克蛋白质结合水增加 0.01 g64中国油脂1999 年第 24卷第 4期0.1 g。2.3pH在等电点时净电荷为 0,蛋白质结构紧密,结合水能力最小,在等电点两端结合水能力增加。电离后氨基酸基团结合的水比未电离基团多 23 倍。2.4盐离子当浓度较低时(0.1 mol0.15 mol),中性电解质存在有利于蛋白质结合水,因为少量离子与蛋白质结合后,相当于增加了蛋白质的电荷密度;继续增加离子浓度,则蛋白质结合水能力下降,其原因是离子与水竞争蛋白基团,削弱了蛋白质的双电层。盐离子的“脱水”能力与离子的电荷密度相关,离子半径越小,电荷密度越大,则“脱水”能力越强。2.5温度根据热力学定律,结合水随温度升高而下降,其中在非极性基团和极性基团周围的疏水水化层和氢键水化层对温度较敏感,在带电基团周围的水化层对温度不敏感。2.6表面积表面积取决于蛋白质基质中微孔的数目。利用氮气吸附法测得大多数蛋白质的比表面积约为2 m2/g蛋白5 m2/g 蛋白,利用水蒸汽吸附测得蛋白质比表面积为 200 m2/g 蛋白800 m2/g 蛋白质。显而易见,后一种方法得到数据大得多,可能是结合水形成了多分子层,另一方面是蛋白质结合水后发生溶涨且形状改变。研究表明,pH 对大豆蛋白的吸水性只有很小的影响。在 pH 分别为4.5、6.0 和 7.5 时,大豆分离蛋白的吸水能力分别为 18.9 g 水/100 g 蛋白、19.2g 水/100 g 蛋白和 21.6 g 水/100 g 蛋白 5。从理论上讲,加热导致蛋白质变性、分子表面积增加,但实际上热处理对大豆分离蛋白的吸水特征没有影响,例如经不同温度处理过的大豆蛋白(溶解度分别为22%和 44%),其吸水能力分别为 19 g 水/100 g 蛋白和 22 g 水/100 g 蛋白。另一方面,大豆制品的蛋白质含量对吸水能力有较大的影响,在一定条件下,大豆分离蛋白吸水能力为 0.5 g 水/g 干物质,而大豆浓缩蛋白只有 0.25 g 水/g 干物质。蛋白质在一定时间内的吸水量,即吸水速率在食品加工中具有更重要的实际意义。影响速率的因素包括蛋白质组成、密度、脂肪含量、pH、温度、水分子扩散驱动力(蒸汽压力差、对流强度)等。值得注意的是,温度升高虽然降低其结合水能力,但在一定范围内温度升高有利于吸水速率。颗粒大小对蛋白质平衡吸水量没有影响,但颗粒减小,表面积增加,将提高吸水速率。3蛋白质持水性能的影响因素Hermannson 认为,蛋白质制品具有良好持水性必须具备以下三方面条件 6:蛋白质颗粒复水后能充分溶胀但不溶解;蛋白质颗粒复水后具有很高的粘度;蛋白可形成凝胶网络。蛋白颗粒与水接触会发生不同程度的溶胀,如果溶胀过程无限地进行下去,最终蛋白质将溶解;相反,不溶性蛋白质的溶胀进行到一定程度后停止,与分子间吸引力相互平衡。由此看来,对持水性能有贡献的是有限溶胀。溶胀过程包括混合自由能和网络膨胀产生的弹性自由能,当两者之和等于零时溶胀停止。根据高分子溶胀理论,我们可以得到溶胀前后蛋白体积之比 Q 的定义如下:Q5/3=(1-2x1)M-C/2?PV-1x1为 Huggins 参数(蛋白质吸水是放热过程,因此 x1 35%,则 Tg 与水分含量无关。蛋白质吸水性在很大程度上取决于水分子在聚合物网络中的扩散情况。玻璃态的“无水”蛋白质开始结合水时,环境温度低于 Tg,水分子在蛋白质内的扩散服从 Fick 定律,即:扩散系数与时间无关,与温度的关系服从 Arrhrenius 定律。随着吸附的进行,T g 降低到接近环境温度,这时水分子扩散不服从 Fick 定律、扩散系数是时间的函数。若水分进一步增加,Tg 将降低到环境温度以下,这时候的蛋白质的高弹态,水分子扩散行为再一次符合 Fick 扩散方程。增塑和玻璃化温度概念为我们调整和控制工艺条件,改进大豆蛋白的持水性能提供了理论依据。例如,通过研究发现,水分子只能在高分子物质的无定型区域产生增塑作用,而不能进入结晶区。如果蛋白产品是部分结晶玻璃体,则与水相遇时将产生不均匀增塑作用,其结果是体系粘度很快降低,换句话说,部分结晶蛋白质的持水性能将低于无定型蛋白质。目前,大豆蛋白普遍采用压力喷雾干燥并在喷雾之前经过高压均质,在此过程中物料受到强烈的剪切作用。一些研究结果表明,经过剧烈剪切作用的粘性物料干燥后结晶体的含量增加,从这个意义上讲,目前的生产工艺不利于最大限度地发挥大豆蛋白的持水性能。如何在保证其他经济、质量指标不变的条件下减少物料所受剪切作用强度(例如取消高压均质、改用其他雾化形式),可能是进一步提高大豆蛋白功能性质的有效途径之一。参考文献1Kinsella,J.E.,Damodaran,S.,and German,B.,Physicochemical and functional properties of oilseedproteins with emphasis on soy proteins,In NewProtein Foods,Vol.5,Altschul,A.M.and Wilcke,H.L.eds,Academic Press,INC,1985:1081802Louise Slade,Harry Levine,and John W.Finley,ProteinWater Interactions:Water as a Plasticizer of Gluten andOther Protein Polymers,In Protein Quality and the Ef-fects of Processing,Philips,R.Dixon and Finley,JohnW.eds,M arcel Dekker,INC 1988:9243Kinsella,J.E.and Fox,P.F.,Water sorption byproteins:milk and whey proteins,CRC Crit.Rev.FoodSci.,Nutri.1992,24:911394Maria Cecilia Puppo et al.,Gelation of soybean proteinisolates in acidic conditions.Effect of pH and proteinconcentration,J.Agric.Food Chem.,1995,43:235623615Kuntz,I.D.,J.A m.Chem.Soc.,1971,93:25146 Hermansson.A.M.,Methods of studying functional66中国油脂1999 年第 24卷第 4期characteristics of vegetable proteins,J.A.O.C.S.,1979,56:272279Water Absorption and Holding of Soy ProteinH ua Yuf ei,Gu Yuxing(School of Food Science,Wuxi University of Light Industry,214036)Abstract:Water absorption is different from water holding ability,although they are related each other.The variation ofwater absorption ability for soy products is small,ie,about40g/g60g/g.Water absorption is the manifestation of the inter-actions of protein molecules and water molecules,which is determined by such factors as amino acid composition,electriccharge density,and hydrophobicity.Water holding ability of soy protein products changes significantly,from 130g/g to 625 g/g,because water holding reflect the ability of physical entrainment of water by protein network.T he applicability of polymerscience methods in studying protein-water interactions is discussed.key words:Protein;Soy protein;Soy products;Water absorption ability;Functional property收稿日期:19990201大豆分离蛋白工艺废水厌氧生物净化的研究韩丽华(郑州粮食学院食品工程系,450052 郑州市嵩山南路 140 号;作者:女,35 岁,讲师)摘要:大豆分离蛋白工艺废水是高浓度的有机废水,其中丰富的碳水化合物、蛋白质、氨基酸、氮和磷等营养物是厌氧菌生长的良好条件。用厌氧生物净化法净化此工艺废水,可使净化效率达到93%以上。在净化废水、保护环境的同时可生产沼气,回收能源。关键词:蛋白工艺废水;厌氧生物净化法大豆分离蛋白在食品工业发展中发挥着重要作用,蛋白废水是指用碱溶酸沉法生产工艺产生的废水,来源于酸沉、水洗等工序。以蛋白产量 3 t/d 的中型企业计算,每日废水排放量在 200 t 左右,由于COD、BOD 值均较高,且 pH 值 4.55.5 显酸性,因而污染较为严重。经测定蛋白废水主要特征如表1 所示。表 1大豆分离蛋白工艺废水的主要组成温度()COD(g/1)BOD(g/1)BODCOD总氮含量(g/1)水溶性糖悬浮物T SS(g/1)pH25351280.663.80.80.75.0蛋白废水中丰富的碳水化合物、蛋白质、氨基酸及氮、磷营养物是厌氧菌生长的良好条件,BOD 与COD 比值高,表明废水易于厌氧生物处理。硫酸盐和亚硫酸盐与 COD 浓度的比值较小,不形成对厌氧菌的严重抑制 1、7。1蛋白废水厌氧净化原理在厌氧处理过程中,废水中的有机物经大量微生物的共同作用,被最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。在此过程中,不同的微生物的代谢过程相互影响,相互制约,形成复杂的生态系统。有机物的降解过程可分为四个阶段:水解阶段:高分子有机物因相对分子量巨大,不能透过细胞膜,不可能为细菌直接利用,因此它们在第一阶段被细菌胞外酶分解为小分子。如蛋白质被蛋白酶水解为短肽与氨基酸等。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用;发酵阶段:上述小分子化合物在发酵细菌(即酸化酶)的细胞内转化为更简单的化合物并分泌到细胞外,这一阶段的主要产物有挥发性的脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等,与此同时,酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质,如此未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥;产乙酸阶段:上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸和新的细胞物质;产甲烷阶段:这一阶段里,乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。其中废水中的蛋白质在处理中首先被胞外的蛋白酶水解成氨基酸,在厌氧过程中很容易转化为甲烷。但大约 10%20%的天然蛋白质中的氨基酸是芳香化合物,在开始时降解较慢,但在菌种驯化之后也能像其他酚类化合物671999 年第 24卷第 4期中国油脂