大豆蛋白制品吸水和持水性能的研究进展

大豆蛋白制品吸水和持水性能的研究进展

豆、蛋白与水的相互作用是这一类别最重要的物理和化学性质。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。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持水能力的变化吸湿等温线是研究物料——水相互作用的基础。曲线一般分成三个区域,区域Ⅰ和Ⅱ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Ⅲ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-20.9kJ/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˙A˙W:0~0.25)吸附较慢,达到平衡需要5d~7d,在中等水分时(AW为0.25~0.5)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20g水/100g蛋白~35g水/100g蛋白和40g水/100g蛋白~60g水/100g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。大豆粉、大豆浓缩蛋白、大豆分离蛋白的持水能力分别为:1.3g水/g蛋白质~2.6g水/g蛋白质、2.2g水/g蛋白质~2.75g水/g蛋白质、和4.4g水/g蛋白质~6.25g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影响蛋白质吸收能力的因素2.1表面活性剂的作用带电基团、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机线团结构的影响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0.01g~0.1g。2.3ph值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2~3倍。2.4离子竞争蛋白凝胶水当浓度较低时(0.1mol~0.15mol),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表面活性剂和内环水化层对温度不敏感根据热力学定律,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热处理、温度和时间对大豆分离蛋白的吸水能力的影响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2m2/g蛋白~5m2/g蛋白,利用水蒸汽吸附测得蛋白质比表面积为200m2/g蛋白~800m2/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18.9g水/100g蛋白、19.2g水/100g蛋白和21.6g水/100g蛋白。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19g水/100g蛋白和22g水/100g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0.5g水/g干物质,而大豆浓缩蛋白只有0.25g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蛋白质及其稳定性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: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/2ρPV¯¯¯1Q5/3=(1-2x1)Μ¯C/2ρΡV¯1x1为Huggins参数(蛋白质吸水是放热过程,因此x1<0),它反映了蛋白质与水作用过程中自由能的变化;M¯¯¯¯Μ¯C为肽链平均分子量;ρP:肽链平均密度;V¯¯¯V¯1是水的偏摩尔体积。不难看出,蛋白质与水的作用能越大(|x1|越大)、肽链平均分子量越大,则溶胀程度越大。另一方面,肽链平均密度越小(肽链间空隙越大),也有利于提高溶胀程度。这对大豆蛋白生产具有重要的指导意义,通过接上亲水基团增加肽链亲水性、二硫键交联增加链长度,以及变性使球状蛋白分子转变为松散的无规线团结构等措施,都可以改善产品的溶胀特性。正是基于上述原因,Kinsella指出大豆蛋白先形成凝胶再进行喷雾干燥可以增加溶胀。除此之外,还必须考虑蛋白分子中可电离基团对溶胀的影响,主要是由于带电基团吸附反离子,使得蛋白质网络内外的离子浓度不同,网络内侧的渗透压高于外侧,从而增加溶胀。蛋白质溶胀后颗粒体积增大,且形状变得更加不规则,因而导致体系粘度增加,从蛋白质持水性测定方法(离心沉降法)可知,持水性与蛋白质颗粒的沉降速率相联系,换句话说,粘度越大,沉降率越小,持水性能越好。大豆蛋白具有非牛顿型的流体力学行为:当蛋白浓度较低时,体系粘度很小;但在临界浓度之上粘度随浓度增加迅速增大。临界浓度取决于溶胀的程度,溶胀越充分,临界浓度越低。由于蛋白质具有这种特殊的流体力学行为,决定了蛋白质的持水能力是高度依赖于蛋白浓度的,在临界浓度附近含水量的微小变化,例如在肉制品配方的微小改变,或原料肉质量的变化,都可能严重影响大豆蛋白持水性能。若蛋白制品本身是变性蛋白质,且浓度足够高,则溶胀后可以自发地形成凝胶。因此,可以认为蛋白质变性有利于大豆蛋白产品的持水性。对几十种商品大豆分离蛋白进行分析后发现,未经过变性处理的产品具有最高的溶解度,但持水性能最差。另一方面,若将蛋白质彻底变性(ΔHT≈0),持水性也较低,而只有适度变性的蛋白产品才具有最佳持水性。除了蛋白质本身的结构因素之外,pH和盐离子浓度是最重要的影响因素。在等电点附近蛋白质的溶胀性能差、粘度低,随着pH升高,溶胀性能和粘度均增大;蛋白悬浮液中加入NaCl将抑制溶胀并降低粘度。pH在等电点附近时,蛋白质分子间不存在静电斥力,分子间吸引力将占上风,其结果是大部分极性基团参与蛋白——蛋白相互作用,而无法结合水。另外,吸引力增强使颗粒中分子间结合更紧密,空孔隙率降低,不利于水分子向蛋白颗粒内部扩散。盐离子能够屏蔽蛋白质分子所带电荷,使静电作用力减弱,因而以同样的方式影响溶胀和粘度。4大豆蛋白持水性能的研究高分子物理方法将蛋白质——水相互作用的本质看作水的增塑作用。按照自由体积理论,高分子体系的自由体积正比于数均分子量的倒数,因此,低分子量增塑剂将增加自由体积,为高分子链段运动提供了更大的余地。一些研究表明,水之所以对很多高分子有广泛的增塑作用,主要是由于其较小的分子量,而不是像以往所认为的由于水和聚合物“结合”。增塑概念与结合水概念之间的关系是:蛋白质最初吸附的水(不凝结水或牢固结合水)具有最强的增塑性,后来吸附的水(松散结合水或可凝结水)只有较弱的或根本没有增塑性。增塑导致蛋白质玻璃化温度(Tg)降低,从而影响蛋白质粘弹性、热机械性能、分子扩散性能、气体通透性能等。蛋白质的玻璃化温度Tg与水分含量的一般关系为Tg=w1Tg1+kw2Tg2w1+kw2Τg=w1Τg1+kw2Τg2w1+kw2式中:Tg1(-140℃)是水的玻璃化温度,Tg2是“无水”蛋白质是玻璃化温度(约为200℃),w1和w2是系统中水和蛋白质的重量分数,k是取决于蛋白质——水相容性的常数。由此可见,蛋白质吸收的水分越多,玻璃化温度越低。当然,Tg并不能无限制地降低,对于大多数蛋白质,若w1>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,Tg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