涡流空化对大豆分离蛋白黏度的影响

刘　雪,杨　锋,任仙娥,*,黄永春

(1.广西科技大学生物与化学工程学院,广西柳州 545006;2.广西糖资源绿色加工重点实验室,广西柳州 545006;3.广西高校糖资源加工重点实验室,广西柳州 545006)



涡流空化对大豆分离蛋白黏度的影响

刘雪1,2,3,杨锋1,2,3,任仙娥1,2,3,*,黄永春1,2,3

(1.广西科技大学生物与化学工程学院,广西柳州 545006;2.广西糖资源绿色加工重点实验室,广西柳州 545006;3.广西高校糖资源加工重点实验室,广西柳州 545006)

为了丰富水力空化技术在食品工业中的应用,本文通过涡流空化装置处理不同浓度的大豆分离蛋白(soy protein isolates，SPI)溶液,研究涡流空化对SPI黏度的影响。结果表明:不同浓度的SPI溶液经涡流空化处理后黏度均降低,其中SPI浓度越大,其黏度下降越明显;与未处理的SPI溶液相比,经空化后的SPI溶液黏度随温度变化不明显;浓度为70 g/L的SPI溶液经不同出口压力空化处理后,其黏度随转速增加而增加,与空化前变化趋势相反,其他浓度的SPI溶液空化前后均随转速的增加而增加;随着空化处理时间的延长,SPI溶液黏度持续降低,其中在处理10 min内,下降更明显。说明涡流空化可以降低SPI溶液黏度,有利于低黏度型的SPI广泛应用于碎肉食品生产中。

SPI,水力空化,黏度

大豆分离蛋白(soy protein isolates,SPI)是以脱脂豆粕为原料,采用碱提酸沉法、膜分离法等生产工艺制成的大豆蛋白产品,其蛋白质含量在90%以上[1-3]。SPI常作为食品添加剂加入到饮料、汤、酱、奶油及肉汁等流体食品中,能够有效调整其所要求的黏度,并改善食品品质[4]。潘思轶等[5]研究了添加大豆蛋白酶解产物对酸奶发酵程度及流变学性质的影响,结果表明牛奶中加入大豆蛋白酶解产物,可促进酸奶酸味的形成;添加7.5%的DH3.76%大豆蛋白水解产物能够有效提高酸奶粘度;DH5.61%的大豆蛋白酶解产物取代7.5%～10%的牛奶时,能显著缩短发酵终点所需时间。黄友如等[6]以醇洗豆粕为原料,制备得到低粘度型大豆分离蛋白,有助于火腿产品的生产。有研究表明大豆蛋白应用于肉制品中,可以减少瘦肉用量,增加脂肪和水用量,且火腿的组织状态及口感能够大大改善,生产成本降低[7]。近年来,国内外越来越多学者对超声空化和水力空化进行研究,研究发现二者有着相同的空化效应,即局部瞬间产生高温、高压以及高时速微射流,为物理化学反应提供能量。朱建华等[8]研究了超声对大豆分离蛋白粘度的影响,结果表明10%和12.5%的SPI溶液经25 kHz、400 W超声处理20 min后,其粘度分别降至对照组的3.2%和6.5%,且相同条件下,增大超声功率能明显降低SPI溶液粘度。任仙娥等[9]研究了水力空化对大豆分离蛋白功能性质的影响,结果表明水力空化能显著改善大豆分离蛋白的部分功能特性。目前涡流空化对大豆分离蛋白溶液黏度的研究鲜有报道。本实验研究了基于涡流的水力空化对SPI溶液黏度的影响,为水力空化在食品行业的应用提供基础和参考依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

大豆分离蛋白(SPI)购于山东禹王实业有限公司,蛋白含量≥90%。

DV-II+型Brookfield粘度计美国Brookfield公司;DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器巩义市予华仪器有限责任公司;AL104型电子天平梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;20NPD047型涡流泵上海尼可尼泵业有限公司。涡流空化装置自制,如图1所示，涡流空化装置是由一个涡流泵、压力表、溶液贮箱、加热装置和阀门组成。涡流泵的运转能够带动蛋白溶液在其中形成涡流,进而在涡流中心形成低压区,由于压强过低而产生了大量的空化气泡,当这些气泡进入到高压区后,压强突然增大使气泡溃灭,从而产生空化效应。

图1　涡流空化装置示意图Fig.1　Sketch map of hydrodynamic cavitation device

1.2实验方法

1.2.1SPI黏度测定参照田少君的方法[10],用蒸馏水分别配制10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液300 mL,搅拌均匀,将样液放入集热式恒温加热磁力搅拌器中,用Brookfield粘度计选用2号转子在不同转速(100、120、140、160、180、200 r/min)、不同水浴温度(30、40、50、60、70、80、90 ℃)下分别测定其黏度。

1.2.2涡流空化处理SPI参照田少君的方法[10],考察不同浓度的SPI溶液通过涡流空化装置,在不同出口压力、空化处理时间下对溶液黏度的影响,黏度变化计算公式如下:

式中:ηr-黏度变化率,%;η0-空化前溶液黏度,mPa·s;ηt-空化后溶液黏度,mPa·s。

1.2.2.1经不同出口压力处理后的SPI黏度随温度的变化配制 10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液各2 L在出口压力分别为0.2、0.4、0.6 MPa时空化处理30 min后,得到的样液在转速为200 r/min、水浴温度为30～90 ℃条件下测定黏度,并计算黏度变化。

1.2.2.2经不同出口压力处理后的SPI黏度随转速的变化配制 10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液各2 L在出口压力分别为0.2、0.4、0.6 MPa时空化处理30 min后,得到的样液在水浴温度为30 ℃、转速为100～200 r/min条件下测定黏度,并计算黏度变化。

1.2.2.3经不同时间空化处理后的SPI黏度随温度的变化配制10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液各2 L在出口压力为0.4 MPa时分别空化处理10、30、60 min后,得到的样液在转速为200 r/min,水浴温度为30～90 ℃条件下测定黏度,并计算黏度变化。

1.2.2.4经不同时间空化处理后的SPI黏度随转速的变化配制10、30、50、70 g/L(W/V)的SPI溶液各2 L在出口压力为0.4 MPa时分别空化处理10、30、60 min后,得到的样液在水浴温度为30 ℃,转速为100～200 r/min条件下测定黏度,并计算黏度变化。

2　结果与讨论

2.1不同出口压力对SPI黏度的影响

2.1.1经不同出口压力涡流空化处理后的SPI黏度随温度的变化不同浓度的SPI溶液经不同出口压力涡流空化处理后,其黏度随温度的变化结果如图2所示。

图2　SPI溶液黏度(不同的涡流空化出口压力)随温度的变化Fig.2　Changes with temperature in the viscosity of SPI(different outlet pressure of swirling cavitation)注:A:未空化处理,B:0.2 MPa,C:0.4 MPa,D:0.6 MPa。

由图2可知,相对于未空化的SPI,浓度10、30、50、70 g/L SPI溶液经不同出口压力处理后的蛋白溶液黏度明显降低,且水浴温度为30 ℃,出口压力为0.4 MPa时,浓度为10、30、50 g/LSPI溶液黏度下降速率较大,分别为33.06%、38.69%、65.14%;出口压力为0.6 MPa时,浓度为70 g/L SPI溶液黏度下降速率较大,即为81.45%。这可能由于在一定范围内增加出口压力,溶液流速加快,循环体系内单位体积的溶液增加了更多能量,涡流中心产生更多空化气泡,空化效应增强[11],SPI溶液黏度下降率增加。而进一步增大出口压力,溶液流速过快,空化泡生长困难及其最大半径变小,气泡溃灭时释放的能量减少,空化效应不再提高[12],可能会导致蛋白分子间聚集形成大分子,不利于黏度降低。

空化处理前后,不同出口压力下的SPI溶液黏度均随温度升高而降低,与许晖[13]研究浓度为5%的亚麻籽分离蛋白溶液黏度与温度的关系、陈利梅[14]研究大豆分离蛋白溶液黏度与温度的关系有相同的变化趋势。其中,在水浴温度为90 ℃时,各浓度的SPI溶液黏度均降到最低。经空化作用后的SPI溶液黏度随水浴温度的下降速率变平缓。这可能是因为空化作用使蛋白结构发生很大变化,蛋白分子颗粒变小、分子形状变得更加规则,水浴温度对处理后的蛋白溶液黏度影响作用减小。

2.1.2经不同出口压力涡流空化处理后的SPI黏度随转速的变化不同浓度的SPI溶液经不同出口压力涡流空化处理后,其黏度随转速的变化结果如图3所示。

图3　SPI溶液黏度(不同的涡流空化出口压力)随转速的变化Fig.3　Changes with rotational speed in the viscosity of SPI(different outlet pressure of swirling cavitation) 注:A:未空化处理,B:0.2 MPa,C:0.4 MPa,D:0.6 MPa。

由图3可知,相对于未空化的SPI,在转速为100 r/min、同一出口压力下,浓度为10、30、50、70 g/L SPI溶液黏度下降率依次升高。表明,SPI浓度越高,黏度下降速率越快,空化效果越明显。同时,浓度为10、30、50 g/L SPI溶液,在出口压力为0.4 MPa时,黏度下降率最大,分别为3.12%、32.31%、68.95%;浓度70 g/L的SPI溶液在出口压力为0.6 MPa时,黏度下降最多,即下降90.45%。经不同的出口压力,未空化浓度为10、30、50 g/L SPI溶液黏度随转速升高而升高,与陈利梅[14]研究浓度为8%、10%、15%的大豆分离蛋白溶液黏度在6 r/min下高于3 r/min下的实验结果一致;浓度为70 g/L SPI溶液黏度随转速升高而不断下降,许晖[13]研究浓度为15%的亚麻籽分离蛋白溶液黏度随剪切速度增加也呈现降低的变化趋势,这与本文的研究结果相符。且相同转速下,浓度为10、30、50 g/L SPI溶液的黏度与70 g/L的相差较大。空化处理后各浓度的SPI溶液黏度均随转速升高而升高,相同转速、相同出口压力下,不同浓度的SPI溶液黏度相差不大,且随着SPI溶液浓度的增加而增加,与黄友如[6]研究的大豆分离蛋白溶液黏度随浓度的增加而增加的结论相一致。表明不同的剪切应力作用下SPI溶液显现出不同的黏度,属于非牛顿流体,同时随着蛋白浓度的增加使得蛋白分子间作用增强,分子结构发生了变化,从而蛋白溶液黏度增大[14]。

2.2涡流空化时间对SPI黏度的影响

2.2.1经不同时间涡流空化处理后的SPI黏度随温度的变化不同浓度的SPI溶液经不同时间空化处理后,其黏度随温度的变化结果如图4所示。

图4　SPI溶液黏度(不同的涡流空化处理时间)随温度的变化Fig.4　Changes with temperature in the viscosity of SPI(different treatment time of swirling cavitation)注:A:未空化处理,B:10 min,C:30 min,D:60 min。

由图4可知,相对于未空化的SPI,浓度10、30、50、70 g/L SPI溶液经空化处理的样液在水浴温度为30 ℃,空化10 min内,SPI溶液黏度的下降速率最快,随着空化时间的进一步增加,SPI溶液黏度的下降率减小,空化30～60 min之间SPI溶液黏度下降不大,趋于平衡。这是由于反应初期,涡流空化产生强大的空化作用破坏了蛋白亲水胶体与水分子的作用,而空化效应使胶体粒子得到能量,同时胶体粒子的碰撞被加速,使其易于越过胶体粒子的位垒,发生凝聚、沉降。随着空化时间的延长,这些胶体被充分变性脱水、絮凝,其水化层几乎完全被破坏,并且分子间作用力已减弱到极点,因此黏度下降速度逐渐减弱直至黏度不再发生变化。经不同时间的空化处理,不同浓度的SPI溶液黏度均随温度升高而降低,且在水浴温度为90 ℃时,各浓度的SPI溶液黏度均降到最低。其中,SPI溶液浓度越大,空化10 min内其黏度随温度的变化越明显,随着空化时间的延长,温度对其黏度的影响作用减小。

图5　SPI溶液黏度(不同的涡流空化处理时间)随转速的变化Fig.5　Changes with rotational speed in the viscosity of SPI(different treatment time of swirling cavitation)注:A:未空化处理,B:10 min,C:30 min,D:60 min。

2.2.2经不同时间涡流空化处理后的SPI黏度随转速的变化不同浓度的SPI溶液经不同时间空化处理后,其黏度随转速的变化结果如图5所示。

由图5可知,相对于未空化的SPI,在转速为100 r/min,空化10 min内,浓度为50、70 g/L SPI溶液黏度下降速率最快,空化30～60 min蛋白溶液黏度下降率变化不大,黏度趋于平衡。其他浓度的SPI溶液黏度随空化时间延长,变化不明显。经不同空化时间处理后的SPI溶液黏度均随转速的增加而缓慢增大,这与冯凌凌[15]研究微波处理的大豆浓缩蛋白在剪切速率大于3 s-1时黏度开始上升的结果相符,且在同一转速、不同空化时间下,10、30、50 g/L SPI溶液的黏度与70 g/L的相差较大,其原因还有待于进一步考察。

3　结论

研究了不同浓度的SPI溶液经不同出口压力、空化时间处理后,其黏度随水浴温度、转速的变化。其他条件不变,实验结果如下:

涡流空化能降低不同浓度的SPI溶液黏度,浓度越大黏度下降越明显;

经不同出口压力空化处理后,在水浴30 ℃或转速100 r/min下,70 g/L以下的SPI在0.4 MPa时各黏度均降到最低,而70 g/L的SPI在0.6 MPa时黏度降到最低。空化后不同浓度的SPI溶液随水浴温度的升高,其黏度下降趋势变平缓,90 ℃时各黏度均降到最低;

70 g/L以下的SPI溶液空化前后黏度随转速的升高而增加,70 g/L SPI溶液空化处理后黏度随转速的变化与其一致,而与未空化的变化趋势相反;

不同浓度的SPI溶液黏度随空化时间的延长而降低,且在空化10 min内,溶液浓度越大黏度下降率越快。

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Influence of swirling cavitation on the viscosity of soy protein isolates

LIU Xue1,2,3,YANG Feng1,2,3,REN Xian-e1,2,3,*,HUANG Yong-chun1,2,3

(1.Department of Biological and Chemical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China;2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources,Liuzhou 545006,China;3.Key Laboratory for Processing of Sugar Resources of Guangxi Higher Education Institutes,Liuzhou 545006,China)

In order to enrich the application of hydrodynamic cavitation in food industry,the effects of swirling cavitation treatment on the viscosity of soy protein isolates under different concentration of SPI solution were studied. It was found that the viscosity of different concentration was decreased by the swirling cavitation,and with the increasing of SPI concentration the viscosity decreased efficiently. Meanwhile the impact of temperature was not very obvious for SPI viscosity by swirling cavitation treatment. The viscosity of 70 g/L SPI was increased with increasing rotational speed by cavitation treatment under different outlet pressure. It contrast to the trends of the control. However,the viscosity of other SPI concentrations was increased by untreated and cavitation treated. The viscosity reduction rate increased with the increase in the treatment time. It was also observed that the viscosity reduction rate increased rapidly in 10 min. It illustrated that hydrodynamic cavitation based on the turbine could decrease viscosity,and low viscosity SPI was used into the meat products.

SPI solution;hydrodynamic cavitation;viscosity

2016-01-25

刘雪(1989-),女,硕士研究生,研究方向:食品蛋白质的结构与功能,E-mail:x1072097479@126.com。

任仙娥(1979-),女,硕士,高级实验师,研究方向:食品蛋白质的结构与功能，E-mail:renxiane@126.com。

广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助(桂教人[2014]7号);广西科技大学创新团队支持计划资助。

TS205

B

1002-0306(2016)16-0141-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.020