豆漿凝固過程中的動態特性

趙行，陳令芬，張維，胡馨月，劉冰，孟旭

江蘇海洋大學食品科學與工程學院（連云港 222005）

作為大豆的主要進口國，我國對大豆的需求量極大。大豆中富含大量的蛋白質及油脂，能夠滿足人體所需。隨著生活水平的不斷提高，人們對大豆的營養價值有了更深的認知。研究發現，大豆類的食品不僅可以預防心血管疾病、癌癥、骨質疏松等疾病，同時還起到一定的保健作用[1]。豆腐作為我國的傳統大豆食品之一，歷史悠久，其風味和營養價值深受消費者喜愛。豆腐凝膠的形成是凝固劑釋放出的離子作用于大豆蛋白分子，使蛋白分子大量聚集形成具有三維網狀結構的蛋白凝膠產品。在豆制品加工過程中，凝固劑的種類極大影響豆制品的品質。

很多研究者通過對豆腐的物理性研究得出最佳的凝固效果，側重點在物理研究方面如凝膠強度、持水率等，以這些為指標判斷凝固劑的強弱。但在制作過程中，凝固的工藝參數不確定及其時間點的差異，制成的豆腐質量差異很大。為了滿足豆腐的標準化生產，對不同凝固劑在豆漿中如何凝固成豆腐這個過程的研究很有意義。

豆漿在凝固過程中凝膠網絡結構的形成，可以通過測定豆漿體系的動態流變特性來分析研究[2]。有研究表明，豆漿中凝固劑的pH下降速度影響蛋白質的凝固速率。因此，在豆腐凝膠過程中可以用動態流變試驗和動態pH進行監測研究。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

大豆（產于東北，市售）；食品級氯化鎂（安琪酵母股份有限公司）；食品級硫酸鈣（棗莊市聚隆石膏制品有限公司）；食品級葡萄糖酸-δ-內酯（安徽省興宙醫藥食品有限公司）；食品級消泡劑（安琪酵母股份有限公司）。

1.1.2 儀器與設備

FDM-Z100型自分離大豆磨漿機（保定智香修信廚具有限公司）；BP221S電子天平：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；Seven Easy S20 pH計：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；ENCL-G-3恒溫磁力攪拌器（上海易研實驗設備有限公司）；MCR 102旋轉流變儀（安東帕中國有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備流程

精選黃豆→精選浸泡→磨漿濾漿→煮漿滅酶→冷卻保藏

精選新鮮大豆，去除發霉、不飽滿的顆粒，反復清洗3~5次。按照料水比1∶3（g/mL），在20 ℃條件下浸泡8~10 h。磨漿、濾漿，按干大豆與水1∶7（g/mL）的比例進行磨漿處理，通過0.125 mm濾網將濾渣去除。將研磨好的豆漿在煮漿前，加入一定量（豆漿比重的0.3%）的大豆磷脂。煮漿，將豆漿煮至沸騰持續5 min，過程中須不斷攪拌，防止豆漿底部溫度過高引起糊底。待豆漿冷卻至室溫，放入4 ℃的冰箱中備用。

1.2.2 動態pH的測定

量取100 mL樣品放入燒杯中，放置在磁力攪拌器上攪拌。精確稱取0.350 0 g（精確到0.000 1 g）凝固劑倒入樣品中。蓋上保鮮膜密封（升溫-保溫階段減少熱量散失），將pH計探頭放入樣品中。開啟加熱，從25 ℃升溫至90 ℃，緊接著在90 ℃下保溫10 min，然后關閉加熱，去除保鮮膜，將90 ℃降溫至25 ℃。記錄在變溫過程中凝固劑在豆漿中pH的變化。

1.2.3 溫度掃描試驗

利用MCR 102旋轉流變儀的振蕩模式測定新鮮豆漿凝膠的流變性質，選用的轉子為50 mm平板，間隙值為1 mm。根據Murekatete等[3]的方法并作適當改動。量取10 mL新鮮豆漿和凝固劑（添加量0.35%），混合30 s后立即上樣，刮邊除去多余的液體后在轉子四周涂抹上凡士林，防止高溫下水分蒸發損失，隨后立即進行溫度掃描試驗。

溫度掃描參數：應變1%（線性范圍區內），頻率1 Hz。溫度循環：首先以5 ℃·min-1的速率從25 ℃升溫至90 ℃，緊接著在90 ℃下保溫10 min，然后再以5 ℃·min-1的降溫速率從90 ℃降溫至25 ℃。記錄彈性模量G’和黏性模量G’隨溫度和時間的變化情況[4]。

1.2.4 頻率掃描試驗

在25 ℃條件下對凝膠進行頻率掃描，應變設為1%，頻率掃描的角頻率設為1~100 rad/s，記錄G’隨角頻率的變化情況。

1.2.5 蠕變-恢復試驗

蠕變-恢復試驗參照Bi等[5]的方法且略有改動。在25 ℃條件下對豆腐凝膠施加8 Pa的剪切應力，持續5 min，記錄應變隨時間的變化情況；然后撤去應力，繼續記錄5 min內應變隨時間的回復情況。豆腐凝膠的蠕變數據利用四參數Burger’s模型方程進行擬合。因為在食品體系中，研究者大多選用Burger’s模型來進行蛋白、多糖等凝膠黏彈性質的表征[6-8]，其由Kelvin-Voigt和Maxwell兩個模型串聯而成，較為簡單，但能夠提供比較合理的分析結果[9]。該模型方程如式（1）所示[10]。

式中：J為柔量，即應變和應力的比值，1/Pa；G0為瞬時彈性模量，Pa；G1為弛豫彈性模量，Pa；λ為弛豫時間；μ0為黏性因子，Pa·s。

凝膠樣品的恢復情況用恢復率來表示，按式（2）計算。

1.3 數據統計分析

所有試驗數據如無特別說明，均為3次平行試驗獲得的平均值，使用統計軟件SPSS 26進行數據分析，利用Origin Pro 2019b軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 動態pH的測定結果分析

由圖1可知，在升溫-保溫-降溫三個階段中，3種凝固劑pH變化趨勢基本一致。在升溫階段，隨著溫度不斷上升，3種凝固劑pH均出現下降趨勢，下降速率最快是葡萄糖酸-δ-內酯（GDL），說明溫度對GDL釋放速度影響最大。隨著溫度的增加，GDL加快水解的速度，生成葡萄糖酸同時釋放出里面H+，溶液的pH下降并向大豆蛋白等電點移動。H+的釋放引起蛋白質表面電量下降，降低了蛋白表面的靜電排斥作用，破壞了膠體穩定性，在氫鍵、疏水相互作用下蛋白質交聯形成大豆蛋白凝膠[11-12]。其次是氯化鎂，硫酸鈣最小。隨著溫度的增加，其加快氯化鎂、硫酸鈣在豆漿中的解離速度，釋放出Mg2+和Ca2+，Mg2+和Ca2+不僅能夠屏蔽蛋白質分子表面的負電荷，破壞水化膜和雙電子層，而且能夠與羧基上的H+發生交換，形成鎂橋或者鈣橋。大豆蛋白通過靜電相互作用、疏水聚集以及鎂橋或者鈣橋相互聚集、連接形成凝膠網絡結構[13-14]。在保溫階段，隨著時間的推移，3種凝固劑pH無明顯增長或下降趨勢，pH處于極為平穩狀態。說明3種凝固劑在豆漿中完全溶解，里面的離子得到釋放并與豆漿中的蛋白結合。在降溫過程中，隨著時間增加，3種凝固劑均出現上升趨勢。主要原因是在加熱中，凝固劑與豆漿中的蛋白結合生成部分可逆性型凝膠，在降溫過程中，溫度下降可逆性凝膠中的變性蛋白有可能發生部分復性，復性后蛋白分子可用于分子間交聯的活性基團減少，氫鍵增加引起pH的上升。從圖1可以觀察到，在降溫結束后，豆漿中各凝固劑pH的大小為氯化鎂＞硫酸鈣＞GDL。

圖1 動態變溫試驗pH的變化

2.2 溫度掃描試驗結果分析

動態溫度掃描結果如圖2和圖3所示。在整個的變溫過程中，彈性模量G’和黏性模量G’變化趨勢一致。在升溫初期，隨著時間增加，3種凝固劑的G’和G’開始下降，說明在振蕩過程中，豆漿中的蛋白質分子間氫鍵作用減小，G’減小，溶液黏度下降，沒有凝膠生成。加熱到65 ℃以上，豆漿與凝固劑反應，蛋白質分子間氫鍵劇烈增加，G’不斷上升開始形成凝膠。溫度繼續上升，氯化鎂G’和G’’增加，但另外兩種凝固劑隨著時間的不斷增加G’和G’’突然下降，可能是由于在不停振蕩中剛形成的凝膠遭到破壞，彈性和黏性模量降低。同時表明氯化鎂中的Mg2+與蛋白結合聚集形成較為緊密的凝膠。在恒溫過程中，G’、G’隨時間的增加而緩慢增加，整體G’大于G’，表明更多的蛋白質參與凝膠網絡的形成，當G’和G’達到一定的值后，基本保持不變，這與凝膠中疏水相互作用的形成以及凝膠終點的到達有關[15]。在降溫過程中，G’和G’繼續上升，凝膠結構逐漸增強，這與凝膠結構的分子重排及更強化學鍵的形成有關，主要包括氫鍵的形成。氫鍵在低溫下可克服蛋白結構內部側鏈間的靜電斥力，從而引起G’和G’的升高[16-17]。從圖2中可以觀察到，在降溫結束這3種凝固劑，GDL的G’最大，其次硫酸鈣，氯化鎂最小。G’越大，其凝膠強度越大[18-19]，說明3種凝固劑的凝膠強度大小為GDL＞硫酸鈣＞氯化鎂。這與上述動態pH下降速率保持一致，這也驗證了豆腐凝膠的pH降低程度決定蛋白質的凝固速率，pH下降速率越快，蛋白質凝固速率越快[2]。

圖2 G’—溫度掃描變化

圖3 G’—溫度掃描變化

tanδ[1]=G’/G’，稱為損耗因子，表示黏性相對彈性部分的比值。tanδ=1，即G’=G’，黏性和彈性相等，稱為凝膠點。tanδ＜1，即G’＜G’，彈性占主要部分，為凝膠體。tanδ＞1，即G’＞G’，黏性占主要部分，為流體。

由圖4可知：在升溫過程中，3種凝固劑初始tanδ＞1，說明整個溶液以黏性占主要部分，呈現流體狀態。隨著時間增加，tanδ均出現上升后降低趨勢，表明在振蕩過程中，G’增長迅速，黏性增加；隨后降低說明溫度升高豆漿的黏性下降，G’迅速增加；保溫過程中，3種凝固劑的tanδ值達到最低點并基本保持不變，說明凝固劑與豆漿中的蛋白結合較為緊密，G’達到最大值；降溫過程中，隨著時間的增加，溫度不斷下降，tanδ出現上升趨勢，說明G’’增加，但整體tanδ＜1，表明整個系統G’占主導，呈現凝膠化。

圖4 tan δ—溫度掃描

2.3 頻率掃描試驗結果分析

由圖5和表1可知：氯化鎂、GDL、硫酸鈣在豆漿凝固過程中G’隨著角頻率ω的增大先增加后趨于平穩，呈現出較弱的頻率依賴性；使用冪律方程G’=k’·ωn對G’和ω的關系進行擬合，可以得到n值。n值可以用來表示形成凝膠結構中作用力的性質，n=0說明凝膠為化學性凝膠，由較強的共價鍵組成；n＞0則表示物理性凝膠，即主要作用力為弱的非共價鍵[20]。由表1可知，氯化鎂、GDL、硫酸鈣其凝膠得到的擬合參數n分別為0.055 7，0.037 8和0.028 9，其n值均大于0，表明是物理性凝膠，是一種“弱凝膠”，這也進一步證明了前面的結果[21-22]。

圖5 G’—頻率掃描變化

表1 冪律方程擬合的參數值

2.4 蠕變-恢復試驗結果分析

蠕變-恢復試驗，記錄在恒定剪切應力的條件下，持續一段時間豆漿在凝膠的形變隨時間的變化情況及撤去應力后凝膠的恢復情況，結果可以用來比較凝膠的剛性特征[23]。由圖6可知，GDL誘導豆漿凝膠乳表現出很弱的抵抗形變的能力，相比于另外兩種凝固劑誘導的凝膠，其凝膠結構相對較弱[24]。利用Burger’s模型方程對蠕變數據進行擬合，采用流變儀自帶的擬合軟件將4個參數G0、G1、λ、μ0擬合出來，結果均表現出很好的擬合性（R2＞0.99），擬合得到的參數如表2所示。氯化鎂誘導的凝膠具有最大瞬時彈性（G0），說明具有最大的硬度。弛豫彈性模量（G1）可以用來表征凝膠內部的凝聚力，反映其對形變的抵抗能力[25]。黏性因子（μ0）是凝膠的黏性指數。GDL誘導凝膠具有最大的G1和μ0，這可能是由于形成凝膠的作用力比其他兩種更強的原因所導致的。推遲時間（λ）代表達到凝膠最大形變的（1-1/e）所需要的時間，λ越大，表示達到完全形變越緩慢[24]。在恢復試驗結束后，由于施加恒定的剪切應力的作用會影響大部分凝膠發生形變達到最大，這部分形變稱為總形變。極小一部分形變由于撤掉應力無法恢復回來，這部分形變稱為永久形變。而可以恢復的形變與總形變的比值稱為凝膠的恢復率。從表2可以看出，氯化鎂誘導的凝膠具有最大的恢復率，其次是GDL，硫酸鈣的最小，這與蠕變數據一致，豆漿凝膠如果具有較大的抵抗形變的能力，能夠耗散的變形能量更多，則表現出更好的恢復能力。

圖6 剪切應變—時間變化

表2 Burger’s方程擬合四參數

3 結論

通過變溫掃描、頻率掃描、蠕變-恢復試驗可知，凝固劑的種類和pH對豆漿凝固過程形成凝膠有很大影響。不同種類的凝固劑形成凝膠機理不同，對生成凝膠的強弱起著決定性作用。在動態變溫過程中，溫度變化對pH下降速率有著很大影響，溫度越高，pH下降速率越快。在升溫過程中，隨著溫度的增加，凝固劑的pH不斷下降。升溫初期，彈性模量G’、黏性模量G’不斷下降，這與初始pH變化趨勢一致。隨著溫度的繼續升高，G’、G’出現先增加后下降再上升趨勢，由于釋放的離子與蛋白結合不夠緊密，在振蕩過程中，凝膠遭到破壞。隨著pH不斷下降，各凝固劑釋放離子濃度增加與豆漿中的蛋白結合緊密從而生成凝膠。豆腐凝膠從液轉變為固態體，表現出固體的性質。在保溫凝固過程中，G’、G’和pH幾乎無上升或下降趨勢，說明各凝固劑離子得到完全釋放，與蛋白充分結合起來，生成較強的凝膠。在降溫凝固過程中，G’、G’和pH均出現上升趨勢，說明在低溫條件下，氫鍵克服蛋白結構內部側鏈間的靜電斥力引起G’、G’和pH上升。在降溫結束后，3種凝固劑G’的大小決定凝膠強弱為GDL＞硫酸鈣＞氯化鎂，豆漿中各凝固劑pH的大小為氯化鎂＞硫酸鈣＞GDL。試驗發現，凝膠強度與pH大小呈反比，pH越低其凝膠強度越強。