何红叶，潘超然

(福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002)

热水浴-超声波对魔芋 大豆分离蛋白共混液溶胀特性的研究

何红叶，潘超然*

(福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002)

探讨了大豆分离蛋白质量浓度、pH、热水浴温度、超声波功率和超声波时间对魔芋－大豆分离蛋白共混液黏度和溶胀时间的影响。研究结果表明:超声波处理能加强魔芋与大豆分离蛋白的分散性和相互作用;共混液的溶胀时间随着大豆分离蛋白质量浓度的增加和共混液pH的上升而延长，随着热水浴温度的升高、超声波功率和时间的增加而缩短;共混液的黏度随大豆分离蛋白质量浓度、pH、超声波功率和超声波时间的增加呈现先增加后减小的变化趋势，随着热水浴温度的升高一直减小。经拟合，黏度的变化规律与外界条件的四次方多项式呈高度相关性。

魔芋，大豆分离蛋白，热水浴－超声波，溶胀特性

魔芋(Amorphophalms Konjac)，又称蒟蒻、菎蒟、鬼芋，为天南星科魔芋属。我国的种植区主要在秦岭以南的山区，主产区有云、贵、川等地［1］。魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannan，简称KGM)是魔芋的主要功能性成分，它是一种可溶性半纤维素，吸水后体积可膨胀80～100倍，具有良好的生物相容性、吸湿性、增稠性、生物降解性等理化特性［2－7］。大豆分离蛋白(soy protein isolate，简称SPI)的蛋白质含量通常在90%以上，具有乳化性、吸油性、保水性、胶凝性、起泡性等诸多功能特性，金属离子、pH、温度等因素都极易使其变性，进而发生絮凝、聚沉［8－11］。据报道，魔芋葡甘聚糖与大豆分离蛋白能发生相互作用，作用力主要以氢键为主，其次是静电相互作用［12－14］。将魔芋—大豆分离蛋白共混液采用常温溶胀时，具有溶胀时间长、分散性差、相互作用弱等特点。超声波具有波动和能量两种属性，对物质有空化效应和机械作用，在食品行业中主要用于乳化、提取、分散、解冻等［15－17］，未见将超声波应用于魔芋—大豆分离蛋白共混液，增强其分散性和相互作用的研究报道。本文将探讨大豆分离蛋白质量浓度、热水浴温度、pH、超声波功率和超声波时间对魔芋—大豆分离蛋白共混液黏度和溶胀时间的影响，以期为加强魔芋和大豆分离蛋白的分散性和相互作用提供新的方法，为魔芋—大豆分离蛋白复合凝胶食品的研究开发提供一些基础和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试魔芋精粉和大豆分离蛋白 均由福建省三明健盛食品有限公司提供，大豆分离蛋白蛋白质含量(以干基计)为91.00%，魔芋精粉呈白色颗粒状，黏度为18Pa·s。

SK3300HP型数控超声波清洗器(频率为59Hz，最大功率为160W) 上海科导超声仪器有限公司; NDJ－1型黏度计 上海天平仪器厂;HWS12型电热恒温水浴锅 上海一恒科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备 称取5.00g魔芋精粉和一定质量的大豆分离蛋白，混合均匀，缓慢加入500mL蒸馏水中，调整pH，将共混液进行超声处理，处理完毕后，置于恒温水浴锅中溶胀，采用搅拌机以150r/min的速率缓慢搅拌，直至实验结束。

1.2.2 热水浴－超声波溶胀对魔芋－大豆分离蛋白共混液黏度和溶胀时间的影响

1.2.2.1 大豆分离蛋白质量浓度对共混液溶胀时间和黏度的影响 大豆分离蛋白的添加量分别为1、2、3、4、5g，使其质量浓度分别达到2、4、6、8、10g/L，在30℃、pH7的条件下恒温水浴溶胀，将未添加大豆分离蛋白的魔芋溶胶作为对照组，测定共混液和魔芋溶胶的溶胀时间和黏度。

1.2.2.2 pH对共混液溶胀时间和黏度的影响 大豆分离蛋白的添加量为2g(质量浓度4g/L)，在30℃的条件下恒温水浴溶胀，采用1mol/L HCl溶液和1mol/L NaOH溶液调pH，使共混液的pH分别为4、5、6、7、8、9，测定共混液的溶胀时间和黏度。

1.2.2.3 热水浴温度对共混液溶胀时间和黏度的影响 大豆分离蛋白的添加量为2g(质量浓度4g/L)，调pH至7，恒温水浴溶胀的温度分别为30、35、40、45、50、55℃，测定共混液的溶胀时间和黏度。

1.2.2.4 超声波功率对共混液溶胀时间和黏度的影响 大豆分离蛋白的添加量为2g(质量浓度4g/L)，调pH至7，然后将共混液进行超声处理，在超声波功率分别为64、80、96、112、128、144W的条件下处理6min，处理完毕后，将共混液置于45℃的水浴锅内恒温溶胀，测定共混液的溶胀时间和黏度。

1.2.2.5 超声波时间对共混液溶胀时间和黏度的影响 大豆分离蛋白的添加量为2g(质量浓度4g/L)，调pH至7，然后将共混液进行超声处理，在超声波功率为112W的条件下，分别处理2、4、6、8、10、12min，处理完毕后，将共混液置于45℃的水浴锅内恒温溶胀，测定共混液的溶胀时间和黏度。

1.2.3 共混液溶胀时间和黏度的测定 本测定方法是根据中华人民共和国农业行业标准《魔芋粉》(NY/T 494－2010)中所述的魔芋精粉和魔芋微粉黏度的测定方法演变而来。具体操作步骤是:从共混液恒温溶胀开始计时，1h后开始测定共混液的黏度，10min一个时间梯度，直测到样品黏度明显下降为止。测得的最大黏度即为共混液黏度，最大黏度所对应的时间为共混液的溶胀时间。测定时采用黏度计4号转子，转子转动速率为12r/min，转子的系数为K=500。

2 结果与分析

2.1 大豆分离蛋白质量浓度对共混液溶胀时间和黏度的影响

由图1可知，大豆分离蛋白的添加，导致共混液的溶胀时间延长。质量浓度为10g/L的魔芋溶胶(对照组)的溶胀时间为100min，添加少量(2g/L)的大豆分离蛋白时，溶胀时间立即增至120min，大豆分离蛋白的质量浓度≥8g/L时，溶胀时间长达140min。有研究表明，魔芋与大豆分离蛋白之间存在相互作用。添加少量大豆分离蛋白，溶胀时间延长，说明大豆分离蛋白的添加，能延长共混液的溶胀时间;大豆分离蛋白的添加量增加时，溶胀时间更长，观察魔芋－大豆分离蛋白共混液，能看到颗粒状的魔芋悬浮其中，推测可能原因是添加大量大豆分离蛋白后，共混液具有一定的乳化作用，减少了魔芋与水的相互作用，吸水溶胀速率降低，溶胀时间变长。

图1 大豆分离蛋白质量浓度对共混液溶胀时间和黏度的影响Fig.1 Effect of mass concentration of soybean protein isolated on mixed liquid swelling time and viscosity

由图1可知，随着大豆分离蛋白质量浓度的增加，共混液的黏度呈现先上升后降低的变化规律。质量浓度为10g/L的魔芋溶胶黏度为18Pa·s，大豆分离蛋白溶液的黏度通常在1Pa·s以下，而本共混液在大豆分离蛋白质量浓度为4g/L时，共混液获得最大黏度值22Pa·s，说明魔芋与大豆分离蛋白发生了协同增强作用。据报道，魔芋与大豆分离蛋白间的相互作用以氢键作用为主，其次是静电作用，相互作用越强，两者形成的体系的黏度或凝胶强度越大［12－14］。经拟合，共混液黏度的变化规律与大豆分离蛋白质量浓度的四次方多项式呈高度正相关性，拟合方程为y=0.0365x4－0.4896x3+1.7448x2－0.1935x +16.875(R2=0.9837)。

2.2 pH对共混液溶胀时间和黏度的影响

由图2可知，pH为4和5时，共混液的溶胀时间分别为100min和110min，黏度分别为18.25Pa·s和19.5Pa·s，pH在6～9的范围内时，共混液的溶胀时间均为120min，黏度在21～22Pa·s之间。出现上述变化现象，可能原因是，大豆分离蛋白的等电点在4.5左右，当共混液的pH在此附近时，大豆分离蛋白发生聚沉，减少了其与魔芋的相互作用，使共混液的溶胀时间和黏度与单一的魔芋溶胶最为接近，观察共混液，能看到絮状的小块大豆分离蛋白块。在高碱性环境中，大豆分离蛋白变性，分子链由卷曲状伸展开来，虽然能与魔芋葡甘聚糖分子链靠得更近，但与此同时，大豆分离蛋白的乳化性能提高，使得魔芋葡甘聚糖分子与水分子的相互作用几率降低，表现为共混液的溶胀时间稍微延长、黏度略微下降［18］。因此，魔芋与大豆分离蛋白在接近中性的环境中能发生较强的相互作用。经拟合，共混液黏度的变化规律与pH的四次方多项式呈高度正相关性，拟合方程为 y=0.0729x4－1.0301x3+4.6493x2－6.5334x+ 21.083(R2=0.9985)。

图2 pH对共混液溶胀时间和黏度的影响Fig.2 Effect of pHon mixed liquid swelling time and viscosity

2.3 热水浴温度对共混液溶胀时间和黏度的影响

图3 热水浴温度对共混液溶胀时间和黏度的影响Fig.3 Effect of hot tub temperature on mixed liquid swelling time and viscosity

由图3可知，随着热水浴温度的上升，共混液的溶胀时间逐渐缩短，当热水浴温度≥45℃时，溶胀时间不再发生变化，均为90min。温度上升，导致分子动能增加，振动加剧，能加速水分子向魔芋葡甘聚糖分子内部的扩散，使溶胀速率加快，溶胀时间缩短。由图3可知，随着热水浴温度的上升，共混液的黏度急剧减小，当热水浴温度≥45℃时，减小速率放缓。温度的升高，使分子运动加剧，能逐渐挣脱分子间氢键的束缚，改变分子间的相互作用，导致共混液的黏度减小［19］。经拟合，共混液黏度的变化规律与热水浴温度的四次方多项式呈高度负相关性，拟合方程为y=－0.0521x4+0.7245x3－3.0868x2+1.958x+ 22.417(R2=0.9946)。

2.4 超声波功率对共混液溶胀时间和黏度的影响

由图4可知，随着超声波功率的增加，共混液的溶胀时间先保持在90min不变，当超声波功率增加至112W时，共混液的溶胀时间缩至80min，这可能是因为超声波在液体中传播时产生了负压，使液体局部形成气体，水蒸汽的比表面积增加，增加了水分子与魔芋葡甘聚糖分子的接触面积，有利于水蒸汽向魔芋葡甘聚糖分子内部扩散，使共混液的溶胀时间缩短［20］。

图4 超声波功率对共混液溶胀时间和黏度的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on mixed liquid swelling time and viscosity

由图4可知，随着超声波功率的增加，共混液的黏度呈现先增加后减小的变化规律，在超声波功率112W时，共混液的最大黏度为16Pa·s。45℃恒温溶胀的共混液黏度为13.5Pa·s，由此可见，适当超声处理产生的崩溃、搅拌和空穴作用能增强魔芋与大豆分离蛋白的相互作用［21］。超声波功率继续增加时，共混液的黏度减小，可能是超声场场能过强，使分子链发生降解，氢键遭到破坏的缘故。经拟合，共混液黏度的变化规律与超声波功率的四次方多项式呈高度正相关性，拟合方程为y=0.0677x4－0.9641x3+4.4774x2－7.2765x+17.708(R2=0.9836)。

2.5 超声波时间对共混液溶胀时间和黏度的影响

由图5可知，超声波处理2min和4min时，共混液的溶胀时间为90min，超声波处理时间≥6min时，共混液的溶胀时间缩至80min，这可能是因为超声波处理时间的增加，由于空化效应产生的水蒸汽量增多，向分子内部扩散的水蒸汽量也增多，使共混液的溶胀时间变短［20］。

图5 超声波时间对共混液溶胀时间和黏度的影响Fig.5 Effect of ultrasonic time on mixed liquid swelling time and viscosity

由图5可知，随着超声波处理时间的增加，共混液的黏度呈现先增加后减小的变化规律，在超声波时间为6min时，共混液有最大黏度，说明魔芋与大豆分离蛋白发生了较强的相互作用，观察样品发现，共混液质地更加均匀、细腻;处理时间进一步增加时，共混液黏度减小，样品体积略微膨胀，可能是超声波处理过度，在分子链发生解离的同时，大豆分离蛋白的起泡性能增加，共混液中混入空气，使其相互作用减弱。经拟合，共混液黏度的变化规律与超声波时间的四次方多项式呈高度正相关性，拟合方程为y=0.026x4－0.2697x3+0.5399x2+0.9785x+13.208 (R2=0.9759)。

3 结论

3.1 魔芋与大豆分离蛋白存在相互作用，常温溶胀时，存在分散性差和相互作用弱等问题。本文探讨了大豆分离蛋白质量浓度、热水浴温度、pH、超声波功率和超声波时间对共混液黏度和溶胀时间的影响，发现热水浴－超声波溶胀能解决上述问题。

3.2 在魔芋质量浓度为10g/L的条件下，共混液的溶胀时间随着大豆分离蛋白质量浓度的增加和共混液pH的上升而延长，随着热水浴温度的升高、超声波功率和时间的增加而缩短;共混液的黏度随大豆分离蛋白质量浓度、pH、超声波功率和超声波时间的增加呈现先增加后减小的变化趋势，随着热水浴温度的升高一直减小。综合考虑共混液的溶胀时间和黏度，在大豆分离蛋白质量浓度为4g/L、pH接近中性，热水浴温度为45℃、超声波功率112W和超声波时间6min时，共混液能获得较好的黏度和较短的溶胀时间，黏度为16Pa·s，溶胀时间为80min。经拟合，共混液黏度的变化规律与大豆分离蛋白质量浓度、pH、超声波功率和超声波时间的四次方多项式呈高度正相关性，与热水浴温度的四次方多项式呈高度负相关性。

3.3 魔芋与大豆分离蛋白的作用力主要以氢键为主，其次是静电相互作用。适当的超声波处理能增强魔芋与大豆分离蛋白的分散性和相互作用，使共混液的黏度增加，溶胀时间缩短。超声波处理增强魔芋与大豆分离蛋白相互作用的机理，即是加强氢键作用，或是加强静电相互作用，或是产生新的作用力，还有待进一步研究。

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Study on characteristics of mixed liquid with konjac and soybean protein isolated swelled by hot water bath－ultrasonic treatment

HE Hong－ye，PAN Chao－ran*
(Food Science College，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China)

Effects of the quality concentration of soy protein isolated，pH value，temperature，ultrasonic power and ultrasonic time on viscosity and swelling time of mixed liquid with konjac and soybean protein isolated were explored.The results indicated that interaction between konjac and soybean protein isolated could be strengthen by ultrasonic treatment，as well as dispersion.Swelling time was extended with increasing of the quality concentration of soy protein isolated，pH value，ultrasonic power and ultrasonic time，and was shorten with increasing of hot tab bath temperature.The mixed liquied viscosity increased and then decreased with increasing of the quality concentration of soy protein isolated，pH value，ultrasonic power and ultrasonic time，however，it was decreased with increasing hot tab temperature straightly.It also found that there were highly correlation between the change rule of viscosity and the quartic polynomial function of external conditions by fitting.

konjac;soybean protein isolated;the hot water bath－ultrasonic treatment;swelling characteristics

TS210.1

A

1002－0306(2012)21－0138－04

2012－04－13 *通讯联系人

何红叶(1986－)，女，硕士研究生，研究方向:粮食、油脂及植物蛋白工程。