吳 瓊，陳麗娜，代永剛，陳 星

響應(yīng)面優(yōu)化轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性大豆分離蛋白工藝

吳 瓊1，陳麗娜1，代永剛2，陳 星1

(1.長(zhǎng)春大學(xué) 農(nóng)產(chǎn)品深加工吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130033)

為獲得適于添加到冷飲食品中的大豆分離蛋白，利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(TG)對(duì)其進(jìn)行改性，提高其乳化性。采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以酶添加量、酶解時(shí)間、酶解溫度為試驗(yàn)因素，以乳化活力指數(shù)為響應(yīng)值，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)酶解條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，最佳酶解條件為TG酶的添加量0.93×10-4g、溫度46℃、時(shí)間1.2h。在此條件下，乳化活力指數(shù)的預(yù)測(cè)值為1.9623m2/g，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得乳化活力指數(shù)為1.9658m2/g。所得回歸模型擬合情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本實(shí)驗(yàn)得到的改性大豆分離蛋白的乳化性顯著高于未改性的大豆分離蛋白。

大豆分離蛋白；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶；改性；乳性活力指數(shù)

大豆分離蛋白(soy protein isolate，SPI)是以低溫脫溶大豆粕為原料生產(chǎn)的一種全價(jià)蛋白類食品添加劑[1]。其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、資源豐富、原料成本低，是植物蛋白中為數(shù)不多的可替代動(dòng)物蛋白的品種之一。然而，大豆分離蛋白在現(xiàn)代食品加工中的應(yīng)用受到一定的限制。這主要是由于大豆蛋白的功能性質(zhì)還不能滿足現(xiàn)代食品加工的需求。因此，需要對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行改性。SPI的改性就是通過(guò)改變蛋白質(zhì)的一個(gè)或幾個(gè)理化性質(zhì)達(dá)到加強(qiáng)或改善蛋白質(zhì)功能性的目的，并提高大豆制品營(yíng)養(yǎng)成分的生物有效利用性[2-3]。SPI改性方法有物理改性、化學(xué)改性、酶改性和生物工程改性[4-5]。適當(dāng)?shù)母男钥僧a(chǎn)生合適的功能性質(zhì)，拓寬SPI在食品工業(yè)中作為添加劑應(yīng)用的范圍[6-7]。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(transglutaminase，TG)是從微生物中提取的一種能夠催化?；D(zhuǎn)移反應(yīng)的轉(zhuǎn)移酶[8-10]。在大豆蛋白的制品中，TG酶常被用來(lái)提高最終產(chǎn)品的凝膠強(qiáng)度和乳化活力[11-12]。

本研究通過(guò)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對(duì)SPI進(jìn)行改性，提高其乳化性，采用響應(yīng)面分析法(response surface methodology，RSM)對(duì)酶解條件進(jìn)行優(yōu)化，建立數(shù)學(xué)模型，得到最佳酶解工藝。本研究旨在獲得適于添加到冷飲中的大豆分離蛋白，替代傳統(tǒng)冷飲食品中的乳蛋白和部分添加劑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白 通榆縣益發(fā)合大豆制品有限責(zé)任公司；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(TG) 日本味之素公司；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、十二烷基硫酸鈉(SDS)等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DK-98-2A電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司；JJ-1電動(dòng)攪拌器、JJ-2組織搗碎機(jī) 金壇市城西曉陽(yáng)電子儀器廠；UV-2201紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司；TDL-40B離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.3 大豆分離蛋白的酶解改性

每份稱取SPI 5g，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的溶液，80℃水浴攪拌加熱30min，取出，冷卻至室溫，放入4℃冰箱中冷卻過(guò)夜，備用。取熱處理的SPI，加入一定量的TG，在35～50℃水浴中，用電動(dòng)攪拌器攪拌，酶解0.5～1.5h，取出，立即放到沸水中滅酶15min，冷卻干燥，進(jìn)行乳化活力指數(shù)(emulsion activity index，EAI)的測(cè)定[13]。

將TG改性SPI用0.01mol/L、pH7.0 NaH2PO4-Na2HPO4緩沖液配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%溶液，取10mL色拉油與20mL待測(cè)溶液于均質(zhì)機(jī)中均質(zhì)1min，用微量注射器取3μL，用含0.1%十二烷基硫酸鈉(SDS)的相同緩沖液稀釋成3mL，立即用分光光度計(jì)在500nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度(A)。

式中：EAI為每克蛋白質(zhì)的乳化面積/(m2/g)；Φ為油相所占的體積分?jǐn)?shù)，本實(shí)驗(yàn)中油相占1/3；C為蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.8%)；L為比色池光徑(10mm)；n為稀釋倍數(shù)。

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)，選定酶添加量(相對(duì)于1g底物)、加熱時(shí)間、加熱溫度3個(gè)考察因素及其變化區(qū)間，設(shè)計(jì)三因素三水平共20個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面試驗(yàn)方案，建立數(shù)學(xué)回歸模型，反映不同因素間的交互影響，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化分析，最后得出最佳酶解條件。以乳化活力指數(shù)為響應(yīng)值，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)做3個(gè)平行樣，取平均值。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶活性大豆分離蛋白工藝因素水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用設(shè)計(jì)專家軟件(Design-Expert software 7.0)中的響應(yīng)面設(shè)計(jì)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間熱處理的SPI乳化性能、表面疏水性和溶解度均有所提高[14]。所以本研究采用加熱處理對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行預(yù)處理。響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析見表2、3。

表2 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性大豆分離蛋白工藝響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Response surface design arrangement and experimental results

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 3 Variance analysis of fiited regression model

本研究采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立一個(gè)模型來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性大豆分離蛋白工藝。通過(guò)分析自變量和因變量得到一個(gè)能夠在給定的范圍內(nèi)預(yù)測(cè)響應(yīng)值的回歸方程。TG改性SPI乳化活力指數(shù)的回歸方程為：

EAI=1.83＋0.12X1＋0.16X2＋0.21X3＋0.045X1X2＋0.040X1X3＋0.10X2X3-0.30X12-0.27X22-0.078X32

本研究得到模型的決定系數(shù)為0.957，這表明95.7%的變化能夠通過(guò)這個(gè)模型解釋[15]，因此，可以用該模型對(duì)TG改性SPI乳化性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。從表3可以看出，本研究所得回歸模型顯著(P＜0.05)，因此，此模型能充分地表明各因素之間的關(guān)系。在給定的水平范圍內(nèi)，酶添加量、酶解溫度、酶解時(shí)間均是影響顯著的因素。3個(gè)因素對(duì)TG改性大豆分離蛋白乳化性的影響依次為酶解時(shí)間＞酶解溫度＞酶添加量。

根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化分析，取得最佳TG改性大豆分離蛋白EAI的參數(shù)條件為：TG酶添加量0.93×10-4g、溫度46℃、時(shí)間1.2h，在此條件下EAI模型的預(yù)測(cè)值為1.9632m2/g，實(shí)際得到的EAI值為1.9658m2/g。預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值擬合良好。

大豆分離蛋白的EAI值為0.956m2/g，通過(guò)TG改性后，得到的改性SPI的EAI值明顯高于未改性的SPI，說(shuō)明改性成功。

2.2 因素交互作用

利用Design-Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，3因素之間的交互作用見圖1～3。當(dāng)酶解時(shí)間1h時(shí)，酶添加量和酶解溫度對(duì)TG改性SPI乳化活力指數(shù)的交互影響見圖1。由圖1可見，當(dāng)酶添加量不變時(shí)，EAI值隨著酶解溫度的升高先增大后降低，當(dāng)酶解溫度達(dá)到42.50℃時(shí)，EAI值達(dá)到最大值。當(dāng)酶解溫度不變時(shí)，EAI值隨著酶添加量的增加逐漸增大，當(dāng)酶添加量達(dá)到0.8×10-4g時(shí)，EAI值開始下降。

圖1 酶添加量與酶解溫度對(duì)乳化活力指數(shù)的交互影響Fig.1 Effect of cross-interaction between TG addition amount and hydrolysis temperature on EAI

圖2 酶添加量與酶解時(shí)間對(duì)乳化活力指數(shù)的交互影響Fig.2 Effect of cross-interaction between TG addition amount and hydrolysis time on EAI

圖3 酶解溫度與酶解時(shí)間對(duì)乳化活力指數(shù)的交互影響Fig.3 Effect of cross-interaction between hydrolysis temperature and hydrolysis time on EAI

當(dāng)酶解溫度42.50℃時(shí)，酶添加量和酶解時(shí)間對(duì)TG改性SPI乳化活力指數(shù)的交互影響見圖2。由圖2可見，當(dāng)酶添加量不變時(shí)，EAI值隨著酶解時(shí)間的增加而增加，當(dāng)酶解時(shí)間達(dá)到1.5h時(shí)，EAI值達(dá)到最大為1.9614m2/g。當(dāng)酶解時(shí)間固定不變時(shí)，隨著酶添加量的增加，EAI也逐漸增大，當(dāng)酶添加量為0.8×10-4g時(shí)，EAI值開始下降。

當(dāng)酶添加量0.8×10-4g時(shí)，酶解溫度和酶解時(shí)間對(duì)TG改性SPI乳化活力指數(shù)的交互影響見圖3。由圖3可見，當(dāng)酶解溫度不變時(shí)，EAI值隨著酶解時(shí)間的增加而增加。當(dāng)酶解時(shí)間1.5h時(shí)，EAI達(dá)到最大。當(dāng)酶解時(shí)間不變時(shí)，隨著酶解溫度的增加，EAI值也逐漸增大，但當(dāng)溫度達(dá)到42.5℃，EAI值達(dá)到最大，隨著溫度繼續(xù)升高，EAI值逐漸降低。

3 結(jié) 論

通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性大豆分離蛋白的酶解條件進(jìn)行優(yōu)化，取得最佳TG改性SPI酶解條件為TG酶添加量0.93×10-4g、酶解溫度46℃、酶解時(shí)間1.2h。在此條件下，EAI預(yù)測(cè)值為1.9623m2/g，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得EAI值為1.9658m2/g。所得回歸模型擬合情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本研究采用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行改性，整個(gè)改性過(guò)程不添加任何化學(xué)試劑，所得到的改性大豆分離蛋白安全無(wú)毒，并且提高了其乳化性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值?？梢灾苯犹砑拥嚼滹嬍称分?，替代部分乳蛋白，提高冷飲食品的營(yíng)養(yǎng)，降低生產(chǎn)成本，并起到乳化劑的作用，從而可以降低冷飲食品中乳化劑和穩(wěn)定劑的使用，生產(chǎn)出一種安全、綠色的冷飲食品。本研究為提高大豆分離蛋白的應(yīng)用范圍提供了依據(jù)。

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Modification of Soy Protein Isolate with Transglutaminase

WU Qiong1，CHEN Li-na1，DAI Yong-gang2，CHEN Xing1
(1. Key Laboratory of Agricultural Products Processing in Jilin Province, Changchun University, Changchun 130022, China；2. Center of Agro-Food Technology, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033, China)

Soy protein isolate (SPI) was modified by transgultaminase (TG) to improve its emulsifying properties so as to obtain modified SPI suitable for cold drinks and foods. Response surface design was used to explore the effects of enzyme addition amount and hydrolysis time and temperature on emulsifying activity index (EAI) and establish a mathematic model of optimal enzymatic hydrolysis conditions. Results showed that the optimal modification conditions were TG dosage of 0.93×10-4g, hydrolysis temperature of 46 ℃and hydrolysis time of 1.2 h. Under the optimal conditions, the experimental EAI was 1.9658 m2/g, which was close to the predicted EAI of 1.9623 m2/g. Moreover, modified SPI revealed higher emulsion capacity than that of native SPI.

soy protein isolate；transglutaminase；modification；emulsion activity index

TS201.2

A

1002-6630(2011)04-0007-04

2010-04-21

吉林省教育廳“十一五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字2009第448號(hào))；

長(zhǎng)春市科技局應(yīng)用技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(08YJ18)

吳瓊(1978—)，女，講師，博士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物開發(fā)與應(yīng)用。E-mail：rabbit7815@163.com