金 楊，劉麗莎,2，張小飛，張 清，白 潔，郭 宏，彭義交,*

（1.北京食品科學研究院，北京 100068；2.國家食品安全風險評估中心，北京 100022）

填充豆腐是以葡萄酸-δ-內酯（glucono-δ-lactone，GDL）為凝固劑的豆制品，以其質地細膩、口感軟嫩、食用方便等特點深受我國消費者喜愛。自20世紀80年代以來，我國填充豆腐的生產(chǎn)一直沿用從日本引入的低溫點腦、高溫凝固的工藝。該工藝利用GDL在低溫下緩慢釋放H＋的特點，將加熱的豆?jié){降溫至15～20 ℃，與GDL快速混合，隨后升溫至85 ℃，升溫過程溶液中H＋濃度逐漸升高，促使變性的大豆蛋白發(fā)生凝聚，形成凝膠[1]。該工藝實現(xiàn)了填充豆腐自動化連續(xù)生產(chǎn)，提高了豆腐的生產(chǎn)效率，并延長了保質期。但是，低溫點腦、高溫凝固的生產(chǎn)工藝需要兩次升溫、兩次降溫，工藝復雜，設備投資高，增加了生產(chǎn)和維修成本，也造成能源浪費。同時，降溫點腦過程增加了產(chǎn)品微生物污染的風險，并且還存在凝固劑過量、豆腐口味發(fā)酸的問題。因此，在保證產(chǎn)品品質前提下，簡化生產(chǎn)工藝、減少能耗、降低生產(chǎn)成本，成為豆制品加工行業(yè)亟待解決的問題。

目前，國內外關于填充豆腐凝固機理的研究很多。大豆蛋白主要由大豆球蛋白（glycinin，11S）和β-伴大豆球蛋白（β-con-glycinin，7S）組成，7S和11S的變性溫度分別為70 ℃左右和90 ℃左右[2]。Campbell等[3]研究表明，中性條件下加熱大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）形成大的聚合體被GDL酸化時，SPI可與天然存在的蛋白共沉形成更大的聚合體，凝膠網(wǎng)絡結構主要靠疏水作用和二硫鍵維持。李里特等[4]研究顯示，隨著加熱溫度（80～95 ℃）升高，豆腐凝膠強度增強，加熱溫度越高，大豆蛋白暴露的活性基團越多，在凝固劑作用下，凝固形成的網(wǎng)絡結構越完整，凝膠強度越強。凝固溫度是影響豆腐品質的關鍵因素。一方面，凝固溫度影響大豆蛋白變性程度，隨著溫度的升高，大豆蛋白變性加劇，更多的疏水基團暴露，有利于凝膠網(wǎng)絡的形成[5]；另一方面，凝固溫度影響GDL分解釋放H＋速率，降低體系pH值能中和大豆蛋白表面電負性，使大豆蛋白凝聚成為網(wǎng)狀結構[6]。Chang等[7]從流變學的角度對GDL制備黑豆豆腐凝膠形成過程進行了研究，結果顯示黑豆豆腐飽和儲能模量（G’sat）受凝固溫度、豆?jié){濃度及GDL濃度影響，G’sat隨豆?jié){濃度和GDL濃度增大而增大，凝固溫度為75 ℃時，G’sat最大。Liu Zhisheng等[8]采用兩步法加熱，即在75 ℃加熱5 min，再升溫至95 ℃加熱5 min，制備內酯豆腐，其凝膠彈性顯著增加，豆腐保水性增強。GDL在水中的分解速率與溫度正相關，溫度越高，分解速率越快，蛋白凝聚速率越快[9]。陶汝清等[10]研究了以GDL為凝固劑，熱處理對SPI結構和凝膠性的影響，結果顯示，隨著加熱溫度在70～95 ℃范圍內升高，SPI中的自由氨基濃度、自由巰基含量及表面疏水性增高，SPI凝膠強度先上升后下降，凝膠失水率呈下降趨勢。李倩如等[11]研究了酸化速率對內酯誘導的SPI凝膠結構的影響，結果表明，溫度與蛋白凝膠的酸化速率成正比，隨著酸化速率的增加，大豆分離蛋白凝膠強度和剛性不斷提高。

本團隊研發(fā)的熱漿高效混合灌裝裝備可實現(xiàn)高溫豆?jié){與點腦劑的瞬時均勻混合，改變了傳統(tǒng)填充豆腐點腦過程需兩次升溫兩次降溫的生產(chǎn)工藝，簡化了生產(chǎn)設備，降低了生產(chǎn)能耗。本研究針對填充豆腐現(xiàn)有生產(chǎn)過程能源消耗大的行業(yè)共性問題，對熱豆?jié){與GDL混合過程蛋白質形成凝膠機制進行研究，為創(chuàng)制熱漿節(jié)能點腦技術及裝備提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆為市售。

GDL 上海黃浦食品添加劑有限公司；牛血清白蛋白、考馬斯亮藍G-250 美國Amresco公司；其余試劑均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

AR1000旋轉流變儀 英國TA公司；TA-XT質構儀英國Stable Micro System公司；HTX酶標儀 美國BioTek公司；RJDN-1型熱漿連續(xù)式點腦裝備 北京食品科學研究院。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

1.3.1.1 RJDN-1型熱漿點腦裝備制備填充豆腐凝膠

采用新型低耗水制漿工藝制豆?jié){[12]，生豆?jié){加熱煮沸，保持3 min，所得熟豆?jié){的可溶性固形物含量為10 °Brix。豆?jié){分別于30、40、50、60、70、80、85 ℃下通過RJDN-1型熱漿點腦裝備與3%（質量分數(shù)，下同）GDL溶液按體積比20∶1混合，并在相應溫度下保溫20 min，于4 ℃下冷藏過夜制得凝膠。

1.3.1.2 模擬生產(chǎn)過程制備填充豆腐凝膠

大豆浸泡后制漿，生豆?jié){加熱煮沸，保持3 min，所得熟豆?jié){可溶性固形物含量為10 °Brix。之后將豆?jié){冷卻到20 ℃，將其與3% GDL按體積比20∶1混合均勻，置于85 ℃下凝固20 min，后繼續(xù)保溫20 min，之后置于冷水槽中冷卻1 h，于4 ℃下冷藏過夜制得成品。

1.3.2 凝膠形成過程的流變學特性測定

對凝膠在恒溫（30、40、50、60、70、80、85 ℃）凝固過程和模擬生產(chǎn)升溫凝固過程的流變學特性進行測定，具體方法參考文獻[13]。

取1.3.1.1節(jié)制備的2.0 mL 10 °Brix熟豆?jié){，加入流變儀平行板（d＝40 mm、間隙1 mm），刮去多余樣品，加入礦物油密封樣品防止測試過程水分蒸發(fā)。對于恒溫凝固過程流變學測定，分別預熱至30、40、50、60、70、80、85 ℃（根據(jù)目前實際生產(chǎn)情況，填充豆腐凝固升溫至85 ℃，為了與實際生產(chǎn)情況保持一致，因此實驗最高溫度設定為85 ℃）；對于升溫凝固過程，將溫度以0.2 ℃/s從20 ℃升至85 ℃，并維持15 min。再取0.1 mL 3% GDL溶液，快速注入平行板間隙中，開始測定樣品彈性模量G′和黏性模量G″隨時間的變化。其他測試參數(shù)：頻率1 Hz；應力0.1%；掃描時間：1 200 s。

1.3.3 質構特性測定

質構特性測定參考文獻[14]。采用取樣器制備直徑1 cm、高2 cm的圓柱形樣品，采用質構儀通過TPA模式測定凝膠的質構特性。測定條件：測前、測中、測后速率均為5 mm/s，壓縮比例30%，間隔時間5 s，探頭P/26。根據(jù)TPA質構曲線計算硬度、彈性、內聚性和黏著性。

1.3.4 感官評價

感官評價共有色澤、口感、外觀、風味4 項指標，每項滿分25 分，最低分0 分，分數(shù)越高表明該項品質越好。感官評價小組由10 名成員組成，6 名女性，4 名男性，均沒有大豆過敏史且每周食用豆腐制品至少一次[15-16]。感官評價標準見表1。

表1 填充豆腐感官評分標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of tofu coagulated with glucono-δ-lactone

1.3.5 蛋白分子間作用力測定

蛋白質分子間作用力測定參照Tan[17]和鄧麗[18]等的方法，并加以改進。稱取0.6 g凍干豆腐樣品加5 mL 0.6 mol/L NaCl，進行分離提?。? 000 r/min勻漿2 min，4 ℃放置1 h，再10 000 r/min離心20 min，于1 000 目濾布過濾，下同），得到上清液S1。所得沉淀加入5 mL提取液A（含1.5 mol/L尿素和0.6 mol/L NaCl）后進行分離提取操作，得到上清液S2。所得沉淀加入5 mL提取液B（含8 mol/L尿素和0.6 mol/L NaCl），分離提取兩次，合并兩次提取上清液得到S3。沉淀加入5 mL提取液C（含0.5 mol/Lβ-巰基乙醇、8 mol/L尿素和0.6 mol/L NaCl）后進行分離提取，得到上清液S4。將每次離心取得的上清液置于4 ℃下保存。將上述上清液采用考馬斯亮藍法測定蛋白質量濃度。離子鍵、氫鍵、疏水鍵和二硫鍵相對含量分別為上清液S1、S2、S3和S4中蛋白質量濃度與這4 種上清液中總蛋白質量濃度的比值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

實驗做3 組平行，釆用Excel軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用SPSS 22軟件對數(shù)據(jù)進行Duncan’s多重比較顯著性分析和雙變量相關性分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 填充豆腐凝膠形成過程中的流變學特性分析結果

對于黏彈體系，G’和G”分別表示凝膠的“類固”程度（彈性）和“類液”程度（黏性）[18]。體系的動態(tài)流變曲線可以描述體系在凝固過程中凝膠形成的變化過程，G’反映體系凝膠強度的大小，G”反應體系黏性的大小。通過比較G’和G”隨時間的變化，可以反映體系中凝膠形成速率，以及凝膠在不同時間的狀態(tài)[19]。

由圖1可知，凝固溫度對填充豆腐凝膠的G’和G”影響較大。當凝固溫度小于60 ℃時，凝膠體系的G’和G”較小，形成的凝膠強度很差。而當凝固溫度不低于60 ℃時，體系的G’和G”較大。凝固反應初期，溫度越高曲線斜率越大，表現(xiàn)為凝膠反應速率越大；曲線達到穩(wěn)定增長所需時間越短，表現(xiàn)為凝膠反應時間越短，凝膠反應結束時形成的凝膠強度越大。填充豆腐凝膠的形成受兩方面因素影響：一方面，GDL溶于水后會分解成葡萄糖酸，并釋放H＋，中和大豆蛋白表面電荷，從而使大豆蛋白發(fā)生聚集，形成凝膠[19]。溫度越高，GDL分解速率越快，體系中H＋濃度越高，凝膠反應越迅速，G’和G”增長速率越快[20]；另一方面，加熱會促使大豆蛋白質分子鏈展開，內部的疏水基團暴露于體系表面，疏水基團之間的相互作用，促使大豆蛋白分子結合在一起，形成凝膠[21]。溫度越高，大豆蛋白變性加劇，暴露出的疏水基團越多，形成凝膠越迅速，凝膠強度越高[4,22]。另外，由于大豆蛋白中的主要組分7S和11S蛋白，其變性溫度分別為70 ℃左右和90 ℃左右[2]，當凝固溫度過低時，即使有凝固劑的參與，也無法形成具有一定凝膠強度的蛋白質凝膠。由上述分析可見，高溫凝固有利于形成具有一定凝膠強度的填充豆腐，溫度越高，凝膠強度越大。

圖1 不同凝固溫度下填充豆腐的動態(tài)黏彈特性曲線Fig.1 Dynamic viscoelastic properties of tofu coagulated at different temperatures

2.2 升溫凝固與高溫下恒溫凝固對凝膠形成速率的影響

為了反映不同凝固過程對凝膠形成速率的影響，實驗模擬了實際生產(chǎn)中連續(xù)升溫凝固過程，測定了連續(xù)升溫條件下體系G’和G”隨時間的變化曲線（圖2），并測定了凝固溫度為85 ℃時體系G’和G”隨時間的變化曲線（圖3）。

圖2 模擬生產(chǎn)過程G’和G”隨時間變化曲線Fig.2 Changes in G’ and G” during simulated coagulation process at rising temperatures

由圖2可知，模擬生產(chǎn)過程中，凝固溫度隨時間從20 ℃逐漸升高至85 ℃為升溫凝固過程。當溫度低于70 ℃時，體系中G’和G”呈波動變化趨勢，且趨勢平緩；當溫度不低于70 ℃時，體系中G’＞G”，且這兩者均急速上升。在豆腐凝膠形成過程中，當體系為液態(tài)時，G”＞G’，體系表現(xiàn)為液體性質；隨著加熱與凝固劑的加入，G’和G”同時升高，當凝膠形成時，G’＞G”，體系表現(xiàn)為固體性質[20]。因此，可以根據(jù)G’和G”隨時間的變化曲線的交點，判斷體系的凝膠時間。現(xiàn)有的填充豆腐生產(chǎn)工藝，為了使豆?jié){在凝固前與GDL充分混合，采用了低溫混合、高溫凝固的生產(chǎn)工藝，凝固過程較緩慢，當溫度增至70 ℃時，G’＞G”用時250 s左右，開始形成凝膠。

圖3 填充豆腐85 ℃恒溫凝固過程中G’和G”隨時間變化曲線Fig.3 Changes in G’ and G” of tofu during coagulation at a constant temperature of 85 ℃

圖3表示85 ℃熱豆?jié){直接混合GDL時體系G’和G”隨時間變化曲線，此過程為恒溫凝固。由于85 ℃下凝固反應迅速，為了清晰地反映體系凝固過程G’和G”的變化，圖3只截取了反應前幾秒體系G’和G”隨時間變化曲線。由圖3可知，85 ℃熱漿直接混合GDL時，凝固反應極快，僅用時1.8 s左右。對比圖2與圖3可知，與傳統(tǒng)的連續(xù)升溫凝固過程相比，85 ℃下凝固反應極為迅速。因此，要實現(xiàn)85 ℃下均勻凝固，需要在極短的時間內完成凝固劑與豆?jié){的快速混合。而現(xiàn)有的生產(chǎn)設備無法實現(xiàn)高溫下豆?jié){與GDL均勻快速混合，也就不能形成完整均勻的豆腐凝膠?；诟倪M現(xiàn)有工藝的難題，解決豆制品加工能耗高的瓶頸，本團隊采用撞擊流原理所研制的熱漿連續(xù)式點腦裝備實現(xiàn)了豆?jié){與GDL瞬間均勻混合，使內酯豆腐高溫點腦、灌裝、成型一系列過程同時完成[23]。

2.3 凝固溫度對填充豆腐凝膠強度的影響

圖4 不同凝固條件填充豆腐的G’最大值Fig.4 G’max of tofu under different coagulation conditions

圖4對比了不同凝固溫度下，填充豆腐彈性模量G’的最大值。凝固溫度從60 ℃升高至70 ℃時，顯著增加（P＜0.05），之后隨著凝固溫度升高，緩慢增加。溫度越高，大豆蛋白變性越充分，暴露出的疏水基團越多，酸化后形成的網(wǎng)絡越穩(wěn)定，凝膠強度越大，凝膠的彈性模量越高[24]。當凝固溫度達到85 ℃時，為143.5 kPa。而模擬實際生產(chǎn)條件，得到的填充豆腐為129.7 kPa。雖然通過兩種凝固方式都能形成較穩(wěn)固的凝膠結構，但采用85 ℃高溫快速凝固比采用連續(xù)升溫凝固更有利于增加填充豆腐凝膠強度，提高填充豆腐品質。

2.4 凝固溫度對填充豆腐質構特性的影響

表2 不同凝固溫度及模擬生產(chǎn)過程填充豆腐質構特性的比較Table 2 Comparison of texture properties of tofu prepared at different coagulation temperatures and under simulated production conditions

質構特性是豆腐品質評價的主要手段，硬度、內聚性、彈性、黏著性是豆腐質構評價的主要指標[25-26]。表2表明，隨著凝固溫度升高，填充豆腐的硬度、彈性、內聚性、黏著性不同程度地增加。當凝固溫度小于60 ℃時，凝膠彈性、硬度、黏著性都很低，凝膠成半凝固狀態(tài)；當凝固溫度大于70 ℃時，凝膠的硬度、內聚性和黏著性顯著提高（P＜0.05）。不同凝固溫度下凝膠的質構特性與對應的流變曲線變化規(guī)律一致。與模擬生產(chǎn)過程制得的填充豆腐相比，凝固溫度為85 ℃時，豆腐硬度、彈性、內聚性和膠黏性均顯著提高（P＜0.05）。由此可見，利用本實驗室研制的熱漿連續(xù)式點腦裝備制作的填充豆腐品質優(yōu)良。

2.5 凝固溫度對感官評分的影響

圖5 不同凝固溫度及模擬生產(chǎn)條件下填充豆腐的感官評分Fig.5 Sensory scores of tofu prepared under different coagulation temperatures and simulated production conditions

根據(jù)流變特性分析可知，凝固溫度≥60 ℃時，可以形成具有一定凝膠強度的豆腐凝膠。因此，本實驗選擇了凝固溫度為60、70、80、85 ℃的填充豆腐并與模擬生產(chǎn)過程連續(xù)升溫條件下的填充豆腐進行感官評價，結果如圖5所示。不同凝固溫度形成的填充豆腐，在風味、口感、外觀方面有明顯差異，色澤差異較小。85 ℃下凝固的填充豆腐在色澤、風味、口感、外觀4 個指標中得分均最高，隨著凝固溫度降低，填充豆腐凝膠強度下降，產(chǎn)品的外觀、口感、風味也變差。與模擬生產(chǎn)條件的填充豆腐相比，凝固溫度為85 ℃時的填充豆腐豆香味更濃，且無酸味，豆腐彈性更強，豆腐更加完整，斷面光滑。

2.6 凝固溫度對填充豆腐分子間作用力的影響

圖6 不同凝固溫度下填充豆腐化學作用力的變化Fig.6 Change in chemical forces of tofu at different coagulation temperatures

豆腐凝膠特性的差異反映了大豆蛋白分子結構的不同[27]。對大豆蛋白空間構象影響最主要的分子間作用力為氫鍵、離子鍵、二硫鍵、疏水作用[28]。本研究對不同凝固溫度對填充豆腐凝膠作用力的影響進行了分析，探討了高凝固溫度下豆腐凝膠的成型機理，為熱漿連續(xù)式點腦裝備開發(fā)與應用提供理論依據(jù)。

由圖6可知，隨著凝固溫度的升高，凝膠體系中的離子鍵和氫鍵相對含量均顯著下降（P＜0.05）。當凝固溫度從50 ℃升高至60 ℃時，體系中離子鍵相對含量和氫鍵相對含量分別下降56.9%和51.5%。離子鍵和氫鍵是維持蛋白質分子構象的重要作用力[29]，它們主要存在于蛋白質分子的極性基團之間[30]。豆?jié){經(jīng)煮漿加熱，維持蛋白質構象的氫鍵、離子鍵發(fā)生斷裂，蛋白質分子鏈展開，內部疏水基團及活性基團暴露[31]。低溫點腦時，由于溫度下降，變性的大豆蛋白會部分發(fā)生復性，疏水基團被重新掩藏[32]，帶電的極性基團重新結合，形成新的離子鍵、氫鍵以穩(wěn)定蛋白質分子結構，因此低溫點腦時，體系的離子鍵和氫鍵含量較高。高溫點腦時，隨著體系pH值快速下降，蛋白分子的表面電荷被中和，極性基團靜電斥力下降[33]，分子間的疏水基團相互結合，促進蛋白凝膠的形成。因此，高溫點腦時體系的離子鍵和氫鍵含量下降。

隨著凝固溫度的升高，填充豆腐疏水相互作用和二硫鍵相對含量均呈顯著上升趨勢（P＜0.05）。當凝固溫度從50 ℃升高至60 ℃時，體系中疏水相互作用相對含量和二硫鍵相對含量分別提高17.8%和11.2%。疏水相互作用是存在于大豆蛋白非極性基團之間的作用力[34]，而二硫鍵是兩個半胱氨酸殘基中的巰基氧化后形成的共價鍵，存在于蛋白質肽鏈的鏈內和鏈間[29]。二者均是蛋白凝膠形成過程中主要的作用力，對穩(wěn)定蛋白質空間結構起到重要作用[35]。當凝固溫度較低時，大豆蛋白變性不充分，疏水基團、巰基等可以相互作用的基團仍被包裹在分子內部，蛋白分子間能夠相互作用的活性基團較少，無法形成疏水相互作用和二硫鍵。此時，無論添加何種凝固劑都難以形成豆腐凝膠，呈半流體狀[25]。在較高溫度下點腦時，蛋白分子內部的疏水基團和巰基暴露，蛋白質表面疏水作用力增強[36]，暴露的巰基使蛋白質之間產(chǎn)生交聯(lián)作用，形成牢固的二硫鍵[37]。隨著GDL水解釋放H＋，蛋白質分子間的靜電斥力下降，再加上疏水作用和二硫鍵的結合力，大豆蛋白凝膠形成[21,38]。

2.7 填充豆腐分子間作用力與質構特性相關性分析

分子間作用力是維持凝膠外觀形態(tài)及物性的主要作用力[18]。由表3可知，反映填充豆腐質構特性的指標與分子間作用力之間呈較強的相關性。其中，填充豆腐凝膠彈性和內聚性與離子鍵、氫鍵、疏水相互作用及二硫鍵的相對含量呈顯著相關（P＜0.05）；硬度和黏著性與離子鍵、氫鍵、疏水相互作用及二硫鍵相對含量呈極顯著相關（P＜0.01）。

表3 填充豆腐質構特性與分子間作用力之間的相關性Table 3 Correlation between texture characteristics and chemical forces of tofu

3 結 論

與傳統(tǒng)的連續(xù)升溫凝固方式相比，高溫凝固更有利于得到凝膠強度大的填充豆腐。當凝固溫度為85 ℃時，凝固反應用時1.8 s左右，最終形成凝膠的G’max為143.5 kPa，凝膠強度大于傳統(tǒng)工藝制備的填充豆腐。高溫凝固有利于提高填充豆腐的質構特性。凝固溫度大于70 ℃，凝膠的硬度、內聚性和黏著性顯著提高（P＜0.05）。感官評價結果表明，凝固溫度為85 ℃時，制得的填充豆腐色澤、風味、口感、外觀均優(yōu)于模擬生產(chǎn)條件下的填充豆腐。

疏水相互作用、二硫鍵、氫鍵、離子鍵為填充豆腐凝膠的主要分子間作用力。隨著凝固溫度的升高，離子鍵和氫鍵所占比例顯著下降，疏水相互作用和二硫鍵所占比例升高。填充豆腐質構特性與分子間作用力之間具有高度相關性。當凝固溫度較低時（＜60 ℃），形成填充豆腐凝膠的主要分子間作用力為疏水相互作用和氫鍵，此時凝膠彈性、硬度、黏著性和內聚性均較低；當凝固溫度較高時，形成凝膠的主要化學作用力為二硫鍵和疏水相互作用。此時，凝膠強度較高，凝膠彈性、硬度、黏著性和內聚性均較高。

以上表明，利用本團隊研發(fā)的熱漿連續(xù)式點腦裝備，可以實現(xiàn)85 ℃豆?jié){與GDL瞬間混合，并同時完成灌裝凝固過程。該工藝制得的填充豆腐彈性、硬度俱佳，明顯優(yōu)于市售同類產(chǎn)品。該結果為熱漿自動點腦裝備的開發(fā)及標準化加工提供了基礎數(shù)據(jù)及理論支持。下一步將在本研究的基礎上，從不同凝固過程形成凝膠的微觀結構、膠凝過程的分子作用機制等方面進行深入探討。