大豆论文

大豆分离蛋白乳化特性的研究
重庆工商大学化学工程与工艺2004级单光印
指导老师：周文斌
摘要:
大豆分离蛋白的乳化性是大豆分离蛋白重要的功能特性，乳化性在食品工业中的应用也十分的广泛。

对大豆分离蛋白乳化性的研究的试验方法很多，有分光光度法，离心法，电导法等。

蛋白质乳化性是指蛋白质能使油与水形成稳定的乳化液而起乳化剂的作用。

在离心速度为3000r/min的条件下，对影响大豆分离蛋白乳化稳定性的油相体积分数, 蛋白质溶液浓度，均质压力、pH、离子强度、离心速度进行了研究。

通过研究得出：在测定的范围内,对乳化稳定性影响最大的是油相体积分数, 然后依次是蛋白质溶液浓度、均质压力、pH、离子强度。

离心速度和离心时间对测定结果的影响的大小都比较小。

结果表明蛋白质溶液浓度1%时最佳的乳化条件为：油相体积分数25%,离子强度为0.1mol/L, 均质压力为20Mpa，pH为6。

关键词: 大豆分离蛋白; 乳化稳定性; 离心法
Abstract:
The emulsibility is one of the important functions characteristic of soybean separation protein, the application of emulsibility in food industry has extremely widespread used. There are many methods to measure the soybean separation protein emulsible, such as the spectrophotometric, the centrifuge process, and the conductivity, and so on. The protein emulsibility is refers to the protein mass energy to cause the oil and the water forms the stable emulsion as the emulsifier function.
Under the 3000r/min condition, to make the emulsion of the soybean separation protein more stable , oil phase volume score, the protein solution concentration, pH, the ion intensity and the centrifugal speed were researched. In the determination scope, Obtained: the affects which affect in a big way to the emulsion stability is the oil phase volume score. the protein solution concentration, homogeneous pressure pH, the isotropic pressure, the ion intensity were followed in order，the centrifugal speed and the centrifugal time to influence emulsion stability are quite small. The result indicated the best emulsified condition is: The oil phase volume score 25%, protein solution concentration 1%, pH is 6, the ion intensity is 0.1, homogeneous pressure is 20 Mpa, the speed centrifugal 3000 r / min, centrifugal time 5 min.
Key words: soy protein isolates; emulsion stability; centrifugal method
第一章前言
1.1 大豆蛋白质概述
蛋白质是组成人体的重要物质，是人体生命活动的物质基础，是食品的第一大营养素。

如果人们的膳食中蛋白质的摄入量不足，就会使人消瘦，引起各种疾病，特别是对于儿童，会造成发育不良，智力低下。

大豆蛋白是人体摄取蛋白质主要来源之一，这主要是由于植物蛋白生产周期短、资源丰富、产量大等优点。

另外，大豆蛋白还可以代替部分猪肉、牛肉，可以减少食品中的脂肪及胆固醇含量。

目前，添加到食品中的蛋白质主要是大豆分离蛋白，大豆分离蛋白不仅具有很好的营养价值，且具有很好的功能特性。

大豆分离蛋白(SPI)是以大豆为原料，采用先进的加工技术制取的一种蛋白质含量高达90%以上的大豆蛋白制品。

1.2 大豆分离蛋白质的功能特性
大豆分离蛋白质不仅具有很高的营养价值，还具有特殊的功能特性。

蛋白质的功能特性是指在加工、储藏、制备以及消费过程中对食品系统产生影响的那些物理化学性质，简而言之，除了营养价值以外，任何影响食品最终用途的性质，如溶解度、乳化性、凝胶性、吸油性等都可以称为功能特性。

此定义与三因素有关:一是蛋白质本身性质，能赋予食品系统以独特的颜色、滋味、质构等；二是蛋白质所处的环境，如离子强度、温度、酸度等也会对食品的用途产生影响；三是加工过程，如加热、调pH、干燥、物理化学改性等。

主要有乳化性、凝胶性、溶解性、粘附性、水合性、吸油性、发泡性、成膜性等等。

乳化特性 :因为食品中多含有脂肪和水的乳胶体，而脂肪与水两相界面上的张力很
容易产生正的自由能，不稳定，在乳胶体中添加适量的蛋白质就可以起到不错的乳化稳定的作用，这就是蛋白质的乳化特性。

蛋白质是种两亲分子，可以当成表面活性剂使用，它既能降低水和油的表面张力，又能降低水和空气的表面张力，易于形成稳定的乳状液。

凝胶特性 :当变性的蛋白质分子聚集形成一个有规则的蛋白质网时，此过程称为凝胶作用。

凝胶性可以赋予食品良好的质构特性。

溶解性 : 蛋白质溶解性是指蛋白质能够在水溶液或食盐溶液中很好溶解的性能，其溶解的程度称为溶解度。

大豆分离蛋白质溶解指数是指在一定条件下，大豆分离蛋白质中可溶性蛋白质所占的百分比，即每百克大豆蛋白质能够溶于特定溶剂中的蛋白质的最大克数。

蛋白质的溶解度主要取决于pH、离子强度、溶剂类型等。

蛋白质的溶解性是蛋白质的固有性质,经加热或其他处理后蛋白质的水溶性会降低,随着溶解性的降低，其凝胶性、乳化性、起泡性等其他许多功能性质也会下降。

为了使蛋白质更好的溶解,可通过碱处理促进其离解,还可使用半胱氨酸、硫基乙醇、乙醇等试剂来切断二硫键。

水溶液中的pH值和电离强度对大豆蛋白的溶解性影响最大，pH 值增大，溶解度增大。

pH 为10.5 时，就会使蛋白质解离或解聚，使溶解度增加；大豆蛋白质受电离强度影响很大，当pH在7-10 之间时，分离蛋白的溶解度随离子浓度的增加而降低。

粘附性 : 粘附性是指液体流动时表现出来的内摩擦，又称流动性，它是调整食品的物性方面的重要参数。

影响蛋白质流体粘度性质的主要因素是分散的分子或粒子的表观直径。

这个直径取决于下列参数:(1)蛋白质分子的内在特性，如摩尔质量、大小、体积和不对称性；(2)影响肿胀、溶解度等蛋白质与溶剂相互作用，包括如氢键、范德华力、疏水键、二硫键、静电交互作用及立体排斥等；(3)决定聚集体大小的蛋白质--蛋白质聚集及解聚等相互作用。

影响粘附性的主要因素有蛋白质浓度、温度、pH、离子强度等。

水合性 : 水合性是蛋白质其它功能特性的基础，因为蛋白质的构象在很大程度上取决于它们同水的相互作用。

大豆分离蛋白沿着它的肽链骨架，含有很多极性基团，所以具有良好的吸水性、保水性和膨胀性。

吸水性，一般是指蛋白质对水分的吸附能力，它与Aw(即水分活度)、pH、温度、蛋白质的颗粒大小、颗粒结构、颗粒表面活性等都是密切相关的。

除了对水的吸附作用外，大豆蛋白质在加工中还有保持水分的能力，其保水性与粘度、pH、离子强度和温度有关。

盐类能增强蛋白质吸水性却也同时削弱分离蛋
白的保水性。

膨胀性即蛋白质的扩张作用，是指蛋白质吸收水分后会膨胀起来。

它受温度、pH和盐类的影响显著，热处理能增加大豆蛋白的膨胀性。

吸油性 : 吸油性就是指蛋白质促进脂肪吸收的作用，是另一种形式的乳化作用。

例如，分离蛋白加入肉制品中，能形成乳状液和凝胶基质，防止脂肪向表面移动，因而起着促进脂肪吸收或脂肪结合的作用，可以减少肉制品加工过程中脂肪和汁液的损失，有助于维持食品外形的稳定。

发泡性 : 发泡性是指大豆蛋白质在加工中体积的增加率，可起到的酥松的作用。

泡沫是空气分散在液相或半固相而成，是由许多空气小气泡被一层液态表面活化的可溶性蛋白薄膜所包裹着的群体所组成，降低了空气和水的表面张力，气泡是由于弹性的液态膜或半固体膜分开防止气泡的合并。

蛋白质的发泡性，可以赋予食品以疏松的结构和良好的口感。

成膜性 : 成膜性是指大豆蛋白与水形成面团后，经高压蒸煮，其表面能形成一层薄膜。

这层薄膜是水与含水剂的一个屏障，这是大豆蛋白适合肠类加工需要的一个特征。

当肉切碎后，用分离蛋白与鸡蛋蛋白的混合物涂在其纤维表面形成薄膜，易于干燥，可以防止气味散失，有利于再水化，并对再水化产品提供合理的结构。

表1 大豆分离蛋白的功能性与应用
功能性作用模式用途
溶解性蛋白溶剂化作用由pH值决定饮料
乳化性油脂乳化的形成与稳定香肠、胶浆、蛋糕
起泡性形成稳定的膜、固定风味松糕、蛋糕
凝胶性蛋白质机制的形成与固定肉类、乳酪
吸油性固定游离的油脂肉类、香肠、炸面饼圈
粘度稠化、氢键的保持胶浆
粘合力蛋白质作为粘结物质肉类、香肠、糊状食品
弹性凝胶形成的二硫键分连肉类、焙烤食品
固定风味风味吸收、固定、释放
此外，大豆分离蛋白的功能特性与用途还直接与制取大豆蛋白的加工工艺条件有关，尤其是加工后产品的蛋白质的粗细度等将直接影响其功能和用途。

人们对这些功能
特性进行了很多研究，在这么多的对蛋白质功能特性的研究中，乳化性无疑是食品应用中应用最为广泛，研究最为关注的一个功能特性。

鉴于大豆分离蛋白是日前应用较为广泛的，且商品化的一类食品蛋白，我们选取了大豆分离蛋白作为我们研究蛋白质功能特性测定方法的实验原料。

1.3大豆分离蛋白国内外研究现状
大豆分离蛋白又称为等电点蛋白，以低温变性大豆粕为原料，利用蛋白质性质，通过浸提与沉淀方法，除去所含非蛋白质成分后，得到一种蛋白质含量在90％以上高纯度大豆蛋白制品。

大豆分离蛋白生产方法主要由三种：碱溶酸沉法、超滤法、离子交换法。

离子交换法生产大豆分离蛋白，其纯度高、灰分少、色泽浅；但生产周期过长、目前尚处于实验阶段，有待于进一步推广开发和应用。

超滤法具有传统分离操作(如蒸发、萃取、蒸馏等)无可比拟优点，如无相变、能耗低、工艺设备简单、分离效果好，同时不会造成环境污染等。

利用超滤技术生产大豆分离蛋白，可除去或降低脂肪氧化酶在蛋白中的含量，分离出植酸等微量成分，因而产品内植酸量少。

同时可应用超滤和反渗透技术进一步处理浓缩制备高附加值且用途广泛低聚糖等，废水也能得到循环使用，这样就不存在污染。

但企业采用超滤法生产大豆分离蛋白时，由于超滤膜污染会导致膜通量下降，造成分离性能发生变化从而使生产能力下降，及连续性不能得到解决或生产成本过高等原因往往被放弃。

因此，采用此种方法生产大豆分离蛋白企业是很少见的。

目前，国内外绝大多数厂家所采用的是碱溶酸沉工艺，即用稀碱溶液使低温脱脂大豆粕中的蛋白质溶解出来，然后通过离心去除不溶性纤维及固体残渣，澄清蛋白液，再用酸将浸出液的pH值调至大豆蛋白质的等电点4．5左右，使蛋白质凝集沉淀，然后用离心机把沉析蛋白质凝胶分离，再经洗涤、中和、灭菌和喷雾干燥即得粉状大豆分离蛋白。

按流程自动化程度不同，可将其分为三种工艺：(1)连续式工艺；(2)半连续式工艺；(3)间歇式工艺。

连续式和半连续式工艺都在引进生产线上采用，大部分采用的是敞开型间歇式生产工艺。

这种工艺操作简单、易掌握，控制得好，也可生产出功能特性好、质量上乘产品。

但我国大部分大豆分离蛋白厂产品质量仍不能令人满意，主要原因是不了解生产大豆分离蛋白各项参数对产品不同影响，例如：pH值和温度调整会使大豆分离蛋白持水性、持油性和氮溶解指数有所变化，加入助溶剂和功能特性改良剂可使产品得率增加及凝胶性提高，一些物理改性和化学改性手段可使产品质量明显改善。

我国大豆分离蛋白生产厂家采用的生产工艺参数大同小异，操作工人在生产过程中调整各项工艺参数
时有一定随意性，因此产品质量不稳定。

国内生产厂家生产大豆分离蛋白产品普遍存在产品灰分高、色泽深、纯度低问题，主要原因是碱提酸沉工序中残留部分柠檬酸、焦性麸氨酸等有机酸盐类和植酸磷脂等含磷化合物所引起的。

另外，最后的产品溶解性、速溶性也较差。

碱提酸沉法生产过程中还有大量乳清废水排出，其主要成分是低聚糖和乳清蛋白。

如果按年产4万吨大豆分离蛋白计算，每年废弃乳清高达200万吨，造成极大资源浪费。

且乳清中BOD含量过高造成了极大的环境污染，以往人们采用厌氧法和耗氧法处理乳清废水，效果差、耗资大，而且其中有效成分没有得到利用。

有些企业利用膜技术对乳清废水进行处理可回收其中有用组分，同时减轻环境污染。

黄友如提出用乙醇溶液处理豆粕后，乳清中低聚糖和乳清蛋白明显降低。

有利于乳清中高附加值成分回收利用与乳清废水处理。

1.4 大豆分离蛋白乳化特性及其测定方法
乳化是指两种以上不相溶的物质，其中一种液体以微粒的形式分散到另一种液体里形成均匀分散体系的性能。

蛋白质乳化性是指蛋白质能使油与水形成稳定的乳化液而起乳化剂的作用，主要包括乳化能力(EC, emulsifying capacity)和乳化稳定性
(ES,emulsifying stability)。

蛋白质是由一系列氨基酸通过肽键结合而成的高分子化合物。

组成蛋白质的氨基酸有亲水氨基酸和疏水氨基酸，因此决定了蛋白质有两亲性。

蛋白质的乳化能力是指每克蛋白质在相转变前所能乳化油的体积(ml)；乳化稳定性是指蛋白质维持乳状液分散体系而不被破坏的能力。

蛋白质的乳化能力和乳化稳定性取决于两个方面：(1)由于蛋白质在油水界面的吸附而使界面张力降低 (2)带电状况、结构及由反絮凝的界面层产生的机械能垒。

以蛋白质作为乳化剂所形成的乳状液的特性受多种因素的影响，如蛋白质的种类和油脂的种类，所处的环境如pH值、离子强度、温度、小分子表面活性物质的存在等等。

剪切速率也会影响其乳化特性。

至今为止，蛋白质乳化性的测定还没有取得一种公认的标准方法，因此各个实验室所测量的结果很难进行准确的比较，限制了人们对蛋白质乳化特性的比较。

蛋白质在许多食品中应用时，乳化特性是非常重要的。

常用的表述方法有乳化能力(EC)，乳化稳定性(ES)和乳化活性(EA)。

其中影响 EC 的因素很多，混合速度是一个重要的影响因素，例如，混合速度越高，表观的EC越小。

蛋白质浓度、溶解性、溶液的pH值、蔗糖和氯化钠的存在都会影响蛋白质的EC。

loActon和Safle发现，稳定的蛋白乳化液发生破乳时，油相体积分数会在一个狭小的范围内下降。

并且，实际值很大程度上取决于乳化的方法。

其它因素例如装置的设计、容器的形状、加油速度、油的种类、天然蛋白质等因素也都己被研究。

乳状液是热力学不稳定的状态，一个稳定的乳状液的油水分离的各种过程都是非常缓慢的。

这些过程包括乳化沉降、絮凝作用、合并和析油作用。

这些过程可能单个也可能同时发生。

这些相对重要的过程可能取决于温度、离心场的强度和乳状液中油的浓度。

ES的测量通常是在恒定的温度和重力场下，在一个确定的时间内乳状液中析出油或者分离出的乳化沉降物的量。

达到一定程度的破乳作用所需要的时间也被用来衡量乳状液的稳定性。

将加热过的乳状液进行离心，ES表示为离心后乳化层的高度与加热前乳状液高度的百分比。

分光光度计法也用来测量液体中悬浮颗粒的稳定性，因此也适合蛋白质乳化性的测量;光透射通过稀释的乳状液的核磁共振谱及其它的一些技术被用来测量乳化稳定性。

乳化活性指数:蛋白质稳定的乳状液的物理和感官特性取决于所形成液滴的大小和产生的表面积。

乳状液粒的平均粒径有几种方法可以测量。

例如光学显微镜(不是很可靠)，电子显微镜，光散射，或者使用库尔特粒度仪。

当知道当量颗粒直径时，总表面积能通过关系式求得:
A=3θR-1
θ指分散相(油)的体积分数，R指乳状液颗粒的当量半径；
如果m代表蛋白质的量，这时乳化活性指数即每单位质量的蛋白质所能产生的表面积。

EAI=2.303AL-1
这里 A: 吸光度， L:比色皿厚度
根据 Mie光散射理论，乳浊液的表面积是它浊度的两倍。

C是每单位体积水相中蛋白质的重量，则蛋白质的EAI用油相体积分数表达为：
2T
EAI=
θ⨯
(1-)C
值得注意的是在原来的文章中使用θ中代替(1-θ)。

因为被定义为油相体积分数，因此C是每单位体积乳状液中蛋白质的总量，故其应该是正确的。

尽管这种方法是简单而且可行的，但其主要的缺点在于它基于对波长为500nm条件下乳状液浊度的测量。

由于食品乳状液的浊度是由波长决定的，而在500nm波长下测量所得到的表面积不是很准确。

因此，使用该方程式去估计颗粒当量直径或乳状液中乳化颗粒的数目不是非常可靠。

然而，该方法用于不同类蛋白质的乳化活性的比较，或是对一种蛋白质经过几种处理后乳化活性的变化的进行比较却是很理想的。

国内很少对蛋白质乳化性和乳化稳定性测定方法进行专门性研究，主要是在研究蛋白质改性的过程中提及，且多是直接参照他人的方法或进行改进。

蔡立志等人认为乳化方式、蛋白质浓度、油脂品种、温度及NaCl的浓度对乳化能力(EC)有不同的影响。

顾振宇等人认为大豆蛋白的乳化性在低浓度时随浓度上升而增加，浓度达到6%后趋于稳定。

有些虽然提到了各种测定方法，但是并没有对各个方法的影响因素做解释。

1.5本研究的目的、意义
实验室测定蛋白质功能特性的方法很多，但是各种方法之间的差异使得实验结果出入很大，各个实验室间无从比较，学术交流困难，客观准确的测定植物蛋白功能特性是目前急需解决的问题。

目前,添加到食品中的蛋白质主要是大豆分离蛋白，大豆分离蛋白不仅具有很好的营养价值，且具有很好的功能特性。

大豆在我国已有5000多年的栽培史，其种子中含有30%-50%的蛋白质比任何一种粮食作物的蛋白质含量都高，且含有人体必需的8种氨基酸，符合FAO和WHO推荐值。

由于大豆分离蛋白具有良好的乳化性、凝胶性、溶解性，起泡性、水合性等特性，又兼有蛋白质含量高的营养性，所以被广泛的应用于肉制品和焙烤食品中。

本研究选用大豆分离蛋白为原料，试图找出影响大豆蛋白乳化稳定性的诸多因素，为蛋白质在食品体系中的更广泛正确的应用进行研究。

第二章 材料与方法
本研究以大豆分离蛋白研究对象，首先确定通过测定各单因素对乳化稳定性的影响，再采用正交实验方法确定乳化稳定性的最佳实验条件；研究并分析大豆蛋白浓度，油相体积分数，pH ，离心速度，离心时间，离子强度对大豆分离蛋白乳化性能的影响，确定该方法的可行性。

2.1 主要材料与仪器设备
大豆分离蛋白：河南安阳漫天雪有限公司 蛋白质≥88.0% NSI ＞80.0%
菜籽油：金龙鱼牌一级菜籽油 嘉里粮油（四川）有限公司
高压均质机 GYB 上海太华高压均浆厂 多管架自动平衡离心机 TDZ5-WS 江苏中大仪器厂
2.2 实验方法
2.2.1 大豆分离蛋白质乳化稳定性测定方法
取乳状液5ml 移入离心管中，3000r/min 下离心5 min 离心后根据乳化层体积计算乳化稳定性，如式：
100%=⨯乳化层体积乳化稳定性（%）总体积
2.2.2 蛋白质浓度的影响
分别配制浓度为0.1%，0.5%，1.0%，1.5%，2% （W/V)的蛋白质溶液1L ，各加入330ml 的色拉油，20MPa 的压力下均质5min ，形成油相体积分数为0.25的乳浊液，所得乳状液移入的离心管中, 3000r/min 下离心5min 。

2.2.3 油相体积分数的影响
分别在1L浓度为1.0% (W/V)的蛋白质溶液中，加入180ml,330ml,540ml,820ml，1200ml色拉油，在20MPa的压力下均质5min，使其形成油相体积分数为0.15，0.25，0.35，0.45，0.55的乳浊液，所得乳状液移入离心管中，3000r/min下离心5 min。

2.3.4 pH的影响
分别配制 pH 为5，6，7，8，9，浓度1.0% (W/V)的蛋白质溶液各1L，加入330ml色拉油，20MPa的压力下均质5min，使其形成油相体积分数为0.25的乳浊液，所得乳状液移入离心管中,3000r/min下离心5 min。

2.3.5 离子强度的影响
加入NaCl，分别配制离子强度为0，0.1，0.2，0.3，0.4，蛋白质浓度1.0% (W/V)的蛋白质溶液1L，加入330ml的色拉油，20MPa下均质5 min，使其形成油相体积分数为0.25的乳浊液，所得乳状液移入离心管中,3000r/min离心5min。

2.3.6 离心速度的影响
分别配制浓度 1.0% (W/V)的蛋白质溶液1L，加入330ml的色拉油，20MPa下均质5min，使其形成油相体积分数为0.25的乳浊液，所得乳状液移入5支离心管中,分别在
1000r/min,1500 r/min，2000 r/min，2500 r/min，3000r/min条件下离心5 min。

2.3.7 离心时间的影响
分别配制浓度 1.0%(W/V)的蛋白质溶液1L，加入330ml色拉油，20MPa的压力下均质5min，10 min，15 min，20 min，25 min。

使其形成油相体积分数为0.25的乳浊液，所得乳状液移入离心管中,3000r/min离心5min。

2.3.8 均质压力的影响
分别配制浓度 1.0%(W/V)的蛋白质溶液1L，加入330ml色拉油，分别在均质压力为10MPa，15MPa，20MPa，25MPa，30MPa下均质5min，使其形成油相体积分数为0.25的乳浊液，所得乳状液移入离心管中， 3000r/min下离心5min。

2.3.9正交试验
根据单因素实验的结论，我们可以得出对乳化稳定性的值影响最大的是油相体积分数和蛋白质溶液浓度，然后依次是均质压力、pH、离子强度、离心速度、和离心时间。

我们知道蛋白质浓度与油相体积分数对我们选择恰当的试验条件意义不大，于是我们选择pH，均质压力和离子浓度作为正交实验的因素。

由此确定三因素三水平的正交实验，用L9(33)正交表作正交实验（见表2）。

表2 正交试验因素与水平
1 2 3
6 7 8
20 25 30
0.1 0.2 0.3
第三章 结果与讨论
3.1 蛋白浓度对乳化稳定性测定的影响
乳化稳定性随蛋白浓度的变化如图1所示。

当蛋白质浓度从0.1%增至2.0%时，乳化稳定性不断加强，而且从曲线中我们明显可以看出乳化稳定性在0.1%-1.0%期间的增长幅度很明显而高于1.0%以上时。

1.0%以后，尽管蛋白质的浓度增加，乳化稳定性的增长却明显放缓，所以，实验中选取1.0%的蛋白质浓度。

在0.1%和0.5%时，离心后乳化分层很不明显，因为在蛋白质浓度偏低的时候，乳化性较差，很难形成明显的乳化层，蛋白质不均匀的分散到离心管中。

而当蛋白质的浓度为2%时离心管下层出现少量沉淀，没有与色拉油乳化的蛋白质在离心的作用下沉降到离心管底部。

引起液滴之间聚集的是范德华引力, 液滴带电后产生双电层的斥力和液滴表面吸附大分子的空间位阻作用
, 此三种作用力之间的平衡决定絮凝过程的速度和可逆程度。

液滴之间相互作用的总自由能随着液滴之间的距离而变化。

总自由能曲线可能出
图1 蛋白质浓度对乳化稳定性的影响
0.00%
10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%80.00%90.00%100.00%0.00%
0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
蛋白质浓度
乳化稳定性。