黑豆蛋白特性及浸泡时间对黑豆豆浆品质影响分析

申报人:张津睿 申报日期:2022-06-19

基本情况

2022
黑豆蛋白特性及浸泡时间对黑豆豆浆品质影响分析 盲选
创新训练项目
工学
食品科学与工程类
学生自主选题
一年期
本项目以黑大豆为实验原料,通过测定等电点、SDS-PAGE电泳、傅里叶近红外等方法分析原料黑大豆的蛋白质特性、二级结构、7S球蛋白和11S球蛋白组成,确定原料特性对豆浆品质的影响;以不同浸泡时间(6-14 h)处理的豆浆为实验对象,通过核磁共振、近红外分析、流变学、电镜扫描、质构等方法分析豆浆的蛋白质组分及结构、黏度、质构及感官品质等,最终确定影响豆浆品质的蛋白特性及最佳的浸泡时间。
在省级刊物发表科技论文2篇,申请软件著作权2项,已受理。
主持完成厅局级关于水稻、大豆储藏、加工相关科研项目5项;参与完成国家级关于水稻、大豆等优势粮油精深加工项目2项;参与完成省级关于粮油精深加工重大研发项目2项;发表科技论文50多篇,出版专著4部,获得省级科技进步一等奖1项、二等奖1项、三等奖3项,其他各级奖励5项;科技研发与科技创新经验丰富,并有指导校级大学生创新训练项目经历。
提供原料、部分经费、实验场地、仪器设备,全程技术指导。
省级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
张津睿 食品学院、北大荒农产品加工现代产业学院 食品科学与工程类0827 2019 负责人,方案设计
王鑫塬 食品学院、北大荒农产品加工现代产业学院 食品科学与工程类0827 2020 大豆品质检测
吕星汉 食品学院、北大荒农产品加工现代产业学院 食品科学与工程类0827 2020 实验数据整理
李杭 食品学院、北大荒农产品加工现代产业学院 食品科学与工程类0827 2020 黑豆豆浆品质分析

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
翟爱华 食品学院、北大荒农产品加工现代产业学院

立项依据

黑豆中蛋白质含量高达36%40%,富含18种氨基酸,特别是人体必需的8种氨基酸,脂肪含量16%,主要含不饱和脂肪酸,吸收率高达95%,除满足人体对脂肪的需要外,还有降低血液中胆固醇的作用。黑豆一直被人们视为药食两用的佳品,因为它具有高蛋白、低热量的特性。黑豆皮为黑色,含有花青素,花青素是很好的抗氧化剂来源,能清除体内自由基,尤其是在胃的酸性环境下,抗氧化效果好,滋阴养颜美容,增加肠胃蠕动。

豆浆是从大豆中提取的胶体分散体,包含3.6%蛋白质、2.0%脂肪、2.9%碳水化合物和0.5%灰分[1]。因此,豆浆属于一种混合体系。大豆蛋白根据沉降系数的不同分为2S7S11S15S,其含量分别为8%35%52%5%[2,3]。其中,2S组分主要是胰蛋白酶抑制剂和细胞色素C7S组分包括β-伴球蛋白、γ-伴球蛋白、大豆凝集素、β-淀粉酶、脂肪氧合酶和7S球蛋白等;11S就是11S球蛋白,而15S11S的聚集体。2S小分子蛋白分散于水溶液中,15S大分子又难溶于水溶液而存在于粕渣中,大豆蛋白的特性也是由7S11S球蛋白决定,7S球蛋白和11S球蛋白二者的凝胶网络结构不同,7S球蛋白形成的凝胶是串珠的自由聚合,7S球蛋白具有保水性、柔软性;11S球蛋白是由有规律的串形成,并且7S球蛋白形成的凝胶中无巯基和二硫键的交换反应参与,只由氢键和疏水作用完成。

豆浆的制备过程需要浸泡大豆作为预处理,目前用碱液及提高温度浸泡大豆,其原理是改善细胞中层果胶物质的溶解,以在豆浆生产过程减少籽粒的浸泡时间和蒸煮时间。然而碱性或者升高温度等条件会使蛋白质不稳定以及一些功能成分如异黄酮等的损失,且豆浆在包装前需要中和,这增加了生产时间和成本。因此实验依然选择常温无添加浸泡大豆[4]。目前对大豆浸泡机理的研究集中6h左右,但是浸泡是缓慢的过程,可长达h,且豆浆对常温下大豆浸泡时间的要求在7h以上,所以需要我们对浸泡7h后大豆的浸泡机理进行研究[5],进而分析浸泡时间对豆浆品质的影响。了解大豆不同浸泡时间下大豆的结构及成分变化具有实际意义,因为它控制着后续加工参数和豆浆的质量[4]豆浆加工是豆粉、豆花、豆腐等大豆制品生产过程中的重要一环,豆浆的品质对后续产品的品质起着关键作用[6-8],因此对豆浆的生产工艺进行研究也能为其他相关产品生产提供技术支持。

 [1] HSIA S Y, HSIAO Y H, LI W T, et al. Aggregation of soy proteinisoflavone complexes and gel formation induced by glucono-δ-lactone in soymilk[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 35718.

[2] Hettiarachchy N S, Kalapathy U. Functional Properties of Soy Proteins[M].  1998: 80-95.

[3] Singh A, Meena M, Kumar D, et al. Structural and functional analysis of various globulin proteins from soy seed[J]. Crit Rev Food Sci Nutr, 2015, 55(11): 1491-502.

[4] Bayram M, Kaya A, Oener M D. Changes in properties of soaking water during production of soy-bulgur[J]. Journal of Food Engineering, 2004, 61(2): 221-230.

[5] Vishwanathan K H, Singh V, Subramanian R. Wet grinding characteristics of soybean for soymilk extraction[J]. Journal of Food Engineering, 2011, 106(1): 28-34.

 [6] GIRI S K, MANGARAJ S. Processing influences on composition and quality attributes of soymilk and its powder[J]. Food Engineering Reviews, 2012, 4(3): 149-164.

[7] PENG Xingyun, WANG Yahui, XING Jiyun, et al. Characterization of particles in soymilks prepared by blanching soybeans and traditional method: a comparative study focusing on lipid-protein interaction[J]. Food Hydrocolloids, 2017, 63: 1-7.

[8] VARGHESE T, PARE A. Effect of microwave assisted extraction on yield and protein characteristics of soymilk[J]. Journal of Food Engineering, 2019, 262: 92-99.

 

1)黑豆基本成分分析

以黑大豆为实验原料,通过测定等电点、SDS-PAGE电泳、傅里叶近红外等方法分析原料黑大豆的蛋白质特性、蛋白质的分子量分布、二级结构、7S球蛋白和11S球蛋组成,确定原料特性对豆浆品质的影响。

2)不同浸泡时间的豆浆的品质特性分析

以不同浸泡时间6-14 h处理的豆浆为实验对象,通过核磁共振、近红外分析、流变学、电镜扫描、质构等方法分析豆浆的蛋白质组分及结构、黏度、粒径、电位和质构特性,并对豆浆进行感官评价,确定不同浸泡时间对豆浆的品质的影响。

 

大豆经水浸泡并研磨后成为生豆浆,研磨过程中大部分蛋白质溶解,脂类分散成油体,可溶性糖溶解,不溶性糖以豆渣方式过滤去除。每100克(干重)大豆加工制得的豆浆质量被定义为豆浆的产量[9],豆浆中蛋白质、脂类、糖类的比例大约为402535[10]。现常用豆浆颗粒粒径和电位阐明豆浆颗粒分散状态及稳定性[11]。范柳等[12]对豆浆的感官评价和品质进行相关性分析发现豆浆的感官评价与豆浆的粒径、蛋白质含量、脂肪含量、总糖含量呈显著性正相关关系。

通过超速离心沉降法对大豆籽粒蛋白质进行分离,得到4个组分:2S7S11S15S,其含量分别为8%35%52%5%[13,14]。其中,2S组分主要是胰蛋白酶抑制剂;7S组分包括β-伴球蛋白、γ-伴球蛋白、大豆凝集素、β-淀粉酶、脂肪氧合酶和碱性7S球蛋白等;11S就是大豆球蛋白,而15S11S的聚集体。蛋白质在豆浆中以可溶性蛋白质(<40nm)和蛋白质颗粒(>40nm)两种形式存在[10,15]。众所周知,蛋白质使热变性的,但在加热过程中不会聚集并形成沉淀,蛋白质亚基相互结合后会形成稳定的颗粒[10]

蛋白颗粒是由大豆蛋白亚基在受热时解离和重排形成的[16],豆浆颗粒粒径和电位阐明豆浆颗粒分散状态及稳定性[11]ChenOno[14,19,20]经过离心后调节pH确定可溶性蛋白质主要由酸性多肽和7Sβ-伴大豆球蛋白)的αα’亚基组成;蛋白质颗粒(>40nm)主要含有碱性多肽和7Sβ亚基等。ChenOno[10,15,16]认为其中碱性多肽位于蛋白质颗粒的核心,颗粒外表面则分布酸性球蛋白肽和7Sαα’亚基。他们阐述了豆浆中蛋白质颗粒的形成机理:7S球蛋白加热后会变性,αα’亚基具有两条糖链(glycan)并带电在受热后依然稳定,易形成可溶性蛋白;β-亚基含有单糖链且带电荷少,所以易发生聚集。11S球蛋白受热会分解成强疏水性碱性多肽和亲水性酸性多肽。碱性多肽具有强疏水性,为了维持稳定会与αα’β亚基结合,但碱性多肽和β亚基的共轭物具有强疏水性所以会进一步结合形成大的颗粒。这也解释了为什么11S7S的比例控制了蛋白颗粒的大小[10],11S含量越高,豆浆中的蛋白颗粒越大。Chen[16]去除豆浆油体后用场发射扫描电镜观察,按照大小将豆浆蛋白颗粒分为三种:100nm的大颗粒、20-40nm的中等颗粒和20nm的小颗粒,其中20nm是可溶性蛋白质分子。Chen[16]制备不同11S7S比例的豆浆测定粒径分布得出7S含量高的豆浆40-100nm的级分较多,11S含量高的豆浆100-200nm的级分较多,因此,他们认为11S有助于蛋白大颗粒的形成,这表征了11S/7S比例控制了蛋白颗粒的大小这一说法[10]Ren[17]利用尺寸排阻色谱对比未处理与用尿素、十二烷基硫酸钠、巯基乙醇破坏蛋白中的氢键、疏水键、二硫键的豆浆发现,与氢键和疏水键相比,二硫键对蛋白质颗粒形成的贡献小。Ruan Q[18]在大豆蛋白中加入二硫苏糖醇(DTT)得到了相同的结论。Ren[17]认为生豆浆中的乳清蛋白与胰蛋白酶抑制剂、脂肪氧化酶、淀粉酶、凝集素等会在加热后与7S蛋白结合形成颗粒蛋白。Jin[9]对豆浆感官品质的分析表明,由蛋白质含量较低的大豆制成的豆浆具有较高的可接受性,这与豆浆的营养和健康价值要求相矛盾,并建议豆浆企业选择蛋白质含量高但不高于40g/100g的品种。范柳等[12]对豆浆的感官评价和品质进行相关性分析发现豆浆的感官评价与豆浆的蛋白质含量呈显著性正相关关系。

在浸泡过程中大豆籽粒吸收水分的能力通常与种子的物理性质有关,不同品种的大豆吸水速率和最大吸水量有差异。浸泡过程中,水分的迁移会影响大豆内源酶的活性。滕文静[19]利用低场核磁共振技术对不同浸泡时间大豆水分迁移状况进行检测,研究得出随着时间增加大豆水分向吸附水迁移,再迁移向自由水。浸泡处理改变了大豆蛋白质的含量及结构。大豆浸泡的过程中,蛋白质的合成是在浸泡2小时后发生的,浸泡后大豆蛋白质含量降低,这是可溶性蛋白质在浸泡过程中浸出导致的[20]。石彦国等[21]对不同浸泡时间的大豆截面组织形态结构进行扫描电镜观察发现,随着吸水量增加,大豆内部空间空隙增大,在浸泡时间达到11h后大豆组织结构发生变形,出现明显的管路组织,磨浆得到的大豆颗粒更细。

 [9] Jin X, Chen C, Guo S, et al. Analysis on physicochemical and sensory qualities of soymilk prepared by various cultivars: Application of fuzzy logic technique[J]. Journal of Food Science, 2020.

[10] Ono, Tomotada. Formation of Soymilk Colloid for Tofu or Drinks[J]. 日本食品科学工学会誌, 2017, 64(4): 220-225.

[11] Idogawa S, Ito K, Fujii T. Filtration Behavior during Soymilk Separation Process[J]. Food Science & Technology International Tokyo, 2014, 19(6): 1071-1075.

[12] 范柳, 刘海宇, 赵良忠, . 不同制浆工艺对豆浆品质的影响[J]. 食品与发酵工业, 2020, 46(07): 148-154.

[13] Hettiarachchy N S, Kalapathy U. Functional Properties of Soy Proteins[M].  1998: 80-95.

[14] Singh A, Meena M, Kumar D, et al. Structural and functional analysis of various globulin proteins from soy seed[J]. Crit Rev Food Sci Nutr, 2015, 55(11): 1491-502.

[15] Ono T, Rak Choi M, Ikida A, et al. Changes in the Composition and Size Distribution of Soymilk Protein Particles by Heating[J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1991, 55(9): 2291-2297.

[16] Chen Y, Ono T. Protein particle and soluble protein structure in prepared soymilk[J]. Food Hydrocolloids, 2014.

[17] Ren C, Lu T, Min Z, et al. Interactions between whey soybean protein (WSP) and beta-conglycinin (7S) during the formation of protein particles at elevated temperatures[J]. Food Hydrocolloids, 2009, 23(3): 936-941.

[18] Ruan Q, Chen Y, Kong X, et al. Heat-induced aggregation and sulphydryl/disulphide reaction products of soy protein with different sulphydryl contents[J]. Food Chemistry, 2014, 156(aug.1): 14-22.

[19] 滕文静. 大豆萌发对其营养成分及豆腐制品品质的影响研究[D]. 浙江工商大学, 2019.

[20] Widjajaseputra A I, Widyastuti T E W, Trisnawati C Y. Potency of mung bean with different soaking times as protein source for breastfeeding women in Indonesia[J]. Food Research, 2019, 3(5): 501-505.

[21] 石彦国, 李刚, 胡春林, . 大豆浸泡过程质构变化及其对豆腐质量的影响[J]. 食品科学, 2006(12): 167-169.

创新点:考察不同浸泡时间下黑豆成分与豆浆品质之间的相关性。 

项目特色:项目以影响豆浆品质的蛋白结构与成分为依据,以豆浆食用品质、质构为主要评价指标全面评价影响豆浆品质的关键因素,从基础到应用研究路线,从简入深的解决问题方法,解决豆浆的品质问题。全面提升创新水平与实践能力。

项目从黑豆基础成分入手,通过分析影响豆浆品质的原料主要蛋白质特性深入分析,解决蛋白质的结构对豆浆品质的影响;再通过浸泡时对黑豆的蛋白质的溶出率、豆浆的外观品质、食用品质及物性特性进行评价确定最佳的浸泡时间,通过分析确定影响豆浆品质的因素。重点研究影响豆浆品质的原料和浸泡时间的影响,为提升黑豆浆品质 的提供理论支撑。

技术路线:




拟解决的问题:

①通过分析黑豆7S11S蛋白的组成及含量,蛋白二级结构的特性,建立蛋白组分与豆浆品质的相联性;

②研究不同浸泡时间下黑豆的水分分布、微观结构变化及蛋白溶出率,通过分析不同浸泡时间下对豆浆理化特性、流动特性及感官品质,确定最佳的浸泡时间,解决豆浆加工过程由于浸泡时间不合理而使蛋白溶出率及品质较差的问题。

预期成果:

通过分析黑豆主要成分蛋白质的组成及功能结构的差异性及不同浸泡时间对黑豆豆浆品质影响,探讨黑豆成分与豆浆品质间的相关性,期望通过控制浸泡时间达到提高豆浆品质的目的。

形成并提交研究报告1份;

发表相关论文1-2篇;

培养创新能力的本科生4名。

 

2022.07-2022.10 —— 查阅文献制定实验方案,预实验。

2022.10-2023.01 —— 黑豆基本成分测定与分析。

2023.03-2023.06 —— 黑豆豆浆成分及品质分析、论文的撰写、项目结题。

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
A.目前已完成8种高蛋白大豆豆浆豆的初步筛选工作,确定了不同高蛋白大豆中7S和11S蛋白的含量及11S/7S比例对豆浆品质的影响,确定了11S/7S比例与豆浆品质的相关性;为黑豆豆浆产品的开发提供研究基础。

                        图1 不同品种大豆中提取蛋白质组分及亚基的SDS-PAGE

B.已完成傅利叶红外光谱仪检测8种品种大豆的蛋白质二级结构的差异及其与豆浆品质的相关性,确定了蛋白质二级结构与蛋白质乳化性、溶解性的差异性。

 

1 不同品种大豆的蛋白质二级结构组成





国家杂粮工程技术中心、省教育厅粮油副产物重点室、食品学院本科实验室可为项目研发提供支持,实验室有蛋白质检测设备、傅利叶红外光谱仪、电泳仪、核磁共振波仪、黏度仪、激光粒度分析仪、质构仪等与项目相关的检测设备,基本满足项目的检测分析指标;项目所需的电镜扫描设备检测豆浆微观结构的变化、流变仪检测豆浆的流变学特性能够在东北农业大学检测中心完成检测。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 0.00 0.00 0.00
1. 业务费 0.00 0.00 0.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 0.00 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 0.00 0.00 0.00

项目附件

结束