图1 3种蛋白酶对豆浆体系EI（a）、SLB（b）、MVI（c）的影响
Fig.1 Effects of three proteases on EI (a), SLB (b), MVI (c) of soybean milk system
刘 贺 1,2，庚 平 1，万 娇 1，朱丹实 1,2，何余堂 1,2，马 涛 1,2
（1.渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁省食品安全重点实验室，辽宁 锦州 121013；2.辽宁省食品贮藏加工及质量安全控制工程技术研究中心，辽宁 锦州 121013）
摘 要：通过微流变学方法研究了3 种蛋白酶对豆浆凝胶微流变性质的影响。结果表明：3 种蛋白酶均对豆浆有凝胶能力，固液平衡点（solid liquid balance，S LB）均低于0.5，碱性蛋白酶对豆浆的凝胶能力相对较弱；在反应前期，菠萝蛋白酶的宏观黏度指数（macroscopic viscosity index，MVI）较高，反应后期则不同体系的MVI相接近。温度对不同蛋白酶凝浆体系弹性因子（elasticity index，EI）的影响也有所差异，菠 萝蛋白酶和木瓜蛋白酶的EI均随温度的升高而提高，在70 ℃时EI值可达到最高分别为0.002 34 nm －2和0.002 75 nm －2，而温度对碱性蛋白酶体系EI影响不明显；菠萝蛋白酶对豆浆的凝胶能力随酶含量增加呈先增大后下降趋势，在800 U/mL时EI最大，木瓜蛋白酶对豆浆的凝胶能力随酶添加量的增加呈增大趋势，而碱性蛋白酶对豆浆的凝胶能力则随酶添加量的增加呈下降趋势。
关键词：蛋白酶；豆浆；凝胶；微流变；弹性因子
微流变学是一门最新引进的流变学技术 [1]，它大大简化了流变学的测量方法，采用多散斑扩散波光谱学（many speckle diffusing wave spectroscopy，MS-DWS）技术，持续不断地检测材料中小颗粒的热运动以及样品中颗粒由于热运动造成的纳米级的移动 [2-8]。食品凝胶是典型的由分散粒子和大分子在不同时期组成的复杂多相体系 [9]，例如酸诱导牛乳凝胶，有不同的理论模型已经被提议来描述凝胶过程，但是这些方法都不能够用明确的动力学来解释凝胶的形成和发展 [10-11]。
近些年来，微流变技术已经在复杂流体的微观层面上取得了一些重大的发展，具有克服宏观流变局限性的可能，它可以以非侵入式的方式来研究微米级的空间力学性能 [12-13]，研究样品中的黏性、弹性等性质的变化，而且微流变数据与宏观流变的结果具有相一致性 [14-17]，此外，微流变测量实验中最少只需要10 μL样品，这使得珍贵生物样品的流变学测试和快速筛选实验成为可能 [8]。
一些蛋白酶具有促进大豆蛋白形成凝胶的现象很早就被发现，本实验通过采用微流变学方法来研究菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶对豆浆凝胶过程微流变性质的影响，明晰不同蛋白酶对豆浆凝胶过程的影响。本研究比较3 种蛋白酶与豆浆溶液共存静置反应过程中体系微流变性质的变化，并比较不同蛋白酶之间酶促大豆蛋白形成凝乳过程的差异，以期为我国利用豆浆凝固酶开发新型的乳制品研究提供理论基础。
1.1 材料与试剂
大豆 黑龙江产地优质大豆。
菠萝蛋白酶（酶活力为500 000 U/g）、木瓜蛋白酶（酶活力为650 000 U/g） 南宁庞博生物工程有限公司；碱性蛋白酶（酶活力为200 000 U/g） 北京鸿润宝顺科技有限公司。
1.2 仪器与设备
微流变仪 法国Formulaction公司；MS105UD电子分析天平 瑞士梅特勒-托利多公司；DK-98-ⅡA电热恒温水槽 天津市泰斯特仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 豆浆的制备
挑选优质大豆，称取一定量大豆，清洗后加3 倍蒸馏水于室温下浸泡12 h，然后用干豆总质量6 倍的水磨浆（磨浆所用的水量扣除干豆所吸收的水分），得到的生浆经200 目滤布双层过滤2 次，之后加热到95 ℃保持10 min，然后迅速放入冰水中冷却，4 ℃保存备用。
1.3.2 蛋白酶促使豆浆产凝胶能力的比较
向预热好的豆浆中分别加入400 U/mL的蛋白酶，搅拌均匀，然后将豆浆加入到样品池中，进行微流变性质测定。微流变分析参数设定：样品体积：20 mL；温度：60 ℃；分析时长：200 min，通过Rheolaser直接测定弹性因子（elasticity index，EI）、固液平衡点（solid liquid balance，SLB）、宏观黏度指数（macroscopic viscosity index，MVI）。
1.3.3 温度对豆浆凝胶体系EI的影响
向预热好的豆浆中分别加入400 U/mL的蛋白酶，搅拌均匀，然后将20 mL豆浆加入到样品池中，样品池温度分别设定30、40、50、60、70 ℃，跟踪时长200 min，通过Rheolaser直接测定EI值。
1.3.4 酶添加量对豆浆凝胶体系EI的影响
向预热好的豆浆中分别加入200、400、600、800、 1 000、1 200 U/mL的蛋白酶，搅拌均匀，然后将20 mL豆浆加入到样品池中，样品池温度设定60 ℃，分析时长200 min，通过Rheolaser直接测定EI值。
2.1 蛋白酶促使豆浆产凝胶能力的比较
凝胶过程是一个复杂的反应体系 [18]，EI的计算是一种快速、简便地表征一个样品的弹性性能的方法。由图1a可知，初始阶段，豆浆蛋白酶体系中的EI在装样后有明显的增加，这是它对装样过程中所施加剪切的敏感反应，随后在蛋白酶的作用下，体系的EI呈缓慢下降趋势，木瓜蛋白酶豆浆体系在45 min左右最先达到平衡体系，菠萝蛋白酶豆浆体系在30 min左右开始呈上升趋势，在200 min时达到EI最大值为0.001 62 nm －2，碱性蛋白酶豆浆体系在25 min时开始呈缓慢上升趋势，200 min时EI值为0.001 28 nm －2，从图1a还可看出，在70 min内，木瓜蛋白酶豆浆体系EI值较大，菠萝蛋白酶豆浆体系和碱性蛋白酶豆浆体系EI值下降明显且较小，这可能是因为在反应期间木瓜蛋白酶凝固豆浆的能力相对要大于其对蛋白的水解能力，所以EI值下降缓慢，相对其他体系较高。由于蛋白质肽链的水解是豆浆凝固的前提 [19]，蛋白酶作用使肽链断裂，蛋白质空间结构发生变化，随后断裂的肽链在酶的作用下重新结合 [20]，并相互以疏水作用结合形成网络结构，而碱性蛋白酶和菠萝蛋白酶在相同反应条件下，初期水解能力有限，大豆蛋白水解程度较低，未能达到使豆浆形成凝胶的最佳展开程度，所形成凝胶强度不够高 [21]，随着反应时间的延长，体系能够形成一定强度的凝胶，EI值增加明显，尤其菠萝蛋白酶豆浆体系EI值明显增加，说明在后期菠萝蛋白酶对豆浆的凝胶能力要高于木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶对豆浆的凝胶能力。
图1b是3 种蛋白酶凝豆浆过程中SLB的变化，前面实验主要讨论豆浆凝胶的弹性，即样品所具有的固态特征随时间的变化，固液平衡点所给出的是豆浆凝胶在固化过程中的每个时间所具有固态和液体特征的比值，当SLB＜0.5时，表明样品偏向固态。从图1b可以看到，这个比值一直在降低，在25 min时，3 种体系均达到固态特性，表明3 种蛋白酶均有凝固豆浆的能力，但是菠萝蛋白酶豆浆体系其最终SLB值很低，在200 min时SLB为0.157 36，说明样品的凝胶强度较大，碱性蛋白酶豆浆体系SLB值相对较高，在200 min时为0.298 14，则体系凝胶强度较弱。
由图1c可知，菠萝蛋白酶豆浆体系和木瓜蛋白酶豆浆体系在初期均有较高的宏观黏度指数，不同的是，菠萝蛋白酶豆浆体系在100 min内，宏观黏度指数有稍微下降的趋势，在120 min时突然下降，而后又呈轻微的上升趋势，在200 min时MVI为0.003 11 s/nm 2，分析原因可能是前期豆浆在蛋白酶的作用下形成弱凝胶，在100 min之后，蛋白被过度水解，使MVI下降。而木瓜蛋白酶豆浆体系在25 min时突然下降，后期体系的宏观黏度指数基本保持不变为0.002 19 s/nm 2，说明木瓜蛋白酶在作用25 min时酶解能力已经超过自身的凝胶能力，碱性蛋白酶豆浆体系MVI值整体随着时间的变化有轻微的上升趋势，但不明显，在200 min时取得最大值为0.002 98 s/nm 2，表明碱性蛋白酶对豆浆的酶解能力与凝胶能力基本保持平衡。
图1 3种蛋白酶对豆浆体系EI（a）、SLB（b）、MVI（c）的影响
Fig.1 Effects of three proteases on EI (a), SLB (b), MVI (c) of soybean milk system
2.2 温度对豆浆凝胶体系EI的影响
图2 温度对豆浆凝胶体系EI的影响
Fig.2 Effect of temperature on EI of soybean milk system
由图2可知，菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶对温度比较敏感，而温度对碱性蛋白酶凝胶效果影响不明显。图2a表明在凝胶温度为30、40 ℃和50 ℃时，菠萝蛋白酶豆浆体系的EI值变化不明显，呈现较为平稳的状态，在凝胶温度为60 ℃和70 ℃时，EI值上升较快，且70 ℃最明显，EI值最大。同样，木瓜蛋白酶豆浆体系（图2b）在30～60 ℃时，体系EI值并没有明显的增加趋势，且在50 ℃时，EI值有轻微的下降趋势，在70 ℃时，EI值增加明显。这主要是因为菠萝蛋白酶适宜酶解温度范围为40～60 ℃，适宜凝豆浆温度范围在70～80 ℃，而木瓜蛋白酶最适凝胶温度较其他蛋白酶高（一般为70～90 ℃），当温度较高时，大豆蛋白暴露出更多的疏水基团，有利于豆浆胶凝作用，其凝固机理与菠萝蛋白酶相似 [22]，但在70 ℃，200 min时木瓜蛋白酶凝胶的体系EI值（0.002 75 nm －2）要高于菠萝蛋白酶凝胶体系的EI值（0.002 34 nm －2）。如图2c所示，在初始阶段，由于EI对装样过程中所施加剪切的敏感，EI值急剧上升，在温度较低时（30～50 ℃）更为明显，随后又下降呈平稳的趋势，温度对碱性蛋白酶凝胶的效果相对影响很小 [23]，且凝胶效果整体较弱。
2.3 酶添加量对豆浆凝胶体系EI的影响
图3 酶添加量对豆浆凝胶体系EI的影响
Fig.3 Effect of protease dosage on EI of soybean milk system
由图3a可知，体系随着菠萝蛋白酶酶添加量的增加EI值逐渐增加，其中在200 U/mL时体系EI最小且无明显增长趋势，在800 U/mL时，体系EI值增加量最大，在200 min时EI值为0.002 53 nm －2，随着酶添加量的增加，体系EI值又显著下降，在1 200 U/mL时最为明显，这是因为当蛋白酶加入量较小时，未能达到形成凝胶的最佳展开程度，所形成凝胶强度较弱，当酶添加量过大时，大豆蛋白降解成短肽速率过快，不能形成很好的凝胶，而在酶加入量适中时，大豆蛋白酶解和展开并形成凝胶同时进行，形成凝胶较好 [24]。图3b表明体系EI值随着木瓜蛋白酶添加量的增加有所增大，在200 U/mL时EI值在0.001 0 nm －2左右，在1 200 U/mL时EI值在0.002 5 nm －2左右，且钟芳等 [25]研究表明，木瓜蛋白酶诱发大豆蛋白形成凝胶的强度相对较强。从图3c中可以看出，体系EI值随着碱性蛋白酶添加量的增加呈下降趋势，200 U/mL体系的EI值较大，在0.002 0 nm －2左右，1 200 U/mL体系EI值最低，在0.000 7 nm －2左右，说明随着碱性蛋白酶添加量的增加，体系的酶解能力将远远超过凝胶能力，则凝胶强度越来越小。从图3还可以看出，3 种蛋白酶豆乳体系的EI值之间也有所差别，这主要是因为在相同反应条件下，不同蛋白酶有不同的酶解程度，且酶解程度跟体系的反应温度、反应时间及酶添加量的不同而不同。
酶法凝固豆乳能够获得较好的凝块，口感细腻，条件较盐类凝固温和，容易控制，目前国内利用微流变技术考察菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶对豆浆凝胶过程的影响相关研究较少，本研究表明，3 种蛋白酶均有凝固豆乳的能力，但木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶对豆浆有较好的凝胶能力，通过升高温度可以提高豆浆体系的凝胶强度，而最终豆浆体系的黏度指数则相近，可以考虑利用木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶作为豆浆的凝固剂，开发具有一定强度、黏度及持水性的新型豆乳凝胶产品。
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Effects of Proteases on Microrheological Characteristics of Soymilk Gel
LIU He
1,2, GENG Ping
1, WAN Jiao
1, ZHU Danshi
1,2, HE Yut ang
1,2, MA Tao
1,2
(1. Food Safety Key Laboratory of Liaoning Province, College of Chemistry, Chemical Engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121013, China; 2. Engineering and Technology Research Center of Food Preservation, Processing and Safety Control of Liaoning Province, Jinzhou 121013, China)
Abstract：In this research, effects of proteases (bromelain, papain and alcalase) on microrheological characteristics of soymilk gel were explored. The results showed that all three proteases had the capacity to coagulate soybean milk, while the curding capacity of alacase was weak. At the early stage of curding, the MVI (macro viscosity index) of bromelainsoybean milk system was higher, while the MVI values of different s ystems became similar with prolonging reaction time. Temperature in the range of 30–70 ℃ played an important role in EI (elasticity index) of soymilk gel systems containing different proteases. The EI of gel systems induced by bormelain or papain addition showed an enhancing trend with increasing temperature to reach the maximum level of 0.002 34 and 0.002 75 nm -2, respectively, but temperature did not obviously affect the EI of soymilk system added with alaclase. The curding capacity of bromelain increased to the maximum level of EI at 800 U/mL followed by a decrease with increasing protease dosage in the range of 200–1 200 U/mL. Papain showed an increased curding capacity as its dosage increased, while alcalase showed a downward trend.
Key words：protease; soybean milk; gel; microrheological characteristics; elasticity index
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201603001
中图分类号：TS201.7
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2016）03-0001-05
引文格式：
刘贺, 庚平, 万娇, 等. 蛋白酶对豆浆凝胶过程微流变性质的影响[J]. 食品科学, 2016, 37(3): 1-5. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201603001. http://www.spkx.net.cn
LIU He, GENG Ping, WAN Jiao, et al. Effects of proteases on microrheological characteristics of soymilk gel[J]. Food Science, 2016, 37(3): 1-5. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201603001. http://www.spkx.net. cn
收稿日期：2015-03-31
基金项目：国家自然科学基金面上项目（31471621）；国家自然科学基金青年科学基金项目（31201385）；辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目（LR2014034）
作者简介：刘贺（1979—），男，教授，博士，研究方向为食品大分子的结构与功能及其修饰。E-mail：liuhe2069@163.com