CN114027392A - 一种高冻融稳定性的双网络豌豆蛋白水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种高冻融稳定性的双网络豌豆蛋白水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高冻融稳定性的双网络豌豆蛋白水凝胶及其制备方法，属于食品领域。本发明所述制备双网络豌豆蛋白水凝胶的方法，包括：(1)将豌豆蛋白分散在水中，充分水化，得到豌豆蛋白悬浮液；(2)将多糖加入豌豆蛋白悬浮液中混合均匀，得到豌豆蛋白‑多糖混合溶液；(3)在豌豆蛋白‑多糖混合溶液中加入谷氨酰胺转氨酶溶液，混合均匀，倒入模具，进行加热交联，得到含有第一个蛋白交联网络的豌豆蛋白水凝胶；(4)将含有第一个蛋白交联网络的豌豆蛋白水凝胶浸渍在金属离子溶液中，取出，洗涤，得到双网络豌豆蛋白水凝胶。本发明的双网络豌豆蛋白水凝胶具有良好的力学性能、流变学性质、机械强度、质构性能和冻融稳定性。

Description

一种高冻融稳定性的双网络豌豆蛋白水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高冻融稳定性的双网络豌豆蛋白水凝胶及其制备方法，属于食品领域。
背景技术
全球人口的快速增长和生活水平的普遍提高推动了对高蛋白食品的需求不断增加。然而，过度食用动物源蛋白所造成的环境、可持续发展、动物福利和潜在的人类健康问题确实令人担忧。为了解决这些问题，以植物为基础的肉类替代品来替代传统肉类的策略引起了消费者和科学家的广泛关注。因此，植物性肉类产品越来越多，以满足日益增长的公众需求。虽然这些产品可以补充甚至取代传统肉制品，但完全实现动物源性肉制品的胶状结构是一个挑战。
豌豆蛋白因营养全面、非转基因、无致敏性的优势，被认为最有潜力的可代替动物蛋白的一种植物蛋白。但是与动物蛋白或大豆蛋白相比，豌豆蛋白的凝胶性能差，这极大的限制了其在动物蛋白水凝胶类可代替产品中的应用。因此，通过机械、化学或生物加工来提高豌豆的成胶能力至关重要，使其能够模仿动物蛋白水凝胶产品的质地和口感。
通过调节pH值、控制升温速率和分馏过程以及高压和酶处理等方法在改善豌豆蛋白水凝胶性能方面取得了一定进展，但其作为肉类替代品的质地和力学性能仍不尽人意。此外，由于蛋白质凝胶对外界环境的敏感性，在食品生产和储存过程中容易发生絮凝和聚集，导致其结构和保水能力差。因此，仍需努力解决这些技术问题。
发明内容
[技术问题]
豌豆蛋白的凝胶性能差，限制了其应用；而目前常规采用的改善豌豆蛋白水凝胶性能的方法存在质地、力学、冻融稳定性差的问题。
[技术方案]
为了解决上述至少一个问题，本发明以豌豆蛋白、多糖为原料，经谷氨酰胺转氨酶共价交联再由金属离子对多糖进行离子交联使之形成致密的双网络结构，除去未参与反应的金属离子，制备得到了双网络豌豆蛋白水凝胶。本发明的双网络豌豆蛋白水凝胶营养健康、冻融稳定性好、质构性能好。
本发明的第一个目的是提供一种制备双网络豌豆蛋白水凝胶的方法，包括如下步骤：
(1)将豌豆蛋白分散在水中，充分水化，得到豌豆蛋白悬浮液；
(2)将多糖加入步骤(1)的豌豆蛋白悬浮液中混合均匀，得到豌豆蛋白-多糖混合溶液；
(3)在步骤(2)的豌豆蛋白-多糖混合溶液中加入谷氨酰胺转氨酶溶液，混合均匀，倒入模具，进行加热交联，得到含有第一个蛋白交联网络的豌豆蛋白水凝胶；
(4)将步骤(3)得到的第一个蛋白交联网络的豌豆蛋白水凝胶浸渍在金属离子溶液中，取出，洗涤，得到双网络豌豆蛋白水凝胶。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的充分水化是800-1200rpm磁力搅拌2-12h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的豌豆蛋白悬浮液中豌豆蛋白的浓度为0.1-0.2g/mL，进一步优选为0.15g/mL。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的多糖包括海藻酸钠、k-卡拉胶和羧甲基纤维素钠中的一种。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的多糖在豌豆蛋白悬浮液中的浓度为0.5-2.5g/L。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的谷氨酰胺转氨酶溶液中谷氨酰胺转氨酶的浓度为0.1-0.25g/L。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中豌豆蛋白-多糖混合溶液和谷氨酰胺转氨酶溶液的体积比为40-60：1，进一步优选为50：1。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的加热交联是在45-55℃水浴下反应50-70min，进一步优选为在50℃水浴下反应60min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的金属离子包括钙离子、铁离子、钾离子，金属离子溶液包括氯化钙溶液、氯化铁溶液、氯化钾溶液。
在本发明的一种实施方式中，海藻酸钠与Ca2+配位、k-卡拉胶与K+配位、羧甲基纤维素与Fe3+配位。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的金属离子溶液的浓度为5-15g/L，进一步优选为10g/L。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的浸渍的温度为20-30℃，时间为10-18h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的洗涤是采用水进行洗涤。
本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的双网络豌豆蛋白水凝胶。
本发明的第三个目的是本发明所述的双网络豌豆蛋白水凝胶在食品领域的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述的应用具体是用于植物肉产品，包括植物基乳化肠、植物基丸子、植物基肉饼。
[有益效果]
(1)本发明所述的双网络水凝胶通常由刚性网络和柔性网络组成，它们相互独立、交联或互穿。当系统受到外力作用时，刚性网首先断裂，引起能量耗散，而柔性网则增强弹性，保持水凝胶的形状。双网络水凝胶的这种协同效应意味着它在显著变形过程中提供了比单一网络水凝胶更好的力学性能。
(2)本发明以豌豆蛋白为主要原料，利用两步交联法，通过在豌豆蛋白-多糖的混合溶液中添加谷氨酰胺转氨酶作为交联剂形成第一个豌豆蛋白共价交联网络，再经过金属离子与阴离子多糖作用形成离子键引入第二个物理交联网络，改善了豌豆蛋白水凝胶的流变学性质、机械强度、质构性能和冻融稳定性。
(3)本发明的双网络结构赋予豌豆蛋白水凝胶更高的交联密度，使豌豆凝胶强度显著增强；物理交联网络中的可逆动态建在凝胶变形过程中耗散能量，从而凝胶具有优异的自恢复性能；形成的多糖离子网络改变了凝胶中的水分分布，避免在冻融过程中水分的流失，表现出高的冻融稳定性；双网络豌豆蛋白水凝胶的机械和质构性能可与市售的动物蛋白类凝胶产品相媲美，不同的多糖添加量使其凝胶质构性能具有可控性，可满足不同产品类型的需求。
附图说明
图1为实施例1的双网络豌豆蛋白水凝胶的自恢复性图片。
图2为实施例1和2的双网络豌豆蛋白水凝胶的应力-应变曲线。
图3为实施例1和2的双网络豌豆蛋白水凝胶的动态流变曲线。
图4为实施例1和2的双网络豌豆蛋白水凝胶的低场核磁共振成像。
图5为对照例1得到的豌豆蛋白水凝胶的压缩性能。
图6为对照例2得到的豌豆蛋白水凝胶的压缩性能。
图7为对照例3得到的豌豆蛋白水凝胶的压缩性能。
图8为对照例4得到的豌豆蛋白水凝胶的压缩性能。
图9为对照例5得到的豌豆蛋白水凝胶的形态。
图10为实施例3和4的应力-应变曲线。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用原料或仪器未注明生产厂商者，均为可通过市购获得的常规产品。
测试方法：
质构性能测试：利用质构仪的全质构模式测定豌豆蛋白水凝胶的硬度、弹性、内聚性、咀嚼性和回复性，测前和测中速度为5mm/s，测后速度为5mm/s，触发力为5g，测试样品应变量80％，重复测定5次。
动态流变测试：使用直径40mm平行板夹具来测量凝胶的流变性质，具体是将凝胶样品置于测量平台，设置两板间隙1mm，测量温度保持在25℃；通过动态振荡实验进行应变扫描，范围为0.01-100％，频率为10rad/s；根据扫描结果确定线性粘弹区域，在其中选择合适的应变值，再进行动态频率扫描，范围为0.1-100rad/s，得到储能模量(G')和损耗模量(G”)对频率的函数曲线。
冻融稳定性测试：豌豆蛋白水凝胶在-20℃冷冻12h，室温下解冻8h，利用低场核磁成像表征凝胶冻融后的水分分布，成像参数：信号采样点数400，采样频率20k Hz，重复采样等待时间500ms，回波时间20ms，采样层数1，重复采样次数4。映射后的图片进行伪彩处理。
应力-应变测试：设定质构仪测定参数：质构分析(texture profile analysis，TPA)压缩模式，探头：P/0.5(直径0.5英寸的圆柱状平头探头)，测试前速度：1.5mm/s，测试速度：1.0mm/s，测试后速度：1.0mm/s，感应力：2g，循环次数：1次。重复测定5次。
实施例1
一种制备双网络豌豆蛋白水凝胶的方法，包括如下步骤：
(1)将15g豌豆蛋白粉分散在100mL水中，800rpm磁力搅拌120min充分水化，得到浓度为15g/mL的豌豆蛋白悬浮液；
(2)将0.075g海藻酸钠在搅拌下缓慢加入50mL步骤(1)的豌豆蛋白悬浮液中，继续800rpm搅拌30min，使得海藻酸钠溶解，得到豌豆蛋白-海藻酸钠混合溶液；其中海藻酸钠的浓度为1.5g/L；
(3)将0.125g谷氨酰胺转氨酶和10mL水混合均匀，得到浓度为12.5g/L的谷氨酰胺转氨酶溶液；在50mL步骤(2)的豌豆蛋白-海藻酸钠混合溶液中加入1mL谷氨酰胺转氨酶溶液，1200rpm快速搅拌1min混合均匀，将得到的混合物迅速倒入直径为22mm、高度为25mm的圆底烧杯中，在50℃水浴下反应60min进行交联，得到含有第一个蛋白交联网络的豌豆蛋白水凝胶；
(4)称取5g氯化钙加入500mL中溶解，得到浓度为10g/L的氯化钙溶液；之后将步骤(3)得到的含有第一个蛋白交联网络的豌豆蛋白水凝胶25℃浸渍在氯化钙溶液中18h，取出，用水洗涤，得到双网络豌豆蛋白水凝胶。
实施例2
调整实施例1中海藻酸钠的用量为0、0.025、0.05、0.125g，海藻酸钠的浓度为0、0.5、1、2.5g/L，其他和实施例1保持一致，得到双网络豌豆蛋白水凝胶。
将得到的双网络豌豆蛋白水凝胶进行性能测试，测试结果如下：
图1为实施例1的双网络豌豆蛋白水凝胶的自恢复性图片。从图1可以看出：在50％的压缩应变下，豌豆蛋白水凝胶没有破裂，在外力消失后，仍可恢复到原来的形状。
图2为实施例1和2的双网络豌豆蛋白水凝胶的应力-应变曲线。从图2可以看出：当海藻酸钠的用量为0时，豌豆蛋白水凝胶的最大应变为62％，最大应力为0.12MPa；随着海藻酸钠的用量增加到1.5g/mL时，水凝胶的最大应变66％，最大应力为0.39MPa，表明有更多的海藻酸钠与钙离子进行配位作用，使水凝胶的交联密度增大。
图3为实施例1和2的双网络豌豆蛋白水凝胶的动态流变曲线。从图3可以看出：当海藻酸钠的用量在0.025g-0.075g，浓度在0.5-1.5g/L时，豌豆蛋白水凝胶的储能模量和损耗模量随海藻酸钠浓度的增大而增加，表明海藻酸钠与钙离子交联网络密度的增加水凝胶网络结构的稳定性。
图4为实施例1和2的双网络豌豆蛋白水凝胶的低场核磁共振成像。从图4可以看出：在冻融处理后，水凝胶中海藻酸钠含量越高，检测到的水分子信号越强，同时可以观察到水凝胶表面越光滑，表明冻融稳定性越好，能够有效阻止水分的流失。
表1为实施例1和2的双网络豌豆蛋白水凝胶的质构性能测试结果，从表1可以看出：随着海藻酸钠用量的增大，水凝胶的硬度和咀嚼性明显增大，但是弹性、内聚性和恢复性都略有降低，表明海藻酸钠与钙离子网络的有利于增加豌豆蛋白水凝胶的刚性。
表1实施例1和2的质构性能测试结果
Figure BDA0003367866530000051
对照例1
省略实施例1中海藻酸钠，其他和实施例1保持一致，得到豌豆蛋白水凝胶。
结果如图5所示，没有加入海藻酸钠，豌豆蛋白水凝胶在50％的压缩形变下发生破裂。
对照例2
省略实施例1中谷氨酰胺转氨酶，其他和实施例1保持一致，得到豌豆蛋白水凝胶。
结果图6所示，没有加入谷氨酰胺转氨酶时，在50℃水浴后，豌豆蛋白悬浮液成流动状态，放入氯化钙中浸泡后，形成结构松散、不规整的凝胶状聚集物，可被50g的重物轻易压塌。
对照例3
省略实施例1中的氯化钙溶液，其他和实施例1保持一致，得到豌豆蛋白水凝胶。
结果如图7所示，缺乏氯化钙的交联，豌豆蛋白的水凝胶强度较弱，在50％的压缩应变下发生破裂。
对照例4
将实施例1中的海藻酸钠替换成黄原胶，其他和实施例1保持一致，得到豌豆蛋白水凝胶。
结果如图8所示，加入黄原胶，仍可形成规整的豌豆蛋白水凝胶，但是浸入氯化钙溶液中后，由于黄原胶与钙离子没有交联作用，凝胶强度没有被改善，在50％的压缩应变下发生破裂。
对照例5
将豌豆蛋白添加量调整为7.5g，其他和实施例1保持一致。
结果如图9所示，豌豆蛋白的含量减半后，豌豆蛋白无法被交联，形成凝胶。
实施例3
调整实施例1中海藻酸钠为羧甲基纤维素钠，氯化钙为氯化铁，其他和实施例1保持一致，得到双网络豌豆蛋白水凝胶。
实施例4
调整实施例3中羧甲基纤维素钠的用量为0.025g、0.05g、0.125g，其他和实施例3保持一致，得到双网络豌豆蛋白水凝胶。
将得到的双网络豌豆蛋白水凝胶进行压缩强度测试，测试结果如图10：
从图10可以看出：当羧甲基纤维素钠的用量从0增加1.5g/L时，豌豆蛋白水凝胶的最大应变从55％增加到66％，最大应力从0.17MPa增加到0.37MPa。

Claims (10)

1.一种制备双网络豌豆蛋白水凝胶的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将豌豆蛋白分散在水中，充分水化，得到豌豆蛋白悬浮液；
(2)将多糖加入步骤(1)的豌豆蛋白悬浮液中混合均匀，得到豌豆蛋白-多糖混合溶液；
(3)在步骤(2)的豌豆蛋白-多糖混合溶液中加入谷氨酰胺转氨酶溶液，混合均匀，倒入模具，进行加热交联，得到含有第一个蛋白交联网络的豌豆蛋白水凝胶；
(4)将步骤(3)得到的第一个蛋白交联网络的豌豆蛋白水凝胶浸渍在金属离子溶液中，取出，洗涤，得到双网络豌豆蛋白水凝胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的豌豆蛋白悬浮液中豌豆蛋白的浓度为0.1-0.2g/mL。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的多糖包括海藻酸钠、k-卡拉胶和羧甲基纤维素钠中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的多糖在豌豆蛋白悬浮液中的浓度为0.5-2.5g/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述的谷氨酰胺转氨酶溶液中谷氨酰胺转氨酶的浓度为0.1-0.25g/L。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中豌豆蛋白-多糖混合溶液和谷氨酰胺转氨酶溶液的体积比为40-60：1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的金属离子包括钙离子、铁离子、钾离子，金属离子溶液包括氯化钙溶液、氯化铁溶液、氯化钾溶液，所述的金属离子溶液的浓度为5-15g/L。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述的加热交联是在45-55℃水浴下反应50-70min。
9.权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的双网络豌豆蛋白水凝胶。
10.权利要求9所述的双网络豌豆蛋白水凝胶在食品领域的应用。
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