“豆腐的制作”畅谈胶体知识与水凝胶的前沿应用

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-09-17 08:41 热度：

　　摘要通过深入挖掘“豆腐的制作”工艺中渗透的科学知识，介绍了如何充分提取大豆蛋白质、如何将生豆浆转变为豆腐等内容，主要呈现了豆腐制作过程中体现的蛋白质性质、胶体的稳定性及凝固剂促使大豆蛋白聚沉原理等知识，并对豆腐产品的结构特点进行适当延伸，进而介绍水凝胶的发展与前沿应用。加深学生对所学知识的理解，拓展视野，培养学生热爱生活的态度及科研乐趣。

　　关键词豆腐的制作知识介绍水凝胶前沿应用豆浆豆腐

　　古代中国人制作豆腐是很早将溶胶变为凝胶的技术之一，其中体现了中华饮食文化的价值与前人的智慧。豆腐是学生熟悉的食物，味道鲜美，营养丰富，采用其原料大豆直接煮食，蛋白质吸收率只达65%，而制成豆腐蛋白质的吸收率可提高到92%～96%[1]。

　　以科学态度对待和掌握日常生活中的化学，提高公民的科学素养应当是学校教育一项长期而紧迫的任务，同时要依赖于基础教育特别是理科教育的改革[2]。人教版(2019年)高中化学教材必修2设有“研究与实践———豆腐的制作”活动，其中展示了豆腐的传统制作过程，分别包括泡豆、磨豆、过滤、煮浆、点卤和成形6个环节(见图1)。其制作过程蕴含着蛋白质、胶体性质和水凝胶等多个知识，深入挖掘豆腐制作中知识承载的教学价值，促进学生学习相关的化学知识和生活知识，学生可以对事物现象的本质加以认识，掌握其中的变化规律，形成遵循其中的规律朝着有利于人类生产生活的方向对产品进行改造的思路，培养科学的生活观念与生活态度。本文旨在详细展开这些操作步骤背后渗透的科学原理，以期促进学生对胶体和蛋白质性质等知识的理解，加深对豆腐制作的本质认识，培养学生关注生活，对生活现象多一些思考的良好品质，并对豆腐产品的结构特点进行适当延伸，介绍水凝胶的前沿应用，拓宽学生的知识面。

　　1豆腐的制作原理介绍

　　1.1如何浸泡大豆以充分提取蛋白质

　　大豆蛋白质含量位居植物性食品原料之首，经过根瘤菌的固氮作用，将空气中的氮气大量转化为植物能直接利用的化合态氮，进而制造氨基酸合成蛋白质。其蛋白含量高达40%左右，其中有80%～88%是可溶性的[3]，生产大豆食品主要是利用可溶性蛋白质，因此可用水浸提大豆中的蛋白质。干燥条件下，大豆坚硬，很难使蛋白质与纤维素分开，通过一定时间的浸泡可以使大豆充分吸水溶胀，根据经验，大豆的吸水量是干豆的1.1～1.4倍，一般要大于这个比例加水浸泡。

　　大豆的浸泡工艺是豆腐制作的重要工序之一，为了充分浸取大豆蛋白，研究者发现影响浸泡豆乳蛋白质含量的主要因素为温度、pH、浸泡时间[4]。温度过高会使大豆呼吸加强，消耗其营养成分，而且容易引起微生物繁殖，导致腐败。水温过低，则不利于大豆组织软化，浸泡时间也相应延长。

　　在低pH时蛋白质分子带正电，高pH时蛋白质分子带负电。调节溶液的pH使蛋白质分子的酸性解离与碱性解离相等，即所带正负电荷相等，电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点(pI)。大豆蛋白的等电点是4.3左右，由于等电点没有相同电荷相互排斥的影响，蛋白质溶解度最小。因此，现代浸泡方法则通过控制工艺条件提高大豆蛋白的溶出。浸泡大豆水适宜的pH在7.0～8.0左右，浸泡水中添加NaHCO3可起到软化大豆组织，提高大豆蛋白质溶出率的作用。浸泡时间受浸泡温度的影响，适宜水温可控制在15～20℃，浸泡时间为8～10h[5]。此外，还有研究者通过物理、化学等方法对大豆蛋白进行改性，以提高蛋白质的溶解特性。

　　当大豆外壳和豆瓣变软，结构疏松后，在水的作用下再通过机械磨碎浸泡过的大豆，使蛋白质分散到水中。此后，水中不仅有蛋白质，还混有一些豆渣，要让体系处于以蛋白质为主要分散质的胶体状态，就需要对胶体的概念和分散系的渗透性了然于胸，然后借助过滤操作除去豆渣，制得生豆浆。其中水溶性的蛋白质分子表面有许多亲水性的可解离的极性基团，它们与水分子有很强的亲和能力，形成水化膜。同时，由于蛋白质是两性电解质，在一定pH溶液中，蛋白质粒子发生解离会带有相同的电荷，与周围电性相反的离子构成稳定的双电层。水化膜与双电层结构将蛋白质粒子相隔开，形成具有一定稳定性的胶体分散体系。

　　1.2如何将生豆浆转变为豆腐

　　生豆浆需经过蛋白质变性和蛋白质聚集交联2个阶段才能转变为豆腐。生豆浆中蛋白质以无规卷曲形式存在[6]，经加热煮沸可提高体系内能，使蛋白质分子运动速度加快，相互撞击，肽链间原有的相互作用力(如氢键)被破坏，肽链展开，见图2。变性后的蛋白质分子相互碰撞，胶粒间发生一定程度的聚结，形成相对稳定的前凝胶体系。从宏观来看，生豆浆为未变性蛋白质，相对分子质量小于60万;熟豆浆为分子结构已发生变化的变性蛋白质，相对分子质量可达800万以上[7]。煮浆必须控制好温度，一般温度为92～100℃。如果温度过低，蛋白质凝固不充分，会使豆浆呈糊状，并且不熟的豆浆中有一些有毒物质，对人体健康有害;温度过高，蛋白质过度变性，会影响后续豆腐加工。

　　变性的蛋白质分子聚集并形成有序网络结构的过程称为胶凝作用。豆腐的生成就是一种胶凝过程，大豆蛋白经加热变性后，在一定条件下需要加入凝固剂才能形成具有蛋白质网络结构的豆腐。常见的凝固剂有3类，分别是盐卤(主要成分为MgCl2)、石膏(主要成分为CaSO4)等盐类凝固剂，葡萄糖酸δ内酯等酸性凝固剂以及谷氨酰胺转氨酶等酶凝固剂[8]。

　　石彦国等[9]对盐类凝固剂将豆浆聚沉为豆腐的作用机理进行了详尽的阐述，如图3所示。点卤前，蛋白质分子之间的静电斥力占主导地位，因此相互间难以靠近，不能结合在一起(如图3a)。加入凝固剂后，破坏了胶体粒子的电性，使蛋白质之间的静电斥力减弱，当豆浆中的盐离子达到一定浓度时，豆浆中的蛋白质结合成有序的网络结构(如图3b)。随着盐离子浓度增加，蛋白质分子之间相互结合的速率加快，形成的网络变得粗厚，但网孔变得稀疏(如图3c)，此时形成的豆腐凝胶强度增大，保水性降低。当盐浓度过高时，蛋白分子相互结合的速率相当快，容易扎堆在一起(如图3d)，造成豆腐凝胶的失水率骤升，保水性急剧下降。

　　酸类凝固剂使大豆蛋白胶凝的作用原理是这类凝固剂释放的H+使溶液酸度增强，当溶液pH接近大豆蛋白等电点时，蛋白质因表面所带电荷下降使分子间的静电斥力减小而发生凝结。能使大豆蛋白质凝固的酶称为酶凝固剂，其作用原理是各种蛋白酶能将大豆蛋白水解成较短的肽链，短肽链之间通过非共价键彼此连接，交联形成网络状凝胶，从而表现为豆浆凝结为豆腐[10]。

　　将凝结好的豆腐脑用布包裹放入豆腐模具中加以镇压，榨出多余的煮浆水，就可制得豆腐。例如古人以一根长棍作为杠杆，一端固定，另一端悬挂重物，进而调节对豆腐脑的压力大小。

　　如今豆腐的制备工艺已步入自动化生产阶段，形成了3种主要的制浆方式：生浆法、熟浆法和热水套法。生浆法是中国传统的制浆方法，采用先过滤除去豆渣再进行煮制的方式制备豆腐。熟浆法是将豆渣与豆浆共同煮制，再进行过滤，是近年来日本企业主要采用的制浆方法。热水套法是在磨碎的豆糊中加入热水并充分搅拌豆糊，再过滤除渣，套浆后豆糊的温度一般要达到65℃以上[11]。选择不同的凝固剂可制成不同的豆腐类型。我国传统豆腐生产主要采用石膏和盐卤作单一凝固剂，用盐卤制作的豆腐有豆香味，但是持水性差，质地比较粗老，俗称“老豆腐”;石膏做的豆腐保水性能好，细腻光滑，俗称“嫩豆腐”，但成品有一定的残渣且带有苦涩味，缺乏大豆香味。因此研究者便进行了采用复合凝固剂来克服单一凝固剂不足的研究。由葡萄糖酸内酯做成的豆腐品质较好，质地滑润爽口，持水性好，但质地偏软，且略带酸味。因此研究者开始寻求天然有机酸替代化学合成的葡萄糖酸内酯凝固剂，如用胡萝卜汁、菠菜汁等可以有效地凝固豆乳，并形成彩色豆腐[12]。酶类凝固剂作为新型豆腐凝固剂，适用于生产填充豆腐，可提高豆腐加工过程的可控性，显著改善豆腐品质。

　　2简单介绍水凝胶的发展及前沿应用

　　豆腐是由蛋白质分子的三维网络与水组成的多元体系，像这种由高聚物分子相互交联而形成的空间网络结构，在网络结构的孔隙中充满失去流动性的水的分散体系称为水凝胶。由于水凝胶存在着丰富的亲水基团，因此具有良好的吸水保水性能，从外观上看，水凝胶通常表现柔软而湿润。

　　最初对水凝胶的研究主要集中在相对简单的化学交联聚合物网络上，随着研究的不断进展，其重点已从简单的网络转移到“响应”网络。在这一阶段，已经开发出各种能够响应诸如pH、温度以及电场等环境条件变化的水凝胶。例如将凝胶(颗粒态)投入到待分离体系中并给以刺激信号，凝胶颗粒溶胀，这时体系中小分子溶质和溶剂分子进入溶胀了的凝胶颗粒中，而大分子则由于体积太大的缘故留存在反应液中，可用于体系的分离纯化[13]。

　　但是水凝胶仍存在机械强度较差的弊端，这极大地限制了它们的潜在应用。为了改善水凝胶机械强度，可以把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。如今，水凝胶也进入了一个新时代，强韧水凝胶的创新发展极大地扩展了该材料在各种领域的潜在应用，包括软体机器人、人造器官、再生医学等。例如应用可注射水凝胶有利于对深层和封闭的骨缺损进行修复，可以有效填充不规则的骨缺损区域(见图4)，并在胶凝后与周围骨组织无缝结合，加快手术后愈合，减少患者的痛苦[14]。

　　如果将光滑细嫩的豆腐经冰冻再解冻以后，形成的冻豆腐就会具有海绵状的多孔结构(见图5a)，而多孔结构是常见的高效吸收材料，所以食物中的冻豆腐能快速吸收鲜美的汤汁。推而广之，若将多孔结构引入水凝胶，形成的多孔水凝胶(见图5b)又会有哪些神奇的应用呢?

　　3总结

　　豆腐的制作既能体现文化的传承，其产品又具有丰富的营养价值。基于豆腐制作原理的深入研究，豆腐的品质不断得以提升，豆腐的种类也已发展多样，如内酯豆腐、蔬菜豆腐、鸡蛋豆腐、茶豆腐等。其加工过程涉及复杂的物理化学变化，笔者以豆腐的制作为背景，对豆腐制作过程的主要环节进行展开，介绍了其中所蕴含的科学知识。最后对豆腐产品的结构特点进行拓展延伸，简单介绍了水凝胶的前沿应用，拓展视野，提升科研兴趣。此外，还提出可以由豆腐到冻豆腐的变化引出具有多孔结构特点的凝胶，将生活现象和科技发展相联系，鼓励学生主动查阅多孔结构对材料的影响等相关资料，对前沿科技有所涉猎，养成勤于思考的习惯。——论文作者：王锦娟薛亮焦桓*

　　相关期刊推荐：《化学教育》(月刊)创刊于1980年，由中国化学会主办。主要围绕化学基础学科，交流教育、教学经验和研究成果，开展关于课程、教材教法、实验技术的讨论，介绍化学和化学教学理论的新成就，报道国内外化学教育改革的进展和动向。设有：化学与社会、知识介绍、专论、教学研究、信息技术与化学、实验教育、问题讨论、化学史与化学史教育等栏目。

文章名称：“豆腐的制作”畅谈胶体知识与水凝胶的前沿应用

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