基于拉曼光谱分析煮豆水中溶解组分的豆浆软化评估及其在食品质控中的应用

本研究针对高温密闭烹饪条件下大豆质地软化难以实时无损监测的行业难题，创新性地采用拉曼光谱技术结合乙醇内标法，动态追踪煮豆水中蛋白质和果胶的分子变化。通过化学定量与质构分析验证，发现682 cm-1(C-S)、558 cm-1(S-S)及936 cm-1(糖苷键)等特征峰与质构软化显著相关(R2=0.69–0.73)，建立了基于溶解组分光谱分析的质地预测模型，为豆类食品工业化加工提供了实时监控新方案。

　　

在食品工业领域，大豆制品的质地控制一直是影响产品质量的关键因素。无论是传统豆腐、纳豆，还是现代即食产品，恰到好处的软化程度不仅关系到口感体验，也直接影响营养物质的生物利用度。然而，在高温高压的工业化烹饪环境中，由于设备密封性的要求，实时监测大豆质地变化成为技术难题。目前常用的近红外（NIR）、傅里叶变换红外（FTIR）等技术在水中存在强烈吸收干扰，难以准确捕捉溶解组分的分子信号，导致产品质量稳定性难以保障。

针对这一行业痛点，日本岐阜大学联合研究生院农业科学研究科的Li Wenchao等研究人员开展了一项创新性研究，成果发表在《LWT》期刊。研究团队另辟蹊径，通过分析煮豆水中溶解的蛋白质和果胶成分，建立了基于拉曼光谱的大豆软化监测新方法。

研究人员主要采用手持式拉曼光谱仪（PalmTop Raman Spectrometer）对煮豆水样本进行光谱采集，创新性地引入50%乙醇作为内标物提升光谱稳定性；通过质构分析仪（TA.XT Plus）量化大豆硬度变化；采用Bradford法和咔唑硫酸法分别测定蛋白质和果胶浓度；运用主成分分析（PCA）筛选特征光谱峰；并利用SDS-PAGE电泳技术分析溶解蛋白质的组成特征。

3.1. 大豆烹饪过程中硬度的变化

通过质构分析发现，大豆硬度在90°C加热条件下随时间推移显著降低，从0分钟的11.65 N下降至120分钟的5.77 N。特别值得注意的是，在加热初期（30分钟内）就出现了统计学上的显著软化（p < 0.05），表明结构分解在烹饪早期即已开始。60分钟后硬度下降加剧，90-120分钟期间趋于稳定。这种软化模式与细胞壁结构和细胞间粘附物质的溶解过程密切相关。

3.2. 大豆煮水拉曼光谱谱图

3.2.1. 使用与不使用内标物的样品比较

拉曼光谱分析显示，添加50%乙醇作为内标物显著提高了光谱的重复性和清晰度。乙醇在1050 cm^-1处的C-C-O变形振动峰为光谱标准化提供了稳定参考，且该峰位与目标分析物的特征峰无重叠，有效消除了仪器和采样波动带来的变异。

3.2.2. 特征拉曼谱带的识别

通过主成分分析识别出多个关键拉曼谱带，其中682 cm^-1（C-S键）、558 cm^-1（S-S键）和936 cm^-1（糖苷键）的绝对载荷值均超过0.7，表明这些谱带对光谱变化的贡献最为显著。这些振动模式对蛋白质构象和果胶结构变化极为敏感，成为区分不同烹饪阶段样品的关键指标。

3.3. 沸腾过程中关键拉曼标记物的时间趋势

3.3.1. 蛋白质相关拉曼谱带的变化

558 cm^-1处的二硫键（S-S）峰强度随煮沸时间显著增加（p < 0.05），表明含二硫键的蛋白质片段持续释放到水中。682 cm^-1处的C-S键（与甲硫氨酸或半胱氨酸残基相关）也呈现上升趋势，表明含硫氨基酸片段在可溶相中的增加。酰胺III（1240 cm^-1）适度增强，而C-H变形（1458 cm^-1）和酰胺I（1638 cm^-1）峰则逐渐减弱，反映了疏水基团溶解性的变化和肽键的构象改变。

3.3.2. 反映果胶溶解的糖苷键谱带变化

936 cm^-1处的糖苷键相关峰强度持续增加，表明果胶及相关多糖物质不断释放到水相中。这一趋势与植物细胞壁的热软化过程一致，其中热作用破坏中层lamella并释放半乳糖醛酸（GalA）丰富的多糖。

3.4. 蛋白质和果胶组分的溶解

蛋白质浓度从0分钟的0.34 ± 0.18 mg/mL增加到120分钟的0.75 ± 0.28 mg/mL，但各时间点间差异无统计学意义。SDS-PAGE结果显示10-25 kDa范围内的低分子量条带，0分钟时出现的35-45 kDa条带（对应大豆球蛋白酸性亚基）在加热30分钟后消失。果胶浓度在前60分钟内从1.99 ± 0.52 mg/mL迅速上升至6.32 ± 1.21 mg/mL，随后趋于平稳，表明中层lamella和细胞壁的早期分解达到可提取果胶的饱和点。

3.5. 基于拉曼光谱变化的大豆硬度预测

回归分析显示，大豆硬度与二硫键（558 cm^-1，R² = 0.69）和C-S键（682 cm^-1，R² = 0.73）拉曼峰强度呈强负相关，表明含硫蛋白质片段的积累与大豆软化密切相关。C-H变形（1458 cm^-1）呈现中等正相关（R² = 0.57），而糖苷键（936 cm^-1）与硬度也显示强负相关（R² = 0.70），证实了果胶溶解与质地软化的直接关联。

本研究证实拉曼光谱技术能够有效捕捉煮豆水中蛋白质和果胶溶解的分子变化，这些变化与大豆质地软化过程高度相关。特别是682 cm^-1（C-S键）和936 cm^-1（糖苷键）拉曼峰与质地损失间的强相关性，确立了它们作为结构分解无损监测指标的有效性。尽管蛋白质溶解量有限，拉曼光谱仍能通过S-S和C-S振动敏感地检测到蛋白质相关信号。研究结果建立了溶解过程与软化行为间的直接联系，证明拉曼光谱标记物可用于灵活时间点的质地监测。这种无损方法适用于工业烹饪系统的集成，能够实现改进的工艺控制和产品一致性。此外，该研究为将基于拉曼的质地预测扩展到其他豆类和多样化热环境奠定了基础，有助于推动食品加工系统的广泛优化。