碎牛皮生產(chǎn)狗咬膠的 兩種成型工藝比較

牛付閣,李萌雅,潘偉春,*,張秀真,楊建生,勵(lì)建榮,徐 煉

(1.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,浙江杭州 310018; 2.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院,遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧錦州 121013; 3.浙江省常山邁峰寵物用品有限公司,浙江衢州 324200)

傳統(tǒng)的狗咬膠主要以牛二層皮或豬皮為主要原料，經(jīng)化學(xué)漂洗、手工壓制/機(jī)械模壓成型、烘干而成,即所謂的模壓成型工藝(簡稱壓制工藝)[2]。咀嚼狗咬膠能幫助犬類穩(wěn)固牙齒、清潔口腔,并解決長牙階段牙床發(fā)癢等問題。牛皮經(jīng)過化學(xué)處理后,不僅可提高狗對其蛋白質(zhì)的消化率,且韌性和彈性都得到提高,使得狗咬膠產(chǎn)品的耐嚼性延長,符合寵物對磨牙的需求。然而狗咬膠制作過程中有大量的邊角料生成,除了少部分以填充料的形式得以利用,其余均廢置。且牛皮主要依賴進(jìn)口來滿足國內(nèi)的需求,受國際貿(mào)易波動(dòng)、衛(wèi)生安全、環(huán)保政策等影響,牛皮的進(jìn)口量和價(jià)格起伏很大,這進(jìn)一步加大了狗咬膠的生產(chǎn)成本。同時(shí),以手工制作為主的傳統(tǒng)狗咬膠制作工藝存在兩大隱患:產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性和勞動(dòng)力供給。因此,這種傳統(tǒng)的狗咬膠生產(chǎn)工藝具有成本高、環(huán)境污染等諸多問題。為在激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟,改進(jìn)優(yōu)化生產(chǎn)工藝是狗咬膠生產(chǎn)企業(yè)唯一的選擇。

集原料運(yùn)輸、混合、擠壓成型于一體的擠壓蒸煮技術(shù)[3],具有混料方便、生產(chǎn)效率高、原料適用性廣、利用率高、營養(yǎng)損失小、能部分去除原料所含的有毒有害物質(zhì)、所得產(chǎn)品的外在形狀繁多等優(yōu)點(diǎn)[4-5],常被用于生產(chǎn)干性寵物食品,目前全球的干性貓糧和狗糧90%都是通過擠壓蒸煮技術(shù)獲得的[6]。王文賢等[7]利用單螺桿擠壓膨化機(jī),以鮮雞肉和淀粉為主要原料,開發(fā)出了新型擠壓休閑食品;Liu等[8]利用雙螺桿擠壓技術(shù),以脫脂大豆粉-豬肉混合物為原料,制備肉類模擬物并測量產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性,實(shí)驗(yàn)表明,添加一定量豬肉后,產(chǎn)品感官特性等均有所提高;楊濤等[9]以北太魷魚蛋白碎肉為主要原料,采用熱塑擠壓蒸煮技術(shù),得到的產(chǎn)品無論是組織化程度還是體外消化率均得到提高。目前,國內(nèi)貓狗糧的制備和工藝開發(fā)主要以動(dòng)物蛋白為原料蛋白,這是因?yàn)樨埞返哪c道相對較短,動(dòng)物蛋白的吸收率高,達(dá)90%～95%,與之相對應(yīng)的植物蛋白吸收率僅為60%～80%[10]。介于蛋白質(zhì)是動(dòng)物必需的營養(yǎng)物質(zhì),且僅能通過食品獲取,從營養(yǎng)學(xué)的角度來講,動(dòng)物蛋白一般含有人體或動(dòng)物所必需但又無法合成的氨基酸[11],因此以動(dòng)物蛋白為原料的寵物食品有比較大的優(yōu)勢。但在我國,和寵物食品行業(yè)相比,動(dòng)物源蛋白在其它行業(yè)的利潤更高,同時(shí)它們的適用面很廣,使用量很大,這使得以動(dòng)物源蛋白為原料的寵物食品工廠面臨原料選擇面窄的問題,同時(shí)在擠壓過程中有多種含量不低的副產(chǎn)物生成,如氨基酸的分解物、美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物等[12]。因此,以螺桿擠壓技術(shù)為基礎(chǔ)的寵物食品生產(chǎn)仍是當(dāng)前食品科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

綜合上述考慮,本文以碎牛皮為原料生產(chǎn)狗咬膠,基于傳統(tǒng)擠壓蒸煮技術(shù),結(jié)合現(xiàn)代技術(shù),提出新的狗咬膠生產(chǎn)工藝:單螺桿擠壓成型工藝(簡稱螺桿擠壓工藝),以實(shí)現(xiàn)綠色高效牛皮加工。同時(shí),利用現(xiàn)代化的物理化學(xué)分析技術(shù),通過對產(chǎn)品微觀和宏觀結(jié)構(gòu)的分析,結(jié)合相對應(yīng)的加工工藝參數(shù),力圖從分子水平上理解以下三者間的內(nèi)在聯(lián)系:加工工藝條件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品性能。以期為寵物飼料加工工藝開發(fā)提供新的思路和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

碎牛皮(含水量約為10%) 常山邁峰寵物用品有限公司,實(shí)驗(yàn)過程中未作任何處理直接使用;溴化鉀 光譜級,美國Sigma公司;玉米淀粉 食用級(50 kg),吉林四平市大成玉米開發(fā)有限公司。

SSE 100 單螺桿膨化機(jī) 濟(jì)南鼎潤機(jī)械設(shè)備有限公司;C80 量熱儀 法國Aetaram公司;TM-1000 臺(tái)式電子顯微鏡 日本Hitachi公司;ALV/CGS-3一體式激光散射儀 德國ALV公司;NICOLET 380紅外光譜儀 美國Thermo公司;UV-2600紫外分光光度計(jì) 日本島津公司;ME204E 電子分析天平 美國Mettler Toledo公司;FW135中草藥粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 牛皮浸泡時(shí)間的選擇 選取厚度約為0.5 mm的碎牛皮,用切割機(jī)裁割成細(xì)條狀,于自來水中浸泡5、10和15 min,瀝干水分(為方便描述,所得到皮稱之為泡皮),通過稱量法計(jì)算泡皮的水分含量,然后放入-18 ℃冰箱中備用。

1.2.2 狗咬膠樣品的制備 壓制工藝:將所得的泡皮放在-18 ℃冰箱冷凍0.5 h后,取出放入絞肉機(jī)(格板3 mm,轉(zhuǎn)速200 r·min-1)中進(jìn)一步粉碎。為防止牛皮粉碎過程中發(fā)生過熱現(xiàn)象,絞皮一般持續(xù)5 min后,停機(jī)2 min,并在機(jī)器外殼上冷敷冰塊來快速降低機(jī)器溫度,特別是攪拌螺桿以及刀片的溫度。經(jīng)絞肉機(jī)所得的產(chǎn)品程之為牛皮糜,迅速放入4寸模具中,手工壓制成型,自然晾干兩天得成品(水分含量約10%)。該產(chǎn)品為壓制狗咬膠(簡稱壓制產(chǎn)品)。

螺桿擠壓工藝:采用上述同樣步驟制備牛皮糜,后快速放置于單螺桿擠壓機(jī)擠壓成型。單螺桿擠壓機(jī)的具體工藝參數(shù)為:一、二、三和五區(qū)的溫度為室溫,四區(qū)的溫度為70 ℃;螺桿轉(zhuǎn)速為18 Hz;出料口模具為直徑10 mm的圓孔。單螺桿擠壓機(jī)的操作步驟為:通電開機(jī),設(shè)定溫度后開始加熱機(jī)器,為保證機(jī)器在使用過程中有較平穩(wěn)的溫度,外循環(huán)水浴系統(tǒng)和螺桿擠壓機(jī)同時(shí)打開;同時(shí),自來水注入機(jī)后啟動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,一方面潤濕螺桿和腔體,同時(shí)清洗螺桿。待溫度升至設(shè)定溫度后,首先將含15%水的玉米淀粉(約5公斤)加入機(jī)器中進(jìn)一步清洗機(jī)器,再用前面所得的牛皮糜代替,待出料穩(wěn)定,即色澤、粗細(xì)均勻一致時(shí),開始接料,所得產(chǎn)品為螺桿擠壓狗咬膠(簡稱螺桿產(chǎn)品)。

將上述兩種方法獲得的產(chǎn)品自然晾干至水分含量在10%左右,采用中草藥粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。再根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,過篩后,確定測試對象的顆粒大小,備用。

1.2.3 表觀密度(Apparent density)的測定 稱取20～40目的顆粒,放置于5 mL的量筒中,輕敲量筒壁至體積不再降低為止,記錄5 mL體積所量取的質(zhì)量M(g),重復(fù)三次,通過計(jì)算質(zhì)量與體積的比值,得到樣品的表觀密度[13]。

1.2.4 吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)及濁度、粒徑、水分分布的測定

1.2.4.1 吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)的測定 在Kite等方法[14]的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)。具體步驟如下:稱取0.6000 g左右的樣品(<60目)溶解于蒸餾水中,配制成濃度為2%(w/w)的溶液,裝入50 mL的離心管中,于30 ℃水浴鍋中恒溫?cái)嚢?0 min,取出后冷卻至室溫,離心(3000×g,10 min),輕輕將上清液倒入烘干至恒重的坩堝中,在沸水浴中蒸干后,104 ℃烘箱烘至恒重,計(jì)算上清液干重,同時(shí)記錄沉淀物的重量,根據(jù)計(jì)算得出吸水指數(shù)。

水溶性指數(shù)Si(%)=(Li/Wi)×100

吸水指數(shù)Ai(%)=Pi/Wi×(100-Si)×100

式中:Wi:樣品干基重g;Li:上清液烘干至恒重重量g;Pi:沉淀物濕重g。

1.2.4.2 濁度的測定 用1.2.4.1中的方法配制濃度為2%(w/w)的樣品溶液,裝入50 mL的離心管中,于25 ℃水浴12 h,水浴后的產(chǎn)品用九陽打漿機(jī)打漿。為防止打漿過程過熱現(xiàn)象出現(xiàn),機(jī)器每打漿30 s,停機(jī)30 s,重復(fù)兩次。打漿后的產(chǎn)品于室溫下離心(8000×g,20 min),再利用紫外分光光度計(jì)于540 nm下測量上清液的吸光度。

1.2.4.3 粒徑的測定 將1.2.4.2中所制的上清液稀釋2倍,裝入經(jīng)過丙酮淋洗過的直徑14 cm的光散射專用測試管中,測量波長628 nm,測量角度90 °,溫度25 ℃,每次測量60 s,每個(gè)樣品測量三次,測得樣品溶液的平均粒徑及其粒徑分布。

1.2.4.4 水分分布的測定 將兩種40目篩后的樣品顆粒,放入50 mL離心管中,于32 ℃的恒溫水浴中維持30 min,在紐邁臺(tái)式脈沖NMR分析儀PQ001上進(jìn)行NMR測試。測試條件[13]:質(zhì)子共振頻率22.6 MHz,測量溫度32 ℃。將樣品沿著管壁緩緩倒入直徑60 mm的核磁管中,然后放入分析儀進(jìn)行測試。自旋-自旋馳豫時(shí)間T2采用CPMG序列進(jìn)行測量。設(shè)置參數(shù):回波時(shí)間(180 °脈沖和相鄰180°脈沖之間的時(shí)間)為409 μs。重復(fù)掃描16次,重復(fù)采樣時(shí)間間隔500 ms，得到1000個(gè)回波,得到指數(shù)衰減圖形。CMPG指數(shù)衰減采用儀器自帶的MultiExp Iny Analysis軟件進(jìn)行反演,得到T2值。

1.2.5 傅里葉紅外變換光譜(FTIR)測試 取2 mg左右的樣品與200 mg左右的溴化鉀混合于瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨,然后于壓片機(jī)中加壓至10 Kpa 維持1 min進(jìn)行壓片,獲得均勻的薄片。用NICOLET 380紅外光譜儀對樣品進(jìn)行掃描測試。具體的參數(shù)為:中紅外掃描(4000～400 cm-1);光譜分辨率4 cm-1;掃描信號累加32次;室溫下采集空白背景,然后收集樣品譜圖,使用Omnic 8.2軟件對譜圖進(jìn)行分析。

1.2.6 熱變性分析測試 稱取2.0000 g左右的樣品(40目)并放置于測量池中,參比池為空白,不放置任何東西。在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,溫度參數(shù)經(jīng)優(yōu)化設(shè)置為:以1 ℃/min速率從25 ℃升溫至105 ℃,然后以同樣的速率冷卻至室溫。利用儀器自帶的Calisto數(shù)據(jù)分析處理軟件,分別計(jì)算樣品的吸收轉(zhuǎn)變峰值,最大變性溫度(Tmax)和變性的焓值(ΔH)。

1.2.7 質(zhì)構(gòu)特性測試 質(zhì)構(gòu)特性是食品很重要的技術(shù)參數(shù),反映了產(chǎn)品在口腔中被咀嚼時(shí)的力學(xué)性能變化。由于產(chǎn)品的水含量很低,因此受到外力時(shí),產(chǎn)品沒有明顯的形變直到所受的力超過某一極限而導(dǎo)致產(chǎn)品碎裂?？紤]到食用狗咬膠的主要目的是通過長時(shí)間的咀嚼產(chǎn)品達(dá)到磨牙,此過程中,狗唾液的分泌以及后續(xù)對狗咬膠的咬合是很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。沒有唾液的分泌和以及后續(xù)的和產(chǎn)品咬合,狗咬膠就不能變軟產(chǎn)生彈性以實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品在口腔經(jīng)歷長時(shí)間的咀嚼。為模擬這一關(guān)鍵環(huán)節(jié),樣品被濕潤的塑料袋包裹浸水,待樣品復(fù)水至50%左右,將樣品取出并切割成1 cm×1 cm 左右的小方塊進(jìn)行質(zhì)構(gòu)特性測試。每個(gè)樣品測試三次,實(shí)驗(yàn)結(jié)果取三次平均值。

質(zhì)構(gòu)特性測試條件為:TPA(Texture profile analysis)模式,模擬口腔咀嚼運(yùn)動(dòng),對產(chǎn)品的硬度、彈性、內(nèi)聚性、恢復(fù)力和耐咀性等指標(biāo)進(jìn)行測定;采用PA探頭型號,P4圓柱探頭;測前速度,1 mm/s;測試速度,0.5 mm/s;測后速度,2 mm/s;兩次間隔時(shí)間,5 s;觸動(dòng)類型,自動(dòng);最小起始力,0.5 N;壓縮程度,50%。

1.2.8 掃描電鏡測試 將40目篩后的樣品分散于涂有黑色導(dǎo)電雙面膠的銅片上,保證顆粒分散平整,無重疊;然后將樣品座放置于真空離子濺射噴金儀噴金鍍膜,吹掉表面多余樣品顆粒,放入樣品交換室,加壓5 kV,發(fā)射電流10 μA,低倍率搜索樣品,選擇合適倍數(shù)聚焦,捕獲清晰的圖片。

2 結(jié)果與分析

2.1 碎皮浸泡時(shí)間的選擇

牛皮浸泡實(shí)驗(yàn)表明,在絞皮過程中,浸泡皮的水含量決定皮的軟硬度,從而間接影響絞皮的速度與質(zhì)量。當(dāng)浸泡皮水含量偏低(<30%)時(shí),偏硬的皮可導(dǎo)致絞碎過程中大量熱的產(chǎn)生,使得處理對象中所含的水分大量蒸發(fā),溫度升高。這帶來三個(gè)問題:由于水分的大量丟失使得皮進(jìn)一步硬化,使得皮更難絞碎,溫度的進(jìn)一步升高容易造成攪碎機(jī)過熱而跳閘,同時(shí)鉸刀會(huì)快速鈍化;高溫會(huì)導(dǎo)致牛皮的部分流膠,破壞產(chǎn)品的品質(zhì);高溫還使得牛皮中的蛋白部分變性,這些變性蛋白在攪碎后能聚集形成很牢固的團(tuán)塊,破壞產(chǎn)品的均一性,同時(shí)這些團(tuán)塊不易和其它牛皮蛋白形成物理/化學(xué)鍵,使得產(chǎn)品的外觀、機(jī)械性能大幅度下降。

當(dāng)浸泡皮的水含量偏高時(shí)(>50%),雖然浸泡皮更容易絞碎,但為后續(xù)工藝帶來兩個(gè)問題。首先,終產(chǎn)品的干燥時(shí)間會(huì)大大延長。前期的實(shí)驗(yàn)和合作廠家的長期實(shí)踐表明:終產(chǎn)品的水含量應(yīng)低于10%～15%(這取決于產(chǎn)品的大小、形狀等因素),以確保終產(chǎn)品在貨架期內(nèi)無霉變現(xiàn)象。雖然通過添加抑菌劑可降低產(chǎn)品水含量的要求,但這和目前國際市場不用防腐劑的主流相違背。牛皮蛋白在干燥過程中會(huì)在產(chǎn)品表面形成一層致密的模,從而嚴(yán)重地阻礙產(chǎn)品內(nèi)部水分的揮發(fā)。這極大地延長了產(chǎn)品的干燥步驟,使得整個(gè)工藝既費(fèi)時(shí)又耗能。雖然通過梯度升高烘房溫度能夠加快產(chǎn)品的干燥速度，但為避免牛皮流膠現(xiàn)象的發(fā)生,該溫度不能高于60 ℃。此外,水分的大量揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外形的嚴(yán)重變形和產(chǎn)品表面的褶皺,從而大大破壞產(chǎn)品外觀。

浸泡皮的水含量由牛皮的浸泡時(shí)間控制,實(shí)驗(yàn)表明,牛皮的浸泡時(shí)間為5 min時(shí),浸泡皮的水分含量為40%(通過稱量吸水前后的牛皮重量,同時(shí)干牛皮的水含量已知,因此,浸泡皮的水含量就可確定)。此時(shí),一方面皮比較容易絞,僅有輕微的熱量產(chǎn)生;同時(shí),終產(chǎn)品的水分含量在20%～30%,對后續(xù)的干燥工藝無太大的影響,同時(shí),含此水分區(qū)間的狗咬膠在干燥前后,產(chǎn)品表面沒有因?yàn)樗謥G失而出現(xiàn)表面褶皺等不良現(xiàn)象。因此本實(shí)驗(yàn)采取浸泡時(shí)間為5 min進(jìn)行后續(xù)的比較研究。

2.2 表觀密度的測定

表觀密度的大小可以反映樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏密程度,與內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)有很大的相關(guān)性[15]。如圖1所示,螺桿產(chǎn)品的表觀密度(0.627±0.001) g/cm3,顯著高于壓制產(chǎn)品的表觀密度(0.597±0.006) g/cm3(p<0.05)。其原因是,在螺桿擠壓機(jī)中,雖然螺桿的螺間距逐漸變小,但桿的直徑卻逐漸變大。這些機(jī)械構(gòu)造能在螺桿擠壓腔體的后部建立起幾十個(gè)大氣壓的高壓狀態(tài)。此外,螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),物料間以及物料與螺桿間有巨大的剪切力和摩擦力存在,從而生成大量的熱量。同時(shí),生產(chǎn)過程中所設(shè)置的外加溫度,這些都有利于在螺桿擠壓腔體后部建立巨大的壓力和高溫,這一物理?xiàng)l件將加快物料中蛋白分子的去折疊以及不同蛋白分子間二硫鍵生成等過程。同時(shí),和壓制產(chǎn)品相比,這些物理化學(xué)變化賦予螺桿產(chǎn)品更密實(shí)的結(jié)構(gòu),這就是為何螺桿產(chǎn)品的表觀密度更大的原因。

圖1 兩種成型工藝獲得的產(chǎn)品的表觀密度Fig.1 The apparent density of products by two moulding procedures

2.3 吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)和濁度、粒徑、水分分布的測定

如表1所示,螺桿產(chǎn)品的吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)均顯著高于壓制產(chǎn)品(p<0.05),但濁度遠(yuǎn)低于壓制產(chǎn)品(p<0.05)。這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可能是因?yàn)槁輻U擠壓的狗咬膠孔隙率較高;同時(shí)在孔隙面上的蛋白含較高的親水基團(tuán)。此外有文獻(xiàn)報(bào)道[16],螺桿擠壓會(huì)使蛋白分子發(fā)生部分降解,轉(zhuǎn)化成小片段。這使得螺桿產(chǎn)品的上清液更為澄清。

表1 兩種成型工藝產(chǎn)品的吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)Table 1 The water-absorption indexes and the solubilities in aqueous solution of products by two moulding processes

進(jìn)一步的光散射測試顯示,螺桿產(chǎn)品的粒徑顯著大于壓制狗咬膠(p<0.05)(表1和圖2)。這與表觀密度測試結(jié)果相吻合,即螺桿產(chǎn)品中的蛋白分子間更容易發(fā)生相互作用、交聯(lián)在一起形成大團(tuán)簇。同時(shí)結(jié)合光散射測試粒徑分布圖來看,螺桿產(chǎn)品在55 nm處有一小峰,進(jìn)一步驗(yàn)證了在擠壓過程中蛋白質(zhì)分子發(fā)生部分降解,轉(zhuǎn)化成了小片段。

圖2 光散射測試結(jié)果Fig.2 The results of dynamic light scattering operations

圖3顯示牛皮蛋白凝膠的衰減NMR信號有3個(gè)峰,分別位于1～10 ms(T20)10～100 ms(T21),100～1000 ms(T22),這與Li等[17]的結(jié)果相吻合:新鮮雞肉樣品存在三個(gè)T2弛豫時(shí)間,分別表征了三種水分的存在,T20對應(yīng)的是結(jié)合水,T21對應(yīng)的是不易流動(dòng)水,而T22所對應(yīng)的是自由水。相對于壓制產(chǎn)品T22的峰面積96.3%,經(jīng)過螺桿擠壓處理后,T22略有增加,為96.8%。這主要由于蛋白質(zhì)分子在擠壓過程中,蛋白質(zhì)分子中極性基團(tuán)相互交聯(lián)程度增強(qiáng),形成致密的結(jié)構(gòu),使螺桿產(chǎn)品中極性基團(tuán)與結(jié)合水的結(jié)合的幾率降低,鍵合能力下降。而擠壓后蛋白質(zhì)分子空間構(gòu)象松散,分子間二硫交聯(lián)鍵等作用增強(qiáng),使螺桿產(chǎn)品內(nèi)形成規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),自由水信號增強(qiáng),這一結(jié)果也與螺桿產(chǎn)品的吸水指數(shù)一致。

圖3 兩種成型工藝對吸水指數(shù) 測定后的凝膠中水分分布的影響Fig.3 The water distribution of the gel after water absorption index determination in two moulding processes

2.4 傅里葉紅外變換光譜(FTIR)

圖4為兩種產(chǎn)品的紅外光譜圖,圖中顯示壓制產(chǎn)品在酰胺A帶3370 cm-1左右是一個(gè)比較窄的峰,而經(jīng)過螺桿擠壓以后,峰變?yōu)閺浬⒌膶捵V帶,呈饅頭狀,有文獻(xiàn)報(bào)道,譜帶彌散是因?yàn)榉肿釉诓粩噙\(yùn)動(dòng)中,使得H…O之間的距離變短,氫鍵作用增強(qiáng)[18]。劉龍?zhí)靃19]對牛腱Ⅰ型膠原進(jìn)行紅外光譜分析,也認(rèn)為在3327 cm-1處的強(qiáng)而寬的峰屬于-NH和-OH的振動(dòng),它的吸收峰位置和吸收強(qiáng)度與氫鍵締合程度有關(guān)。同時(shí)經(jīng)過擠壓后1384 cm-1處的β-CH面內(nèi)振動(dòng)減弱,1079 cm-1處的雙峰結(jié)構(gòu)消失。

在所有譜帶中,酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶是蛋白質(zhì)骨架中兩種最重要的振動(dòng)譜帶。其中,酰胺Ⅰ帶(1700～1600 cm-1)是分析蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化最為靈敏的譜帶區(qū)域[20-21]。嚴(yán)格意義上,圖譜觀察到的酰胺Ⅰ帶其實(shí)由多種重疊譜圖構(gòu)成,主要包括α-螺旋(1658～1650 cm-1)、β-折疊(1640～1620 cm-1)、β轉(zhuǎn)角(1695～1670 cm-1)、無規(guī)卷曲(1648～1640 cm-1)[20,22]。二階導(dǎo)數(shù)譜圖可以對蛋白的二級結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)分。利用peakfit對1700～1600 cm-1處的峰進(jìn)行二階求導(dǎo),并進(jìn)行高斯擬合,結(jié)果如圖4和表2所示,經(jīng)過螺桿擠壓處理后,β折疊含量相應(yīng)增多。同時(shí),本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與Yuryev等[23]的報(bào)道相一致:經(jīng)螺桿擠壓后,由于蛋白在機(jī)筒內(nèi)受溫度效應(yīng)的影響,蛋白質(zhì)中部分α螺旋結(jié)構(gòu)展開,轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊和無規(guī)則卷曲,使蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)松散,產(chǎn)品的吸水性指數(shù)增強(qiáng)。曹瑩瑩等[24]對超高壓處理下兔肌球蛋白的質(zhì)構(gòu)、持水性與各二級結(jié)構(gòu)含量的關(guān)系進(jìn)行研究,其結(jié)果表明蛋白質(zhì)分子β-折疊和無規(guī)則卷曲含量高時(shí),有較多的親水基團(tuán)暴露在外。因此,凝膠對水的容納性提高,從而導(dǎo)致水溶性指數(shù)和吸水指數(shù)增大。

表2 兩種成型工藝產(chǎn)品酰胺Ⅰ帶二級結(jié)構(gòu)分布Table 2 The distribution of secondary structure of amide Ⅰ of products by two moulding processes

圖4 兩種成型工藝產(chǎn)品的紅外光譜掃描Fig.4 The FTIR spectra of products by two moulding processes

2.5 熱變性分析

表3顯示了兩種不同處理后的蛋白樣品的峰值及熱焓值變化。從表3中可以看出,壓制產(chǎn)品在86.10 ℃有一個(gè)明顯的熱轉(zhuǎn)變峰,相變焓值為1.69 J/g。而螺桿產(chǎn)品的蛋白在81.54 ℃有一個(gè)顯著的吸收峰,相變焓值為56.09 J/g。

表3 兩種成型工藝產(chǎn)品蛋白質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)Table 3 The thermodynamic properties of proteins of products by two moulding processes

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[25],DSC譜圖上的峰寬與熱轉(zhuǎn)變溫度范圍有關(guān),這反應(yīng)了不同方法處理后牛皮中膠原蛋白的分子結(jié)構(gòu)變化,峰寬的大小反映了樣品中蛋白分子結(jié)構(gòu)的均一程度。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,和壓制產(chǎn)品相比,經(jīng)過單螺桿擠壓處理后,蛋白質(zhì)的熱轉(zhuǎn)變開始的溫度略有降低,但其峰寬明顯增大,原因可能是經(jīng)過螺桿擠壓處理后,蛋白質(zhì)發(fā)生部分分解產(chǎn)生了小片段,使得變性溫度略微降低;但同時(shí),在擠壓機(jī)腔體內(nèi),蛋白質(zhì)分子間重新鍵合,造成組織結(jié)構(gòu)變的緊密,使其峰寬變大,內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的均一程度提高。這一結(jié)果和2.2、2.3中的現(xiàn)象相吻合。

2.6 質(zhì)構(gòu)特性

由表4可知,和壓制產(chǎn)品相比,螺桿產(chǎn)品的硬度和耐咀性顯著提高(p<0.05),彈性略有降低,但內(nèi)聚性和恢復(fù)力降低幅度較大(p<0.05)。硬度和耐咀性提高,是因?yàn)槁輻U產(chǎn)品中的蛋白分子存在進(jìn)一步交聯(lián)。和2.2、2.3和2.5所得到結(jié)論相一致。狗咬膠產(chǎn)品的重要功效是幫助寵物穩(wěn)固牙齒、清潔口腔以及磨牙等,這些受控于產(chǎn)品的彈性。本實(shí)驗(yàn)表明,和壓制工藝相比,利用螺桿擠壓技術(shù),狗咬膠的上述指標(biāo)能得到顯著提高(p<0.05),能更好地實(shí)現(xiàn)寵物潔齒等需求。

表4 兩種成型工藝產(chǎn)品蛋白質(zhì)的質(zhì)構(gòu)特性Table 4 The texture properties of proteins of products by two moulding processes

2.7 掃描電鏡

圖5顯示,在×1000下觀察發(fā)現(xiàn),壓制產(chǎn)品的表面出現(xiàn)較多細(xì)孔;而螺桿產(chǎn)品細(xì)孔較少,結(jié)構(gòu)較致密,但總體而言,孔的面積增大且數(shù)量減少,表面出現(xiàn)較多的凹坑,結(jié)構(gòu)較壓制產(chǎn)品緊湊,同時(shí)表面附有較多的散碎的小顆粒;在×2000下觀察,壓制產(chǎn)品的表面依舊平整,螺桿產(chǎn)品的表面凹凸不平。干皮經(jīng)過浸泡用絞肉機(jī)打漿后可能產(chǎn)生細(xì)小的氣泡,直接壓模成型,在干燥過程中,由于水分的流失,出現(xiàn)了大量的小孔,造成了圖中現(xiàn)象;絞肉機(jī)出來后的原料又經(jīng)過手動(dòng)進(jìn)料進(jìn)入單螺桿擠壓機(jī),伴隨著機(jī)筒內(nèi)摩擦力和剪切作用的進(jìn)行,部分蛋白質(zhì)發(fā)生降解,且蛋白質(zhì)變性程度增加,使得蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)作用增強(qiáng),相鄰的蛋白質(zhì)分子鏈之間由于分子間的相互吸引而趨于結(jié)合。這一結(jié)果可解釋螺桿產(chǎn)品的硬度、吸水性指數(shù)、耐咀性和表觀密度較大的原因。董昳廷等[26]在研究大豆蛋白和蛋清蛋白復(fù)合凝膠時(shí),發(fā)現(xiàn)凝膠結(jié)構(gòu)的致密性與凝膠保水性呈正相關(guān)性,即均一致密的凝膠結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的保水性較好。

圖5 不同放大倍數(shù)下兩種成型工藝產(chǎn)品顆粒的表觀形貌圖Fig.5 The apparent morphology of products granules by two moulding processes in different magnification

3 結(jié)論

通過對兩種制備工藝狗咬膠對比研究,得到如下結(jié)論:和壓制產(chǎn)品相比較,單螺桿擠壓所得的產(chǎn)品內(nèi)部組織均一程度、表觀密度、吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)高,硬度和咀嚼度顯著增大(p<0.05)。這與兩種制備工藝對蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的改變程度有一定的相關(guān)性,即牛皮經(jīng)過螺桿擠壓處理后,蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,α-螺旋結(jié)構(gòu)部分展開,β-折疊結(jié)構(gòu)及無規(guī)卷曲含量相應(yīng)增多,分子間交聯(lián)程度增強(qiáng),進(jìn)而改變了產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)等表觀特性,且螺桿擠壓工藝所得的產(chǎn)品的總體性能指標(biāo)好于模壓成型工藝所得的產(chǎn)品。本實(shí)驗(yàn)首次提出利用單螺桿擠壓膨化機(jī)對傳統(tǒng)狗咬膠原料進(jìn)行擠壓處理,打破了傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn),為今后寵物新產(chǎn)品的開發(fā)提供了新思路。雖然證明了螺桿擠壓工藝是目前較為理想的狗咬膠制作技術(shù),但仍存在不少問題亟待解決,如控制牛皮蛋白分子間的相互交聯(lián)、產(chǎn)品的快速干燥、不同品質(zhì)原材料的預(yù)處理工藝等,可作為進(jìn)一步的研究內(nèi)容。