擠壓工藝參數(shù)對(duì)高水分組織化小麥蛋白產(chǎn)品特性的影響

蔣華彬 劉 明 譚 斌 劉艷香 田曉紅 汪麗萍翟小童 吳娜娜 郭文杰 于國(guó)萍

(國(guó)家糧食局科學(xué)研究院1，北京 100037)(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院2，哈爾濱 150030)(安徽瑞福祥食品有限公司3，亳州 236800)

小麥蛋白是小麥淀粉工業(yè)和酒精工業(yè)的加工副產(chǎn)物,蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)75%,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高[1]，但常用作添加劑，利用量較低。我國(guó)小麥產(chǎn)量位居世界第一，小麥蛋白年產(chǎn)量已達(dá)30萬t左右[2]，并且隨著淀粉工業(yè)的不斷發(fā)展，仍在逐年增加。擠壓組織化是指植物蛋白原料經(jīng)粉碎、調(diào)濕、混合等預(yù)處理后，在擠壓機(jī)內(nèi)經(jīng)高溫、高壓、強(qiáng)剪切力等因素共同作用，蛋白質(zhì)發(fā)生變性，蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的高度規(guī)則性空間排列發(fā)生變化，分子中次級(jí)鍵遭到破壞，整齊排列成同方向組織結(jié)構(gòu)，經(jīng)?？讛D出后形成具有類似動(dòng)物肉咀嚼感產(chǎn)品的過程[3]。根據(jù)原料含水量的高低，擠壓組織化加工技術(shù)可分為低水分和高水分?jǐn)D壓，低水分是指原料含水量低于40%，高水分則高于40%[4]。高水分?jǐn)D壓組織化加工技術(shù)生產(chǎn)的組織化蛋白，具有組織化程度高、咀嚼感強(qiáng)、即食即用、營(yíng)養(yǎng)成分損失少等優(yōu)點(diǎn)[5]。采用擠壓組織化加工技術(shù)生產(chǎn)高水分組織化小麥蛋白，不僅可提高小麥蛋白附加值，提高加工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，而且還能最大限度提高資源利用率，拓展我國(guó)小麥資源的精深加工途徑。擠壓過程中，含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度等擠壓工藝參數(shù)對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品特性有重要影響[6-7]，研究擠壓組織化過程中的擠壓工藝參數(shù)，有助于深入理解高水分組織化小麥蛋白形成過程，改進(jìn)組織化蛋白擠壓工藝。

本實(shí)驗(yàn)研究了含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度等擠壓工藝參數(shù)對(duì)高水分組織化小麥蛋白產(chǎn)品特性的影響。以谷朊粉、花生蛋白、豌豆蛋白為原料，采用高扭矩雙螺桿擠壓裝備開發(fā)高水分組織化小麥蛋白，并分析了產(chǎn)品色澤品質(zhì)(L*、a*、b*、ΔE)、質(zhì)構(gòu)特性(組織化度、硬度、黏著性、彈性、聚結(jié)性、咀嚼度)、以及感官評(píng)價(jià)。旨在為高水分組織化小麥蛋白新產(chǎn)品的開發(fā)與利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

谷朊粉：安徽瑞福祥食品有限公司；花生蛋白：河南亮健科技有限公司；豌豆蛋白：煙臺(tái)東方蛋白科技有限公司。

原料的基本組分見表1。

表1 原料的基本組分/%

1.2 儀器與設(shè)備

FMHE36-24型高扭矩雙螺桿擠壓裝備：湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司；TA-XT Plus型物性測(cè)試儀：英國(guó)Stable Micro System公司；X-Rite SP60系列積分球式分光光度儀：美國(guó)X-Rite愛色麗公司；Soxtec2050全自動(dòng)索氏抽提系統(tǒng)、Kjeltec8400全自動(dòng)定氮儀、Fibertec2010全自動(dòng)纖維分析系統(tǒng)：福斯分析儀器公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將谷朊粉、花生蛋白和豌豆蛋白(65.5:13.5:21)混合均勻后進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)，擠壓工藝參數(shù)為含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度和擠壓溫度。

1.3.1 含水量對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品特性的影響

含水量各水平設(shè)置為46%、49%、52%、55%、58%，其他設(shè)置為螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min，喂料速度10 kg/h，擠壓機(jī)T2、T3、T4、T5、T6區(qū)溫度分別為60、100、170、140、100 ℃。

1.3.2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品特性的影響

螺桿轉(zhuǎn)速各水平設(shè)置為210、240、270、300、330 r/min，其他設(shè)置為含水量49%，喂料速度10 kg/h，擠壓機(jī)T2、T3、T4、T5、T6區(qū)溫度分別為60、100、170、140、100 ℃。

1.3.3 喂料速度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品特性的影響

喂料速度各水平設(shè)置為7、8、9、10、11 kg/h，其他設(shè)置為含水量49%，螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min，擠壓機(jī)T2、T3、T4、T5、T6區(qū)溫度分別為60、100、170、140、100 ℃。

1.3.4 擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品特性的影響

擠壓機(jī)T4區(qū)溫度(文中變量擠壓溫度指T4區(qū)溫度)各水平設(shè)置為150、160、170、180、190 ℃，T2、T3、T5、T6區(qū)溫度分別為60、100、140、100 ℃，其他設(shè)置為含水量49%，螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min，喂料速度10 kg/h。

1.4 產(chǎn)品特性測(cè)定

1.4.1 色澤測(cè)定

使用X-Rite SP60系列積分球式分光光度儀測(cè)定樣品色澤，并記錄L*、a*、b*、ΔE。

1.4.2 質(zhì)構(gòu)特性

使用TA-XT Plus型物性測(cè)試儀(TPA模式，P/36R探頭)[8]，測(cè)定組織化蛋白產(chǎn)品的硬度(Hardness)、黏著性(Adhesiveness)、彈性(Springiness)、聚結(jié)性(Cohesiveness)、咀嚼度(Chewiness)。將樣品切成邊長(zhǎng)為15 mm，高為3 mm的正方體，置于測(cè)試臺(tái)中央，測(cè)試前速度1 mm/s，測(cè)試速度1 mm/s，測(cè)試后速度1 mm/s，下壓程度50%，間隔時(shí)間3 s，往復(fù)兩次。

1.4.3 組織化度測(cè)定

使用HDP/BS探頭對(duì)樣品(長(zhǎng)20 mm,寬10 mm，高5 mm)進(jìn)行剪切，測(cè)試前速度1 mm/s，測(cè)試速度1 mm/s，測(cè)試后速度1 mm/s，剪切程度為樣品厚度的75%，組織化度為橫向剪切力所做的功與縱向剪切力所做的功的比值[9]。

1.4.4 產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)[10]

選取食品相關(guān)專業(yè)10名研究生(男女各5名)，培訓(xùn)后進(jìn)行組織化蛋白產(chǎn)品的感官分析。感官分析的項(xiàng)目分別為組織化程度(系數(shù)0.4)、色澤(系數(shù)0.1)、表觀狀態(tài)(系數(shù)0.1)、口感(系數(shù)分別為:硬度0.1、潤(rùn)滑感0.1、黏彈性0.1)和風(fēng)味(系數(shù)0.1)，每項(xiàng)目滿分為10分。感官評(píng)分表詳見表2，組織化蛋白產(chǎn)品感官得分計(jì)算公式如下：

表2 組織化蛋白產(chǎn)品感官評(píng)分表

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓工藝對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品色澤的影響

由表3可以看出，含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品明度L*影響顯著(P<0.05)。隨著含水量的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的明度L*逐漸升高；隨著螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的明度L*都先升高后下降，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)達(dá)到最大值(61.33)，當(dāng)喂料速度為10 kg/h時(shí)達(dá)到最大值(61.33)，當(dāng)擠壓溫度為160 ℃時(shí)達(dá)到最大值(62.17)。

表3 擠壓工藝對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品色澤的影響

注：結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)，字母不同表示在0.05水平上的差異顯著性，余同。

含水量、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品紅色度a*影響不顯著(P>0.05)，螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品紅色度a*影響顯著(P<0.05)。隨著含水量的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的紅色度a*先基本保持不變后略有下降；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的紅色度a*先升高后下降，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為270 r/min時(shí)達(dá)到最大值(4.53)；隨著喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的紅色度a*逐漸升高；隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的紅色度a*先基本保持不變后略有升高。

含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品黃色度b*影響顯著(P<0.05)。隨著含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的黃色度b*均先升高后下降，當(dāng)擠壓溫度為170 ℃，含水量為49%，螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，組織化蛋白產(chǎn)品的黃色度b*達(dá)到最大值(22.08)；隨著喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的黃色度b*逐漸升高。

含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品色差ΔE影響顯著(P<0.05)。隨著含水量、喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的色差ΔE均逐漸升高；隨著螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的色差ΔE均先升高后下降，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min，擠壓溫度為170 ℃時(shí)，組織化蛋白產(chǎn)品的色差ΔE達(dá)到最大值(37.94)。

2.2 擠壓工藝對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性的影響

由表4可以看出，含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品組織化度影響顯著(P<0.05)。隨著含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的組織化度均先下降后升高；當(dāng)含水量為52%時(shí)達(dá)到最小值(1.47)，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為270 r/min時(shí)達(dá)到最小值(1.46)，當(dāng)喂料速度為10 kg/h時(shí)達(dá)到最小值(1.71)；隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的組織化度先逐漸升高后下降，當(dāng)擠壓溫度為180 ℃時(shí)達(dá)到最大值(1.95)。

表4 擠壓工藝對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性的影響

含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品硬度影響顯著(P<0.05)。隨著含水量的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的硬度逐漸下降；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的硬度先逐漸下降后升高，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)達(dá)到最小值(18 034 g)；隨著喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的硬度緩慢升高；隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的硬度先逐漸升高后下降，當(dāng)擠壓溫度為180 ℃時(shí)達(dá)到最大值(19 493 g)。

含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品黏著性影響顯著(P<0.05)。隨著含水量、擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的黏著性先下降后逐漸升高，當(dāng)含水量為49%時(shí)達(dá)到最小值(0.388 g)，當(dāng)擠壓溫度為160 ℃時(shí)達(dá)到最小值(0.265 g)；隨著螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的黏著性先升高后下降，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為240 r/min時(shí)達(dá)到最大值(1.358 g)，當(dāng)喂料速度為9 kg/h時(shí)達(dá)到最大值(0.662 g)。

含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品彈性影響顯著(P<0.05)。隨著含水量的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的彈性逐漸下降；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的彈性先下降后逐漸升高，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為240 r/min時(shí)達(dá)到最小值(0.949)；隨著喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的彈性先基本保持不變后下降；隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的彈性先升高后逐漸下降，當(dāng)擠壓溫度為160 ℃時(shí)達(dá)到最大值(0.977)。

含水量、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品聚結(jié)性影響顯著(P<0.05)，螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品聚結(jié)性影響不顯著(P>0.05)。隨著含水量的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的聚結(jié)性逐漸下降；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的聚結(jié)性先升高后下降，但變化幅度較小，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為240 r/min時(shí)達(dá)到最大值(0.849)；隨著喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的聚結(jié)性先下降后升高，當(dāng)喂料速度為9 kg/h時(shí)達(dá)到最小值(0.824)；隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的聚結(jié)性先升高后緩慢下降，當(dāng)擠壓溫度為170 ℃時(shí)達(dá)到最大值(0.844)。

含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品咀嚼度影響顯著(P<0.05)。隨著含水量的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的咀嚼度逐漸下降；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的咀嚼度先逐漸下降后升高，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)達(dá)到最小值(14 758 g)；隨著喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的咀嚼度緩慢升高；隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的咀嚼度先逐漸升高后下降，當(dāng)擠壓溫度為180 ℃時(shí)達(dá)到最大值(15 548 g)。

2.3 擠壓工藝對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品感官特性的影響

由圖1可以看出，含水量、擠壓溫度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品感官評(píng)分影響顯著(P<0.05)，螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品感官評(píng)分影響不顯著(P>0.05)。隨著含水量的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的感官評(píng)分先升高后下降，當(dāng)含水量為49%時(shí)達(dá)到最大值(73.4分)；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的感官評(píng)分基本保持不變；隨著喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的感官評(píng)分先基本保持不變后略有升高；隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的感官評(píng)分先升高后下降，當(dāng)擠壓溫度為170 ℃時(shí)達(dá)到最大值(73.4分)。

圖1 擠壓工藝對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品感官特性的影響

3 討論

含水量在擠壓過程中起著重要作用，對(duì)組織化蛋白產(chǎn)品色澤品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性有著重要的影響。侯建設(shè)等[11]研究發(fā)現(xiàn)隨著含水量的增加，組織化蛋白產(chǎn)品的色澤逐漸變淺。Lin等[12]研究發(fā)現(xiàn)隨著含水量的增加，組織化蛋白產(chǎn)品的硬度、黏著性、彈性、咀嚼度均逐漸下降。含水量的增加降低了物料的黏度[13]，從而縮短了物料在擠壓機(jī)內(nèi)的滯留時(shí)間，相應(yīng)地也縮短了發(fā)生美拉德反應(yīng)時(shí)間，最終導(dǎo)致產(chǎn)品顏色變淺。本實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，隨著含水量的增加，組織化蛋白產(chǎn)品的組織化度、硬度、彈性、聚結(jié)性、咀嚼度均呈下降趨勢(shì)，這可能是由于水分過多時(shí)，稀釋弱化了蛋白質(zhì)組織化結(jié)構(gòu)的形成[14]。

擠壓過程中，螺桿轉(zhuǎn)速的變化會(huì)改變剪切強(qiáng)度與物料滯留時(shí)間[15]，進(jìn)而影響組織化蛋白產(chǎn)品特性。一方面，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，剪切強(qiáng)度增大，蛋白質(zhì)變性程度會(huì)升高；另一方面，螺桿轉(zhuǎn)速的升高縮短了物料在擠壓機(jī)內(nèi)的滯留時(shí)間，蛋白質(zhì)變性的時(shí)間也相應(yīng)地縮短，導(dǎo)致變性程度降低[16]。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時(shí)，滯留時(shí)間的縮短占主導(dǎo)作用，變性程度降低，產(chǎn)品組織化度、硬度、彈性和咀嚼度降低；當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較高時(shí)，剪切作用的增強(qiáng)占主導(dǎo)作用，變性程度升高，產(chǎn)品組織化度、硬度、彈性和咀嚼度升高。擠壓過程中，隨著喂料速度的增大，物料滯留時(shí)間會(huì)縮短，發(fā)生美拉德反應(yīng)的時(shí)間也相應(yīng)地縮短，從而使產(chǎn)品顏色變淺，明度L*、紅色度a*、黃色度b*、色差ΔE呈上升趨勢(shì)；喂料速度的增大可以提高擠壓機(jī)機(jī)筒內(nèi)的填充度，從而增大蛋白物料間的相互作用力，使組織化蛋白產(chǎn)品的硬度略有升高。

擠壓溫度是影響組織化蛋白產(chǎn)品特性的決定性因素，Osen等[17]研究發(fā)現(xiàn)擠壓溫度低于120 ℃時(shí)，組織化蛋白產(chǎn)品不能形成纖維狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度為160 ℃時(shí)，組織化蛋白產(chǎn)品表面光滑、色澤均一、具有較好的纖維狀結(jié)構(gòu)。鄭建梅等[18]研究發(fā)現(xiàn)組織化蛋白產(chǎn)品形成完整形態(tài)所需擠壓溫度不能低于150 ℃，隨著擠壓溫度的升高，產(chǎn)品的硬度、彈性和咀嚼度先升高后降低。Cheftel等[19]研究發(fā)現(xiàn)隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的橫剪切力、組織化度逐漸增大。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品色澤呈現(xiàn)先略有升高后逐漸下降的趨勢(shì)，這是由于隨著溫度的升高，美拉德反應(yīng)加劇，類黑色素增多，從而使產(chǎn)品顏色加深。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品的組織化度、硬度、彈性、聚結(jié)性、咀嚼度均先逐漸升高后下降，與前人報(bào)道相似。

4 結(jié)論

以混合均勻的小麥蛋白、花生蛋白和豌豆蛋白(65.5:13.5:21)作為蛋白原料，開展擠壓實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著含水量的升高，組織化蛋白產(chǎn)品色澤品質(zhì)呈上升趨勢(shì)，質(zhì)構(gòu)特性(組織化度先下降后升高)呈下降趨勢(shì)；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，組織化蛋白產(chǎn)品色澤品質(zhì)呈先升高后下降趨勢(shì)，質(zhì)構(gòu)特性呈先下降后升高趨勢(shì)；隨著喂料速度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品色澤品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性(組織化度先下降后略有升高)呈上升趨勢(shì)；隨著擠壓溫度的升高，組織化蛋白產(chǎn)品色澤品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性呈先升高后下降趨勢(shì)。綜合考慮組織化蛋白產(chǎn)品色澤品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性和感官評(píng)價(jià)，較適宜的擠壓工藝為含水量49%，螺桿轉(zhuǎn)速330 r/min，喂料速度10～11 kg/h，擠壓溫度170 ℃。

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