擠壓膨化對醬油渣蛋白溶解度的影響

張海靜，楊哲，張敏，曹燕飛，姜麗君，李宏軍

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

醬油渣是釀造醬油后產(chǎn)生的殘渣，富含大量的營養(yǎng)成分或有機物質(zhì)，但由于原料和釀造工藝的不同，醬油渣的組成成分存在較大的差異[1]。醬油生產(chǎn)過程中對原料中的蛋白質(zhì)利用率約為60%[2]，醬油渣中仍殘留較多的蛋白質(zhì)。經(jīng)測定，醬油渣（干基）中蛋白質(zhì)含量約為26.6%，粗纖維含量約為28.4%，脂肪含量約為8.9%，還含有豐富的大豆異黃酮等營養(yǎng)成分。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)庫2019年的報告顯示，2018年全國醬油總產(chǎn)量約為589.04萬噸，與去年相比增長4.3%[3]，且醬油年產(chǎn)量逐漸增長，若按照每生產(chǎn)1 kg醬油將會產(chǎn)生含水量為75%的醬油渣0.67 kg計算[4]，2018年產(chǎn)生的醬油渣約為394.7萬噸。目前醬油渣的再利用方式比較單一，且利用率較低，如作為飼料或者飼料添加劑，但是由于醬油渣中含有較高的鹽分，造成動物適口性差，并且還會引起動物食鹽中毒[5]；若作為肥料，極易引起鹽堿化；仍有大量的醬油渣未被處理而直接掩埋[6]，破壞生態(tài)平衡，造成嚴重的環(huán)境污染問題。

醬油渣中殘留了大量的蛋白質(zhì)，是研究醬油渣再利用或高值化的主要研究物質(zhì)。目前主要研究了醬油渣中蛋白質(zhì)的性質(zhì)[7]、多肽的提取方式[8]、提取物抗氧化活性的測定[9]及酶解法制備免疫活性肽[2]，但對醬油渣進行擠壓來探究蛋白溶解度的變化研究鮮有報道。蛋白溶解度可以用來分析蛋白質(zhì)在擠壓過程中蛋白質(zhì)變性程度及結(jié)構(gòu)的改變，同時對蛋白質(zhì)的分離、提取和純化有重要的意義。

本研究是通過將擠壓技術(shù)運用到醬油渣處理上，改變物料含水量、擠壓溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對醬油渣進行擠壓，采用單因素和響應(yīng)面優(yōu)化試驗探究擠壓參數(shù)對醬油渣蛋白溶解度的影響規(guī)律，通過回歸分析獲得最優(yōu)擠壓參數(shù)，以期可以提高醬油渣的利用率，實現(xiàn)物盡其用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

醬油渣（含水量84%）：山東玉兔食品有限責任公司;氫氧化鉀（分析純）：國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

單螺桿擠壓機：山東理工大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品精深加工與貯藏實驗室自制；全自動凱氏定氮儀（K9860）：濟南海能儀器股份有限公司；離心機（DL-5-B）：上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 擠壓膨化的工藝流程

醬油渣（含水量7.2%）→調(diào)節(jié)水分含量→擠壓膨化→冷卻→備用

1.3.2 蛋白溶解度的測定

蛋白溶解度的測定參考HOFFMANN D等[10]的方法。稱取1 g樣品于50 mL離心管中，加入40 mL濃度為2 g/L氫氧化鉀溶液，用渦旋混合器混勻10 min，在25℃下5 000 r/min離心10 min。用凱氏定氮法測定上清液和樣品中的氮含量。

1.3.3 擠壓膨化單因素試驗

選取擠壓溫度（80、90、100、110、120 ℃），含水量（30%、32%、34%、36%、38%）和螺桿轉(zhuǎn)速（80、90、100、110、120 r/min）為考察因素，蛋白溶解度作為評價指標進行單因素試驗，探究不同因素變化對蛋白溶解度的影響，同時確定最佳因素水平作為響應(yīng)面中間水平。

1.3.4 響應(yīng)面試驗設(shè)計優(yōu)化擠壓參數(shù)

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，將擠出物蛋白溶解度（Y）作為考察指標，選擇擠壓溫度（A）、含水量（B）、螺桿轉(zhuǎn)速（C）為擠壓參數(shù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應(yīng)面試驗設(shè)計，確定最佳擠壓參數(shù)，響應(yīng)面試驗因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化醬油渣擠壓參數(shù)試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for the optimization of extrusion parameters in soy sauce residue

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Origin Pro 9.1軟件進行繪圖，Design-Expert 8.0.6對數(shù)據(jù)進行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化單因素試驗

2.1.1 擠壓溫度對擠出物蛋白溶解度的影響

擠壓溫度對擠出物蛋白溶解度的影響見圖1。

圖1 擠壓溫度對擠出物蛋白溶解度的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on protein solubility of extrudate

由圖1可知，擠出物蛋白溶解度表現(xiàn)出隨著擠壓溫度的升高而先增加后降低的趨勢。當擠壓溫度為100℃時，擠出物蛋白溶解度達到最大值，為54.2%；隨著擠壓溫度的繼續(xù)升高，醬油渣蛋白溶解度呈現(xiàn)為下降的趨勢。這可能是因為在較低的擠壓溫度下，巰基和二硫鍵發(fā)生轉(zhuǎn)換，并且蛋白質(zhì)的變性程度較低，導(dǎo)致蛋白溶解度逐漸增加；當擠壓溫度超過100℃時，物料中的水分被快速蒸發(fā)，導(dǎo)致物料無法達到熔融狀態(tài)，并且在高溫下蛋白質(zhì)分子間發(fā)生重組和交聯(lián)變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度降低[11-12]。因此，最佳擠壓溫度為100℃。

2.1.2 含水量對擠出物蛋白溶解度的影響

含水量對擠出物蛋白溶解度的影響見圖2。

圖2 含水量對擠出物蛋白溶解度的影響Fig.2 Effect of the moisture on protein solubility of extrudate

由圖2可以看出，隨著含水量的增加擠出物蛋白溶解度呈現(xiàn)出先急劇增加然后急劇降低的趨勢。在含水量為34%時，蛋白溶解度達到最大值，為53.9%；當繼續(xù)增大物料的含水量時，擠出物的蛋白溶解度表現(xiàn)出下降的趨勢。這可能是因為在較低的含水量條件下，物料內(nèi)部、物料與螺桿及物料與機筒之間的摩擦力和剪切力增大，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，因此擠出物蛋白溶解度增加；當繼續(xù)增加物料含水量時，物料之間濕度增大，導(dǎo)致機筒溫度發(fā)生降低，物料之間的摩擦力和剪切力也相應(yīng)降低，致使物料沒有得到充分的蒸煮[13]，無法達到最佳擠壓效果，因此蛋白溶解度逐漸下降，所以最佳物料含水量為34%。

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對擠出物蛋白溶解度的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對擠出物蛋白溶解度的影響見圖3。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對擠出物蛋白溶解度的影響Fig.3 Effect of the screw speed on protein solubility of extrudate

由圖3可知，擠出物蛋白溶解度隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。當螺桿轉(zhuǎn)速達到100 r/min時，擠出物蛋白溶解度達到最大值，為54.5%；當繼續(xù)增大螺桿轉(zhuǎn)速時，擠出物蛋白溶解度開始逐漸下降?？赡苁且驗樵谳^低的螺桿轉(zhuǎn)速下，物料在機筒內(nèi)停留的時間增加，受到充分的剪切力和高溫作用，導(dǎo)致擠出物蛋白溶解度增加；當繼續(xù)增加螺桿轉(zhuǎn)速時，物料在機筒內(nèi)停留時間短，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞程度低，并且物料沒有完全從固態(tài)轉(zhuǎn)化為流體熔融狀態(tài)，無法達到最佳擠壓效果，因此蛋白溶解度表現(xiàn)為降低的趨勢。因此，最佳螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min。

2.2 響應(yīng)面試驗優(yōu)化結(jié)果

響應(yīng)面優(yōu)化醬油渣擠壓參數(shù)試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化醬油渣擠壓參數(shù)試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Design and results of response surface tests for the optimization of extrusion parameters in soy sauce residue

將表2中獲得的擠出物蛋白溶解度試驗結(jié)果運用Design-Expert8.0.6軟件進行擬合分析，獲得二次多項式回歸方程如下：Y=55.32+1.06A-0.63B-0.54C+0.10AB-0.22AC-0.10BC-1.26A2-1.19B2-0.86C2。

擠出物蛋白溶解度的回歸模型方差分析見表3。

表3 擠出物蛋白溶解度的回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model for protein solubility of the extrudate

由表3可知，回歸方程模型極顯著（P＜0.000 1），表明回歸方程的因變量與自變量之間的相關(guān)關(guān)系顯著。回歸方程模型P＜0.000 1，表明該回歸模型差異極顯著，失擬項P=0.051 7＞0.05，不顯著，說明回歸方程合理且可行；R2=0.994 3，R2Adj=0.989 1，說明該試驗的結(jié)果與預(yù)測值接近，因此試驗的可信度和精密度較高。其中因素 A、B、C，二次項 A2、B2、C2均對結(jié)果有極顯著影響（P＜0.01），交互項AC對結(jié)果有顯著影響（P＜0.05），但是交互項AB、BC對結(jié)果沒有顯著影響（P＞0.05）。由F值可知，在試驗范圍內(nèi)各因素對蛋白溶解度的影響依次是A（擠壓溫度）＞B（含水量）＞C（螺桿轉(zhuǎn)速）。綜上所述，可以說明所建立的模型與醬油渣擠出物蛋白溶解度的數(shù)據(jù)相吻合，能夠準確預(yù)測分析各因素對擠出物蛋白溶解度的影響。

根據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)面分析圖，來確定擠壓溫度、含水量和螺桿轉(zhuǎn)速對擠出物蛋白溶解度的影響，響應(yīng)曲面和等高線如圖4所示。

圖4 擠壓溫度、含水量、螺桿轉(zhuǎn)速交互作用對擠出物蛋白溶解度影響的響應(yīng)曲面與等高線Fig.4 Response surface plots and contour line of effects of interaction between extrusion temperature,moisture and screw speed on protein solubility of the extrudate

由圖4（a）可以看出，擠壓溫度維持不變，擠出物蛋白溶解度隨著含水量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢；若保持含水量不變，擠出物蛋白溶解度隨著擠壓溫度的升高而逐漸增大，當擠壓溫度為104℃左右時，蛋白溶解度達到最大值，隨后蛋白溶解度開始逐漸下降。可能是因為在較低溫度時，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，促進了蛋白質(zhì)分子鏈的展開，迫使蛋白質(zhì)分子膨脹，釋放出更多的蛋白質(zhì)分子到溶液中[14]，引起蛋白溶解度的升高；當溫度超過104℃時，蛋白質(zhì)分子之間的二硫鍵和氫鍵相互交聯(lián)形成聚集物[15-16]，增加了蛋白質(zhì)分子之間的交聯(lián)程度，并且蛋白質(zhì)變性程度也增加，導(dǎo)致蛋白溶解度降低，這與呂松喬等[17]研究結(jié)果一致。由圖4（b）可知，固定擠壓溫度不變，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，擠出物蛋白溶解度表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，并且在螺桿轉(zhuǎn)速為96 r/min左右時，蛋白溶解度達到最大值，此后開始降低?？赡艿脑蚴窃诘吐輻U轉(zhuǎn)速時，剪切力和摩擦力較小，但是物料在機筒內(nèi)停留的時間增加，可以受到充分的蒸煮作用，此時物料可以達到熔融狀態(tài)，導(dǎo)致蛋白溶解度增加；當螺桿轉(zhuǎn)速超過96 r/min時，雖然剪切力變大，但是物料在機筒停留時間縮短，蒸煮效果不佳，且物料沒有完全轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，導(dǎo)致蛋白溶解度的降低。由圖4（c）可以看出，當螺桿轉(zhuǎn)速不變時，擠出物蛋白溶解度隨著含水量的增加先是逐漸增加，在含水量為33%左右時，蛋白溶解度達到最大值，當繼續(xù)增大物料含水量時，蛋白溶解度則表現(xiàn)為下降的趨勢?？赡艿脑蚴窃谳^低的含水量時，物料之間的摩擦力和剪切力增大，而蛋白質(zhì)聚合物對剪切是敏感的[18]，導(dǎo)致較大團聚體發(fā)生破碎，分子量降低，致使擠出物蛋白溶解度的增加；當含水量繼續(xù)增大時，物料的濕度增加，生成大量的二硫鍵，與共價鍵和非共價鍵相互作用，提高了蛋白質(zhì)分子之間的聚集程度[19]，并且在高溫的作用下，蛋白質(zhì)易發(fā)生伸展變性，導(dǎo)致蛋白溶解度逐漸降低，這與洪濱等[20]的研究結(jié)果一致。

通過二次回歸方程進行換算可知，擠壓膨化對醬油渣中蛋白溶解度影響的最優(yōu)試驗因素組合為：擠壓溫度104.44℃，含水量33.54%，螺桿轉(zhuǎn)速96.43 r/min。此時，醬油渣中蛋白溶解度的理論最大值為55.72%。

2.3 驗證試驗

根據(jù)實際條件及操作可行性，將擠壓工藝條件調(diào)整為擠壓溫度104℃，含水量34%，螺桿轉(zhuǎn)速96 r/min，通過3次平行試驗，測定所得樣品的蛋白溶解度平均值為55.43%，而理論的蛋白溶解度為55.72%，二者的相對誤差＜5%，在允許的范圍內(nèi)，說明建立的回歸模型擬合度較高，能夠準確預(yù)測擠壓參數(shù)，具有實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面試驗對擠壓溫度、含水量和螺桿轉(zhuǎn)速進行優(yōu)化，建立二次多項式模型，考察擠壓參數(shù)與蛋白溶解度之間的關(guān)系，并證實該模型的正確性。通過Design-Expert 8.0.6軟件進行分析，得出最佳擠壓參數(shù)為擠壓溫度104℃，含水量34%，螺桿轉(zhuǎn)速96 r/min，此時擠出物蛋白溶解度為55.43%，較未擠壓醬油渣相比，蛋白溶解度提高了31.7%，說明醬油渣可以作為一種蛋白資源被高值化利用，從而提高醬油產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益。