擠壓膨化對棉籽粕蛋白質(zhì)消化率的影響

摘要：以棉籽粕、面粉為原料進(jìn)行擠壓膨化，將蛋白消化率作為考察指標(biāo)，在擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量、面粉含量單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，運用中心組合設(shè)計（central composite design，CCD）對擠壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳擠壓條件。結(jié)果表明，最佳擠壓參數(shù)為擠壓溫度106 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速207 r/min、水分含量23.50%、面粉含量18.50%。在此條件下，蛋白消化率達(dá)84.40%。與未擠壓原料相比，蛋白消化率提高了47.94%。

關(guān)鍵詞：棉籽粕；擠壓膨化；醬油；蛋白消化率

中圖分類號：TS201.1""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""文章編號：1000-9973（2025）02-0025-05

Effect of Extrusion on Protein Digestibility of Cottonseed Meal

XU Mei， LI Yue-ming， SONG Jia-lin， ZHANG Xin， YAN Chuang-shuo， LI Hong-jun^*

（College Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of

Technology， Zibo 255049， China）

Abstract： Cottonseed meal and flour are used as the raw materials for extrusion. With protein digestibility as the evaluation index， based on the results of single factor test on extrusion temperature， screw rotational speed， water content and flour content， central composite design （CCD） is used to optimize the extrusion parameters and determine the optimal extrusion conditions. The results show that the optimal extrusion parameters are extrusion temperature of 106 ℃， screw rotational speed of 207 r/min， water content of 23.50% and flour content of 18.50%. Under such conditions， the protein digestibility reaches 84.40%. Compared with unextruded raw materials， the digestibility of protein increases by 47.94%.

Key words： cottonseed meal; extrusion; soy sauce; protein digestibility

醬油是利用植物性蛋白質(zhì)和淀粉等為原料，通過制曲和發(fā)酵，在微生物分泌的各種酶的作用下釀造而成的具有獨特色、香、味的液體調(diào)味品^[1]。棉籽粕是棉籽制油后的副產(chǎn)物，棉籽粕的蛋白質(zhì)含量一般在30%～50%之間，是良好的植物蛋白來源^[2]。由于棉籽粕中含有有毒的游離棉酚，因此其集中應(yīng)用于飼料加工行業(yè)，應(yīng)用途徑較單一。目前，已有研究表明擠壓膨化技術(shù)是棉籽粕脫毒的有效手段^[3]，經(jīng)脫酚的棉籽粕可作為釀造醬油的蛋白原料。

蛋白消化率影響食品中蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值^[4]。許多食品熱加工技術(shù)，如烹飪、高壓滅菌、微波和擠壓等已被證明可以有效提高植物蛋白的消化率^[5-6]。在適當(dāng)?shù)臄D壓條件下，物料在擠壓機內(nèi)受到高溫、高壓、高剪切力的作用，蛋白質(zhì)發(fā)生適度變性，使其更容易被蛋白酶水解，進(jìn)而提高了蛋白質(zhì)的消化率^[7-8]。蛋白消化率影響醬油曲料的蛋白酶活性和醬油成品中氨基酸態(tài)氮含量，蛋白消化率的提高有利于米曲霉在原料中的生長，使得成曲蛋白酶活力增加，進(jìn)而提高了全氮利用率，改善了醬油的品質(zhì)^[9]。

本研究以棉籽粕、面粉為原料，對其進(jìn)行擠壓處理，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用CCD響應(yīng)面試驗，考察擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量、面粉含量對蛋白消化率的影響，通過回歸分析獲得最佳擠壓參數(shù)，進(jìn)而有效提高了棉籽粕蛋白消化率。

1"材料和方法

1.1"材料與試劑

棉籽粕、面粉：市售；胃蛋白酶和胰蛋白酶：上海源葉生物科技有限公司；其余試劑均為分析純。

原料成分見表1。

1.2"儀器與設(shè)備

YJP200單螺桿擠壓機（模孔直徑10 mm）"山東理工大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品深加工實驗室自制；K9860全自動凱氏定氮儀"山東海能科學(xué)儀器有限公司；FZ-102小型植物粉碎機"天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3"試驗方法

1.3.1"工藝流程

棉籽粕、面粉→調(diào)節(jié)水分→擠壓膨化→室溫冷卻→粉碎、過篩。

1.3.2"單因素試驗設(shè)計

設(shè)定擠壓溫度分別為80，90，100，110，120 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速分別為160，180，200，220，240 r/min，水分含量分別為18%、20%、22%、24%、26%，面粉含量分別為14%、16%、18%、20%、22%，考察各因素對擠出物蛋白消化率的影響。

1.3.3"響應(yīng)面優(yōu)化試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇擠壓溫度（A）、螺桿轉(zhuǎn)速（B）、水分含量（C）、面粉含量（D）為影響因素，以蛋白消化率（Y）為響應(yīng)值，利用Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計四因素五水平響應(yīng)面試驗，根據(jù)試驗結(jié)果獲得回歸方程預(yù)測模型，并確定最佳擠壓工藝條件，試驗因素與水平見表2。

1.3.4"測定方法

游離棉酚含量：參照GB/T 13086—2020測定；粗蛋白：采用凱氏定氮法測定；水分含量：參照GB 5009.3—2016測定；淀粉含量：參照GB/T 20378—2006測定；蛋白消化率：采用胃蛋白酶-胰蛋白酶兩步消化法測定。參考Rathod等^[10]的方法，取0.1 g試樣置于離心管中，加入1.5 mg胃蛋白酶于15 mL HCl（0.1 mol/L）中，混勻，37 ℃水浴保溫3 h，然后加入7.5 mL 0.2 mol/L的NaOH，再加入含4 mg胰蛋白酶的磷酸緩沖液7.5 mL（pH 8），將混合液于37 ℃水浴振蕩24 h后，立即加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的TCA 10 mL，4 500 r/min離心20 min，取上清液測定其蛋白質(zhì)含量。

蛋白消化率（%）=上清液蛋白含量（g/100 g）樣品蛋白質(zhì)量（g/100 g）×100。

1.4"數(shù)據(jù)處理

每個樣品進(jìn)行3次平行試驗，所有結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用Origin 2021繪制圖表，Design-Expert 8.0.6用于響應(yīng)面試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析。

2"結(jié)果與分析

2.1"單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1"擠壓溫度的確定

蛋白消化率在不同擠壓溫度下的變化見圖1。

由圖1可知，擠出物的蛋白消化率隨著擠壓溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)擠壓溫度小于100 ℃時，隨著擠壓溫度的升高，蛋白質(zhì)的三、四級結(jié)構(gòu)被破壞，伸展的蛋白質(zhì)分子更易被蛋白酶消化^[11]，導(dǎo)致蛋白消化率逐漸上升，并于100 ℃時達(dá)到最大消化率86.07%。然而，當(dāng)擠壓溫度大于100 ℃時，在高溫、高壓、高剪切力的作用下，蛋白質(zhì)和淀粉發(fā)生交聯(lián)聚合，形成了較大的聚合物，因此蛋白消化率逐漸降低^[12]。

2.1.2"螺桿轉(zhuǎn)速的確定

螺桿轉(zhuǎn)速對擠出物蛋白消化率的影響見圖2。

由圖2可知，蛋白消化率隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加呈先上升后下降的趨勢，并于200 r/min時達(dá)到最大值。螺桿轉(zhuǎn)速通過改變物料和螺桿的剪切作用和物料在機腔內(nèi)的停留時間從而影響蛋白消化率^[13]。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，物料與螺桿、機筒壁的剪切和摩擦作用增大，使得物料熱變性程度升高，進(jìn)而使得蛋白消化率提高。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速大于200 r/min時，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，物料在擠壓腔內(nèi)停留的時間變短，膨化效果變差，導(dǎo)致蛋白消化率降低^[14]。此外，在較高的螺桿轉(zhuǎn)速條件下，高剪切力作用促進(jìn)了對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞，疏水基團暴露，導(dǎo)致蛋白分子聚集，進(jìn)而形成蛋白分子聚集體，蛋白消化率降低^[15]。

2.1.3"水分含量的確定

蛋白消化率在不同水分含量下的變化見圖3。

由圖3可知，在低水分含量范圍內(nèi)，蛋白消化率顯著增加，當(dāng)水分含量為22%時，蛋白消化率達(dá)到最大值。然而，隨著水分含量的進(jìn)一步增加，蛋白消化率呈下降趨勢，這是由于低水分含量對蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性有積極影響，進(jìn)而使得在擠壓膨化過程中物料蛋白的破壞程度降低^[16]。此外，隨著水分含量的增加，水分子透過蛋白質(zhì)，提高了多肽鏈的移動性和柔性，有利于蛋白質(zhì)的消化^[17]。然而，當(dāng)水分含量超過22%后，繼續(xù)增加水分使得物料在擠壓腔內(nèi)摩擦力減小，流動性提高，在機腔內(nèi)的停留時間變短，從而降低了蛋白質(zhì)的變性程度，使得蛋白消化率下降^[18]。

2.1.4"面粉含量的確定

面粉含量對蛋白消化率的影響見圖4。

由圖4可知，當(dāng)面粉含量為18%時，蛋白消化率達(dá)到最大值。隨著面粉含量的進(jìn)一步增加，蛋白消化率呈下降趨勢，這是因為適量面粉對物料的膨化起到促進(jìn)作用，使得蛋白更易溶出，進(jìn)而提高了蛋白消化率^[19]。然而，當(dāng)面粉含量過高時，糊化面粉的包埋作用導(dǎo)致蛋白溶出率降低，蛋白消化率降低^[20]。

2.2"擠壓參數(shù)優(yōu)化響應(yīng)面試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的CCD進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗，試驗設(shè)計及結(jié)果見表3，方差分析見表4。

利用Design-Expert 8.0.6對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到響應(yīng)值Y與自變量A、B、C、D的二次回歸方程：

Y=84.60+0.61A+0.24B+0.55C+0.29D+0.03AB－0.058AC+0.076AD+0.31BC+0.71BD+0.1CD－1.06A²－0.47B²－0.89C²－0.97D²。

由表4可知，響應(yīng)面優(yōu)化試驗的模型極顯著（Plt;0.000 1）；失擬項的P=0.153 9，不顯著，說明該回歸方程合理可行。優(yōu)化的4個因素中，A、C對蛋白消化率有極顯著影響（Plt;0.01），D對蛋白消化率有顯著影響（Plt;0.05）；交互項BC對蛋白消化率有顯著影響（Plt;0.05），BD對蛋白消化率有極顯著影響（Plt;0.01）；二次項A²、B²、C²和D²對蛋白消化率有極顯著影響（Plt;0.01）。由F值可知，各因素對蛋白消化率影響的主次順序為A（擠壓溫度）gt;C（水分含量）gt;D（面粉含量）gt;B（螺桿轉(zhuǎn)速），回歸系數(shù)R²=0.944 7，調(diào)整系數(shù)R_Adj²=0.907 8，說明該模型的擬合程度良好，可以用來預(yù)測分析各因素對擠出物蛋白消化率的影響。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用Design-Expert 8.0.6繪制各因素之間交互作用對蛋白消化率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖，見圖5～圖8。

由圖5可知，固定水分含量和面粉含量分別為23%和18%，當(dāng)擠壓溫度為105 ℃時，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，蛋白消化率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。此外，固定螺桿轉(zhuǎn)速，擠壓溫度對蛋白消化率有顯著影響，蛋白消化率隨著擠壓溫度的升高而增加，當(dāng)擠壓溫度達(dá)到105 ℃左右時，蛋白消化率達(dá)到峰值。然而，隨著擠壓溫度的持續(xù)增加，蛋白消化率呈下降趨勢，這是由于隨著擠壓溫度的升高，蛋白質(zhì)發(fā)生變性，破壞了蛋白質(zhì)的束縛力，酶結(jié)合位點增加，導(dǎo)致蛋白消化率提高^[21-22]。隨著擠壓溫度的持續(xù)增加，蛋白質(zhì)出現(xiàn)過度熱變性，加劇了蛋白質(zhì)的交聯(lián)，蛋白消化率下降^[23]。

由圖6可知，固定螺桿轉(zhuǎn)速和面粉含量分別為200 r/min和18%，當(dāng)水分含量為23%時，蛋白消化率隨著擠壓溫度的升高先升高后降低。此外，固定擠壓溫度，蛋白消化率隨著水分含量的增加而顯著升高，當(dāng)水分含量達(dá)到23%左右時，蛋白消化率達(dá)到峰值，然后隨著水分含量的增加而逐漸下降，原因可能是高水分含量可以減少物料與擠壓膨化過程中美拉德反應(yīng)的發(fā)生程度，進(jìn)而提高蛋白消化率^[24]。然而，隨著水分含量的進(jìn)一步升高，物料間及物料與機腔間的剪切力和摩擦力減小，物料吸收的熱能和機械能降低，膨化度降低，蛋白消化率下降^[25]。

由圖7可知，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速和水分含量分別為200 r/min和23%時，固定面粉含量，蛋白消化率隨著擠壓溫度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。此外，當(dāng)擠壓溫度固定時，蛋白消化率隨著面粉含量的增加先升高后降低，當(dāng)面粉含量在18%左右時，蛋白消化率達(dá)到峰值，這是由于面粉含量的增加有利于物料蛋白在擠壓過程中溶脹，從而提高了蛋白消化率。然而，當(dāng)面粉含量過高時，糊化程度增大，提高了機腔內(nèi)物料的黏度，淀粉和蛋白質(zhì)相互包裹并結(jié)合，降低了蛋白消化率^[26]。

由圖8可知，當(dāng)擠壓溫度為105 ℃、水分含量為23%時，固定螺桿轉(zhuǎn)速，隨著面粉含量的增加，蛋白消化率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。固定面粉含量，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，蛋白消化率逐漸升高并于200 r/min條件下達(dá)到最大值。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的持續(xù)增加，蛋白消化率呈下降趨勢，這是由于在較低螺桿轉(zhuǎn)速下，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，剪切力逐漸增大，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)舒展，更多酶的作用位點暴露，蛋白消化率提高^[27]。然而，螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加（gt;200 r/min），物料的出料速度加快，在擠壓腔內(nèi)的停留時間變短，未得到充分膨化，蛋白消化率降低^[28]。

根據(jù)響應(yīng)面模型的預(yù)測，得到最佳擠壓工藝條件為擠壓溫度106.52 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速207.55 r/min、水分含量23.46%、面粉含量18.46%。此條件下蛋白消化率的理論最大值為84.97%。

2.3"驗證試驗

考慮到實際操作的局限性，調(diào)整擠壓溫度為106 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速為207 r/min、水分含量為23.50%、面粉含量為18.50%，在此工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗，蛋白消化率平均值為84.40%，與理論值相近，相對誤差為0.68%，說明擬合度良好，建立的二次回歸模型合理可行。

3"結(jié)論

通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗對擠壓工藝進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)擠壓溫度為106 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速為207 r/min、水分含量為23.50%、面粉含量為18.50%時，蛋白消化率達(dá)84.40%，比未擠壓原料的蛋白消化率提高47.94%，說明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在擠壓過程中發(fā)生變化，從而顯著提高了物料的蛋白消化率。同時，該研究結(jié)果為擠壓膨化技術(shù)在拓寬棉籽粕應(yīng)用領(lǐng)域方面提供了初步的理論分析和試驗依據(jù)。

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