徐 添，趙妍嫣，袁蓓蕾，許 駿，姜紹通

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，安徽合肥 230009)

植物蛋白是人類膳食中重要的蛋白資源，主要來源于谷物、油料作物與豆類［1］，其價(jià)格低廉，營養(yǎng)豐富，且不含膽固醇，受到廣大消費(fèi)者的青睞，但隨著食品工業(yè)的迅速發(fā)展，天然植物蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)尚不突出，遠(yuǎn)不能滿足人類的需求。早在20世紀(jì)中期，國外已通過對植物蛋白的改性來提高其功能性質(zhì)及吸收利用率，以改善人類膳食結(jié)構(gòu)，提高蛋白質(zhì)供給水平［2］。植物蛋白的改性方法主要有化學(xué)法改性、物理法改性和酶法改性［3－5］，其中物理改性法又包括濕熱改性、微波改性和擠壓改性等［6］。擠壓改性是一種高溫高壓瞬時操作工藝，具有殺菌、鈍化不良因子、促使淀粉糊化、提高蛋白利用率的作用［7］，植物蛋白擠壓改性過程中，蛋白質(zhì)在雙螺桿擠壓機(jī)內(nèi)受到高溫、高壓、高剪切的作用，由球狀聚集態(tài)重組為具有同向性的纖維均勻結(jié)構(gòu)［8－9］。植物蛋白的雙螺桿擠壓改性已經(jīng)越來越受到人們的重視，成為食品工業(yè)高新技術(shù)研究領(lǐng)域熱點(diǎn)之一。現(xiàn)階段，人們對于植物蛋白的擠壓改性研究主要集中于大豆蛋白，花生蛋白的改性。安紅周等［7］以大豆?jié)饪s蛋白為原料，采用雙螺桿擠壓組織化［10］技術(shù)，對大豆組織蛋白的組織化度進(jìn)行了研究;朗珊珊等［11］利用響應(yīng)面分析法，采用雙螺桿擠壓膨化機(jī)，以高溫脫脂花生粕為原料，研究了雙螺桿擠壓組織化加工中操作參數(shù)對感官評定的影響，并通過優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到最佳工藝條件。與大豆蛋白、花生蛋白相比，小麥蛋白功能特性較差，不能滿足食品工業(yè)以及其他行業(yè)的要求，限制了其應(yīng)用范圍［12－13］，因此國內(nèi)外有關(guān)小麥蛋白擠壓改性的研究較少。本實(shí)驗(yàn)主要以谷朊粉、面粉、小蘇打、單甘酯、水為主要原料，研究不同配方對小麥蛋白組織特性的影響，旨在為小麥蛋白擠壓組織化產(chǎn)品提供一定研究思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

谷朊粉 安徽瑞福祥食品有限公司;面粉 五得利集團(tuán)興化面粉有限公司;小蘇打 鄭州優(yōu)然化工有限公司;單甘酯 鄭州鴻祥化工有限公司。

精密電子天平 福州科迪電子技術(shù)有限公司;DS32－Ⅱ擠壓膨化機(jī) 濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司;TAXA PLUS物性測試儀 英國Stable micro systems公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 基本組分的的測定方法

1.2.1.1 粗蛋白的測定 按GB/T 5009.5－2010中的凱氏定氮法進(jìn)行蛋白質(zhì)含量的測定;水分的測定:按GB/T 5009.3－2010中的干燥法進(jìn)行原料水分含量的測定;粗脂肪的測定:按GB/T 5009.6－2003中的索氏抽提法進(jìn)行脂肪含量的測定;灰分的測定:按GB/T 5009.4－2010測定。

1.2.2 樣品組織化程度的測定［14－15］將樣品(呈邊長1cm的正方形，厚度為5mm)置于物性測定儀測試臺中央，用A/CKB探頭(刀片狀)以1mm/s的速度對試樣進(jìn)行剪切，剪切厚度設(shè)定為樣品厚度的75%，剪切寬度均為1cm。切刀與模頭擠出方向平行時的剪切力稱為縱向剪切力，垂直時稱為橫向剪切力，量綱為kg。

組織化度(kg/kg)=橫向剪切力(kg)/縱向剪切力(kg)

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方案 以面粉質(zhì)量計(jì)為100g，選擇各物質(zhì)與面粉的質(zhì)量比作為考察因素，研究各物質(zhì)不同添加量對小麥蛋白組織化度的影響。

在一定的擠壓參數(shù)下(螺桿轉(zhuǎn)速頻率15Hz，喂料電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率15Hz，Ⅰ區(qū)溫度30℃、Ⅱ區(qū)溫度90℃、Ⅲ區(qū)溫度140℃)進(jìn)行擠壓改性，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析獲得的數(shù)據(jù)，利用Design－Expert軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)表，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并模擬出最優(yōu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box－Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對組織化度的四個主要因素水與面粉的質(zhì)量比、谷朊粉與面粉的質(zhì)量比、單甘酯與面粉的質(zhì)量比、小蘇打與面粉的質(zhì)量比進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(%)Table1 Response surface design table(%)

2 結(jié)果與討論

2.1 谷朊粉的基本組分

谷朊粉的基本組分測定如表2所示，其中谷朊粉中的粗蛋白含量達(dá)到79.35%，含量豐富，具有極高的營養(yǎng)價(jià)值。

表2 谷朊粉的基本組分Table2 Basic components of gluten flour

2.2 小麥組織蛋白制備單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 水分對小麥蛋白組織化的影響 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定，以面粉100g作為基準(zhǔn)，水的添加量分別為60.53% 、63.16% 、65.79% 、68.42% 、71.05% 。

由圖1可知，當(dāng)水添加量為60.53%、63.16%、65.79%時，擠壓產(chǎn)物的組織化度緩慢上升;水添加量68.42%之后，擠壓產(chǎn)物的組織化度明顯下降;可以看出在水添加量在68.42%時，擠壓產(chǎn)物的組織化度有最大值。這是由于水分含量過低時，擠壓產(chǎn)物易膨化，而膨化產(chǎn)生的氣孔導(dǎo)致擠壓產(chǎn)物纖維狀結(jié)構(gòu)不明顯，組織化程度比較低;而水分含量過高時，擠壓產(chǎn)品質(zhì)地較軟易分散而導(dǎo)致組織化程度也比較低。

圖1 水添加量對小麥蛋白組織化度的影響Fig.1 The influence of water addition on the wheat protein organization degree

2.2.2 谷朊粉添加量對小麥蛋白組織化的影響 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定，以面粉100g作為基準(zhǔn)，谷朊粉的添加量分別為:13.16%、14.47%、15.79%、17.11%、18.42%。

由圖2可知，谷朊粉添加量在13.16%～14.47%時，擠壓產(chǎn)物的組織化度變化緩慢;在14.47%～15.79%區(qū)間急劇增加，在谷朊粉添加量為15.79%時，擠壓產(chǎn)物的組織化度有最大值;而在添加量15.79%之后，擠壓產(chǎn)物的組織化度又急劇下降。這是由于當(dāng)谷朊粉添加量較低時，由于蛋白的含量較低，在擠壓及剪切力作用下，蛋白質(zhì)分子間二硫鍵被破壞后，重新排布成鏈狀的蛋白結(jié)構(gòu)比較少，同時纖維狀結(jié)構(gòu)較少，從而導(dǎo)致擠壓產(chǎn)物的組織化度下降;而谷朊粉添加量較高時，由于蛋白含量的提高，經(jīng)過擠壓及剪切力等一系列變化作用，擠壓產(chǎn)物中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可能變得更加緊密，從而導(dǎo)致擠壓產(chǎn)物的組織化程度的下降。

圖2 谷朊粉添加量對小麥蛋白組織化度影響Fig.2 The influence of gluten flour addition on the wheat protein organization degree

2.2.3 單甘酯添加量對小麥蛋白組織化的影響 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定，以面粉100g作為基準(zhǔn)，單甘酯的添加量分別為:2.08%、2.27%、2.50%、2.63%、2.78%、3.13%。

由圖3可知，在單甘酯添加量為2.08%、2.27%、2.50%、2.63%時，擠壓產(chǎn)物的組織化度較緩慢增加;在單甘酯添加量達(dá)到2.63%時，擠壓產(chǎn)物的組織化度有最大值;之后其組織化度緩慢下降?？赡苁且?yàn)楫?dāng)單甘酯添加量較低時，未達(dá)到添加劑作用的效果，當(dāng)單甘酯添加量較高時，對面團(tuán)的擠壓不完全。

圖3 單甘酯添加量對小麥蛋白組織化度影響Fig.3 The influence of monostearin addition on the wheat protein organization degree

2.2.4 小蘇打添加量對小麥蛋白組織化的影響 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定，以面粉100g作為基準(zhǔn)，小蘇打的添加量分別為:1.58%、2.11%、2.63%、3.16%、3.68%。由圖4知，當(dāng)小蘇打添加量為1.58%、2.11%時，擠壓產(chǎn)物的組織化度較低;當(dāng)小蘇打添加量為2.63%時，擠壓產(chǎn)物的組織化度有最大值;當(dāng)小蘇打添加量繼續(xù)增加時，擠壓產(chǎn)物的組織化度降低。這可能是由于當(dāng)小蘇打添加量較低時，擠壓產(chǎn)物不易形成空隙結(jié)構(gòu)，也就不容易形成纖維狀的組織蛋白;而當(dāng)小蘇打含量過高時，擠壓產(chǎn)物的膨化度增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙增大，其組織化度降低，實(shí)驗(yàn)中存在個別平行實(shí)驗(yàn)偏差較大的原因是由于擠壓機(jī)Ⅲ區(qū)溫度在擠壓過程中會有變化，工藝條件稍有偏差導(dǎo)致。

圖4 小蘇打添加量對小麥蛋白組織化度影響Fig.4 The influence of baking soda addition on the wheat protein organization degree

2.3 響應(yīng)面模型建立及結(jié)果

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對水的添加量、谷朊粉的添加量、單甘酯的添加量及小蘇打的添加量進(jìn)行了四因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3 The experiment scheme and experimental results of the Response surface

2.3.2 方差分析 利用軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，對表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析后得到結(jié)果如表4所示。失擬項(xiàng)不顯著(p=0.2595＞0.05)，而模型的p＜0.0001，說明模型高度顯著。從表4中還可以看出，因素一次項(xiàng)(X1)，二次項(xiàng)對結(jié)果影響是高度顯著的(p＜0.0001);一次項(xiàng)對結(jié)果影響是顯著的(p ＜ 0.05);交互項(xiàng)(X1X4、X2X3、X2X4、X3X4)對結(jié)果影響不顯著(p＞0.05)。經(jīng)過擬合得到組織化度(y)對編碼自變量X1、X2、X3和X4的二次多元回歸方程為:組織化度 =－119.7174+2.09615X1+0.72275X2+30.45621X3+2.17199X4+0.014152X1X2－0.20227X1X3－0.012908X12－0.053042X22－3.19816X32－0.42628X42。

2.3.3 響應(yīng)曲面圖 由圖5看出，擠壓產(chǎn)物的組織化度隨水和谷朊粉的添加量的增加而提高，兩者交互作用顯著。根據(jù)動力學(xué)理論，水和谷朊粉的添加量的增加有利于擠壓產(chǎn)物組織化程度的提高，因此，在一定條件下適當(dāng)增加水和谷朊粉的含量有利于提高擠壓產(chǎn)物的組織化度。

表4 響應(yīng)面方差分析Table4 The response surface analysis of variance

圖5 水和谷朊粉添加量對擠壓產(chǎn)物組織化度影響的響應(yīng)面圖Fig.5 The response surface chart of the influence of water and gluten flour addition on extrusion product organization degree

由圖6看出，擠壓產(chǎn)物的組織化度隨單甘酯添加量的降低以及水添加量的升高而增大，兩者的交互作用顯著。因此，在一定條件下，適當(dāng)減少單甘酯的添加量同時適當(dāng)增加水的添加量，可以使其組織化度提高。

2.3.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 利用軟件分析，使用最大值法優(yōu)化，優(yōu)化得到的谷朊粉擠壓理論配方為:水添加量、谷朊粉添加量、單甘酯添加量、小蘇打添加量分別為面粉質(zhì)量的70.19%、16.17%、2.54%、2.52%。若以100g面粉計(jì)，水70.19g，谷朊粉16.17g，單甘酯2.54g，小蘇打2.52g。該條件下的擠壓產(chǎn)物的預(yù)測組織化度為1.133。為驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性，在該優(yōu)化條件下，重復(fù)3次，實(shí)際擠壓產(chǎn)物的組織化度平均值為1.112±0.018，與預(yù)測值接近，由此可見，采用響應(yīng)面法對制備小麥組織蛋白的優(yōu)化是有效的。

圖6 水和單甘酯添加量對擠壓產(chǎn)物組織化度影響的響應(yīng)面圖Fig.6 The response surface chart of the influence of water and monostearin addition on extrusion product organization degree

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在單因素的基礎(chǔ)上，以組織化度為指標(biāo)，采用4因素3水平進(jìn)行響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，對配方進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過軟件分析可知水和谷朊粉、水和單甘酯交互作用較顯著。得到小麥組織蛋白制備的最優(yōu)配方為:以面粉100g作為基準(zhǔn)，水添加量70.19g，谷朊粉添加量16.17g，單甘酯添加量2.54g，小蘇打添加量2.52g，該條件下的擠壓產(chǎn)物的預(yù)測組織化度為1.133，此配方下，實(shí)際擠壓產(chǎn)物的組織化度為1.112±0.018，與預(yù)測值接近，說明該模型能很好地模擬小麥組織蛋白的制備配方。利用響應(yīng)面法對小麥組織蛋白制備配方進(jìn)行優(yōu)化，可得到最優(yōu)的配方，小麥組織蛋白的制備奠定了基礎(chǔ)，對組織蛋白的研究具有重要意義。

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