肖志剛， 張雪萍， 段玉敏， 王 哲，楊 強(qiáng)， 朱旻鵬， 李 響， 閔鐘熳

(沈陽(yáng)師范大學(xué)糧食學(xué)院1，沈陽(yáng) 110034) (東方集團(tuán)哈爾濱福肴食品有限公司2，哈爾濱 150000) (沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院3，沈陽(yáng) 110866)

隨著全球人口的不斷增長(zhǎng)，肉類(lèi)呈現(xiàn)出難以維持人均需求的趨勢(shì)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織預(yù)計(jì)，2050年的肉類(lèi)生產(chǎn)將滿足近80億人的需求，而這比預(yù)計(jì)的全球人口數(shù)少了10億人[1]。為了滿足肉類(lèi)需求以及減輕傳統(tǒng)畜禽肉生產(chǎn)引起的環(huán)境負(fù)荷等問(wèn)題，植物蛋白肉引起了研究者的廣泛關(guān)注[2]。植物蛋白肉不同于高脂肪、高熱量、高膽固醇的肉制品，作為一種肉類(lèi)替代品，具有低脂肪、高蛋白、零膽固醇、零抗生素、綠色制造、可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢(shì)[3-5]。另外，植物蛋白肉還可以開(kāi)發(fā)出不同營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的產(chǎn)品來(lái)滿足消費(fèi)者的需求，進(jìn)而滿足不同人群對(duì)食品健康和營(yíng)養(yǎng)的需求[6,7]。目前，植物蛋白肉的生產(chǎn)主要是通過(guò)高水分?jǐn)D壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)的[8]，采用長(zhǎng)冷卻模頭的雙螺桿擠壓機(jī)，整個(gè)過(guò)程溫度由低到高，然后又降低，所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有類(lèi)似雞胸肉的纖維組織，無(wú)需復(fù)水即可直接食用，因此近年來(lái)被廣泛用于植物蛋白肉的加工[9,10]。

研究表明在雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)植物蛋白肉的擠壓過(guò)程中，擠壓參數(shù)會(huì)影響物料在擠壓機(jī)內(nèi)受到混合、蒸煮和剪切等作用的程度，以及擠壓扭矩、壓力、擠壓機(jī)模頭處黏度、單位機(jī)械能耗等擠壓參數(shù)，從而影響最終擠出產(chǎn)品的特性[11]。目前對(duì)于植物蛋白肉產(chǎn)品品質(zhì)的研究多集中于質(zhì)構(gòu)、色澤和感官特性等方面，關(guān)于高水分?jǐn)D壓過(guò)程中擠壓參數(shù)與最終產(chǎn)品流變特性的變化規(guī)律鮮有報(bào)道，研究擠壓過(guò)程中水分等擠壓參數(shù)的作用，調(diào)整擠壓產(chǎn)品的流變特性具有十分重要的意義。本研究以大豆分離蛋白、豌豆蛋白和谷朊粉為混合植物蛋白原料，通過(guò)雙螺桿擠壓機(jī)，以不同進(jìn)水流量和出口冷卻溫度為主要變量，考察擠壓過(guò)程中水分和冷卻溫度對(duì)植物蛋白肉產(chǎn)品流變特性的影響，為高水分?jǐn)D壓技術(shù)的推廣應(yīng)用以及高品質(zhì)纖維狀擠壓組織化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(凝膠型)，豌豆蛋白，谷朊粉(面筋專(zhuān)用粉)。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓膨化機(jī)(DS56-Ⅲ型)，流變儀(DHR-3型)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品預(yù)處理

以大豆分離蛋白、豌豆蛋白和谷朊粉為混合植物蛋白原料(大豆分離蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、豌豆蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%和谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%)，其中大豆蛋白是應(yīng)用最廣泛的原料蛋白，谷朊粉常用作生產(chǎn)植物蛋白肉的輔料蛋白，而豌豆蛋白近年來(lái)也被廣泛應(yīng)用于植物蛋白肉的生產(chǎn)[12]。本實(shí)驗(yàn)以豌豆蛋白為主料，旨在降低大豆蛋白的含量以減少擠壓組織化產(chǎn)品的豆腥味，經(jīng)過(guò)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)，得到在此配比下擠壓組織化產(chǎn)品具有較優(yōu)的品質(zhì)。

在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定適合的擠壓條件以及操作參數(shù)范圍。擠壓工藝固定條件為：螺桿轉(zhuǎn)速280 r/min，擠壓溫度160 ℃，進(jìn)料流量8.5 kg/h。變量參數(shù)為：5個(gè)不同進(jìn)水流量(11.5、12.5、13.5、14.5、15.5 kg/h)和5個(gè)不同的冷卻溫度(40、45、50、55、60 ℃)。

當(dāng)擠壓機(jī)擠出的產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行取樣，得到的植物蛋白肉產(chǎn)品在室溫下冷卻3 min裝袋。樣品攪碎后進(jìn)行冷凍干燥，手動(dòng)研磨粉碎，過(guò)80目篩，分別標(biāo)注為11.5、12.5、13.5、14.5、15.5 kg/h和40、45、50、55、60 ℃，樣品密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 流變特性的測(cè)定

參考修琳等[13]采用的方法并加以改動(dòng)。實(shí)驗(yàn)樣品制備：制備20%溶液，4 g干燥粉末用去離子水定容至20 mL，室溫放置于磁力攪拌器上，900 r/min攪拌1 h，4 ℃冰箱過(guò)夜，待用。

靜態(tài)流變特性測(cè)定：設(shè)置儀器平臺(tái)溫度為 25 ℃，測(cè)量剪切速率從 1 ～100 s-1逐步遞增，研究剪切應(yīng)力和表觀黏度隨剪切速率的變化。

動(dòng)態(tài)流變特性測(cè)定：選擇25 ℃條件下進(jìn)行角頻率掃描，樣品均勻涂布于測(cè)試平臺(tái)，用硅膠油密封，防止樣品中的水分蒸發(fā)。頻率掃描范圍為0.1～100 r/s，40 mm平行板，研究樣品的儲(chǔ)能模量(彈性模量)G′損耗模量(黏性模量)G″以及tanδ損耗角正切隨著振蕩頻率變化的規(guī)律。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果以平均值表示。所有數(shù)據(jù)使用Origin8.5軟件進(jìn)行相關(guān)圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分對(duì)植物蛋白肉流變特性的影響

2.1.1 靜態(tài)流變分析

圖1顯示了不同進(jìn)水流量(11.5、12.5、13.5、14.5、15.5 kg/h)下(蛋白)樣品分散體系的表觀黏度隨剪切速率變化的靜態(tài)流變曲線。在擠壓過(guò)程中，含水量會(huì)影響物料在擠壓機(jī)內(nèi)受到混合、剪切和蒸煮的作用程度，對(duì)擠壓過(guò)程有重要的影響，進(jìn)而影響最終擠出產(chǎn)品的性質(zhì)[14]。研究發(fā)現(xiàn)，在高水分?jǐn)D壓過(guò)程中，加入的水主要轉(zhuǎn)化為擠壓產(chǎn)品中的凍結(jié)水，在蛋白質(zhì)擠壓過(guò)程中起到潤(rùn)滑和降黏的作用。因?yàn)樗值奶砑恿繒?huì)影響物料在擠壓機(jī)內(nèi)受到的摩擦力的大小，影響物料的黏度，進(jìn)而最終影響到植物蛋白肉產(chǎn)品的流變特性[15]。從圖1可以看出，(蛋白)樣品分散體系在各種進(jìn)水流量下的表觀黏度隨著剪切速率的增大而減小，系統(tǒng)呈現(xiàn)剪切稀化的非牛頓流體特性。黏度是體系流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的內(nèi)摩擦力，是分子間作用力的宏觀表現(xiàn)，當(dāng)剪切速率較低時(shí)，體系內(nèi)的分子混亂，而隨著剪切速率的增大，分子取向趨于一致，表觀黏度降低[16]。由圖1可知當(dāng)剪切速率小于 10 s-1時(shí)，表觀黏度隨著剪切速率的增大而急劇下降，表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性流體特征。當(dāng)剪切速率大于10 s-1時(shí)，(蛋白)樣品分散體系的表觀黏度隨著進(jìn)水流量的增加而增加。在不同的進(jìn)水流量下，15.5 kg/h進(jìn)水流量下蛋白溶液的表觀黏度最高，11.5 kg/h進(jìn)水流量下蛋白溶液的表觀黏度最低，當(dāng)表觀黏度趨于平穩(wěn)時(shí)，黏度曲線幾乎重合，流動(dòng)基本保持穩(wěn)定。

圖1 不同進(jìn)水流量下(蛋白)樣品分散體系的表觀黏度

圖2顯示了各個(gè)進(jìn)水流量下(蛋白)樣品分散體系在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力變化曲線，用于分析體系流動(dòng)或施加外力時(shí)發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。(蛋白)樣品分散體系在不同剪切速率下表現(xiàn)出不同的剪切應(yīng)力取決于其本身結(jié)構(gòu)的屬性[16]。從圖2中可以看出，隨著剪切速率的增加，(蛋白)樣品分散體系在各進(jìn)水流量下的剪切應(yīng)力均呈下降趨勢(shì)，系統(tǒng)均為非牛頓流體狀態(tài)。由圖2可知，擠壓時(shí)水分的添加量影響了植物蛋白肉的流變學(xué)特性，隨著進(jìn)水流速的增加，系統(tǒng)所需的剪切應(yīng)力逐漸增大。此外，當(dāng)剪切速率較低時(shí)，隨著剪切速率的增加，剪切應(yīng)力迅速下降；隨著剪切速率的增加，系統(tǒng)所需的剪切應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。可以看出，當(dāng)剪切速率超過(guò)60 s-1后剪切應(yīng)力幾乎不受影響，剪切應(yīng)力基本保持不變，這可能是由于在高剪切速率下，(蛋白)樣品分散體系內(nèi)溶脹交聯(lián)狀態(tài)的高分子以及聚集狀態(tài)的膠體微粒受到破壞，分散為小分子和膠體粒子，體系分布較為均勻，此時(shí)(蛋白)樣品分散體系剪切應(yīng)變的穩(wěn)定性較好。

圖2 不同進(jìn)水流量下(蛋白)樣品分散體系的剪切應(yīng)力

2.1.2 動(dòng)態(tài)流變分析

圖3和圖4為不同進(jìn)水流量(11.5、12.5、13.5、14.5、15.5 kg/h)下(蛋白)樣品分散體系動(dòng)態(tài)流變曲線隨動(dòng)態(tài)振蕩頻率的彈性模量和損耗模量關(guān)系圖。在動(dòng)態(tài)流變實(shí)驗(yàn)中，儲(chǔ)能模量G′代表樣品的彈性，表示能量暫時(shí)得以?xún)?chǔ)存并且可以恢復(fù)；損耗模量G″表示樣品的黏性，表示初始流動(dòng)中轉(zhuǎn)化為剪切熱的能量的不可逆損失[18,19]。從圖3和圖4可以看出，所有樣品均為黏彈性復(fù)合體系，同時(shí)具有液體結(jié)合性能和固體彈性性能。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，隨著角頻率的增大，所有樣品的G′和G″均隨之增大。對(duì)于(蛋白)樣品分散體系，在所有進(jìn)水流量下，所有體系的G′在所有頻率范圍內(nèi)都大于G″，說(shuō)明所有樣品的彈性都大于黏度，即樣品主要是彈性組分，表現(xiàn)出黏彈性固體的性質(zhì)。隨著進(jìn)水流量的增加，系統(tǒng)的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)均呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明植物蛋白肉的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)；隨著進(jìn)水流量的增加，促進(jìn)了分子的充分膨脹，擠壓過(guò)程中蛋白相互作用，生成大分子聚合物，提高其流變學(xué)性質(zhì)，增加了植物蛋白肉的持水能力，并導(dǎo)致其黏彈性有所改善。

圖3 不同進(jìn)水流量下(蛋白)樣品分散體系的G′變化曲線

圖4 不同進(jìn)水流量下(蛋白)樣品分散體系的G″變化曲線

圖5為各水分條件下(蛋白)樣品分散體系的tanδ損耗角正切隨角頻率的變化曲線。損耗角正切tanδ(G″/G′)是測(cè)量阻尼的一個(gè)因素。當(dāng)tanδ大于1時(shí)，樣品趨于液態(tài)，當(dāng)tanδ小于1時(shí)，樣品保持較大的彈性。tanδ反映了樣品體系的黏彈性。tanδ值越小，系統(tǒng)彈性越大，試樣的固體性能越強(qiáng)[20,21]。從圖5可以看出，在所有水分條件下，(蛋白)樣品分散體系的損耗角正切值隨著角頻率的增加而增加，說(shuō)明樣品的固體性質(zhì)隨著角頻率的增加而減弱，這與之前的靜態(tài)流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。(蛋白)樣品分散體系的tanδ值在所有水分條件下小于1，這表明蛋白質(zhì)分子在經(jīng)過(guò)擠壓重組聚集形成纖維化組織后的結(jié)構(gòu)保持較大的彈性，系統(tǒng)與水結(jié)合的能力變得更強(qiáng)，有利于黏彈性流體的形成。所有進(jìn)水條件下，進(jìn)水流量越大，(蛋白)樣品分散體系的tanδ值就越大，表現(xiàn)為樣品的流動(dòng)性越強(qiáng)。

圖5 不同進(jìn)水流量下(蛋白)樣品分散體系的tanδ變化曲線

2.2 冷卻溫度對(duì)植物蛋白肉流變特性的影響

2.2.1 靜態(tài)流變分析

高水分?jǐn)D壓和中、低水分?jǐn)D壓的主要區(qū)別之一是使用長(zhǎng)冷卻模頭，機(jī)筒的溫度設(shè)置由喂料端到模頭端依次為低高低，降低了模頭出口處能量的黏性耗散作用和產(chǎn)品膨化程度，對(duì)凝膠化、微凝結(jié)及蛋白質(zhì)的纖維化均有促進(jìn)作用[22-24]。本實(shí)驗(yàn)選擇模頭冷卻端不同的冷卻溫度(40、45、50、55、60 ℃)進(jìn)行擠壓，得到擠出的產(chǎn)品，并研究了冷卻溫度對(duì)產(chǎn)品流變性能的影響。圖6為不同冷卻溫度下(蛋白)樣品分散體系表觀黏度隨剪切速率的變化曲線。由圖6中可以看出，所有體系整個(gè)剪切掃描范圍內(nèi)都呈現(xiàn)流體行為，在所測(cè)的全部冷卻溫度下，靜態(tài)流變曲線都呈現(xiàn)了兩段：當(dāng)剪切速率較低時(shí)，表觀黏度隨著剪切速率的增加而急劇下降，即剪切稀化。當(dāng)剪切速率增加到某一臨界值時(shí)，表觀黏度趨于穩(wěn)定，對(duì)剪切速率的依賴(lài)關(guān)系消失而趨于恒定。這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為第二牛頓區(qū)域[25]，黏度的常數(shù)值稱(chēng)為牛頓黏度。在整個(gè)剪切范圍內(nèi)，隨著冷卻溫度的升高，表觀黏度也隨之增加，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)冷卻溫度的升高有利于促進(jìn)植物蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，進(jìn)而改善其流變特性。

圖6 不同冷卻溫度下(蛋白)樣品分散體系的表觀黏度

2.2.2 動(dòng)態(tài)流變分析

不同冷卻溫度(40、45、50、55、60 ℃)下(蛋白)樣品分散體系動(dòng)態(tài)流變曲線的彈性模量和損耗模量與動(dòng)態(tài)振蕩頻率的關(guān)系見(jiàn)圖7和圖8。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，不同冷卻溫度下(蛋白)樣品分散體系的儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨角頻率有規(guī)律地增加。隨著頻率的增加，所有樣品的G′和G″的值始終保持上升趨勢(shì)。另外，5個(gè)樣品的G′均大于G″，說(shuō)明所有樣品的彈性均大于黏性，即樣品中的彈性分量更為突出，表現(xiàn)出粘彈性固體的特性[26,27]。如圖7和圖8所示，冷卻溫度的升高改變了G′和G″，并且在測(cè)量的頻率范圍內(nèi)兩模量之間沒(méi)有交叉。此外，G′和G″均隨角頻率的增加而增加，且G′遠(yuǎn)大于G″，表明該體系是典型的弱凝膠動(dòng)態(tài)流變體系。在頻率增大的過(guò)程中，5個(gè)樣品在低頻率范圍內(nèi)，G′和G″急劇上升，在達(dá)到一定頻率后上升的趨勢(shì)減緩。在頻率增大的過(guò)程中，在不同冷卻溫度下制備的樣品對(duì)頻率變化的G′和G″范圍略有不同，40 ℃和45 ℃下的G′和G″較低，50 ℃和55 ℃冷卻溫度下的G′和G″較高，而在60 ℃冷卻溫度下隨角頻率的上升趨勢(shì)最為突出，G′和G″最高。說(shuō)明冷卻溫度影響擠壓產(chǎn)品的強(qiáng)韌度。

圖7 不同冷卻溫度下(蛋白)樣品分散體系的G′變化曲線

圖8 不同冷卻溫度下(蛋白)樣品分散體系的G″變化曲線

3 結(jié)論

研究了高水分?jǐn)D壓過(guò)程中水分和冷卻溫度對(duì)擠壓制品流變性能的影響。結(jié)果顯示，植物蛋白肉產(chǎn)品的流變特性受擠壓過(guò)程中水分和冷卻溫度的影響。在靜態(tài)流變測(cè)試結(jié)果中，體系在所有條件下皆表現(xiàn)出剪切變稀的非牛頓流體特征，隨著進(jìn)水流量和冷卻溫度的增大，體系的表觀黏度隨之增大。動(dòng)態(tài)流變結(jié)果中所有樣品的G′均高于G″，表現(xiàn)出彈性固體的性質(zhì)，樣品的G′和G″均隨著角頻率的增加而增大。說(shuō)明擠壓過(guò)程中水分升高有利于促進(jìn)蛋白質(zhì)的交聯(lián)和蛋白質(zhì)與其他組分之間的相互作用；在一定范圍內(nèi)，冷卻溫度的增加能夠提高擠壓產(chǎn)品的強(qiáng)韌度。