安紅周, 孟雪艷, 朱雪慶, 楊嘉菲, 李盤欣, 黃亞男

(河南工業(yè)大學糧油食品學院1,鄭州 450001) (小麥和玉米深加工國家工程研究中心2,鄭州 450001) (河南省南街村集團有限公司3,漯河 462600)

隨著現(xiàn)代人們健康意識的不斷提高和素食主義的盛行,以植物蛋白為原料擠壓制備的植物組織蛋白成為改善飲食結構的新選擇[1]。植物組織蛋白(Textured Vegetable Protein, TVP)可分為低水分組織蛋白(水質(zhì)量分數(shù)<40%)和高水分組織蛋白(水質(zhì)量分數(shù)為40%～80%)。其中,高水分組織蛋白其營養(yǎng)價值、質(zhì)地和外觀與動物肉相似,是一種在功能上可以替代肉類的植物蛋白產(chǎn)品[2]。2020年全球植物組織蛋白市場價值為11億美元,預計到2027年將達到21億美元,復合年增長率為9.2%[3],植物組織蛋白的應用具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。谷朊?WG)作為擠壓組織蛋白生產(chǎn)中重要的原輔料,對產(chǎn)品纖維結構的形成具有重要作用[4]。同時谷朊粉具有原料豐富、價格低廉的特點,因此被廣泛添加到擠壓原料中用于改善組織蛋白的產(chǎn)品品質(zhì)。谷朊粉能夠提高組織蛋白產(chǎn)品的抗蠕變和不可恢復的變形能力,大豆蛋白和谷朊粉復合擠壓可以形成結構良好的組織蛋白產(chǎn)品[5]。Chiang等[6]分析了大豆?jié)饪s蛋白和谷朊粉配比對擠壓組織蛋白理化性質(zhì)和質(zhì)地的影響,發(fā)現(xiàn)含有質(zhì)量分數(shù)30%谷朊粉的產(chǎn)品具有最高的組織化度、纖維結構、硬度和咀嚼性。Zhang等[7]研究發(fā)現(xiàn)在大豆?jié)饪s蛋白和谷朊粉共混物中,增加谷朊粉含量能夠使產(chǎn)品纖維結構增加,谷朊粉在促進擠壓組織蛋白中二硫鍵的增加,纖維結構形成方面起著關鍵的作用。

對于谷朊粉中的兩大蛋白組分——麥谷蛋白(Glu)和麥醇溶蛋白(Gli)的研究多集中在面制品方面。Barak等[8]發(fā)現(xiàn)Gli和Glu對面包比容有積極影響,比值與面包芯的硬度呈正相關。楊濤等[9]研究表明醇谷比增加,餅干直徑增加并且能夠改善色澤,但醇谷比過高則會導致面筋蛋白黏彈性下降,餅干硬度增加。當Glu和Gli的質(zhì)量比為1∶1時,饅頭在冷凍儲藏期間比容最高和硬度最低,速凍饅頭的品質(zhì)和冷凍穩(wěn)定性最佳[10]。因此,Gli和Glu對于提供適當?shù)拿娼铕ば院蛷椥蕴匦云胶庵陵P重要。

科研學者在谷朊粉對組織蛋白品質(zhì)的改善方面做了大量研究,但對其主要蛋白組分Glu和Gli對擠壓組織蛋白產(chǎn)品品質(zhì)的影響尚未明確。探究Glu和Gli及二者的比例對植物組織蛋白產(chǎn)品的開發(fā)和品質(zhì)改善具有一定的指導意義。Glu和Gli對低水分組織蛋白品質(zhì)的影響規(guī)律表明,Gli具有保持產(chǎn)品氣體的能力,Glu能夠支撐產(chǎn)品氣孔不塌陷。低水分與高水分組織蛋白產(chǎn)品在形狀、結構和形成機理等方面有諸多不同點,故實驗對Glu和Gli對高水分組織蛋白品質(zhì)的影響進行探究。實驗采用分離重組的方法,以谷朊粉為材料提取得到Glu和Gli,并按不同比例進行重組,在擠壓配方中替代谷朊粉。研究不同谷醇比擠壓混合粉的流變特性以及對高水分組織蛋白產(chǎn)品品質(zhì)的影響,并分析2種組分在高水分擠壓中所起的作用,為高水分組織蛋白品質(zhì)的改善提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

大豆分離蛋白,低溫脫脂豆粕,谷朊粉,小麥淀粉。

試劑:無水乙醇(分析純),鹽酸(分析純),大豆油(一級食用油)。

CLEXTRAL Ev025型雙螺桿擠壓機,HAAKE RS6000流變儀,CR-400色彩色差儀,LXJ-IIB低速離心機,TA-XT PLUS物性測試儀,LGJ-10冷凍干燥機。

1.2 原料基礎指標

水分的測定:GB/T 5009.3—2016;灰分的測定:GB/T 5009.4—2016;粗蛋白的測定:GB/T 5009.5—2016;粗脂肪的測定:GB/T 5009.6—2016。

1.3 麥谷蛋白和麥醇溶蛋白的提取

將谷朊粉和體積分數(shù)70%的乙醇以1∶30(g/mL)比例混合,常溫下磁力攪拌2 h,在3 870 g下離心15 min,水洗沉淀2～3次得到Glu。收集上清液,加入2倍水稀釋并調(diào)節(jié)pH至6.2,攪拌稀釋液,靜止隔夜收集Gli。提取出的蛋白用冷凍干燥機凍干,粉碎過100目篩。

1.4 擠壓實驗

將提取出的Glu和Gli按質(zhì)量比100∶0、80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100進行重組,替代擠壓配方中的谷朊粉生產(chǎn)高水分組織蛋白產(chǎn)品,質(zhì)量比分別記為Glu∶Gli=100∶0、Glu∶Gli=80∶20、Glu∶Gli=60∶40、Glu∶Gli=40∶60、Glu∶Gli=20∶80、Glu∶Gli=0∶100。

大豆分離蛋白∶谷朊粉∶低溫脫脂豆粕的質(zhì)量比為40%∶30%∶30%,另外添加小麥淀粉質(zhì)量分數(shù)為5%。擠壓機1～6區(qū)溫度設置為30 ℃—90 ℃—120 ℃—140 ℃—150 ℃—160 ℃,冷卻模頭溫度為60 ℃;加水量:3.2 L/h;喂料量:2.8 kg/h;螺桿轉速:280 r/min。

1.5 混合原料流變特性

參照Savadkoohi等[11]的方法進行修改。樣品處理:稱取5 g原料混合粉,加20 mL蒸餾水,攪拌均勻,置于4 ℃下儲存過夜。取1 g樣品加到流變儀的下板,設置板間隙為1 mm,樣品邊緣用硅油密封。

應變掃描:恒定溫度25 ℃,恒定頻率1 Hz,應變0.01%～100%,G*不變的區(qū)域為線性黏彈區(qū),確定應變固定為1%。

溫度掃描:恒定頻率1 Hz,應變1%,以5 ℃/min的速率從20 ℃升溫至95 ℃,保持恒溫2 min,再以5 ℃/min降溫至20 ℃。記錄樣品的儲存模量(G′)和損耗模量(G″)以及損耗角正切值tanδ隨溫度和時間的變化。

1.6 高水分組織蛋白產(chǎn)品品質(zhì)測定

1.6.1 色澤

將制備好的組織蛋白產(chǎn)品進行真空冷凍干燥,粉碎過100目篩。色彩色差計進行校正后測定樣品明度系數(shù)L*值、彩度系數(shù)a*、b*值及總色差ΔE*。標準白板色調(diào)值L標*=95.22,a標*=-0.60,b標*=4.15。ΔE*的計算公式:

式中:ΔL*、Δa*和Δb*為樣品和標準白板之間的差值。

1.6.2 持水性

將制備好的組織蛋白產(chǎn)品進行真空冷凍干燥,粉碎過100目篩。稱取樣品約3.0 g分散在25 mL蒸餾水中,置于50 mL離心管中。混勻后靜置30 min,2 177 g離心25 min。倒去上清液,瀝干后稱質(zhì)量。

式中:m1為樣品的質(zhì)量/g;m2為離心管的質(zhì)量/g;m3為離心后離心管和樣品的質(zhì)量/g。

1.6.3 持油性

將制備好的組織蛋白產(chǎn)品進行真空冷凍干燥,粉碎過100目篩。稱取樣品約3.0 g置于50 mL離心管中,加17 mL大豆油,混勻后靜置30 min,4 899 g離心10 min。倒去上清液,瀝干后稱重。

式中:m1為樣品的質(zhì)量/g;m2為離心管的質(zhì)量/g;m3為離心后離心管和樣品的質(zhì)量/g。

1.6.4 質(zhì)構特性

擠壓制備好的組織蛋白產(chǎn)品修剪成2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm的形狀,選定質(zhì)構儀為TPA模式,采用P/50探頭,測試前速度2.0 mm/s,測試中速度1.0 mm/s,測試后速度2.0 mm/s,下壓程度為50%,觸發(fā)力5 g,時間間隔5 s。

1.6.5 組織化度

測定垂直于擠壓機物料流出方向的剪切力與平行于擠壓機物料流出方向的剪切力,比值表示組織化度。將產(chǎn)品修剪成2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm的形狀,質(zhì)構儀為剪切模式,采用A/CKB探頭,測試前速度2.0 mm/s,測試中速度1.0 mm/s,測試后速度2.0 mm/s,剪切程度75%。

1.6.6 拉伸特性

參照陳樹鵬等[12]的方法對產(chǎn)品進行修剪,沿擠壓機物料流出方向進行拉伸。質(zhì)構儀為拉伸模式,采用A/TG探頭,拉伸速度1 mm/s,拉伸位移100 cm,觸發(fā)力5 g。

1.6.7 感官評價

參照朱嵩[13]的方法進行修改。由12名專業(yè)感官評價員(6名男生,6名女生)分別從色澤、表觀狀態(tài)、風味、口感、組織狀態(tài)5個方面進行評價,按不同的權重系數(shù)(色澤∶表觀狀態(tài)∶風味∶口感∶組織狀態(tài)=0.15∶ 0.15∶ 0.20∶ 0.25∶ 0.25)計算出總分。感官評價表見表1。

表1 高水分組織蛋白感官評價表

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS Statistics 26軟件進行ANOVA差異顯著性分析,P<0.05為顯著性差異;Origin Pro 2021軟件作圖。所有結果均采用3次重復實驗的平均值和標準差表示。

2 結果與分析

2.1 原料基礎指標

表2為擠壓所用的大豆分離蛋白、谷朊粉、豆粕和小麥淀粉以及提取出的Glu和Gli的基礎理化指標。從谷朊粉中提取出的Gli質(zhì)量分數(shù)為96.39%,蛋白含量較高。Glu里含有谷朊粉中的大部分淀粉,蛋白質(zhì)量分數(shù)稍低為78.08%。另外,測得谷朊粉中的Glu質(zhì)量分數(shù)為(31.01±0.01)%,Gli質(zhì)量分數(shù)(為51.54±0.01)%。

表2 原料基礎理化成分表

2.2 不同谷醇比對擠壓混料的流變學特性分析

原料的流變特性對擠出過程有重要的影響。例如,螺桿轉動產(chǎn)生的剪切應力是黏度的函數(shù),是物理和化學變化的原因[14]。冷卻模頭中的流動行為影響擠壓高水分組織蛋白的產(chǎn)品形態(tài)結構[15],也是流變特性的函數(shù)[16]。谷朊粉中的主要組分Glu和Gli是影響擠壓混料流變學的重要因素。不同谷醇比對擠壓混料的流變學特性測定結果如圖1所示。

在升溫階段(20～95 ℃),擠壓混料的儲能模量G′和損耗模量G″先減小后增大。G′和G″值的減小與天然蛋白質(zhì)分子鏈展開發(fā)生變性這一過程和分子間物理相互作用(氫鍵和離子鍵)被破壞相一致。Ortolan等[17]也指出,加熱對離子鍵和氫鍵的破壞作

用導致面筋網(wǎng)絡的G′和G″降低。隨著溫度的繼續(xù)升高,G′和G″值逐漸增大。隱藏在蛋白內(nèi)部的巰基和疏水基團等更多官能團暴露出來,使基團之間的相互作用增加[18]。因此,G′和G″在溫度升高的過程中呈先下降后上升的趨勢。降溫階段(95～20 ℃)G′和G″迅速上升,這可能是因為蛋白質(zhì)分子間通過二硫鍵和非共價相互作用發(fā)生交聯(lián),導致蛋白質(zhì)聚集性增加。此外,tanδ在90 ℃和80 ℃左右有2個明顯的峰,這可能與蛋白質(zhì)分子之間的結合和聚集有關[19]。在溫度掃描中,隨著谷醇比的減小,擠壓混料的G′和G″呈下降趨勢,主要是和Glu呈現(xiàn)固體性質(zhì)以及Gli表現(xiàn)出流體的性質(zhì)有關。這一實驗結果與Chen等[20]研究相一致。損耗角正切值tanδ為G″/G′,所有樣品的tanδ均小于1,G′大于G″,表明物料彈性占主要部分,為弱凝膠體。tanδ越大,流動性越強。在升溫過程中,增加Gli含量可以提高tanδ值,表明Gli有利于提高擠出過程中熔體的流動性。

2.3 不同谷醇比對產(chǎn)品持水性和持油性的影響

蛋白質(zhì)對水和油脂的吸收與產(chǎn)品的質(zhì)地、口感和風味保持有關[21]。蛋白質(zhì)與水或油的結合取決于極性親水基團或疏水基團的可用性,并受到蛋白質(zhì)組成和構象變化的強烈影響[22]。由圖2可知,空白產(chǎn)品的持水性和持油性分別與40∶60(質(zhì)量比)和20∶80(質(zhì)量比)的產(chǎn)品無顯著性差異,測定空白產(chǎn)品中谷朊粉原料谷醇比為0.601。隨著谷醇比的減小,重組谷朊粉擠壓產(chǎn)品持水性顯著降低(P<0.05),持油性呈下降趨勢。Glu結構呈纖維狀,其大分子聚合物有利于水和油的保持。Gli結構為小分子的球形,主要依靠氨基酸殘基的非極性側鏈間的疏水相互作用,在此結構中的非極性基團傾向于疏水的環(huán)境[23]。Chen等[24]指出隨著溫度的升高,相比于Glu,Gli在擠壓過程中的共價交聯(lián)程度更高。Glu和Gli本身結構、氨基酸組成和黏彈性等方面存在的差異,擠壓后Glu和Gli分子質(zhì)量改變,兩者聚合形成不同強度的網(wǎng)絡結構。

圖2 擠壓產(chǎn)品的持水性和持油性

2.4 不同谷醇比對產(chǎn)品的色澤影響

擠壓蒸煮過程中的顏色變化可作為視覺指標,能夠反映擠壓過程中的化學反應程度。 Ilo等[25]研究了擠壓蒸煮過程中的顏色變化動力學并得出結論,亮度值L*值是擠壓蒸煮過程中最可靠的變化指標。在高溫下,通過誘導美拉德反應、焦糖化反應和色素降解等顯著影響擠出物的亮度[26]。由圖3可知,Glu和Gli質(zhì)量比為100∶0時,擠壓產(chǎn)品的L*值最小,ΔE*值最大。Gli比例的增加在一定程度上改善了產(chǎn)品的色澤,亮度值L*值顯著性增大(P<0.05),色差ΔE*值顯著性減小(P<0.05)。Glu和Gli的質(zhì)量比為0∶100時,擠壓產(chǎn)品最亮,色差ΔE*值最小。一方面可能是由于提取的Glu比Gli色澤深,原料本身色澤的差異對產(chǎn)品的色澤造成一定的影響。另一方面,由擠壓混料的流變學特性可知,隨著Gli含量的增多,物料的流動性增加,在擠壓機機筒內(nèi)的停留時間縮短,導致非酶褐變反應如美拉德反應、焦糖化反應等的程度低,因此產(chǎn)品的色澤亮色差小。

圖3 擠壓產(chǎn)品的L*值和ΔE*值

2.5 不同谷醇比對產(chǎn)品質(zhì)構的影響

質(zhì)構是影響消費者對擠壓食品可接受性的最關鍵因素之一。由表3可知,與空白產(chǎn)品相比,重組谷朊粉產(chǎn)品的硬度和咀嚼性顯著性下降,可能與Glu和Gli提取中破壞了蛋白間的結合有關。隨著Glu的減少,組織蛋白產(chǎn)品的硬度和咀嚼性呈下降趨勢,彈性無明顯變化。Glu各亞基之間通過分子間二硫鍵和氫鍵、疏水作用等非共價鍵聚集成分子量較大的聚合物,進而形成具有剛性和彈性的網(wǎng)絡,賦予產(chǎn)品硬度和彈性。產(chǎn)品硬度和咀嚼性下降可能是因為Glu含量少降低了面筋結構的致密性,從而形成較弱的面筋網(wǎng)絡所引起的[27]。陸啟玉[28]發(fā)現(xiàn)隨著Glu和Gli比的升高,面條的硬度變大。Barak等[29]也發(fā)現(xiàn)Gli和Glu比值與餅干的硬度呈負相關。Glu和Gli質(zhì)量比為20∶80時,產(chǎn)品具有相對較高的硬度和咀嚼性。

表3 擠壓產(chǎn)品的質(zhì)構特性

2.6 不同谷醇比對產(chǎn)品組織化度的影響

組織化度為橫向剪切應力和縱向剪切應力的比值,可用于描述高水分組織蛋白產(chǎn)品的纖維結構。由表4可以看出,所有擠壓產(chǎn)品的橫向剪切力均大于縱向剪切力,即組織化度大于1,說明產(chǎn)品均具有纖維結構。隨著谷醇比的減小,產(chǎn)品的橫向剪切力整體呈增大趨勢,縱向剪切力呈減小趨勢,組織化度先上升后下降。當Glu和Gli的質(zhì)量比為20∶80時,具有最高的組織化度2.63。這表明Gli含量的增多有利于物料沿擠出方向形成纖維結構,而且硬度降低,使擠出物具有柔軟的質(zhì)地。分散在蛋白質(zhì)分子中的球狀Gli可以改善物料的流動性和柔韌性,進一步促進各向異性纖維結構的形成。另外,Glu主要為面筋提供彈性,并且聚合性較大,可能不利于擠壓過程中蛋白質(zhì)分子的取向排列[30]。因此,Glu含量高,產(chǎn)品硬度高,組織化程度變低。Glu是形成面筋的主干結構,球形的Gli填充在纖維狀的Glu聚合物中,兩者通過非共價鍵結合共同形成黏彈性的面筋網(wǎng)絡。所以當原料中不含Glu時,擠壓產(chǎn)品的組織化度下降。因此,Glu和Gli兩者單獨存在或者比例不適當都無法形成纖維品質(zhì)良好的產(chǎn)品。

2.7 不同谷醇比對產(chǎn)品拉伸特性的影響

拉伸試驗是測量產(chǎn)品的抗撕裂性。最大拉伸力是指啞鈴或狗骨形狀樣品被拉伸至斷裂時所承受的最大力[31]。擠壓產(chǎn)品的拉伸特性如表5所示。重組谷朊粉擠壓產(chǎn)品的最大拉伸力和拉伸距離呈先增大后減小趨勢,其中Glu和Gli的質(zhì)量比為40∶60的產(chǎn)品最大拉伸力與空白無顯著性差異,這表明了平衡Glu和Gli這兩大組分對擠壓產(chǎn)品拉伸品質(zhì)的重要性。拉伸距離越大表示產(chǎn)品的延展性越好。隨著Gli含量的增多,物料的延展性能增強,因此組織蛋白產(chǎn)品的拉伸距離顯著性增大(P<0.05)。但當Gli含量繼續(xù)增加,拉伸距離減小,產(chǎn)品韌性降低容易被拉斷,可能是產(chǎn)品中缺乏Glu支撐所導致的。

表5 擠壓產(chǎn)品的拉伸特性

2.8 不同谷醇比對產(chǎn)品感官評價的影響

感官特性與外觀、質(zhì)地和風味等密切相關。擠壓產(chǎn)品的各項指標平均得分和總分如表6所示,隨著谷醇比的減小,產(chǎn)品色澤和表觀值逐漸增大,這與色澤數(shù)據(jù)相符。產(chǎn)品的感官總分先增大后減小,當Glu和Gli的質(zhì)量比為20∶80時,產(chǎn)品色澤明亮均勻、口感軟硬適中以及纖維結構豐富,具有最高的感官評分。Glu和Gli為40∶60以較好的風味和口感排名第二。Glu和Gli為0∶100因缺乏Glu結構的支撐,其表觀狀態(tài)稍差且產(chǎn)品略偏軟排名第三。

表6 擠壓產(chǎn)品的感官評分

3 結論

重組谷朊粉擠壓混料的流變結果顯示,增大Gli的含量有利于提高擠出過程中物料的流動性。在一定程度上,Glu含量的減少使擠壓產(chǎn)品的持水性、硬度和咀嚼性下降,Gli含量增加使產(chǎn)品的色澤變亮,橫向剪切力、拉伸距離和組織化度顯著升高(P<0.05)。當Glu和Gli為20∶80時,產(chǎn)品具有相對較高的硬度和咀嚼性,組織化度值最大,并且具有最高的感官評分,該比例下產(chǎn)品品質(zhì)最好,說明Gli對于纖維結構的形成更有利。Glu和Gli的質(zhì)量比為0∶100時,由于缺乏Glu的網(wǎng)絡結構支撐,使得產(chǎn)品的組織化度下降。研究表明Glu對產(chǎn)品網(wǎng)絡結構具有支撐作用,Gli對產(chǎn)品纖維結構的形成有利。在之后的研究中,可對擠壓過程中Glu和Gli分子結構的動態(tài)變化以及二者相互作用的機制進行深入探討。