孫翠霞, 王淑蕊, 臧一宇, 扶佳玲, 方亞鵬

(上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院, 上海 200240)

蛋白質(zhì)是人類健康生活必需的營養(yǎng)元素,主要包括動(dòng)物蛋白和植物蛋白兩大類。全球人口快速增長,環(huán)境壓力持續(xù)加重,動(dòng)物蛋白供給緊張。全面開發(fā)利用植物蛋白, 生產(chǎn)綠色、環(huán)保、節(jié)能、安全、營養(yǎng)、健康的植物蛋白仿生肉是未來食品發(fā)展的重要方向。組織化植物蛋白(textured vegetable proteins, TVP)是一種具有類似動(dòng)物肌肉纖維狀結(jié)構(gòu)和口感的植物蛋白制品[1]。由低水分(水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%)擠壓的拉絲蛋白制備的植物肉產(chǎn)品呈海綿狀結(jié)構(gòu),在使用前需經(jīng)過復(fù)水、拆絲、黏合、重組等多個(gè)工序,而且其咀嚼性較差,在模仿動(dòng)物肉的外觀和質(zhì)地方面存在缺陷[2]。高水分?jǐn)D壓技術(shù)制備的高水分(水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～80%)蛋白組織化程度高,在制備纖維狀仿生肉制品方面具有低能耗、高效率和高品質(zhì)的優(yōu)勢(shì)[3],被認(rèn)為是一種非常有前景的植物蛋白仿生肉的開發(fā)技術(shù)。

現(xiàn)有高水分植物蛋白擠壓的研究主要聚焦于大豆蛋白[4-6],然而,我國大豆長期需要大量進(jìn)口,進(jìn)口份額占比高達(dá)86%,如何在降低大豆依賴性的同時(shí)滿足人們對(duì)優(yōu)質(zhì)豆類蛋白質(zhì)的需求,是當(dāng)前亟須解決的一個(gè)重要問題[7]。豌豆分離蛋白(pea protein isolate, PPI)作為豌豆淀粉加工副產(chǎn)物中的主要成分,營養(yǎng)價(jià)值較高,其必需氨基酸配比貼近人體需求,且賴氨酸的含量尤其豐富[8]。此外,豌豆蛋白致敏性低、乳化性和泡沫穩(wěn)定性強(qiáng),是大豆蛋白理想的替代品,在植物肉蛋白原料應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。已有研究表明,在高水分條件下使用雙螺桿擠出機(jī)擠壓豌豆蛋白可以形成類似動(dòng)物肉的纖維狀結(jié)構(gòu),擠出物的纖維結(jié)構(gòu)受擠壓條件的影響顯著[7,10]。然而,目前研究聚焦于在單一工藝參數(shù)下研究豌豆蛋白擠出物的質(zhì)構(gòu)特性,有關(guān)豌豆蛋白高水分?jǐn)D壓參數(shù)的優(yōu)化缺乏系統(tǒng)研究。本研究擬以PPI為原料進(jìn)行高水分?jǐn)D壓制備豌豆組織化蛋白,研究擠壓參數(shù),包括水分含量、蒸煮溫度、喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速的變化對(duì)擠出物的外觀、質(zhì)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)特性的調(diào)控作用以及對(duì)擠出機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的影響。以動(dòng)物肉參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),并進(jìn)行主成分分析,優(yōu)化PPI擠出物的工藝參數(shù),希望得到最接近動(dòng)物肉的操作參數(shù),以期為高水分組織化植物蛋白的生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豌豆分離蛋白(蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.3%),購于煙臺(tái)雙塔食品股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Process 11 Hygienic型同向嚙合雙螺桿擠壓機(jī),主機(jī)長寬高分別為820、480、410 mm,螺桿直徑為11 mm,螺桿長徑比為40∶1,德國賽默飛世爾科技有限公司。附在擠出機(jī)端部的長冷卻模的長寬高分別為250、70、40 mm。擠壓機(jī)的機(jī)筒有8個(gè)獨(dú)立溫控區(qū),由電筒加熱系統(tǒng)加熱,并由制冷循環(huán)器冷卻。機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度可通過主機(jī)上的控制面板進(jìn)行調(diào)控,轉(zhuǎn)速可設(shè)置為0～1 000 r/min。

Kjeltec型凱氏定氮儀,丹麥Foss公司;GZX-9140MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器,上海儀昕科學(xué)儀器有限公司;TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)分析儀,英國Stable Micro Systems公司;UltraScan VIS型雙光路分光色度儀,美國Hunter Associates Laboratory公司;Rise-Manga型拉曼圖像掃描電子顯微鏡聯(lián)用儀,捷克Tescan公司;Scientz-18ND型冷凍干燥機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司;ME2002型分析天平,瑞士梅特勒-托利多有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1PPI基本成分測(cè)定

根據(jù)國標(biāo)中的方法,對(duì)市售豌豆分離蛋白中水分(GB 5009.3—2016)、蛋白含量(GB 5009.5—2016)、粗脂肪(GB 5009.6—2016)、灰分(GB 5009.4—2016)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定結(jié)果:水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.47%,蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.30%,粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.63%,灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.60%。

1.3.2高水分?jǐn)D壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

雙螺桿擠壓實(shí)驗(yàn)開始前,對(duì)流量泵和喂料器進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整。對(duì)喂料器的螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度建立回歸方程,設(shè)定喂料器螺桿轉(zhuǎn)速后即可根據(jù)方程計(jì)算出實(shí)際喂料速度。恒流泵通過細(xì)長的橡膠管道將水泵入擠出機(jī)。長冷卻模具的溫度通過水循環(huán)保持在70 ℃,另一側(cè)的水循環(huán)溫度設(shè)置在25 ℃來冷卻機(jī)筒,樣品擠出后立即收集。

1.3.3不同工藝條件下PPI擠出物特性的測(cè)定

1.3.3.1 不同水分含量條件下的PPI擠出物特性的測(cè)定

探究不同水分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%、50%、55%、60%、65%)對(duì)PPI擠出物的宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)特性、感官特性、微觀結(jié)構(gòu)的影響。保持其他參數(shù)條件不變,蒸煮溫度設(shè)置為150 ℃,喂料速度設(shè)置為8 g/min,螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為150 r/min。

1.3.3.2 不同蒸煮溫度條件下的PPI擠出物特性的測(cè)定

探究機(jī)筒蒸煮區(qū)段的蒸煮溫度(120、130、140、150、160 ℃)對(duì)PPI擠出物的宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)特性、感官特性、微觀結(jié)構(gòu)的影響。保持其他參數(shù)條件不變,機(jī)筒喂料區(qū)段、混合區(qū)段、傳輸區(qū)段的溫度分別設(shè)置為40、60、90 ℃,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為55%,喂料速度設(shè)置為8 g/min,螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為150 r/min。

1.3.3.3 不同喂料速度條件下的PPI擠出物特性的測(cè)定

探究擠壓機(jī)不同喂料速度(4、5、6、7、8 g/min)對(duì)PPI擠出物的宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)特性、感官特性、微觀結(jié)構(gòu)的影響。保持其他參數(shù)條件不變,水分含量設(shè)置為55%,蒸煮溫度設(shè)置為150 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為150 r/min。

1.3.3.4 不同螺桿轉(zhuǎn)速條件下的PPI擠出物特性的測(cè)定

探究擠壓機(jī)不同螺桿轉(zhuǎn)速(125、150、175、200、225 r/min)對(duì)PPI擠出物的宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)特性、感官特性、微觀結(jié)構(gòu)的影響。保持其他參數(shù)條件不變,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為55%,蒸煮溫度設(shè)置為150 ℃,喂料速度設(shè)置為8 g/min。

1.3.4正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)四因素和三水平的正交試驗(yàn),如表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.5高水分組織化PPI的宏觀結(jié)構(gòu)觀察

為了在宏觀尺度上觀察組織化產(chǎn)品中各向異性結(jié)構(gòu)的形成,從邊緣切割擠出物,沿切口縱向撕開產(chǎn)品,以觀察其內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu),拍攝記錄。

1.3.6高水分組織化PPI的質(zhì)構(gòu)特性表征

1.3.6.1 硬度、彈性、咀嚼度的測(cè)定

采用Fang等[6]的方法并適當(dāng)修改。使用質(zhì)構(gòu)分析儀對(duì)PPI擠出物質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行測(cè)定。動(dòng)物肉被切割成20 mm×20 mm的方形。儀器使用1 kg的砝碼進(jìn)行校準(zhǔn),儀器模式選擇TPA,探頭為P/50。測(cè)試前的速度為2 mm/s,測(cè)試的速度為1 mm/s,測(cè)試后的速度為2 mm/s,下壓樣品的程度為50%,探頭往復(fù)兩次進(jìn)行下壓,時(shí)間間隔為5 s。記錄硬度、彈性和咀嚼度數(shù)據(jù),每個(gè)樣品平行測(cè)定8次。

1.3.6.2 剪切力及組織化度的測(cè)定

組織化度在組織化產(chǎn)品的表征中用于指示纖維化程度。根據(jù)張金闖[11]的方法略加修改,采用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定樣品剪切力。儀器模式設(shè)定為剪切模式,探頭選擇HDB/BSK切刀。測(cè)試前的速度為2 mm/s,測(cè)試的速度為1 mm/s,測(cè)試后的速度為2 mm/s,切割樣品的程度為75%。組織化度用橫向與縱向剪切力的比值表示,每種動(dòng)物肉平行測(cè)定8次。

1.3.7高水分組織化PPI的感官特性評(píng)價(jià)

由20名感官員在室溫下(25 ℃)對(duì)PPI擠出物進(jìn)行感官特性評(píng)估。感官員都有至少一年的感官評(píng)估經(jīng)驗(yàn),熟悉樣品以及評(píng)估的感官屬性。組織化樣品中不添加調(diào)味料和香料,以避免調(diào)味對(duì)口感的影響[12]。為了消除上一個(gè)樣品在口腔的殘留和感官員的疲勞,感官員每次品評(píng)樣品之后用溫水漱口,然后繼續(xù)品評(píng)下一個(gè)樣品[13]。感官員按照表2對(duì)表觀、色澤、纖維結(jié)構(gòu)、風(fēng)味、口感進(jìn)行0～5分的感官特性評(píng)價(jià)[14-15]。

表2 豌豆分離蛋白擠出物感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.8高水分組織化PPI的微觀結(jié)構(gòu)觀察

利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)分析PPI擠出物的微觀結(jié)構(gòu)[16]。將樣品在液氮中快速冷凍后進(jìn)行真空干燥。對(duì)干燥后的樣品噴金處理45 s。圖像采集的加速電壓恒定5 kV,SEM圖片放大倍數(shù)為300倍和3 000倍。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,并用Duncan’s multiple-range test進(jìn)行多重比較。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,P<0.05 時(shí),表示數(shù)據(jù)間具有顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工藝參數(shù)對(duì)PPI擠出物宏觀結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1水分含量的影響

不同水分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%、50%、55%、60%、65%)的PPI擠出物宏觀結(jié)構(gòu)如圖1。由圖1可見,水分含量為45%時(shí),擠出物有層狀結(jié)構(gòu)形成,宏觀結(jié)構(gòu)顯示出各向異性,但是樣品內(nèi)部塑化嚴(yán)重;水分含量為50%時(shí),樣品形成密集的層狀結(jié)構(gòu);繼續(xù)提高水分至55%,樣品呈現(xiàn)出顯著的纖維狀結(jié)構(gòu);水分含量為60%的樣品也可以觀察到纖維狀結(jié)構(gòu)的形成;水分含量為65%時(shí),樣品呈現(xiàn)出各向同性的斷裂模式,并沒有形成纖維狀結(jié)構(gòu),且因水分蒸發(fā)造成斷裂面粗糙。因此,在高水分?jǐn)D壓過程中,過高或過低的水分含量均不利于擠出物纖維狀結(jié)構(gòu)的形成。

圖1 不同水分含量對(duì)PPI擠出物宏觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.1 Effects of different moisture contents on macrostructure of PPI extrudates

2.1.2蒸煮溫度的影響

溫度是豌豆蛋白熱變性和組織化的關(guān)鍵因素。圖2展示了在不同蒸煮溫度下制備的PPI擠出物的宏觀結(jié)構(gòu)。由圖2可見,在120 ℃的機(jī)筒溫度下生產(chǎn)的樣品,在擠出方向上(從下到上)沒有顯示出各向異性,擠出物不成形,缺乏特征性的流動(dòng)層狀結(jié)構(gòu),這可能和機(jī)筒內(nèi)大分子的不完全熔化和部分展開有關(guān)[7]。Sandoval等[17]在120 ℃的蒸煮溫度下觀察擠出物剖面得到了相同的結(jié)果。隨著蒸煮溫度的升高,蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)沿?cái)D出方向流動(dòng)取向,呈現(xiàn)出明顯的纖維狀結(jié)構(gòu)。溫度達(dá)到140℃時(shí),物料充分熔融,擠出物表面具有一定光澤度。溫度在150～160 ℃時(shí),沿?cái)D出物縱向撕開可觀察到沿?cái)D出方向形成的縱向纖維狀結(jié)構(gòu),剖面光滑。溫度會(huì)影響熔融物料在冷卻段模具凝固過程中的流速分布。如果黏性流體在模具中的流動(dòng)狀態(tài)為層流,熔體在層流中心的溫度和流速高于靠近其冷卻模具壁處的溫度和流速,因此在冷卻成型過程中,可能會(huì)使剪切取向的線性散開大分子形成拋物線圖案,這些大分子在低于特征溫度時(shí)會(huì)發(fā)生交聯(lián)[7]。因此隨著溫度的升高,PPI擠出物出現(xiàn)主要為縱向取向的纖維。

圖2 不同蒸煮溫度對(duì)PPI擠出物宏觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.1 Effects of different cooking temperatures on macrostructure of PPI extrudates

2.1.3螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度的影響

螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度對(duì)擠出物宏觀結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。由圖3(a)可見,所有樣品沿?cái)D出方向均顯示出明顯的層狀結(jié)構(gòu),但隨著螺桿轉(zhuǎn)速從125 r/min增加到225 r/min,剖面結(jié)構(gòu)在層狀結(jié)構(gòu)擠出方向的取向性逐漸減弱,拋物線結(jié)構(gòu)趨于平緩,不同螺桿轉(zhuǎn)速下的樣品整體差異性不大。由圖3(b)可見,喂料速度為4 g/min時(shí),樣品沿?cái)D出方向縱向撕開,內(nèi)部呈現(xiàn)出部分區(qū)域有纖維狀結(jié)構(gòu),部分區(qū)域無纖維狀結(jié)構(gòu)的結(jié)果,這可能是因?yàn)槲沽纤俣冗^小造成擠出機(jī)吃料不足,形成擠出物不均勻。增大喂料速度(5～8 g/min),所有樣品均出現(xiàn)明顯的層狀結(jié)構(gòu),并且樣品內(nèi)部層與層之間更加緊密,纖維感增強(qiáng)。

圖3 不同螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度對(duì)PPI擠出物宏觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effects of different screw speeds and feeding speeds on macrostructure of PPI extrudates

2.2 不同工藝參數(shù)對(duì)PPI擠出物微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1水分含量的影響

水分含量對(duì)PPI擠出物微觀結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。由圖4可見,不同水分含量的PPI擠出物微觀結(jié)構(gòu)有顯著差異。水分含量為45%時(shí),樣品表面有明顯的斷裂面,結(jié)構(gòu)致密,在較低的水分含量下,蛋白質(zhì)沒有完全水合以參與蛋白質(zhì)交聯(lián)反應(yīng),因而層狀纖維結(jié)構(gòu)不明顯[16]。提高水分含量至50%和55%,擠出物表面出現(xiàn)規(guī)則的層狀結(jié)構(gòu);隨著水分含量的增加,60%水分含量的樣品表面開始同時(shí)出現(xiàn)細(xì)小的氣孔和層狀結(jié)構(gòu);在水分含量為65%時(shí)樣品的氣孔結(jié)構(gòu)均勻分布,表面粗糙,基本無層狀結(jié)構(gòu),與組織化度和表觀觀察的結(jié)果一致。整體來看,隨著水分含量的增加,纖維狀結(jié)構(gòu)先增多后減少,氣孔逐漸增多。水分含量較高時(shí),機(jī)筒內(nèi)的蛋白質(zhì)變性減少和黏度降低可能會(huì)減少蛋白質(zhì)相互作用和交聯(lián)[16],此外,擠出物在進(jìn)入冷卻段模具之前無法形成足夠高的模具壓力來驅(qū)動(dòng)形成纖維結(jié)構(gòu)。因此,水占據(jù)了大部分空隙空間,干燥后微觀結(jié)構(gòu)孔洞較多,層狀結(jié)構(gòu)較少[18]。

虛線框外圖片的放大倍數(shù)為300倍,虛線框內(nèi)圖片的放大倍數(shù)為3 000倍。

2.2.2蒸煮溫度的影響

蒸煮溫度對(duì)PPI擠出物微觀結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。由圖5可見,不同蒸煮溫度的PPI擠出物的微觀結(jié)構(gòu)有顯著差異。蒸煮溫度為120 ℃時(shí),樣品沒有顯示出取向結(jié)構(gòu);提高溫度至130 ℃,擠出物表面變得均一,但仍然沒有出現(xiàn)纖維狀結(jié)構(gòu),蛋白沒有充分熔融,在這種相對(duì)較低的溫度下蛋白質(zhì)交聯(lián)反應(yīng)不完全[16];蒸煮溫度為140 ℃時(shí),在放大倍數(shù)為3 000倍的SEM圖中可以看到擠出物定向取向,說明蛋白已經(jīng)在機(jī)筒內(nèi)充分熔融;在150 ℃時(shí),擠出物的結(jié)構(gòu)更加有序,可以觀察到明顯的纖維狀結(jié)構(gòu),說明已經(jīng)充分組織化;160 ℃時(shí)纖維狀結(jié)構(gòu)最顯著。Chen等[4]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果,在高水分?jǐn)D壓中,蒸煮溫度從140 ℃提高到160 ℃,大豆蛋白的交聯(lián)程度增加。

虛線框外圖片的放大倍數(shù)為300倍,虛線框內(nèi)圖片的放大倍數(shù)為3 000倍。

2.2.3螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度的影響

螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度對(duì)PPI擠出物微觀結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。由圖6(a)可見:螺桿轉(zhuǎn)速為125～175 r/min,擠出物內(nèi)部蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)形成了纖維狀結(jié)構(gòu),隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大,微觀結(jié)構(gòu)更加致密;在螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min和225 r/min時(shí),纖維層更加緊密,需要用較高(3 000倍)的放大倍數(shù)下的顯微鏡才能觀察到。較低的螺桿轉(zhuǎn)速有利于纖維層的形成,與組織化度的測(cè)定結(jié)果一致。

虛線框外圖片的放大倍數(shù)為300倍,虛線框內(nèi)圖片的放大倍數(shù)為3 000倍。

由圖6(b)可見,喂料速度較低時(shí),擠出物內(nèi)部層狀結(jié)構(gòu)致密。提高喂料速度至5 g/min和6 g/min,可觀察到擠出物出現(xiàn)明顯的層狀結(jié)構(gòu);喂料速度為7 g/min時(shí),擠出物層狀結(jié)構(gòu)不顯著,需用高倍數(shù)下的顯微鏡進(jìn)行觀察;喂料速度為8 g/min時(shí),擠出物表面有氣孔,這可能是水分散失造成的。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),喂料速度對(duì)PPI擠出物微觀結(jié)構(gòu)影響不顯著。

2.3 不同工藝參數(shù)對(duì)PPI擠出物質(zhì)構(gòu)特性的影響

2.3.1水分含量的影響

水分含量對(duì)PPI擠出物質(zhì)構(gòu)特性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7。由圖7(a)可見,隨著水分含量增加,擠出物的硬度和咀嚼度顯著下降(與大豆蛋白擠壓特性的研究結(jié)果一致[19]),擠出物彈性略微升高,無顯著變化,縱向和橫向剪切力顯著下降。當(dāng)機(jī)筒內(nèi)水分增加時(shí),擠出物蛋白質(zhì)變性和去折疊不完全,蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)作用減少從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)地柔軟[16],因此導(dǎo)致剪切樣品時(shí)施加的力減小。由圖7(b)可見,擠出物的組織化度隨水分含量增加先增大后減小,在含水量為55%～60%時(shí)達(dá)到最大值,這表明水分在一定程度上有助于蛋白質(zhì)分子在擠壓過程中的去折疊和重排;但水分對(duì)纖維結(jié)構(gòu)形成的有利影響并不是無限的[4],水分含量過高(65%)不利于纖維結(jié)構(gòu)的形成,組織化度的觀察結(jié)果與宏觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果一致。

圖7 不同水分含量對(duì)豌豆分離蛋白擠出物質(zhì)構(gòu)特性及組織化度的影響Fig.7 Effects of different moisture contents on texture and texturization degree of PPI extrudates

2.3.2蒸煮溫度的影響

蒸煮溫度對(duì)PPI擠出物質(zhì)構(gòu)特性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8。由圖8(a)可見,蒸煮溫度顯著影響PPI擠出物的硬度、縱向和橫向剪切力、組織化度。機(jī)筒蒸煮溫度從初始120 ℃升溫到160 ℃的過程中,擠出物的硬度顯著上升,咀嚼度略微上升。120 ℃時(shí)擠出物較柔軟、不成形,其質(zhì)構(gòu)特性較差。橫向、縱向剪切力隨蒸煮溫度的升高而顯著增加。這是因?yàn)樯郎貛淼哪芰枯斎肟赡軙?huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)大分子解體,使之前隱藏在內(nèi)部的鍵合位點(diǎn)暴露,蛋白質(zhì)分子進(jìn)一步交聯(lián),從而使得剪切力上升[7]。擠出物彈性略微降低,組織化度也隨著溫度的升高而顯著增加。這是因?yàn)?溫度上升,蛋白質(zhì)充分熔融,熱熔體以高于水沸點(diǎn)的溫度進(jìn)入冷卻模,由于冷卻模溫度降低,蛋白質(zhì)熔融物交聯(lián)凝固,形成與動(dòng)物肉相似的纖維結(jié)構(gòu),因而組織化度上升[17]。Chen等[4]也發(fā)現(xiàn),蒸煮溫度對(duì)高水分大豆蛋白擠出物的組織化度有顯著影響。已有研究也表明,高水分?jǐn)D壓中纖維結(jié)構(gòu)形成的物理機(jī)制是在溫度梯度影響下的旋節(jié)相分離[17],溫度是樣品組織化度的決定性因素[19]。

圖8 不同蒸煮溫度對(duì)PPI擠出物質(zhì)構(gòu)特性及組織化度的影響Fig.8 Effects of different cooking temperatures on texture and texturization degree of PPI extrudates

2.3.3螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度的影響

螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度對(duì)PPI擠出物質(zhì)構(gòu)特性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9。螺桿轉(zhuǎn)速的快慢能決定腔體內(nèi)蛋白質(zhì)等物料的剪切程度[19]。通常,螺桿轉(zhuǎn)速較低時(shí),延長了蛋白質(zhì)等物料在擠壓機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間,有利于產(chǎn)品組織化度的提升;螺桿轉(zhuǎn)速較高時(shí),擠壓機(jī)筒內(nèi)的原料充分混合,形成組織化度較好的擠出物。由圖9(a)可見,擠出物的硬度、咀嚼度、彈性受螺桿轉(zhuǎn)速變化的影響較小,無顯著性差異。橫向剪切力和縱向剪切力隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而顯著提高。在其他參數(shù)條件恒定的條件下,螺桿轉(zhuǎn)速越高,蛋白質(zhì)的交聯(lián)和聚合度越高,切削力越強(qiáng)。同時(shí),螺桿速度提高后,形成了具有更多接觸面的更小結(jié)構(gòu)單元也會(huì)導(dǎo)致更高的剪切力[16]。擠出物的組織化度隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加先顯著降低而后略微升高。

圖9 不同螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度對(duì)PPI擠出物質(zhì)構(gòu)特性及組織化度的影響Fig.9 Effects of different screw speeds and feeding speeds on texture and texturization degree of PPI extrudates

由圖9(b)可見,隨著喂料速度的增加,擠出物硬度先顯著增加后略微降低,咀嚼度變化的趨勢(shì)和硬度一致。這可能是由于隨著喂料速度增加,機(jī)筒中物料、壓力增加導(dǎo)致的結(jié)果。喂料速度較低時(shí),蛋白質(zhì)在機(jī)筒內(nèi)的擠壓時(shí)間較長,有利于樣品組織化;當(dāng)喂料速度進(jìn)一步增加,蛋白質(zhì)在機(jī)筒內(nèi)的擠壓時(shí)間減少,擠出物組織化度降低,這與魏益民等[20]利用低溫大豆粕進(jìn)行高水分?jǐn)D壓得出的結(jié)論一致。

2.4 不同工藝參數(shù)對(duì)PPI擠出物感官特性的影響

2.4.1水分含量的影響

不同水分含量對(duì)PPI擠出物的感官特性影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10。由圖10(a)可見,當(dāng)水分含量為55%和60%時(shí),擠出物呈現(xiàn)較好的表觀形貌。水分含量為55%～65%時(shí),擠出物的色澤最好,與之前測(cè)定的結(jié)果一致。在口感方面,水分含量為50%時(shí),擠出物最具有真實(shí)動(dòng)物肉的口感,水分含量偏高(65%)或偏低(45%)時(shí)口感得分均較差,這可能是由于偏高的水分導(dǎo)致樣品過軟,以及偏低的水分導(dǎo)致樣品過硬,難以咀嚼。含50%水分的樣品纖維狀結(jié)構(gòu)最好,除含45%水分的樣品外,其余樣品的風(fēng)味都較好。綜合評(píng)價(jià),水分含量為50%～60%的樣品具有較好的感官特性。

圖10 不同水分含量、蒸煮溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度對(duì)PPI擠出物感官特性的影響Fig.10 Effects of different moisture contents, cooking temperatures, screw speeds and feeding speeds on sensory attributes of PPI extrudates

2.4.2蒸煮溫度的影響

不同蒸煮溫度下PPI擠出物的感官特性如圖10。由圖10(b)可見,蒸煮溫度為120 ℃和130 ℃時(shí),產(chǎn)品的風(fēng)味較好,其余感官特性均較差。蒸煮溫度為140 ℃時(shí),口感最好。在150 ℃擠壓的產(chǎn)品具有最好的表觀、色澤及較好的口感、纖維狀結(jié)構(gòu)、風(fēng)味。蒸煮溫度為160 ℃,此時(shí)擠出物的口感和纖維狀結(jié)構(gòu)最好。綜合分析,蒸煮溫度為140～160 ℃時(shí),產(chǎn)品具有較好的感官特性。

2.4.3螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度的影響

不同螺桿轉(zhuǎn)速下PPI擠出物的感官特性如圖10。由圖10(c)可見:螺桿轉(zhuǎn)速為125 r/min時(shí),纖維狀結(jié)構(gòu)、風(fēng)味、口感較好;螺桿轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí),產(chǎn)品的纖維狀結(jié)構(gòu)和風(fēng)味最好;口感和表觀在螺桿轉(zhuǎn)速為175 r/min達(dá)到最佳;螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min和225 r/min時(shí),色澤、風(fēng)味、表觀較好。綜合分析,螺桿轉(zhuǎn)速為125～175 r/min時(shí),產(chǎn)品具有較好的感官特性。

不同喂料速度時(shí)PPI擠出物的感官特性如圖10。由圖10(d)可見:喂料速度為4 g/min時(shí),所有感官特性都較差;喂料速度為5 g/min時(shí),產(chǎn)品具有較好的表觀;喂料速度為6 g/min時(shí),產(chǎn)品具有較好的口感、風(fēng)味和纖維狀結(jié)構(gòu);纖維狀結(jié)構(gòu)和風(fēng)味在7 g/min時(shí)最好,8 g/min的進(jìn)料速度擁有最好的表觀、色澤和口感。綜合分析,喂料速度為6～8 g/min時(shí)產(chǎn)品的感官特性較好。

2.5 最佳工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.5.1正交試驗(yàn)分析結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)中水分含量、蒸煮溫度、喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速的最適參數(shù)區(qū)間,進(jìn)行正交試驗(yàn),結(jié)果如表3。為保證擠出物產(chǎn)品更接近動(dòng)物肉,需要對(duì)表3中的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行變換。前期通過將高水分組織化豌豆蛋白與不同部位的牛肉(牛里脊、牛腩、牛小黃瓜條、牛肩)的質(zhì)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,研究發(fā)現(xiàn),高水分組織化豌豆蛋白的質(zhì)構(gòu)特性與牛小黃瓜條的類似。此外,牛小黃瓜條主要為牛后臀部位的半腱肌,沿臀股二頭肌邊緣分離出的凈肉,這部分肉的運(yùn)動(dòng)量比較大,肌肉纖維較粗,脂肪含量較低[(2.17±0.01)g/100 g],這與本研究中的高水分組織化豌豆蛋白的質(zhì)構(gòu)特性相似。故本研究將牛小黃瓜條部位牛肉的質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)作為目標(biāo)值,牛小黃瓜條部位牛肉的硬度為139.62 N、彈性為0.837、咀嚼度為88.65 N、橫向剪切力為42.67 N、縱向剪切力為24.44 N。取整數(shù)作為期望值,即將硬度140 N、咀嚼度89 N、橫向剪切力43 N、縱向剪切力25 N作為擠出物最終優(yōu)化的目標(biāo)值,根據(jù)式(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。組織化度、感官評(píng)分越大,說明組織化蛋白產(chǎn)品的性能越好,不需要額外再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

表3 PPI擠出物質(zhì)構(gòu)和感官特性正交試驗(yàn)結(jié)果

(1)

式(1)中,X為正交試驗(yàn)實(shí)際測(cè)定值;Y為牛小黃瓜條部位牛肉相對(duì)應(yīng)的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)測(cè)定數(shù)值;Z為轉(zhuǎn)化值(越接近1說明與牛小黃瓜條部位牛肉的質(zhì)構(gòu)特性越接近)。轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)如表4。

表4 正交試驗(yàn)擠出物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化結(jié)果

2.5.2主成分分析

使用SPSS 22.0軟件對(duì)9組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的7個(gè)指標(biāo)(表4)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果見表5。表5表明:前3個(gè)主成分的特征值均超過1,數(shù)值分別為3.711、1.786和1.170;前3個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為53.021%、25.507%、16.714%;前3個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率累計(jì)達(dá)到95.242%,遠(yuǎn)超85%,能夠解釋豌豆蛋白組織化產(chǎn)品特性的大部分信息。故選取前3個(gè)主成分,然后計(jì)算主成分綜合得分。

表5 主成分特征值和貢獻(xiàn)率

第一主成分的得分計(jì)算方程如式(2)。

F1=-0.251×Z硬度+0.083×Z彈性-
0.242×Z咀嚼度+0.221×Z縱向剪切力+
0.261×Z橫向剪切力-0.041×Z組織化度+
0.151×Z感官評(píng)分。

(2)

第二主成分的得分計(jì)算方程如式(3)。

F2=0.182×Z硬度-0.066×Z彈性+0.187×
Z咀嚼度+0.233×Z縱向剪切力+ 0.025×
Z橫向剪切力+0.523×Z組織化度+0.398×
Z感官評(píng)分。

(3)

第三主成分的得分計(jì)算方程如式(4)。

F3=0.131×Z硬度+0.8×Z彈性+0.234×
Z咀嚼度+0.188×Z縱向剪切力-0.192×
Z橫向剪切力-0.218×Z組織化度+0.152×
Z感官評(píng)分。

(4)

根據(jù)各個(gè)主成分的特征值和貢獻(xiàn)率,主成分綜合得分計(jì)算方程如式(5)。

F=0.530F1+0.255F2+0.167F3。

(5)

式(2)、(3)、(4)中Z表示該指標(biāo)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化之后的值,F1、F2和F3分別表示第1主成分、第2主成分和第3主成分,F表示綜合得分。主成分得分結(jié)果見表6。

表6 正交試驗(yàn)主成分得分及綜合得分

通過主成分分析得到的較優(yōu)操作工藝參數(shù)見表7。由表7可見,較佳擠壓操作參數(shù)設(shè)置組合為A2B3C2D3,即通過主成分分析得到的較優(yōu)操作工藝參數(shù):水分含量為55%、蒸煮溫度為160 ℃、喂料速度為7 g/min、螺桿轉(zhuǎn)速為175 r/min。從極差結(jié)果可以看出,影響組織化蛋白特性綜合評(píng)分的操作參數(shù)次序?yàn)樗趾?、蒸煮溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度。在較優(yōu)工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品和正交試驗(yàn)一起進(jìn)行主成分分析(表8),驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)綜合得分為0.64,高于表6初始正交試驗(yàn)組中所有組別樣品的綜合得分,證明擠壓工藝得到了優(yōu)化。

表7 PPI擠出物綜合評(píng)價(jià)極差分析結(jié)果

表8 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與正交試驗(yàn)綜合評(píng)分結(jié)果

3 結(jié) 論

通過探究工藝參數(shù)對(duì)高水分蛋白擠壓特性的影響,研究結(jié)果表明,物料水分含量對(duì)高水分PPI擠出物組織化和質(zhì)地起關(guān)鍵作用,水分過高(65%)或者過低(45%)均會(huì)獲得較差的纖維結(jié)構(gòu);蒸煮溫度在140～160 ℃內(nèi)能使產(chǎn)品獲得較好的組織化度、口感。提高螺桿轉(zhuǎn)速,組織化度先顯著降低而后升高。喂料速度增加,擠出物硬度和咀嚼度先顯著增加后降低,組織化度先降低后增加,喂料速度過小(4 g/min)時(shí)影響產(chǎn)品內(nèi)部形態(tài)。通過正交試驗(yàn)和主成分分析,以牛小黃瓜條部位牛肉的質(zhì)構(gòu)參數(shù)為目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化了高水分?jǐn)D壓PPI操作參數(shù),優(yōu)化的工藝參數(shù)為:水分含量55%,蒸煮溫度160 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速175 r/min,喂料速度7 g/min。本研究結(jié)果旨在為高水分組織化植物蛋白的生產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)定提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。