擠壓參數(shù)對組織化大豆蛋白持水性的影響

1、260第23卷第11期2007年11月農(nóng)業(yè)工程學(xué)報TransactionsoftheCSAEVol.23No.11Nov.2007擠壓參數(shù)對組織化大豆蛋白持水性的影響張波1,魏益民1,康立寧2,嚴軍輝1(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京100094;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,楊凌712100)摘要:試驗以脫脂低溫豆粕為原料,以德國布拉本德雙螺桿擠壓實驗室工作站(DSE225型)為設(shè)備,研究了擠壓溫度、物料含水率以及螺桿構(gòu)型對產(chǎn)品持水性的影響。結(jié)果表明:物料含水率和螺桿構(gòu)型對產(chǎn)品持水率有極顯著影響(p<0.01);擠壓溫度對產(chǎn)品的持水率沒有顯著影響;擠壓溫度、物料含水

2、率和螺桿構(gòu)型對產(chǎn)品吸水率有極顯著影響(p<0.01)。影響產(chǎn)品持水率程度的大小順序為物料含水率、螺桿構(gòu)型、擠壓溫度;影響產(chǎn)品吸水率程度的大小順序為螺桿構(gòu)型、擠壓溫度、物料含水率。產(chǎn)品吸水率隨著擠壓溫度的升高而增加。產(chǎn)品的持水率和吸水率隨著物料含水率的提高先增加,隨后略有降低。與配備輸送元件的構(gòu)型相比,配備反向元件、齒型盤和捏合塊的構(gòu)型顯著增加了產(chǎn)品的持水性。蛋白的吸水率的影響相對較大,對持水率影響相對較小。關(guān)鍵詞:雙螺桿擠壓機;組織化大豆蛋白;持水率;吸水率;中圖分類號:TS201.1文獻標識碼:A:()1122張波,魏益民,康立寧,等.,2007,23(11):260-263.onpa

3、rametersonthecapabilityofwaterholdingandwaterab2ZhangBo,Yin,sorptionofp.TransactionsoftheCSAE,2007,23(11):260-263.(inChinesewithEnglishabstract)0引言組織化大豆蛋白是大豆蛋白在擠壓過程中溫度場、剪切力、壓力場和水的共同作用下,由天然的球狀聚集態(tài)重組而成的具有纖維狀結(jié)構(gòu)的蛋白產(chǎn)品1,2。組織化大豆蛋白已廣泛應(yīng)用于西式肉制品、冷凍食品餡料以及水產(chǎn)飼料。持水性是蛋白質(zhì)產(chǎn)品重要的功能特性之一3,可部分反映產(chǎn)品的組織化程度。蛋白質(zhì)與水的結(jié)4合主要有2種方式:“化

4、學(xué)結(jié)合”與“物理截留”?；瘜W(xué)結(jié)合主要是指蛋白質(zhì)分子上氨基酸殘基通過各種化學(xué)鍵與水結(jié)合的方式,是分子水平吸附水能力的表現(xiàn)。在大豆組織化蛋白產(chǎn)品中主要受大豆蛋白變性程度的影響。物理截留主要是指蛋白質(zhì)形成分子網(wǎng)絡(luò)或微孔結(jié)構(gòu),利用毛細管吸附水的方式,是產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)吸附水能力的表現(xiàn)。在大豆組織化蛋白產(chǎn)品中主要受形成微孔的大小和數(shù)量的影響。根據(jù)測定時是否破壞樣品組織結(jié)構(gòu),持水性可以分為持水率(WaterHoldingCapability,收稿日期:2006211215修訂日期:2007210212基金項目:國家十一五科技支撐項目(2006BAD05A08);國家引進國際農(nóng)業(yè)先進技術(shù)項目(2005-Z45)

5、;國家科學(xué)儀器設(shè)備升級改造專項(2005JG100340);國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目(05EFN216900373);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目(2060302-14)WHC)和吸水率(WaterAbsorptionCapability,WAC)。持水率測定時需要將樣品粉碎,破壞了組織結(jié)構(gòu),一定程度上對應(yīng)于化學(xué)結(jié)合水的能力;吸水率測定時無需將樣品粉碎,對應(yīng)的是化學(xué)結(jié)合和物理截留方式吸附水的總和;而兩者的差值可以表示物理截留方式吸附水的能力,即由組織結(jié)構(gòu)吸附的水量。擠壓參數(shù)中,溫度、水分以及不同形狀螺桿元件按照一定排列組合形成的螺桿構(gòu)型是影響蛋白質(zhì)受到熱機械作用強度的重要因素5。三者

6、通過控制蛋白質(zhì)的變性程度影響產(chǎn)品的組織化程度,進一步影響產(chǎn)品的持水性6。由于持水性影響產(chǎn)品的功能性和經(jīng)濟性,已經(jīng)成為擠壓產(chǎn)品重要的品質(zhì)指標7。國內(nèi)外對持水性的影響因素研究報道較多8-11,而關(guān)于比較不同原因?qū)е鲁炙缘膱蟮垒^少。試驗選擇擠壓溫度、物料含水率和螺桿構(gòu)型作為自變量,研究其對組織化大豆蛋白持水性的影響規(guī)律,為生產(chǎn)不同種類的組織化大豆蛋白產(chǎn)品,優(yōu)化生產(chǎn)工藝以及生產(chǎn)設(shè)備的制造提供理論和技術(shù)參考。1材料與方法1.1材料作者簡介:張波(1978年-),男,浙江臺州人,博士生,主要從事食品擠壓技術(shù)研究。北京中國農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,100094。Email:zjzb1978通訊作者:魏益民(

7、1957年-),男,陜西咸陽人,博士,教授,主要低溫脫脂豆粕(山東禹王實業(yè)公司,大禹牌),其化學(xué)成分為:含水率8.33%、灰分含量6.05%(干基)、脂肪含量0.52%(干基)、粗纖維含量2.51%(干基)、粗蛋白含量53.99%(干基)、氮溶解指數(shù)81.6%。1.2擠壓設(shè)備從事農(nóng)產(chǎn)品加工及食品安全方面研究。北京中國農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,100094。Email:weiyimin36同向嚙合雙螺桿擠壓機(DSE225型,德國布拉本德公司):螺桿外徑為25mm;螺桿長徑比為201;擠壓© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publ

8、ishing House. All rights reserved. 第11期張波等:擠壓參數(shù)對組織化大豆蛋白持水性的影響261機加工區(qū)域長度:喂料區(qū):100mm; 區(qū)150mm; 區(qū):150mm; 區(qū):100mm; 區(qū):50mm; 區(qū):100mm。模頭為圓形模頭,?？谥睆綖?mm。1.3試驗設(shè)計采用全面試驗設(shè)計方法。擠壓溫度、物料含水率、螺桿構(gòu)型為因素;根據(jù)預(yù)備試驗以及保證產(chǎn)品基本成型的原則確定水平,共計36個處理(表1);螺桿構(gòu)型是指不同形狀螺桿元件按照一定排列組合形成的螺桿結(jié)構(gòu)類型。常見的螺桿元件有輸送螺紋,反向元件,捏合塊(圖1)和齒型盤(圖2)。不同元件的功能不同,組合而成的螺桿構(gòu)型

9、對物料的輸送、混合和剪切強度也不同。輸送螺紋主要起輸送和建壓作用;反向元件主要起反向輸送作用,有反向輸送元件和反向捏合塊等;捏合塊主要起分布混合作用;齒型盤主要起分散混合作用。為了起到更好的混合作用,使用。Table1rsandlevelsofexperiment因素水平4種構(gòu)型:構(gòu)型1全部配置輸送螺紋,是輸送型,構(gòu)型2配置反向元件和齒型盤,是分散混合型,構(gòu)型3配置反向元件和捏合塊,是分布混合型,構(gòu)型4配置反向元件、齒型盤和捏合塊,是綜合混合型。從理論上分析,剪切強度有增加的趨勢12(圖3)。其他擠壓參數(shù)為螺桿轉(zhuǎn)速150r min,喂料速度68.4g min。圖34種螺桿構(gòu)型示意圖Fig.3S

10、chemeofscrewconfiguration1.4產(chǎn)品持水率測定方法擠壓溫度 802120215021602170、802120215521652175、802120216021702180物料含水率 %30、35、40螺桿構(gòu)型構(gòu)型1、構(gòu)型2、構(gòu)型3、構(gòu)型4注:擠壓溫度802120215021602170表示 區(qū)80, 區(qū)120, 區(qū)150, 區(qū)160, 區(qū)170。產(chǎn)品持水率參考美國谷物化學(xué)家協(xié)會方法(Amer2icaAscioationofCerealChemist,AACC88204)進行:產(chǎn)品用高速萬能粉碎機(FW100,天津泰斯特儀器有限公司)粉碎,過80目篩。稱取約4g粉樣(W

11、1),放入已知質(zhì)量(W2)的50mL離心管內(nèi),加入20mL蒸餾水,振蕩混合均勻,靜置10min,放入離心機(LXJ2IIB,上海安亭科學(xué)儀器有限公司),在4500r min下離心15min,取出,吸干上層液體,稱重(W3)。每個樣品重復(fù)2次。×100%W1產(chǎn)品持水率=1.5產(chǎn)品吸水率測定方法S捏合盤寬度;L元件長度;錯列角圖1捏合塊元件示意圖Fig1.Schemeofkneadingblock稱取約20g未粉碎樣品(W4),放入500mL燒杯中,加入300mL蒸餾水,在40下保溫吸水60min,取出瀝干10min,稱量持水后產(chǎn)品質(zhì)量(W5)。每個樣品重復(fù)2次。產(chǎn)品吸水率=×

12、100%W41.6數(shù)據(jù)處理采用DPS3.01和Excel2003軟件進行。2結(jié)果與分析2.1產(chǎn)品持水性方差分析圖2齒型盤元件示意圖Fig.2Schemeoftoothblock方差分析表明,物料含水率和螺桿構(gòu)型對產(chǎn)品持水率有極顯著影響;擠壓溫度對產(chǎn)品的持水率沒有顯著影響;擠壓溫度、物料含水率和螺桿構(gòu)型對產(chǎn)品吸水率有極顯著影響(p<0.01,表2,表3)。持水率方差分析中,© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 262農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2007年各因素的均方

13、從大到小分別為物料含水率、螺桿構(gòu)型和擠壓溫度;吸水率方差分析中,各因素的均方從大到小分別為螺桿構(gòu)型、擠壓溫度和物料含水率。表2持水率方差分析表Table2VarianceanalysisoftheWaterHoldingCapability(WHC)變異來源螺桿構(gòu)型擠壓溫度物料含水率誤差總和平方和0.0.0.0.0.1284400155132420491351875影響無顯著差異(p>0.01,表5)。“物理截留”方式結(jié)合的水在不同含水率的產(chǎn)品中占總吸附水的27.9%32.3%。物料含水率對產(chǎn)品持水性有著正反兩方面的影響。水在擠壓過程中具有增加聚合物鏈段的分子運動性、增塑性、降低扭矩和機

14、械能耗等作用1,3。增塑性和增加分子運動性提高了蛋白質(zhì)分子的溶脹程度和形成分子網(wǎng)絡(luò)的能力,增加了產(chǎn)品的持水性。扭矩和機械能耗的減小降低了蛋白質(zhì)分子變性程度,減少了暴露基團的數(shù)量,減弱了“化學(xué)結(jié)合”水的能力。進一步增加水分還降低了物料中蛋白質(zhì)濃度,降低產(chǎn)品持水性。F值31.37030.568848.5148自由度32236710.0.0.0.均方04281000780662100136顯著水平00.57120表3吸水率方差分析表Table3VarianceanalysisoftheWaterAbsorptionCapability(WAC)變異來源平方和自由度32271表5T5Effectont

15、heWHCC3035均方15.97327.0385F值849.2311374.顯著水平0螺桿構(gòu)型47.91968擠壓溫度14.07693物料含水率1.27959誤差0.總和74.%差值(WAC-WHC)72.994.6(WHC)188.8B198.2A吸水率(WAC)261.7B292.8A2.2擠壓溫度對產(chǎn)品持水性的影響產(chǎn)品吸水率隨著擠壓溫度的升高而增加,并在3個擠壓溫度之間的差異均達到極顯著水平(p<0.01,表4)。擠壓溫度每升高1,產(chǎn)品吸水率的絕對值增加約10%。產(chǎn)品持水率和吸水率的差值,即“物理截留”方式結(jié)合的水在不同擠壓溫度的產(chǎn)品中占到總吸附水的13.1%41.6%。溫度是影

16、響蛋白質(zhì)變性和熱機械強度的2.4螺桿構(gòu)型對產(chǎn)品持水性的影響螺桿構(gòu)型1與構(gòu)型3、4之間的產(chǎn)品持水率有極顯著差異,構(gòu)型1和構(gòu)型2、3、4之間的產(chǎn)品吸水率有極顯著差異(p<0.01,表6)。構(gòu)型2、3、4生產(chǎn)的產(chǎn)品的持水率和吸水率均高于構(gòu)型1生產(chǎn)的產(chǎn)品,最大絕對增幅分別為10.1%和193.9%。構(gòu)型2、3、4生產(chǎn)的產(chǎn)品中“物理截留”水占到產(chǎn)品總結(jié)合水的38.0%42.2%。通過組合不同的螺桿元件如反向元件,剪切元件(捏合塊)和混合元件(齒型盤)等形成的螺桿構(gòu)型可以影響物料輸送、作用強度和作用時間13。從理論上看,反向元件增加了物料在擠壓腔內(nèi)的停留時間,捏合塊、齒型盤增加了螺桿對物料的作用強度

17、,可以增加蛋白質(zhì)變性和微孔結(jié)構(gòu)的形成14。試驗取得了與理論一致的結(jié)果。構(gòu)型1由于僅配備了輸送元件,對物料的作用強度較弱,作用時間較短,產(chǎn)品基本沒有形成微孔結(jié)構(gòu),導(dǎo)致吸水率和持水率的差值為負值,即產(chǎn)品較為致密,水分不能進入產(chǎn)品內(nèi)部。表6螺桿構(gòu)型對產(chǎn)品持水性的影響Table6EffectofscrewconfigurationontheWHCandtheWACofTSP螺桿構(gòu)型構(gòu)型1構(gòu)型2構(gòu)型3構(gòu)型4持水率(WHC)189.2B192.5AB198.6A199.3A重要因素,因此是影響產(chǎn)品持水性的重要因素。從擠壓溫度對組織化大豆蛋白產(chǎn)品持水率沒有顯著影響的結(jié)果來看,可能是由于170180范圍內(nèi),大

18、豆蛋白質(zhì)變性程度相類似,通過“化學(xué)結(jié)合”方式結(jié)合的水量無顯著差異。但升高擠壓溫度增加了模口處的溫差,使水分發(fā)生閃蒸的強度增加,導(dǎo)致蜂窩狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量增多,最終導(dǎo)致產(chǎn)品吸水率的增加?？梢姅D壓溫度主要通過影響產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)影響產(chǎn)品的持水性。表4擠壓溫度對產(chǎn)品持水性的影響Table4EffectoftemperatureontheWHCandtheWACofTexturiedSoyProtein(TSP)區(qū)溫度 1701754,5持水率 %(WHC)195.195.0A4A吸水率 %(WAC)224.283.5C5B差值 %(WAC-WHC)29.588.1%差值(WAC-WHC)-50.1140.51

19、21.7129.0注:同列不含相同字母者差異顯著(p<0.01)。持水率和吸水率均為干基,下同。吸水率(WAC)139.1B333.0A320.3A328.3A2.3物料含水率對產(chǎn)品持水性的影響產(chǎn)品持水率和吸水率隨著物料含水率的提高先增加,隨后略有下降;35%和40%物料含水率對持水性的© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第11期張波等:擠壓參數(shù)對組織化大豆蛋白持水性的影響2633小結(jié)1)物料含水率和螺桿構(gòu)型對產(chǎn)品持水率有極顯著影響(p<0

20、.01);螺桿構(gòu)型、擠壓溫度和物料含水率對產(chǎn)品吸水率有極顯著影響(p<0.01)。影響產(chǎn)品持水率的程度的大小順序為物料含水率、螺桿構(gòu)型;影響產(chǎn)品吸水率的程度的大小順序為螺桿構(gòu)型、擠壓溫度、物料含水率。2)產(chǎn)品吸水率隨著擠壓溫度的升高而增加。產(chǎn)品的持水率和吸水率隨著物料含水率的提高先增加,隨后略有降低,但降低幅度不顯著。與配備輸送元件的構(gòu)型相比,配備反向元件、齒型盤和捏合塊的構(gòu)型顯著增加了產(chǎn)品的持水性。3)在設(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi),膨化型大豆組織化蛋白的持水率差異相對較小,。,1HarperJM.andtheirapplicationsA.MercierC,LinkoP,HarperJM.Ext

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26、cultureandForestryUniversity,Yangling712100,China)Abstract:TheWaterHoldingCapability(WHC)andtheWaterAbsorptionCapability(WAC)areveryimportantindexesfortheevaluationoftexturiedsoyprotein(TSP).Theeffectoftemperature,materialmoisture,andscrewconfigurationontheWHCandWACoftheTSPwereinvestigatedwithlowtemperaturedefattedsoymealasmaterialusingaBrabendertwin2screwextruder(DSE225).Theresultsindicatethat,exceptfortheinsignifi2canteffectoftemperatureontheWAC,allindexesha