低温脱脂大豆粕理化性质与挤压组织化特性关系研究

张 玮 郑荣生 李淑静 张 波

(中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工重点实验室，北京 100193)

大豆是重要的油料和植物蛋白作物之一，在农业中占有重要地位。低温脱脂大豆粕(简称大豆粕)是大豆压榨后的副产物，含有50%～60%的蛋白质，90%用于饲料工业。开展大豆粕挤压组织化特性研究，开发挤压组织化大豆蛋白用于食品工业，有助于提高大豆粕附加值，丰富大豆蛋白产品种类。

挤压组织化蛋白的品质受原料大豆粕理化性质和挤压工艺的影响。之前关于大豆蛋白挤压工艺的研究较多，工艺已基本确定［1－3］。在此基础上，研究者开始探索大豆蛋白质种类及含量对挤压组织化产品特性的影响［4］，以及蛋白质在挤压过程中的蛋白质分子结构变化及纤维状结构形成机理［5－6］。在相同的挤压工艺条件下，挤压组织化蛋白的品质主要受原料大豆粕理化性质的影响。食品工业用大豆蛋白(GB/T 20371—2006)和食用大豆粕(GB/T 13382—2008)规定了大豆粕的粗蛋白、粗脂肪、灰分和粗纤维等性状［7－8］。李静静等［9］在筛选专用大豆加工品种时，选取溶解性、凝胶性和乳化性作为衡量大豆蛋白加工性质的指标。郑荣生等［10］研究了市售大豆粕、大豆分离蛋白和大豆浓缩蛋白的理化性质，利用聚类法将参试大豆蛋白组织化产品分成3类，每类产品间硬度、拉伸力、咀嚼度、弹性、色值 L*和色差ΔE*有显著差异(P＜0.05)。张汆等［11］研究发现组织化花生蛋白的硬度、咀嚼度、横切力、纵切力与蛋白质含量呈显著正相关(P=0.05)。张波等［12］采用不同品种的大豆为试验材料，认为粗蛋白含量高、水溶性蛋白含量高、粗纤维含量低的原料可以生产出组织化度较好的产品。主成分法除了将多指标问题化为较少的新指标外［13］，还可以对指标和样品进行分类。Li等［14］利用主成分法对小麦淀粉、玉米淀粉等9种淀粉的热特性、糊化特性和凝胶特性进行了分类，同时根据主成分得分对样品进行了分类，发现马铃薯淀粉和木薯淀粉有较大的峰值黏度、最终黏度、崩解值和回生值;红薯淀粉和豌豆淀粉有较大的T0(初始热转变温度)和TP(峰值温度);豆类淀粉(豌豆和绿豆淀粉)及马铃薯淀粉有较高的硬度和弹性。

工业化生产的大豆蛋白原料来源于商品大豆。商品大豆由不同品种大豆组成。商品大豆的理化性质与挤压组织化产品特性间的关系对生产更具有指导意义。研究拟以不同企业生产的大豆粕为原料，研究大豆粕理化性质及挤压组织化产品的品质特性，采用主成分分析对大豆粕的理化性质、挤压组织化产品性质和参试大豆粕进行分类，明确理化性质和挤压组织化产品性质的关系，为挤压组织化大豆蛋白原料选择提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

2012年，从山东万德福实业集团有限公司、秦皇岛金海食品工业有限公司、青岛齐利来实业有限公司、哈高科大豆食品有限责任公司、谷神生物科技集团有限公司、山东御馨豆业蛋白有限公司、山东禹城禹王生态食品有限公司、山东嘉华保健品股份有限公司、绥化金龙油脂有限公司9家大豆蛋白生产企业收集了9份大豆粕，随机编号为 P1、P2…P9，作为试验材料。大豆粕用离心研磨仪(ZM200，德国Retsch)粉碎，选用筛网孔径为0.25 mm的筛圈，转速为10 000 r/min。

1.2 试验方法

1.2.1 大豆粕理化性质检测

水分:参照GB/T 5497—1985;粗蛋白和氮溶解指数:参照 GB/T 5511—2008;粗脂肪:参照 GB/T 14772—2008;粗纤维:参照 GB/T 5009.10—2003;灰分:参照GB/T 5009.4—2003;凝胶硬度:参照石彦国等［15］和李里特等［16］的方法测定;乳化性:参照 Vioque 等［17］的方法测定。

1.2.2 挤压设备及工艺

挤压设备采用同向啮合双螺杆挤压机(DSE—25型，德国Brabender)。挤压设备螺杆外径为25 mm，长径比为20∶1;加热区分为5段;模头为黏度模头，模孔尺寸2 mm×20 mm，如图1所示［18］。

图1 在线狭缝模头黏度计示意图

从喂料端到模头的挤压温度依次为80、110、150、135、85℃;物料含水率为50%;喂料速度为20 g/min(干基);螺杆转速为130 r/min。

1.2.3 挤压组织化系统参数的检测

挤压组织化系统参数是指挤压组织化过程中挤压设备的响应参数，如扭矩、压力、单位机械能耗和挤压模头处物料的表观黏度(简称黏度)等。系统参数等挤压机运行稳定后检测和计算。扭矩和压力由挤压机在线检测，每10 s采集1次，电脑记录。单位

式中:SME为单位机械能耗/kJ/kg;n为螺杆转速/r/min;T为扭矩/N·m;MFR为挤压机稳定时的产量/g/min。

黏度采用黏度模头(德国Brabender，示意图如图1所示)测定，参考 Li等［20］的方法，单位为 Pa·s，计算式如式(2)所示。机械能耗计算参考 Godavarti等［19］的方法，单位为kJ/kg，计算式如式(1)所示。

式中:η为黏度/Pa·s;ΔP为狭缝两端的压力差/Pa;B为狭缝高度(20 mm);H为狭缝高度(2 mm);L为狭缝长度(100 mm);V为物料通过狭缝的体积速率/mm3/s;由每秒钟产物的长度和狭缝的截面积求得。

1.2.4 挤压组织化蛋白产品特性检测

质构特性:采用物性测定仪(TA－XT2i，英国Stable Micro System)检测［21］。挤压组织化蛋白产品的硬度、弹性和咀嚼度等特性检测时，样品被切成边长为15 mm的正方形。物性测定仪检测参数为:TPA模式，P/35探头，测试前探头速度2.0 mm/s，测试中速度1.0 mm/s，测试后速度 2.0 mm/s，下压程度50%，间隔时间5 s，探头回复后重复下压1次。重复测定10次。

拉伸特性:样品被裁成哑铃型，如图2所示。物性测定仪检测参数为:拉伸模式，A/TG探头，测试前速度0.5 mm/s，测试中速度1.0 mm/s，测试后速度5.0 mm/s。重复测定10次。

图2 断裂拉伸力测定样品形状示意图

组织化度:参考 Ranasinghesagara 等［22－24］的文献，采用光子迁移法测定。检测示意图如图3所示，实物装置如图4所示。采用功率为5 mW、波长为650 nm的激光入射。入射方向与样品挤压方向成75度夹角。数码相机曝光时间为1/50 s。采集的图像像素分辨率为28.35像素/cm。图像处理与分析如图5～图6所示。1)将采集的图像裁剪成1 024×1 024像素。2)采用Matlab软件处理图像。以入射光位置为原点，预定义像素强度用于提取等强度像素点(±2%强度余地)，采用最小二乘误差法拟合椭圆，拟合椭圆的像素点从50到500，步长间隔为10，得到椭圆长轴长LL、短轴长LS。3)采用长轴长和短轴长比值的平方表征纤维取向度(B)或组织化度。重复测定6次。

图3 图像采集装置示意图

图4 实物装置照片

图5 样品图像

图6 图像分析

色泽:使用色度色差仪(CR－400，日本Minolta)检测，采用 L*、a*、b*表色系，根据式(3)计算色差值ΔE*。重复测定10次。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel统计分析，采用SPSS18.0数据处理软件进行相关性分析及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 大豆粕理化性质

由表1可知，9份大豆粕的粗蛋白、粗脂肪和粗纤维的质量分数范围分别为52.23%～60.50%、0.11%～0.96%和2.08%～3.98%，均符合食用大豆粕(GB/T 13382—2008)一级低变性大豆粕对粗蛋白(≥49%)、粗脂肪(≤2.0%)和粗纤维(≤5.0%)等含量的要求。灰分的质量分数范围为6.34%～6.89%，有1份大豆粕符合GB/T 13382—2008对灰分(≤6.5%)的要求。氮溶解指数变幅为68.50%～85.76%，有6份大豆粕符合GB/T 13382—1992一级低变性大豆粕对氮溶解指数(≥80%)的要求，有1份大豆粕符合二级但未达到一级大豆粕对氮溶解指数(≥70%)的要求。

表1 低温脱脂大豆粕的理化性质

2.2 大豆粕的挤压组织化特性

在相同工艺条件下，9份大豆粕的挤压系统参数和产品特性参数如表2和表3所示。系统参数中压力、黏度、扭矩和SME的变异系数依次减少，但均大于10%。挤压组织化产品质构特性除弹性变异系数较小以外，其他质构特性(拉伸强度、黏附性、组织化度、硬度、咀嚼度)变异系数均大于10%，黏附性、拉伸强度、硬度、咀嚼度和组织化度的变异系数依次减小。产品色值的变异系数均较小。

表2 低温脱脂大豆粕挤压组织化系统参数

表3 低温脱脂大豆粕挤压组织化产品特性

2.3 大豆粕理化性质与挤压组织化产品特性相关性分析

大豆粕理化性质与挤压组织化产品特性相关性分析如表4所示。扭矩与黏度、SME、硬度、咀嚼度、拉断强度，黏度与SME、硬度，色值L*与色值b*，硬度与咀嚼度、拉伸强度呈极显著正相关(P＜0.01)。灰分与凝胶硬度，黏度与咀嚼度、拉伸强度，SME与色差ΔE*、咀嚼度、拉断强度，咀嚼度与拉断强度显著正相关(P＜0.05)。

扭矩与色值 b*，黏度与色值 b*，SME与色值L*、色值b*，L*与色值ΔE*、拉断强度，色值b*与色差ΔE*、硬度、咀嚼度呈极显著负相关(P＜0.01)。灰分与色差ΔE*、色值L*与挤压组织化蛋白硬度、咀嚼度，色值b*与咀嚼度显著负相关(P＜0.05)。

2.4 大豆粕理化性质和挤压组织化特性主成分分析

大豆粕的理化性质和挤压组织化产品特性的主成分分析结果显示，前4个主成分的累计方差贡献率为82.46%，大于80%。以主成分1(F1)载荷和主成分2(F2)载荷、主成分3(F3)载荷和主成分4(F4)载荷为坐标作特性载荷分布如图7所示。

图7 低温脱脂大豆粕理化性质与挤压组织化特性主成分分析

表4 产品理化性质与挤压特性相关性系数

由图7a可知，黏度、咀嚼度、硬度、拉断强度、扭矩、SME、色差 ΔE*在 F1的载荷值为正值，大于0.605;色值L*、色值b*及黏附性的载荷值为负值，绝对值大于0.633。组织化度、乳化性及凝胶硬度在F2的载荷为正值，大于0.606;压力及弹性的载荷值为负值，绝对值均大于0.570。结果表明，F1轴的正方向代表黏度、咀嚼度、硬度、拉断强度、扭矩、SME和色差ΔE*;F1轴的负方向代表色值L*、色值b*及黏附性。F2轴的正方向代表组织化度、乳化性及凝胶硬度，轴的负方向代表压力及弹性。坐标值越大表明相应特性越明显。

由图7b可知，F3轴的正方向代表灰分和氮溶解指数(NSI)，轴的负方向代表粗脂肪含量。F4轴的正方向表示粗蛋白含量和色值a*，轴的负方向表示粗纤维含量。

2.5 原料大豆粕的主成分分析

参试大豆粕在主成分1(F1)、主成分2(F2)的得分及其分布如图8a所示;在主成分3(F3)、主成分4(F4)的得分及其分布如图8b所示。样品接近坐标轴表示其在某一主成分上得分较高且在其他主成分上得分较低，表明该样品在该坐标轴代表的特性上较为突出，以此为据进行分类。

图8 原料大豆粕主成分分析

由图8a得，P1、P2和P7在主成分1上的得分较高且接近主成分1正半轴;P3和P9在主成分2上的得分较高且接近主成分2正半轴。由图8b得，P5和P7在主成分4上得分较高且接近主成分4负半轴。结合载荷图7和得分图8得，P1、P2和P7的扭矩、SME、拉断强度、硬度、咀嚼度和色差E的数值较大，P3和P9的组织化度、凝胶硬度和乳化性数值较大;P5和P7的粗纤维含量较高。

3 讨论

通过主成分分析对于豆粕理化性质和挤压产品性质进行分类，同时依据性质分类结果对于样品进行分类，可为加工不同特性的挤压组织化产品选择原料提供依据。参试大豆粕根据其理化性质和挤压组织化产品特性进行分类，P1、P2和P7这3种大豆粕的扭矩和SME较高(3种大豆粕扭矩15.80～19.37 N·m，其余为12.45～15.98 N·m;SME为330.44～393.68 kJ/kg，其余为 270.20～341.05 kJ/kg)，所得挤压组织化蛋白产品的硬度、咀嚼度、拉断强度较大(3种产品硬度 19 057.38～20 638.69 g，其余为15 839.52 ～17 749.16 g)。P3、P9这2 种大豆粕的乳化性、凝胶硬度较高(2种大豆粕乳化性为53.80%和53.40%，其余为45.30%～48.90%)，所得挤压产品的组织化度较大(2种产品的组织化度为1.332和1.341，其余为1.298～1.333)。P5、P7这 2 种大豆粕的粗纤维质量分数较高(2种大豆粕粗纤维为3.86%和3.66%，其余为2.48%～3.54%)。其余3种大豆粕的理化性质和挤压产品特性不明显，可将其划归一类。

主成分分析得扭矩和SME较大的大豆粕的挤压组织化蛋白产品的硬度、咀嚼度和拉断强度较大。前人研究粗蛋白含量与挤压组织化工艺系统参数(扭矩、SME等)关系密切［10］。本研究中，粗蛋白含量和产品硬度、咀嚼度、拉断强度之间的相关系数大于0.5，可能由于样本容量较小，其相关关系未达到显著水平(P=0.05)，该结果与文献［11－12］的研究一致。王洪武［4］认为蛋白质有助于增加大豆面团表观黏度和挤压产品组织化程度。蛋白质作为挤压组织化蛋白的骨架，原料中蛋白质含量高，所以挤压组织化产品的硬度大。大豆粕乳化性与挤压产品组织化度之间呈一定的相关性(r=0.627)。良好的乳化性表明蛋白质的亲水基团和疏水基团分布有利于形成稳定的界面［25］，可能也有利于蛋白质分子之间相互交联形成纤维状结构，还有待进一步的验证。

4 结论

4.1 大豆粕中粗蛋白含量与挤压组织化产品的拉断强度、硬度、咀嚼度呈正相关。粗蛋白质量分数较高(55.08%～60.24%)的大豆粕可以生产出拉断强度较大(1.72～1.91 kg)、硬度(19.06～20.64 kg)和咀嚼度较高(1.72～1.91 kg)的挤压组织化蛋白。

4.2 乳化性较高(53.80%和53.40%)的大豆粕可以生产出组织化度较大(1.332和1.341)的挤压组织化蛋白。

4.3 粗蛋白含量、乳化性可作为挤压组织化蛋白生产原料大豆粕的分类性状。

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