挤压工艺参数对高水分组织化小麦蛋白产品特性的影响

蒋华彬 刘 明 谭 斌 刘艳香 田晓红 汪丽萍翟小童 吴娜娜 郭文杰 于国萍

(国家粮食局科学研究院1，北京 100037)(东北农业大学食品学院2，哈尔滨 150030)(安徽瑞福祥食品有限公司3，亳州 236800)

小麦蛋白是小麦淀粉工业和酒精工业的加工副产物,蛋白质质量分数高达75%,营养价值较高[1]，但常用作添加剂，利用量较低。我国小麦产量位居世界第一，小麦蛋白年产量已达30万t左右[2]，并且随着淀粉工业的不断发展，仍在逐年增加。挤压组织化是指植物蛋白原料经粉碎、调湿、混合等预处理后，在挤压机内经高温、高压、强剪切力等因素共同作用，蛋白质发生变性，蛋白质分子内部的高度规则性空间排列发生变化，分子中次级键遭到破坏，整齐排列成同方向组织结构，经模孔挤出后形成具有类似动物肉咀嚼感产品的过程[3]。根据原料含水量的高低，挤压组织化加工技术可分为低水分和高水分挤压，低水分是指原料含水量低于40%，高水分则高于40%[4]。高水分挤压组织化加工技术生产的组织化蛋白，具有组织化程度高、咀嚼感强、即食即用、营养成分损失少等优点[5]。采用挤压组织化加工技术生产高水分组织化小麦蛋白，不仅可提高小麦蛋白附加值，提高加工企业经济效益，而且还能最大限度提高资源利用率，拓展我国小麦资源的精深加工途径。挤压过程中，含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度等挤压工艺参数对组织化蛋白产品特性有重要影响[6-7]，研究挤压组织化过程中的挤压工艺参数，有助于深入理解高水分组织化小麦蛋白形成过程，改进组织化蛋白挤压工艺。

本实验研究了含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度等挤压工艺参数对高水分组织化小麦蛋白产品特性的影响。以谷朊粉、花生蛋白、豌豆蛋白为原料，采用高扭矩双螺杆挤压装备开发高水分组织化小麦蛋白，并分析了产品色泽品质(L*、a*、b*、ΔE)、质构特性(组织化度、硬度、黏着性、弹性、聚结性、咀嚼度)、以及感官评价。旨在为高水分组织化小麦蛋白新产品的开发与利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

谷朊粉：安徽瑞福祥食品有限公司；花生蛋白：河南亮健科技有限公司；豌豆蛋白：烟台东方蛋白科技有限公司。

原料的基本组分见表1。

表1 原料的基本组分/%

1.2 仪器与设备

FMHE36-24型高扭矩双螺杆挤压装备：湖南富马科食品工程技术有限公司；TA-XT Plus型物性测试仪：英国Stable Micro System公司；X-Rite SP60系列积分球式分光光度仪：美国X-Rite爱色丽公司；Soxtec2050全自动索氏抽提系统、Kjeltec8400全自动定氮仪、Fibertec2010全自动纤维分析系统：福斯分析仪器公司。

1.3 实验方法

将谷朊粉、花生蛋白和豌豆蛋白(65.5:13.5:21)混合均匀后进行挤压实验，挤压工艺参数为含水量、螺杆转速、喂料速度和挤压温度。

1.3.1 含水量对组织化蛋白产品特性的影响

含水量各水平设置为46%、49%、52%、55%、58%，其他设置为螺杆转速300 r/min，喂料速度10 kg/h，挤压机T2、T3、T4、T5、T6区温度分别为60、100、170、140、100 ℃。

1.3.2 螺杆转速对组织化蛋白产品特性的影响

螺杆转速各水平设置为210、240、270、300、330 r/min，其他设置为含水量49%，喂料速度10 kg/h，挤压机T2、T3、T4、T5、T6区温度分别为60、100、170、140、100 ℃。

1.3.3 喂料速度对组织化蛋白产品特性的影响

喂料速度各水平设置为7、8、9、10、11 kg/h，其他设置为含水量49%，螺杆转速300 r/min，挤压机T2、T3、T4、T5、T6区温度分别为60、100、170、140、100 ℃。

1.3.4 挤压温度对组织化蛋白产品特性的影响

挤压机T4区温度(文中变量挤压温度指T4区温度)各水平设置为150、160、170、180、190 ℃，T2、T3、T5、T6区温度分别为60、100、140、100 ℃，其他设置为含水量49%，螺杆转速300 r/min，喂料速度10 kg/h。

1.4 产品特性测定

1.4.1 色泽测定

使用X-Rite SP60系列积分球式分光光度仪测定样品色泽，并记录L*、a*、b*、ΔE。

1.4.2 质构特性

使用TA-XT Plus型物性测试仪(TPA模式，P/36R探头)[8]，测定组织化蛋白产品的硬度(Hardness)、黏着性(Adhesiveness)、弹性(Springiness)、聚结性(Cohesiveness)、咀嚼度(Chewiness)。将样品切成边长为15 mm，高为3 mm的正方体，置于测试台中央，测试前速度1 mm/s，测试速度1 mm/s，测试后速度1 mm/s，下压程度50%，间隔时间3 s，往复两次。

1.4.3 组织化度测定

使用HDP/BS探头对样品(长20 mm,宽10 mm，高5 mm)进行剪切，测试前速度1 mm/s，测试速度1 mm/s，测试后速度1 mm/s，剪切程度为样品厚度的75%，组织化度为横向剪切力所做的功与纵向剪切力所做的功的比值[9]。

1.4.4 产品感官评价[10]

选取食品相关专业10名研究生(男女各5名)，培训后进行组织化蛋白产品的感官分析。感官分析的项目分别为组织化程度(系数0.4)、色泽(系数0.1)、表观状态(系数0.1)、口感(系数分别为:硬度0.1、润滑感0.1、黏弹性0.1)和风味(系数0.1)，每项目满分为10分。感官评分表详见表2，组织化蛋白产品感官得分计算公式如下：

表2 组织化蛋白产品感官评分表

1.5 数据处理与分析

采用Excel和SPSS 17.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 挤压工艺对组织化蛋白产品色泽的影响

由表3可以看出，含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品明度L*影响显著(P<0.05)。随着含水量的升高，组织化蛋白产品的明度L*逐渐升高；随着螺杆转速、喂料速度、挤压温度的升高，组织化蛋白产品的明度L*都先升高后下降，当螺杆转速为300 r/min时达到最大值(61.33)，当喂料速度为10 kg/h时达到最大值(61.33)，当挤压温度为160 ℃时达到最大值(62.17)。

表3 挤压工艺对组织化蛋白产品色泽的影响

注：结果以平均值±标准偏差计，字母不同表示在0.05水平上的差异显著性，余同。

含水量、挤压温度对组织化蛋白产品红色度a*影响不显著(P>0.05)，螺杆转速、喂料速度对组织化蛋白产品红色度a*影响显著(P<0.05)。随着含水量的升高，组织化蛋白产品的红色度a*先基本保持不变后略有下降；随着螺杆转速的升高，组织化蛋白产品的红色度a*先升高后下降，当螺杆转速为270 r/min时达到最大值(4.53)；随着喂料速度的升高，组织化蛋白产品的红色度a*逐渐升高；随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品的红色度a*先基本保持不变后略有升高。

含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品黄色度b*影响显著(P<0.05)。随着含水量、螺杆转速、挤压温度的升高，组织化蛋白产品的黄色度b*均先升高后下降，当挤压温度为170 ℃，含水量为49%，螺杆转速为300 r/min时，组织化蛋白产品的黄色度b*达到最大值(22.08)；随着喂料速度的升高，组织化蛋白产品的黄色度b*逐渐升高。

含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品色差ΔE影响显著(P<0.05)。随着含水量、喂料速度的升高，组织化蛋白产品的色差ΔE均逐渐升高；随着螺杆转速、挤压温度的升高，组织化蛋白产品的色差ΔE均先升高后下降，当螺杆转速为300 r/min，挤压温度为170 ℃时，组织化蛋白产品的色差ΔE达到最大值(37.94)。

2.2 挤压工艺对组织化蛋白产品质构特性的影响

由表4可以看出，含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品组织化度影响显著(P<0.05)。随着含水量、螺杆转速、喂料速度的升高，组织化蛋白产品的组织化度均先下降后升高；当含水量为52%时达到最小值(1.47)，当螺杆转速为270 r/min时达到最小值(1.46)，当喂料速度为10 kg/h时达到最小值(1.71)；随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品的组织化度先逐渐升高后下降，当挤压温度为180 ℃时达到最大值(1.95)。

表4 挤压工艺对组织化蛋白产品质构特性的影响

含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品硬度影响显著(P<0.05)。随着含水量的升高，组织化蛋白产品的硬度逐渐下降；随着螺杆转速的升高，组织化蛋白产品的硬度先逐渐下降后升高，当螺杆转速为300 r/min时达到最小值(18 034 g)；随着喂料速度的升高，组织化蛋白产品的硬度缓慢升高；随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品的硬度先逐渐升高后下降，当挤压温度为180 ℃时达到最大值(19 493 g)。

含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品黏着性影响显著(P<0.05)。随着含水量、挤压温度的升高，组织化蛋白产品的黏着性先下降后逐渐升高，当含水量为49%时达到最小值(0.388 g)，当挤压温度为160 ℃时达到最小值(0.265 g)；随着螺杆转速、喂料速度的升高，组织化蛋白产品的黏着性先升高后下降，当螺杆转速为240 r/min时达到最大值(1.358 g)，当喂料速度为9 kg/h时达到最大值(0.662 g)。

含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品弹性影响显著(P<0.05)。随着含水量的升高，组织化蛋白产品的弹性逐渐下降；随着螺杆转速的升高，组织化蛋白产品的弹性先下降后逐渐升高，当螺杆转速为240 r/min时达到最小值(0.949)；随着喂料速度的升高，组织化蛋白产品的弹性先基本保持不变后下降；随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品的弹性先升高后逐渐下降，当挤压温度为160 ℃时达到最大值(0.977)。

含水量、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品聚结性影响显著(P<0.05)，螺杆转速对组织化蛋白产品聚结性影响不显著(P>0.05)。随着含水量的升高，组织化蛋白产品的聚结性逐渐下降；随着螺杆转速的升高，组织化蛋白产品的聚结性先升高后下降，但变化幅度较小，当螺杆转速为240 r/min时达到最大值(0.849)；随着喂料速度的升高，组织化蛋白产品的聚结性先下降后升高，当喂料速度为9 kg/h时达到最小值(0.824)；随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品的聚结性先升高后缓慢下降，当挤压温度为170 ℃时达到最大值(0.844)。

含水量、螺杆转速、喂料速度、挤压温度对组织化蛋白产品咀嚼度影响显著(P<0.05)。随着含水量的升高，组织化蛋白产品的咀嚼度逐渐下降；随着螺杆转速的升高，组织化蛋白产品的咀嚼度先逐渐下降后升高，当螺杆转速为300 r/min时达到最小值(14 758 g)；随着喂料速度的升高，组织化蛋白产品的咀嚼度缓慢升高；随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品的咀嚼度先逐渐升高后下降，当挤压温度为180 ℃时达到最大值(15 548 g)。

2.3 挤压工艺对组织化蛋白产品感官特性的影响

由图1可以看出，含水量、挤压温度对组织化蛋白产品感官评分影响显著(P<0.05)，螺杆转速、喂料速度对组织化蛋白产品感官评分影响不显著(P>0.05)。随着含水量的升高，组织化蛋白产品的感官评分先升高后下降，当含水量为49%时达到最大值(73.4分)；随着螺杆转速的升高，组织化蛋白产品的感官评分基本保持不变；随着喂料速度的升高，组织化蛋白产品的感官评分先基本保持不变后略有升高；随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品的感官评分先升高后下降，当挤压温度为170 ℃时达到最大值(73.4分)。

图1 挤压工艺对组织化蛋白产品感官特性的影响

3 讨论

含水量在挤压过程中起着重要作用，对组织化蛋白产品色泽品质、质构特性有着重要的影响。侯建设等[11]研究发现随着含水量的增加，组织化蛋白产品的色泽逐渐变浅。Lin等[12]研究发现随着含水量的增加，组织化蛋白产品的硬度、黏着性、弹性、咀嚼度均逐渐下降。含水量的增加降低了物料的黏度[13]，从而缩短了物料在挤压机内的滞留时间，相应地也缩短了发生美拉德反应时间，最终导致产品颜色变浅。本实验研究也发现，随着含水量的增加，组织化蛋白产品的组织化度、硬度、弹性、聚结性、咀嚼度均呈下降趋势，这可能是由于水分过多时，稀释弱化了蛋白质组织化结构的形成[14]。

挤压过程中，螺杆转速的变化会改变剪切强度与物料滞留时间[15]，进而影响组织化蛋白产品特性。一方面，随着螺杆转速的升高，剪切强度增大，蛋白质变性程度会升高；另一方面，螺杆转速的升高缩短了物料在挤压机内的滞留时间，蛋白质变性的时间也相应地缩短，导致变性程度降低[16]。当螺杆转速较低时，滞留时间的缩短占主导作用，变性程度降低，产品组织化度、硬度、弹性和咀嚼度降低；当螺杆转速较高时，剪切作用的增强占主导作用，变性程度升高，产品组织化度、硬度、弹性和咀嚼度升高。挤压过程中，随着喂料速度的增大，物料滞留时间会缩短，发生美拉德反应的时间也相应地缩短，从而使产品颜色变浅，明度L*、红色度a*、黄色度b*、色差ΔE呈上升趋势；喂料速度的增大可以提高挤压机机筒内的填充度，从而增大蛋白物料间的相互作用力，使组织化蛋白产品的硬度略有升高。

挤压温度是影响组织化蛋白产品特性的决定性因素，Osen等[17]研究发现挤压温度低于120 ℃时，组织化蛋白产品不能形成纤维状结构，当温度为160 ℃时，组织化蛋白产品表面光滑、色泽均一、具有较好的纤维状结构。郑建梅等[18]研究发现组织化蛋白产品形成完整形态所需挤压温度不能低于150 ℃，随着挤压温度的升高，产品的硬度、弹性和咀嚼度先升高后降低。Cheftel等[19]研究发现随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品的横剪切力、组织化度逐渐增大。研究发现，随着温度的升高，组织化蛋白产品色泽呈现先略有升高后逐渐下降的趋势，这是由于随着温度的升高，美拉德反应加剧，类黑色素增多，从而使产品颜色加深。同时，也发现随着温度的升高，组织化蛋白产品的组织化度、硬度、弹性、聚结性、咀嚼度均先逐渐升高后下降，与前人报道相似。

4 结论

以混合均匀的小麦蛋白、花生蛋白和豌豆蛋白(65.5:13.5:21)作为蛋白原料，开展挤压实验。结果表明：随着含水量的升高，组织化蛋白产品色泽品质呈上升趋势，质构特性(组织化度先下降后升高)呈下降趋势；随着螺杆转速的升高，组织化蛋白产品色泽品质呈先升高后下降趋势，质构特性呈先下降后升高趋势；随着喂料速度的升高，组织化蛋白产品色泽品质、质构特性(组织化度先下降后略有升高)呈上升趋势；随着挤压温度的升高，组织化蛋白产品色泽品质、质构特性呈先升高后下降趋势。综合考虑组织化蛋白产品色泽品质、质构特性和感官评价，较适宜的挤压工艺为含水量49%，螺杆转速330 r/min，喂料速度10～11 kg/h，挤压温度170 ℃。

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