亚临界芝麻蛋白粉挤压组织化工艺研究

张富重，张国治，孙 强，黄纪念

1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001 2.河南省农业科学院 农副产品加工研究所，河南 郑州 450002

人类日常食用蛋白质主要包括动物蛋白质和植物蛋白质两大类，其中植物蛋白来源丰富，价格低廉，具有胆固醇和饱和脂肪酸含量少等优点，逐渐成为人类的主要食用蛋白[1]。但是动物蛋白的口感是植物蛋白不能比拟的，为了解决这个问题，研究者发明了以植物蛋白为原料，利用挤压组织化技术生产出与动物蛋白类似口感的组织化蛋白供消费者食用。

挤压组织化技术是用于处理食品成分连续加热的机械过程，是将物料的混合挤压、加热蒸煮、冷却塑性等操作于一体的技术，分为低水分挤压技术和高水分挤压技术[2-4]。在谷物早餐加工、膨化食品、植物拉丝蛋白等行业得到了广泛的应用[5-6]。目前主要用于挤压组织化的植物蛋白有大豆蛋白[7]、花生蛋白[8]、小麦蛋白[9]、豌豆蛋白[10]等，还没有以芝麻蛋白为主要原料的相关研究。亚临界芝麻蛋白粉富含大量人体必需氨基酸，营养价值高，其中蛋氨酸含量更是显著高于其他已知的植物蛋白[11-12]。它是将芝麻粉碎后，利用亚临界萃取技术除油后制得。作者以亚临界芝麻蛋白粉为主要原料，添加一定量的谷朊粉，利用双螺杆挤压机，通过设计单因素试验和响应面分析方法，以组织化度为评价指标进行挤压组织化工艺优化研究。为后续的产品开发奠定基础，同时丰富市场上的组织化蛋白产品的种类，改善其风味，提高其营养价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

亚临界芝麻蛋白粉：自制；谷朊粉：中纺汇泽生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

CLEXTRAL Ev025双螺杆挤压机:法国克莱斯特罗集团公司;TA-XT plus物性测定仪:英国Stable Micro Systems;CEB-5 L亚临界流体萃取设备：河南省亚临界生物技术有限公司；K-05型自动凯氏定氮仪：上海晟声自动化分析仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 原料理化性质的测定

分别参照GB 5009.3—2016、GB 5009.4—2016、GB 5009.5—2016、GB 5009.6—2016、GB/T 5009.10—2003方法测定原料中水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维的含量，NSI的测定参照张国治等[13]的方法。

1.3.2 亚临界芝麻蛋白粉的制备

参照刘日斌[14]的亚临界芝麻粕的制备工艺并稍加修改，将萃取时间改为40 min，将得到的亚临界芝麻粕粉碎过80目筛即得到亚临界芝麻蛋白粉。

1.3.3 蛋白挤压组织化工艺流程

原料过筛(80目)→搅拌混合均匀→预处理→挤压→切割→真空包装→冷冻储存。

1.3.4 单因素试验设计

在前期预试验的基础上，确定谷朊粉添加量为30%，喂料速度为2 kg/h。研究挤压温度(挤压机的第Ⅵ区的温度)、水分含量、螺杆转速等3个因素对组织化蛋白的组织化度的影响，从而确定挤压组织化工艺的初步取值。单因素试验设计如表1所示。

表1 单因素试验设计Table 1 Single factor experimental design

1.3.5 质构性质和组织化度的测定

质构性质的测定参照张金闯[15]的方法。组织化度的测定参照安红周等[16]的方法。

1.3.6 响应面优化试验

在单因素的基础上，选取合适的因素与水平进行响应面优化试验。

1.4 数据分析

采用SPSS 25.0、Origin 2018分别对数据进行分析及作图处理，再利用Design Expert 10软件进行方差分析及响应面分析。

2 结果与分析

2.1 原料的基本性质

挤压组织化蛋白原料一般要求脂肪含量低于5%，粗纤维含量小于7%，且要求原料颜色不能太深，无霉变，无异味[17-19]。亚临界芝麻蛋白粉和谷朊粉的脂肪含量分别为2.26%和2.11%，粗纤维含量分别为3.90%和0.62%，气味清新，均符合要求。原料的基本理化指标见表2。

表2 蛋白粉的基本理化指标Table 2 Basic physicochemical indexes of protein powder

2.2 单因素试验

2.2.1 挤压温度对组织化蛋白的质构性质及组织化度的影响

准确称量5份800 g的蛋白，挤压参数设定为喂料速度2 kg/h,水分含量60%，螺杆转速190 r/min。研究不同挤压温度对组织化蛋白的质构性质(硬度、咀嚼度)及组织化度的影响，结果如图1所示。

图1 挤压温度对组织化蛋白的质构性质及组织化度的影响Fig.1 Effect of extrusion temperature on the textural properties and degree of organization of texturized protein

由图1可以看出，组织化蛋白的硬度和咀嚼度随着挤压温度的升高先增大后减小然后再增大，组织化度随着挤压温度的升高一直增大。在140 ℃时开始组织化，形成纤维结构，硬度和咀嚼度有所下降，随着温度的升高，纤维结构逐步增加，硬度、咀嚼度和组织化度也逐步增大。在160 ℃时达到最大，超过这个温度无法正常挤出。所以初步确定挤压温度为140～160 ℃。

2.2.2 水分含量对组织化蛋白的质构性质及组织化度的影响

准确称量5份800 g的蛋白，挤压参数设定为喂料速度2 kg/h,挤压温度150 ℃，螺杆转速190 r/min。研究不同水分含量对组织化蛋白的质构性质及组织化度的影响，结果如图2所示。

图2 水分含量对组织化蛋白的质构性质及组织化度的影响Fig.2 Effect of moisture content on the texture properties and degree of texturization of texturized protein

从图2可以看出，硬度和咀嚼度随着水分含量的增加一直在减小，组织化度随着水分含量的增加，呈现先增加后减少的趋势。在水分含量为65%时组织化度达到最大，继续增加水分含量，组织化度减小，这是因为过多的水分会降低挤压机内温度，且使物料黏度急剧降低，不利于纤维结构的形成,造成了组织化度的降低[20]。所以初步确定水分含量为55%～65%。

2.2.3 螺杆转速对组织化蛋白的质构性质及组织化度的影响

准确称量5份800 g的蛋白，挤压参数设定为喂料速度2 kg/h,挤压温度150 ℃，水分含量60%。研究不同螺杆转速对组织化蛋白的质构性质及组织化度的影响，结果如图3所示。

图3 螺杆转速对组织化蛋白的质构性质及组织化度的影响Fig.3 Effect of screw rotation speed on the texture properties and degree of texturization of texturized protein

从图3可以看出，随着螺杆转速的增加，硬度和咀嚼度先减小后增大，组织化度先增大后减少。组织化度在190 r/min时达到最大，原因可能是螺杆转速较低时，原料各组分混合不充分从而挤压不充分，就造成了组织化程度低，随着螺杆转速的增加，增大了摩擦力和剪切力，提高了组织化程度，但螺杆转速过大会产生较大的剪切力，破坏原料中蛋白质等大分子物质间已形成的作用力或结构，导致组织化程度降低[21]。所以初步确定螺杆转速为180～200 r/min。

2.3 响应面法优化生产工艺

2.3.1 响应面试验设计方案

在单因素试验的基础上选取合适的因素与水平进行响应面设计，确定以水分含量(A)、挤压温度(B)、螺杆转速(C)等3个工艺参数为自变量，组织化度为响应值设计三因素三水平试验方案，具体如表3所示。

表3 响应面试验因素与水平Table 3 Response surface experimental factors and levels

2.3.2 响应面回归方程的建立与结果分析

以组织化度为因变量，以水分含量、挤压温度、螺杆转速为自变量进行响应面优化试验，对试验结果进行二次多元回归拟合，得到回归方程：组织化度=1.89+0.14A+0.23B-0.099C+0.073AB+0.052AC+0.10BC+0.11A2+0.015B2-0.11C2。试验设计及结果见表4，回归方程方差分析见表5,各因素之间的交互作用见图4。

图4 各因素交互作用对组织化度影响的响应面Fig.4 The interaction of various factors on the degree of texturization

表4 响应面试验设计及结果Table 4 Response surface experiment design and results

表5 响应面二次模型的变量回归分析Table 5 Variable regression analysis of response surface quadratic model

3 结论

以亚临界芝麻蛋白粉为主要原料进行挤压组织化研究，拓宽了组织化蛋白的原料种类。通过单因素试验和响应面设计对亚临界芝麻蛋白粉挤压组织化工艺进行了优化。结果表明：水分含量、挤压温度、螺杆转速、水分含量与挤压温度、挤压温度与螺杆转速的交互作用对组织化度都有显著影响，模型极显著，回归方程拟合度较好；得到的最优工艺为水分含量65%，挤压温度160 ℃，螺杆转速190 r/min，此时组织化度为2.45。