麦谷蛋白和麦醇溶蛋白配比对高水分组织蛋白品质的影响

安红周, 孟雪艳, 朱雪庆, 杨嘉菲, 李盘欣, 黄亚男

(河南工业大学粮油食品学院1,郑州 450001) (小麦和玉米深加工国家工程研究中心2,郑州 450001) (河南省南街村集团有限公司3,漯河 462600)

随着现代人们健康意识的不断提高和素食主义的盛行,以植物蛋白为原料挤压制备的植物组织蛋白成为改善饮食结构的新选择[1]。植物组织蛋白(Textured Vegetable Protein, TVP)可分为低水分组织蛋白(水质量分数<40%)和高水分组织蛋白(水质量分数为40%～80%)。其中,高水分组织蛋白其营养价值、质地和外观与动物肉相似,是一种在功能上可以替代肉类的植物蛋白产品[2]。2020年全球植物组织蛋白市场价值为11亿美元,预计到2027年将达到21亿美元,复合年增长率为9.2%[3],植物组织蛋白的应用具有巨大的发展潜力。谷朊粉(WG)作为挤压组织蛋白生产中重要的原辅料,对产品纤维结构的形成具有重要作用[4]。同时谷朊粉具有原料丰富、价格低廉的特点,因此被广泛添加到挤压原料中用于改善组织蛋白的产品品质。谷朊粉能够提高组织蛋白产品的抗蠕变和不可恢复的变形能力,大豆蛋白和谷朊粉复合挤压可以形成结构良好的组织蛋白产品[5]。Chiang等[6]分析了大豆浓缩蛋白和谷朊粉配比对挤压组织蛋白理化性质和质地的影响,发现含有质量分数30%谷朊粉的产品具有最高的组织化度、纤维结构、硬度和咀嚼性。Zhang等[7]研究发现在大豆浓缩蛋白和谷朊粉共混物中,增加谷朊粉含量能够使产品纤维结构增加,谷朊粉在促进挤压组织蛋白中二硫键的增加,纤维结构形成方面起着关键的作用。

对于谷朊粉中的两大蛋白组分——麦谷蛋白(Glu)和麦醇溶蛋白(Gli)的研究多集中在面制品方面。Barak等[8]发现Gli和Glu对面包比容有积极影响,比值与面包芯的硬度呈正相关。杨涛等[9]研究表明醇谷比增加,饼干直径增加并且能够改善色泽,但醇谷比过高则会导致面筋蛋白黏弹性下降,饼干硬度增加。当Glu和Gli的质量比为1∶1时,馒头在冷冻储藏期间比容最高和硬度最低,速冻馒头的品质和冷冻稳定性最佳[10]。因此,Gli和Glu对于提供适当的面筋黏性和弹性特性平衡至关重要。

科研学者在谷朊粉对组织蛋白品质的改善方面做了大量研究,但对其主要蛋白组分Glu和Gli对挤压组织蛋白产品品质的影响尚未明确。探究Glu和Gli及二者的比例对植物组织蛋白产品的开发和品质改善具有一定的指导意义。Glu和Gli对低水分组织蛋白品质的影响规律表明,Gli具有保持产品气体的能力,Glu能够支撑产品气孔不塌陷。低水分与高水分组织蛋白产品在形状、结构和形成机理等方面有诸多不同点,故实验对Glu和Gli对高水分组织蛋白品质的影响进行探究。实验采用分离重组的方法,以谷朊粉为材料提取得到Glu和Gli,并按不同比例进行重组,在挤压配方中替代谷朊粉。研究不同谷醇比挤压混合粉的流变特性以及对高水分组织蛋白产品品质的影响,并分析2种组分在高水分挤压中所起的作用,为高水分组织蛋白品质的改善提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

大豆分离蛋白,低温脱脂豆粕,谷朊粉,小麦淀粉。

试剂:无水乙醇(分析纯),盐酸(分析纯),大豆油(一级食用油)。

CLEXTRAL Ev025型双螺杆挤压机,HAAKE RS6000流变仪,CR-400色彩色差仪,LXJ-IIB低速离心机,TA-XT PLUS物性测试仪,LGJ-10冷冻干燥机。

1.2 原料基础指标

水分的测定:GB/T 5009.3—2016;灰分的测定:GB/T 5009.4—2016;粗蛋白的测定:GB/T 5009.5—2016;粗脂肪的测定:GB/T 5009.6—2016。

1.3 麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的提取

将谷朊粉和体积分数70%的乙醇以1∶30(g/mL)比例混合,常温下磁力搅拌2 h,在3 870 g下离心15 min,水洗沉淀2～3次得到Glu。收集上清液,加入2倍水稀释并调节pH至6.2,搅拌稀释液,静止隔夜收集Gli。提取出的蛋白用冷冻干燥机冻干,粉碎过100目筛。

1.4 挤压实验

将提取出的Glu和Gli按质量比100∶0、80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100进行重组,替代挤压配方中的谷朊粉生产高水分组织蛋白产品,质量比分别记为Glu∶Gli=100∶0、Glu∶Gli=80∶20、Glu∶Gli=60∶40、Glu∶Gli=40∶60、Glu∶Gli=20∶80、Glu∶Gli=0∶100。

大豆分离蛋白∶谷朊粉∶低温脱脂豆粕的质量比为40%∶30%∶30%,另外添加小麦淀粉质量分数为5%。挤压机1～6区温度设置为30 ℃—90 ℃—120 ℃—140 ℃—150 ℃—160 ℃,冷却模头温度为60 ℃;加水量:3.2 L/h;喂料量:2.8 kg/h;螺杆转速:280 r/min。

1.5 混合原料流变特性

参照Savadkoohi等[11]的方法进行修改。样品处理:称取5 g原料混合粉,加20 mL蒸馏水,搅拌均匀,置于4 ℃下储存过夜。取1 g样品加到流变仪的下板,设置板间隙为1 mm,样品边缘用硅油密封。

应变扫描:恒定温度25 ℃,恒定频率1 Hz,应变0.01%～100%,G*不变的区域为线性黏弹区,确定应变固定为1%。

温度扫描:恒定频率1 Hz,应变1%,以5 ℃/min的速率从20 ℃升温至95 ℃,保持恒温2 min,再以5 ℃/min降温至20 ℃。记录样品的储存模量(G′)和损耗模量(G″)以及损耗角正切值tanδ随温度和时间的变化。

1.6 高水分组织蛋白产品品质测定

1.6.1 色泽

将制备好的组织蛋白产品进行真空冷冻干燥,粉碎过100目筛。色彩色差计进行校正后测定样品明度系数L*值、彩度系数a*、b*值及总色差ΔE*。标准白板色调值L标*=95.22,a标*=-0.60,b标*=4.15。ΔE*的计算公式:

式中:ΔL*、Δa*和Δb*为样品和标准白板之间的差值。

1.6.2 持水性

将制备好的组织蛋白产品进行真空冷冻干燥,粉碎过100目筛。称取样品约3.0 g分散在25 mL蒸馏水中,置于50 mL离心管中。混匀后静置30 min,2 177 g离心25 min。倒去上清液,沥干后称质量。

式中:m1为样品的质量/g;m2为离心管的质量/g;m3为离心后离心管和样品的质量/g。

1.6.3 持油性

将制备好的组织蛋白产品进行真空冷冻干燥,粉碎过100目筛。称取样品约3.0 g置于50 mL离心管中,加17 mL大豆油,混匀后静置30 min,4 899 g离心10 min。倒去上清液,沥干后称重。

式中:m1为样品的质量/g;m2为离心管的质量/g;m3为离心后离心管和样品的质量/g。

1.6.4 质构特性

挤压制备好的组织蛋白产品修剪成2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm的形状,选定质构仪为TPA模式,采用P/50探头,测试前速度2.0 mm/s,测试中速度1.0 mm/s,测试后速度2.0 mm/s,下压程度为50%,触发力5 g,时间间隔5 s。

1.6.5 组织化度

测定垂直于挤压机物料流出方向的剪切力与平行于挤压机物料流出方向的剪切力,比值表示组织化度。将产品修剪成2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm的形状,质构仪为剪切模式,采用A/CKB探头,测试前速度2.0 mm/s,测试中速度1.0 mm/s,测试后速度2.0 mm/s,剪切程度75%。

1.6.6 拉伸特性

参照陈树鹏等[12]的方法对产品进行修剪,沿挤压机物料流出方向进行拉伸。质构仪为拉伸模式,采用A/TG探头,拉伸速度1 mm/s,拉伸位移100 cm,触发力5 g。

1.6.7 感官评价

参照朱嵩[13]的方法进行修改。由12名专业感官评价员(6名男生,6名女生)分别从色泽、表观状态、风味、口感、组织状态5个方面进行评价,按不同的权重系数(色泽∶表观状态∶风味∶口感∶组织状态=0.15∶ 0.15∶ 0.20∶ 0.25∶ 0.25)计算出总分。感官评价表见表1。

表1 高水分组织蛋白感官评价表

1.7 数据处理

采用SPSS Statistics 26软件进行ANOVA差异显著性分析,P<0.05为显著性差异;Origin Pro 2021软件作图。所有结果均采用3次重复实验的平均值和标准差表示。

2 结果与分析

2.1 原料基础指标

表2为挤压所用的大豆分离蛋白、谷朊粉、豆粕和小麦淀粉以及提取出的Glu和Gli的基础理化指标。从谷朊粉中提取出的Gli质量分数为96.39%,蛋白含量较高。Glu里含有谷朊粉中的大部分淀粉,蛋白质量分数稍低为78.08%。另外,测得谷朊粉中的Glu质量分数为(31.01±0.01)%,Gli质量分数(为51.54±0.01)%。

表2 原料基础理化成分表

2.2 不同谷醇比对挤压混料的流变学特性分析

原料的流变特性对挤出过程有重要的影响。例如,螺杆转动产生的剪切应力是黏度的函数,是物理和化学变化的原因[14]。冷却模头中的流动行为影响挤压高水分组织蛋白的产品形态结构[15],也是流变特性的函数[16]。谷朊粉中的主要组分Glu和Gli是影响挤压混料流变学的重要因素。不同谷醇比对挤压混料的流变学特性测定结果如图1所示。

在升温阶段(20～95 ℃),挤压混料的储能模量G′和损耗模量G″先减小后增大。G′和G″值的减小与天然蛋白质分子链展开发生变性这一过程和分子间物理相互作用(氢键和离子键)被破坏相一致。Ortolan等[17]也指出,加热对离子键和氢键的破坏作

用导致面筋网络的G′和G″降低。随着温度的继续升高,G′和G″值逐渐增大。隐藏在蛋白内部的巯基和疏水基团等更多官能团暴露出来,使基团之间的相互作用增加[18]。因此,G′和G″在温度升高的过程中呈先下降后上升的趋势。降温阶段(95～20 ℃)G′和G″迅速上升,这可能是因为蛋白质分子间通过二硫键和非共价相互作用发生交联,导致蛋白质聚集性增加。此外,tanδ在90 ℃和80 ℃左右有2个明显的峰,这可能与蛋白质分子之间的结合和聚集有关[19]。在温度扫描中,随着谷醇比的减小,挤压混料的G′和G″呈下降趋势,主要是和Glu呈现固体性质以及Gli表现出流体的性质有关。这一实验结果与Chen等[20]研究相一致。损耗角正切值tanδ为G″/G′,所有样品的tanδ均小于1,G′大于G″,表明物料弹性占主要部分,为弱凝胶体。tanδ越大,流动性越强。在升温过程中,增加Gli含量可以提高tanδ值,表明Gli有利于提高挤出过程中熔体的流动性。

2.3 不同谷醇比对产品持水性和持油性的影响

蛋白质对水和油脂的吸收与产品的质地、口感和风味保持有关[21]。蛋白质与水或油的结合取决于极性亲水基团或疏水基团的可用性,并受到蛋白质组成和构象变化的强烈影响[22]。由图2可知,空白产品的持水性和持油性分别与40∶60(质量比)和20∶80(质量比)的产品无显著性差异,测定空白产品中谷朊粉原料谷醇比为0.601。随着谷醇比的减小,重组谷朊粉挤压产品持水性显著降低(P<0.05),持油性呈下降趋势。Glu结构呈纤维状,其大分子聚合物有利于水和油的保持。Gli结构为小分子的球形,主要依靠氨基酸残基的非极性侧链间的疏水相互作用,在此结构中的非极性基团倾向于疏水的环境[23]。Chen等[24]指出随着温度的升高,相比于Glu,Gli在挤压过程中的共价交联程度更高。Glu和Gli本身结构、氨基酸组成和黏弹性等方面存在的差异,挤压后Glu和Gli分子质量改变,两者聚合形成不同强度的网络结构。

图2 挤压产品的持水性和持油性

2.4 不同谷醇比对产品的色泽影响

挤压蒸煮过程中的颜色变化可作为视觉指标,能够反映挤压过程中的化学反应程度。 Ilo等[25]研究了挤压蒸煮过程中的颜色变化动力学并得出结论,亮度值L*值是挤压蒸煮过程中最可靠的变化指标。在高温下,通过诱导美拉德反应、焦糖化反应和色素降解等显著影响挤出物的亮度[26]。由图3可知,Glu和Gli质量比为100∶0时,挤压产品的L*值最小,ΔE*值最大。Gli比例的增加在一定程度上改善了产品的色泽,亮度值L*值显著性增大(P<0.05),色差ΔE*值显著性减小(P<0.05)。Glu和Gli的质量比为0∶100时,挤压产品最亮,色差ΔE*值最小。一方面可能是由于提取的Glu比Gli色泽深,原料本身色泽的差异对产品的色泽造成一定的影响。另一方面,由挤压混料的流变学特性可知,随着Gli含量的增多,物料的流动性增加,在挤压机机筒内的停留时间缩短,导致非酶褐变反应如美拉德反应、焦糖化反应等的程度低,因此产品的色泽亮色差小。

图3 挤压产品的L*值和ΔE*值

2.5 不同谷醇比对产品质构的影响

质构是影响消费者对挤压食品可接受性的最关键因素之一。由表3可知,与空白产品相比,重组谷朊粉产品的硬度和咀嚼性显著性下降,可能与Glu和Gli提取中破坏了蛋白间的结合有关。随着Glu的减少,组织蛋白产品的硬度和咀嚼性呈下降趋势,弹性无明显变化。Glu各亚基之间通过分子间二硫键和氢键、疏水作用等非共价键聚集成分子量较大的聚合物,进而形成具有刚性和弹性的网络,赋予产品硬度和弹性。产品硬度和咀嚼性下降可能是因为Glu含量少降低了面筋结构的致密性,从而形成较弱的面筋网络所引起的[27]。陆启玉[28]发现随着Glu和Gli比的升高,面条的硬度变大。Barak等[29]也发现Gli和Glu比值与饼干的硬度呈负相关。Glu和Gli质量比为20∶80时,产品具有相对较高的硬度和咀嚼性。

表3 挤压产品的质构特性

2.6 不同谷醇比对产品组织化度的影响

组织化度为横向剪切应力和纵向剪切应力的比值,可用于描述高水分组织蛋白产品的纤维结构。由表4可以看出,所有挤压产品的横向剪切力均大于纵向剪切力,即组织化度大于1,说明产品均具有纤维结构。随着谷醇比的减小,产品的横向剪切力整体呈增大趋势,纵向剪切力呈减小趋势,组织化度先上升后下降。当Glu和Gli的质量比为20∶80时,具有最高的组织化度2.63。这表明Gli含量的增多有利于物料沿挤出方向形成纤维结构,而且硬度降低,使挤出物具有柔软的质地。分散在蛋白质分子中的球状Gli可以改善物料的流动性和柔韧性,进一步促进各向异性纤维结构的形成。另外,Glu主要为面筋提供弹性,并且聚合性较大,可能不利于挤压过程中蛋白质分子的取向排列[30]。因此,Glu含量高,产品硬度高,组织化程度变低。Glu是形成面筋的主干结构,球形的Gli填充在纤维状的Glu聚合物中,两者通过非共价键结合共同形成黏弹性的面筋网络。所以当原料中不含Glu时,挤压产品的组织化度下降。因此,Glu和Gli两者单独存在或者比例不适当都无法形成纤维品质良好的产品。

2.7 不同谷醇比对产品拉伸特性的影响

拉伸试验是测量产品的抗撕裂性。最大拉伸力是指哑铃或狗骨形状样品被拉伸至断裂时所承受的最大力[31]。挤压产品的拉伸特性如表5所示。重组谷朊粉挤压产品的最大拉伸力和拉伸距离呈先增大后减小趋势,其中Glu和Gli的质量比为40∶60的产品最大拉伸力与空白无显著性差异,这表明了平衡Glu和Gli这两大组分对挤压产品拉伸品质的重要性。拉伸距离越大表示产品的延展性越好。随着Gli含量的增多,物料的延展性能增强,因此组织蛋白产品的拉伸距离显著性增大(P<0.05)。但当Gli含量继续增加,拉伸距离减小,产品韧性降低容易被拉断,可能是产品中缺乏Glu支撑所导致的。

表5 挤压产品的拉伸特性

2.8 不同谷醇比对产品感官评价的影响

感官特性与外观、质地和风味等密切相关。挤压产品的各项指标平均得分和总分如表6所示,随着谷醇比的减小,产品色泽和表观值逐渐增大,这与色泽数据相符。产品的感官总分先增大后减小,当Glu和Gli的质量比为20∶80时,产品色泽明亮均匀、口感软硬适中以及纤维结构丰富,具有最高的感官评分。Glu和Gli为40∶60以较好的风味和口感排名第二。Glu和Gli为0∶100因缺乏Glu结构的支撑,其表观状态稍差且产品略偏软排名第三。

表6 挤压产品的感官评分

3 结论

重组谷朊粉挤压混料的流变结果显示,增大Gli的含量有利于提高挤出过程中物料的流动性。在一定程度上,Glu含量的减少使挤压产品的持水性、硬度和咀嚼性下降,Gli含量增加使产品的色泽变亮,横向剪切力、拉伸距离和组织化度显著升高(P<0.05)。当Glu和Gli为20∶80时,产品具有相对较高的硬度和咀嚼性,组织化度值最大,并且具有最高的感官评分,该比例下产品品质最好,说明Gli对于纤维结构的形成更有利。Glu和Gli的质量比为0∶100时,由于缺乏Glu的网络结构支撑,使得产品的组织化度下降。研究表明Glu对产品网络结构具有支撑作用,Gli对产品纤维结构的形成有利。在之后的研究中,可对挤压过程中Glu和Gli分子结构的动态变化以及二者相互作用的机制进行深入探讨。