复合组织蛋白挤压加工工艺的初步研究.pdf

第20卷 第4期 2004年7月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol . 20 No. 4 July 2004 复合组织蛋白挤压加工工艺的初步研究 王洪武1,林炳鉴2 (1. 青岛科技大学高分子工程材料研究所,青岛266042; 2.北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所,北京100029) 摘 要:该文利用FTS250型双螺杆食品挤压机,进行了复合组织蛋白挤压加工工艺的研究。试验研究了各个工艺参数对 产品组织化的影响,得出了较佳的工艺条件。结果表明:适量的油脂 (2% 10% )可以降低主机功耗,并稳定组织化结构;原 料的pH为6. 57. 5时,产品的纤维强度较好;淀粉添加量在10%以内,产品的纤维化结构明显而且口感适中;含水率和 螺杆转速对挤压产品组织化质量有着复杂的影响;挤压变性段温度提高,产品的组织化程度提高。 关键词:大豆蛋白质;复合组织蛋白;挤压;加工工艺 中图分类号: TS203 文献标识码 : B 文章编号: 100226819(2004)0420216204 收稿日期: 2003212219 修订日期: 2004206228 作者简介:王洪武(1970- ),男,博士,讲师,主要从事天然高分子材 料挤压加工与装备的研究。 青岛市四方区郑州路53号 青岛科技大 学高分子工程材料研究所, 266042。Email:whwuwsina. com 0 引 言 挤压蒸煮作为一种连续的热机械处理过程和多 级、 多功能的操作单元,具有通用性强、 产量高、 成本低、 能效高等优点,因此广泛应用于食品及农副产品加工。 大豆蛋白含有人体必须的8种氨基酸,被认为是21世 纪最受欢迎的食品原料之一。1970年,A tkinson1最早 研究了挤压组织化产品。挤压蒸煮过程中,大豆蛋白 质在温度场、 剪切场、 压力场和水的联合作用下,由天然 的球状聚集态重组为纤维状的蛋白质。 重组后的大豆蛋 白质,将呈现如动物的肌肉纤维织态结构2。 目前,在美国、 日本、 中国等国家有挤压生产低水分 的膨化组织蛋白的企业。 有关挤压加工密实、 分层、 纤维 化好的动植物复合组织蛋白的研究,国外有一些报 道3- 7,但国内还少有报道。将大豆蛋白和畜肉合理地 结合在一起挤压加工的复合组织蛋白(或称工程肉)是 一种新型的高蛋白的功能食品,这种动植物蛋白的有机 配合,不仅有利于改善食物结构,也能有效地利用植物 蛋白资源,从而达到营养平衡。因此,本文利用FTS250 型双螺杆食品挤压机,研究了挤压加工复合组织蛋白过 程中,各个工艺参数对挤压组织化的影响,从而为大豆 蛋白质的深加工和开发各种仿肉制品打下良好的基础。 1 材料与方法 1. 1 试验原料 试验的原料体系为主料:脱脂大豆粉;辅料:猪肉、 淀粉、 大豆分离蛋白、 植物油、 添加剂、 水、 佐料等。复合 组织蛋白挤压加工的主要原料的含水率、 蛋白质含量和 脂肪含量如表1所示。 1. 2 试验设备 挤压试验设备采用北京化工大学塑料机械研究所 研制的FTS250型同向啮合式双螺杆食品挤压机。该机 主要特点有 : 1) 机筒全程三向可视,可以观察、 摄录物料 表1 复合组织蛋白挤压加工的主要原料的含水率、 蛋白质含量和脂肪含量 Table 1 M oisture, protein and fat content of the main materials used in extrusion processing of composite textured proteins% 原 料含水率蛋白质含量脂肪含量 脱脂大豆粉11. 049. 00. 9 大豆分离蛋白10. 385. 50. 3 猪 肉65. 716. 016. 8 真实的挤出过程,从而为配方设计、 螺杆组合、 工艺设定 提供依据。 2) 主机的高扭矩传动和深螺槽输送,使物料 输送能力强、 混炼均匀、 产品变性程度高、 生产率大。 3) 积木式螺杆和分段组合的机筒和机头,提高了设备的 适用性。 双螺杆挤压机机筒俯视图如图1所示。 其主要技术 参数为螺杆直径: 50 mm;长径比: 32;传动功率: 38 kW ;加热功率: 18. 6 kW ;最大螺杆转速 : 300 rm in - 1; 最大产量: 150 kgh- 1;加热段: 7段;料温、 料压测试: 7区(自机筒加料口至机头)。片机头成型尺寸: 250mm 80mm3mm。 螺杆元件组合如表2所示。 机筒温度 设置如表3所示。 图1 双螺杆挤压机机筒俯视图 Fig. 1 Planform of the barrel of tw in2screw extruder 1. 3 产品测试与评价 纤 维 强 度 测 试:挤 压 样 品 烘 干 后,用RHEO M ETER流变仪(NRM23002D型,日本制造)测试样品 的纵向拉伸力(F l)和横向拉伸力(Fv ), 算出纵、 横向 拉伸力比值(F l?Fv)。每个样品进行3次平行测试。 组织化质量的感官评价,如表4所示。 612 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表2 螺杆元件组合 Table 2 Screw configuration 元件类型齿形盘输送元件输送元件捏合盘输送元件输送元件输送元件反螺纹剪切元件 螺距?mm-7560KB?45 ?575604530 长度?mm15300300607530022560 注: KB?45 ?5表示:捏合盘,螺旋角为45,单个盘片厚度为5 mm;输送元件为右旋螺纹;剪切元件为左旋反螺纹。 表3 机筒温度设置 Table 3 Barrel temperature setting 1区温度2区温度3区温度4区温度5区温度6区温度机头温度 25354050759595105120140140160100120 表4 产品组织化质量的感官评价 Table 4 Sensory evaluation of texture quality of products 等级组织化质量感 官 描 述 -差碎片状,极易分散,纤维化结构微弱 +一般基本上呈密实的片状,内部纤维化结构较好,表面较软,复水后纤维片段较易脱落 + +很好纤维化明显的片状,口感适中,咀嚼性强。复水后纤维结构良好,硬度、 咀嚼性、 纤维状类似于瘦肉 2 结果与分析 2. 1 油脂含量对挤压组织化的影响 油脂在挤压加工中有两个重要的作用,一是在挤压 蒸煮过程中,作为物料体系的润滑剂,二是改善产品的 口感和风味。 一般情况下,油脂含量增高,可以明显降低 主机功耗,如图2所示。但蛋白质物料体系中含有过多 的类脂物质,可能导致挤压过程中物料在强烈剪切作用 下发生滑移,从而不能稳定地挤出成型。采用较低含量 的油脂,可以改善产品的口感和风味。 而且,在低类脂组 分下,蛋白质与油脂的相互作用对组织化结构的稳定性 有重要作用。 油脂与蛋白质的相互作用取决于油脂的含 量、 蛋白质含量、 脂液滴在蛋白质中的分散及温度等。 少 量的脂肪可以防止蛋白质中不溶物的出现,从而提高产 品的组织化质量。 适量的类脂物质可与蛋白质发生水合 反应,直到达到饱和度为止,饱和度由蛋白质分子的疏 水基数量决定。 如果类脂物质含量超过了与蛋白质相互 作用的饱和度,则纯粹起一种润滑剂的作用,润滑过度, 则容易使物料发生壁面滑移。 试验表明,在单纯以脱脂大豆粉为原料进行挤压加 工时,油脂添加量超过6% ,易使产品发散,而且纤维 化结构极弱。 在大豆蛋白、 淀粉和猪肉共混挤压加工时, 由于蛋白质含量高,可以适当提高油脂含量,可达10% 以上,图3是油脂含量对组织蛋白纤维强度的影响。从 图3可见,组织蛋白的纤维强度随着油脂含量的增大而 减小。 2. 2 淀粉含量对挤压组织化的影响 淀粉是D2葡萄糖的聚合物,由直链淀粉和支链淀 粉组成。添加支链淀粉可以改进产品的感官性质、 增强 稳定性。在复合组织蛋白挤压加工中,可以添加适量的 支链淀粉含量高的淀粉,如糯米粉、 马铃薯粉等。 淀粉与 蛋白质之间的相互作用,引起蛋白质的凝聚度降低,从 而使产品的组织化程度降低。因此,对于组织化程度而 言,淀粉的添加使组织化程度降低;但对于成型的稳定 性而言,淀粉可以作为增稠剂、 增强剂来添加,使挤压过 程稳定;对于产品的感官性质而言,淀粉可以作为膨化 剂来添加,使产品口感松软。 由于淀粉具有降低组织化程度和增加挤压成型性 的双重作用,淀粉的添加量必须严加控制,如果淀粉含 量过高,则不易得到纤维化明显和咀嚼度适中的产品。 试验表明,淀粉添加量在10%以内,产品的纤维化结构 明显而且口感适中。当大豆蛋白和淀粉的添加比例为 41时,产品的成型性很好,但由于淀粉的凝胶化程度 过大,产品口感较硬,粘着性较强。 特别是在同时添加猪 肉时,对淀粉改善产品口感这一作用的要求较低,更要 控制淀粉的添加量。 试验表明,当添加比例为大豆蛋白: 猪肉:淀粉= 410. 5时,既可以得到纤维化结构明 显的挤压产品,又可以提高挤压成型的稳定性,改善产 品的口感,如表5所示。 2. 3 原料pH值对挤压组织化的影响 pH值对蛋白质变性的影响是通过静电作用来实 现的。pH值改变,引起蛋白质分子表面电荷分布的变 化,使维持蛋白质分子构象的次级键发生变化,从而影 712 第4期王洪武等:复合组织蛋白挤压加工工艺的初步研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表5 大豆蛋白、 猪肉、 淀粉的添加量对挤压组织化的影响 Table 5 Influence of addition of soy protein, pork meat and starch on extrusion texturization 大豆蛋白 猪肉淀粉 含水率 ?% 螺杆转速 ?rm in- 1 纤维强度 成型性 组织化口感 54145800. 48- 41145801. 42+ + 410. 545801. 93+ + + + 41045802. 08+ + + 注: + +为性能良好; +为性能一般; -为性能差。 响了变性程度。图4是原料pH值对组织蛋白纤维强度 的影响。 从图4可见,当pH值 7时,纤维 拉伸力比值随着pH值的增大而减小;当pH值= 7时, 纤维的拉伸力比值最大;纤维拉伸力比值对偏酸性的敏 感度大于对偏碱性的。挤压试验结果还表明,偏碱性的 原料比偏酸性的原料,在相同的挤压温度和含水率条件 下,产品的组织化质量更好,形状也更整齐。这说明,适 当提高原料的pH值,可以提高产品的组织化质量。同 时,为了提高产品食用时的硬度和提高调整pH值的效 果,还可以添加适量的食盐。总之,试验表明, pH值= 6. 57. 5时,大豆蛋白双螺杆挤压组织化的产品质量 较好。 图4 pH值与纤维纵、 横向拉伸力比值的关系 Fig. 4 Relationship between pH value and the ratio of longitudinal to radial tensile strength 2. 4 含水率对挤压组织化的影响 水在蛋白质物料体系中是一个重要的组成部分。 含 水率影响物料的粘度,蛋白质面团粘度随含水率的增加 而降低。 含水率对挤压产品的组织化质量也有着重要的 影响。 表6是含水率对挤压产品组织化的影响。 由表6可 见,当含水率在41%时,产品的组织化质量最好,原料 含水率一般应在37%45%之间调整。 图5是含水率与纤维纵、 横向拉伸力比值的关系 (螺 杆 转 速 为100 rm in- 1,机 筒 温 度(六 区)为 155)。由图5可见,含水率在39%43%之间,产品 拉伸力比值为1. 452. 0,在此范围内,随着含水率的 增高,纤维强度增加,弹性、 韧性也增加,可以认为这是 最佳含水率区域,组织化感官评价也是如此。当含水率 大于46%时,纤维强度随着含水率的增加而减弱,质地 粘软,形状也不好。如果含水率大于50% ,就难以成型 了。 表6 含水率对产品组织化质量的影响 Table 6 Influence of moisture content on the textural quality of products 螺杆转速?rm in- 1含水率?%感官评价 8049- 8041+ 8037+ 10049- 10045+ 10041+ + 10037+ 12045- 12041+ + 12037+ 注: + +为产品具有明显的纤维化结构,感官评价良好; +为产品具有 一定的纤维化结构,感官评价一般; -为产品的纤维化结构极其微 弱,感官评价差。 图5 含水率与纤维纵、 横向拉伸力比值的关系 Fig. 5 Relationship between moisture content and the ratio of longitudinal to radial tensile strength 2. 5 螺杆转速对挤压组织化的影响 表7是螺杆转速对挤压组织化的影响(含水率为 40% ,机筒温度(六区)为155)。从表中可见,在挤压 加工复合组织蛋白时,由于既要考虑到对挤压组织化的 影响,又要考虑到对挤压成型性的影响,螺杆转速不宜 太高,一般在80100 rm in- 1的范围内较好。从表7 还可见,当螺杆转速在100 rm in- 1以下时,产品的纤 维纵、 横向拉伸力比值随着螺杆转速的增大而平稳上 升;而当螺杆转速超过100 rm in- 1时,拉伸力比值随 着螺杆转速的增大而急剧下降。 表7 螺杆转速对挤压组织化的影响 Table 7 Influence of screw ing speed on extrusion texturization 螺杆转速?rm in- 1纤维强度感官评价 601. 86+ + 802. 01+ + 1002. 30+ + 1201. 05+ 1400. 46- 注: + +为产品具有明显的纤维化结构,感官评价良好; +为产品具有 一定的纤维化结构,感官评价一般; -为产品的纤维化结构极其微 弱,感官评价差。 2. 6 机筒温度对挤压组织化的影响 大豆蛋白质的热变性是产品能形成组织化结构的 主要原因。 挤压机熔体输送段(或称变性段)的温度对挤 压产品的组织化程度有着直接的影响。 图6是机筒温度 812农业工程学报2004年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. (六区)对纤维纵、 横向拉伸力比值的影响(含水率 40% ,螺杆转速80 rm in- 1)。 从图6中可以看出,拉伸 力比值随着机筒温度的升高而增大,说明纤维强度增 大,组织化程度变大,这是蛋白质在高温下变性程度增 大、 分子交联程度增大的结果。 从挤压试验结果来看,反 应温度过高(大于170 ), 物料有可能焦化;反应温度 过低(小于140 ), 纤维化程度有可能不足。当机筒六 区(反应段)温度在150160之间时,拉伸力比值在 1. 72. 3之间,纤维明显、 质地均匀致密、 口感好。 图6 机筒温度(六区)与纤维纵、 横向拉伸力比值的关系 Fig. 6 Relationship between barrel temperature (the sixth zone)and the ratio of longitudinal to radial tensile strength 3 结论与讨论 本文进行了复合组织蛋白挤压加工工艺的初步研 究,考察了各个工艺参数对挤压产品组织化质量的影 响。得出的结论为: 1) 适量的油脂 (2% 10% )可以降低主机功耗,稳 定组织化结构,并改善产品的风味和口感; 2) 原料的pH = 6. 57. 5时,产品的纤维强度较 好; 3) 淀粉添加量在10%以内,产品的纤维化结构明 显而且口感适中; 4) 含水率对挤压产品组织化质量有着复杂的影 响,含水率在37%45%之间比较合适; 5) 螺杆转速对挤压产品组织化质量的影响较复 杂,较佳的螺杆转速范围为80100 rm in- 1; 6) 挤压温度对挤压产品组织化质量有着重要的影 响,变性段温度提高,产品的组织化程度提高。 复合组织蛋白挤压加工的研究是大豆蛋白精深加 工技术的难点和热点课题之一,其经济效益与社会效益 都很大。 本文的研究可为指导实际生产和更深入的理论 研究提供一定的基础,但由于工作量等因素的限制,本 文的研究仅局限于挤压工艺和单因素试验研究和分析, 还需要进一步对淀粉、 蛋白质、 油脂、 水分对产品挤压组 织化和影响进行多因素交互影响分析,得出更为详细全 面的规律;对挤压时淀粉、 脂肪、 蛋白质的结构和性能的 变化进行更深入的探讨,揭示挤压组织化的机理。 参 考 文 献 1 A tkinsonW T.Extrusion texturization of soybean P . U. S. Patent 3, 488, 770, 1970. 2 Harper J M.Extrusion texturization of foods J .Food Technology, 1986, 40(3): 70- 76. 3 Park J, Rhee K S.Single2screw extrusion of defatted soy flour, corn starch and raw beef blends J .Journal of Food Science, 1993, 58(1): 9- 20. 4 Bhattacharya S,Das H.Effect ofextrusion process variables on the product texture of blends of m inced fish and wheat flourJ . Journal of Food Engineering, 1993, 19: 215- 235. 5 A hn H, H sieh F.Extrusion for producing low2fat pork and its use in sausage as affected by soy protein isolate J . Journal of Food Science, 1999, 64(2): 267- 271. 6 Crowe T W , JohnsonL A , andW ang T. Characterization of extruded- expelled soybean floursJ . JAOCS, 2001, 78: 775- 779. 7 Crowe T W ,JohnsonL A. Tw in2screwextrusion texturization of extruded2expelledsoybeanflour J . JAOCS, 2001, 78: 781- 786. Preli m inary study on extrusion processing of composite textured proteins W ang Hongw u 1, Lin B ingjian 2 (1. Polym erM aterial R esearch Institute,Q ingdao U niversity of S cience and T echnology,Q ingdao266042,China; 2.P lasticsM achinery and Eng ineering R esearch Institute,B eijing U niversity of Chem ical T ech