挤压参数对组织化大豆蛋白持水性的影响

1、260第23卷第11期2007年11月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVol.23No.11Nov.2007挤压参数对组织化大豆蛋白持水性的影响张波1,魏益民1,康立宁2,严军辉1(1.中国农业科学院农产品加工研究所,北京100094;2.西北农林科技大学食品科学与工程学院,杨凌712100)摘要:试验以脱脂低温豆粕为原料,以德国布拉本德双螺杆挤压实验室工作站(DSE225型)为设备,研究了挤压温度、物料含水率以及螺杆构型对产品持水性的影响。结果表明:物料含水率和螺杆构型对产品持水率有极显著影响(p<0.01);挤压温度对产品的持水率没有显著影响;挤压温度、物料含水

2、率和螺杆构型对产品吸水率有极显著影响(p<0.01)。影响产品持水率程度的大小顺序为物料含水率、螺杆构型、挤压温度;影响产品吸水率程度的大小顺序为螺杆构型、挤压温度、物料含水率。产品吸水率随着挤压温度的升高而增加。产品的持水率和吸水率随着物料含水率的提高先增加,随后略有降低。与配备输送元件的构型相比,配备反向元件、齿型盘和捏合块的构型显著增加了产品的持水性。蛋白的吸水率的影响相对较大,对持水率影响相对较小。关键词:双螺杆挤压机;组织化大豆蛋白;持水率;吸水率;中图分类号:TS201.1文献标识码:A:()1122张波,魏益民,康立宁,等.,2007,23(11):260-263.onpa

3、rametersonthecapabilityofwaterholdingandwaterab2ZhangBo,Yin,sorptionofp.TransactionsoftheCSAE,2007,23(11):260-263.(inChinesewithEnglishabstract)0引言组织化大豆蛋白是大豆蛋白在挤压过程中温度场、剪切力、压力场和水的共同作用下,由天然的球状聚集态重组而成的具有纤维状结构的蛋白产品1,2。组织化大豆蛋白已广泛应用于西式肉制品、冷冻食品馅料以及水产饲料。持水性是蛋白质产品重要的功能特性之一3,可部分反映产品的组织化程度。蛋白质与水的结4合主要有2种方式:“化

4、学结合”与“物理截留”。化学结合主要是指蛋白质分子上氨基酸残基通过各种化学键与水结合的方式,是分子水平吸附水能力的表现。在大豆组织化蛋白产品中主要受大豆蛋白变性程度的影响。物理截留主要是指蛋白质形成分子网络或微孔结构,利用毛细管吸附水的方式,是产品组织结构吸附水能力的表现。在大豆组织化蛋白产品中主要受形成微孔的大小和数量的影响。根据测定时是否破坏样品组织结构,持水性可以分为持水率(WaterHoldingCapability,收稿日期:2006211215修订日期:2007210212基金项目:国家十一五科技支撑项目(2006BAD05A08);国家引进国际农业先进技术项目(2005-Z45)

5、;国家科学仪器设备升级改造专项(2005JG100340);国家农业科技成果转化项目(05EFN216900373);中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(2060302-14)WHC)和吸水率(WaterAbsorptionCapability,WAC)。持水率测定时需要将样品粉碎,破坏了组织结构,一定程度上对应于化学结合水的能力;吸水率测定时无需将样品粉碎,对应的是化学结合和物理截留方式吸附水的总和;而两者的差值可以表示物理截留方式吸附水的能力,即由组织结构吸附的水量。挤压参数中,温度、水分以及不同形状螺杆元件按照一定排列组合形成的螺杆构型是影响蛋白质受到热机械作用强度的重要因素5。三者

6、通过控制蛋白质的变性程度影响产品的组织化程度,进一步影响产品的持水性6。由于持水性影响产品的功能性和经济性,已经成为挤压产品重要的品质指标7。国内外对持水性的影响因素研究报道较多8-11,而关于比较不同原因导致持水性的报道较少。试验选择挤压温度、物料含水率和螺杆构型作为自变量,研究其对组织化大豆蛋白持水性的影响规律,为生产不同种类的组织化大豆蛋白产品,优化生产工艺以及生产设备的制造提供理论和技术参考。1材料与方法1.1材料作者简介:张波(1978年-),男,浙江台州人,博士生,主要从事食品挤压技术研究。北京中国农科院农产品加工研究所,100094。Email:zjzb1978通讯作者:魏益民(

7、1957年-),男,陕西咸阳人,博士,教授,主要低温脱脂豆粕(山东禹王实业公司,大禹牌),其化学成分为:含水率8.33%、灰分含量6.05%(干基)、脂肪含量0.52%(干基)、粗纤维含量2.51%(干基)、粗蛋白含量53.99%(干基)、氮溶解指数81.6%。1.2挤压设备从事农产品加工及食品安全方面研究。北京中国农科院农产品加工研究所,100094。Email:weiyimin36同向啮合双螺杆挤压机(DSE225型,德国布拉本德公司):螺杆外径为25mm;螺杆长径比为201;挤压© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publ

8、ishing House. All rights reserved. 第11期张波等:挤压参数对组织化大豆蛋白持水性的影响261机加工区域长度:喂料区:100mm; 区150mm; 区:150mm; 区:100mm; 区:50mm; 区:100mm。模头为圆形模头,模口直径为4mm。1.3试验设计采用全面试验设计方法。挤压温度、物料含水率、螺杆构型为因素;根据预备试验以及保证产品基本成型的原则确定水平,共计36个处理(表1);螺杆构型是指不同形状螺杆元件按照一定排列组合形成的螺杆结构类型。常见的螺杆元件有输送螺纹,反向元件,捏合块(图1)和齿型盘(图2)。不同元件的功能不同,组合而成的螺杆构型

9、对物料的输送、混合和剪切强度也不同。输送螺纹主要起输送和建压作用;反向元件主要起反向输送作用,有反向输送元件和反向捏合块等;捏合块主要起分布混合作用;齿型盘主要起分散混合作用。为了起到更好的混合作用,使用。Table1rsandlevelsofexperiment因素水平4种构型:构型1全部配置输送螺纹,是输送型,构型2配置反向元件和齿型盘,是分散混合型,构型3配置反向元件和捏合块,是分布混合型,构型4配置反向元件、齿型盘和捏合块,是综合混合型。从理论上分析,剪切强度有增加的趋势12(图3)。其他挤压参数为螺杆转速150r min,喂料速度68.4g min。图34种螺杆构型示意图Fig.3S

10、chemeofscrewconfiguration1.4产品持水率测定方法挤压温度 802120215021602170、802120215521652175、802120216021702180物料含水率 %30、35、40螺杆构型构型1、构型2、构型3、构型4注:挤压温度802120215021602170表示 区80, 区120, 区150, 区160, 区170。产品持水率参考美国谷物化学家协会方法(Amer2icaAscioationofCerealChemist,AACC88204)进行:产品用高速万能粉碎机(FW100,天津泰斯特仪器有限公司)粉碎,过80目筛。称取约4g粉样(W

11、1),放入已知质量(W2)的50mL离心管内,加入20mL蒸馏水,振荡混合均匀,静置10min,放入离心机(LXJ2IIB,上海安亭科学仪器有限公司),在4500r min下离心15min,取出,吸干上层液体,称重(W3)。每个样品重复2次。×100%W1产品持水率=1.5产品吸水率测定方法S捏合盘宽度;L元件长度;错列角图1捏合块元件示意图Fig1.Schemeofkneadingblock称取约20g未粉碎样品(W4),放入500mL烧杯中,加入300mL蒸馏水,在40下保温吸水60min,取出沥干10min,称量持水后产品质量(W5)。每个样品重复2次。产品吸水率=×

12、100%W41.6数据处理采用DPS3.01和Excel2003软件进行。2结果与分析2.1产品持水性方差分析图2齿型盘元件示意图Fig.2Schemeoftoothblock方差分析表明,物料含水率和螺杆构型对产品持水率有极显著影响;挤压温度对产品的持水率没有显著影响;挤压温度、物料含水率和螺杆构型对产品吸水率有极显著影响(p<0.01,表2,表3)。持水率方差分析中,© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 262农业工程学报2007年各因素的均方

13、从大到小分别为物料含水率、螺杆构型和挤压温度;吸水率方差分析中,各因素的均方从大到小分别为螺杆构型、挤压温度和物料含水率。表2持水率方差分析表Table2VarianceanalysisoftheWaterHoldingCapability(WHC)变异来源螺杆构型挤压温度物料含水率误差总和平方和0.0.0.0.0.1284400155132420491351875影响无显著差异(p>0.01,表5)。“物理截留”方式结合的水在不同含水率的产品中占总吸附水的27.9%32.3%。物料含水率对产品持水性有着正反两方面的影响。水在挤压过程中具有增加聚合物链段的分子运动性、增塑性、降低扭矩和机

14、械能耗等作用1,3。增塑性和增加分子运动性提高了蛋白质分子的溶胀程度和形成分子网络的能力,增加了产品的持水性。扭矩和机械能耗的减小降低了蛋白质分子变性程度,减少了暴露基团的数量,减弱了“化学结合”水的能力。进一步增加水分还降低了物料中蛋白质浓度,降低产品持水性。F值31.37030.568848.5148自由度32236710.0.0.0.均方04281000780662100136显著水平00.57120表3吸水率方差分析表Table3VarianceanalysisoftheWaterAbsorptionCapability(WAC)变异来源平方和自由度32271表5T5Effectont

15、heWHCC3035均方15.97327.0385F值849.2311374.显著水平0螺杆构型47.91968挤压温度14.07693物料含水率1.27959误差0.总和74.%差值(WAC-WHC)72.994.6(WHC)188.8B198.2A吸水率(WAC)261.7B292.8A2.2挤压温度对产品持水性的影响产品吸水率随着挤压温度的升高而增加,并在3个挤压温度之间的差异均达到极显著水平(p<0.01,表4)。挤压温度每升高1,产品吸水率的绝对值增加约10%。产品持水率和吸水率的差值,即“物理截留”方式结合的水在不同挤压温度的产品中占到总吸附水的13.1%41.6%。温度是影

16、响蛋白质变性和热机械强度的2.4螺杆构型对产品持水性的影响螺杆构型1与构型3、4之间的产品持水率有极显著差异,构型1和构型2、3、4之间的产品吸水率有极显著差异(p<0.01,表6)。构型2、3、4生产的产品的持水率和吸水率均高于构型1生产的产品,最大绝对增幅分别为10.1%和193.9%。构型2、3、4生产的产品中“物理截留”水占到产品总结合水的38.0%42.2%。通过组合不同的螺杆元件如反向元件,剪切元件(捏合块)和混合元件(齿型盘)等形成的螺杆构型可以影响物料输送、作用强度和作用时间13。从理论上看,反向元件增加了物料在挤压腔内的停留时间,捏合块、齿型盘增加了螺杆对物料的作用强度

17、,可以增加蛋白质变性和微孔结构的形成14。试验取得了与理论一致的结果。构型1由于仅配备了输送元件,对物料的作用强度较弱,作用时间较短,产品基本没有形成微孔结构,导致吸水率和持水率的差值为负值,即产品较为致密,水分不能进入产品内部。表6螺杆构型对产品持水性的影响Table6EffectofscrewconfigurationontheWHCandtheWACofTSP螺杆构型构型1构型2构型3构型4持水率(WHC)189.2B192.5AB198.6A199.3A重要因素,因此是影响产品持水性的重要因素。从挤压温度对组织化大豆蛋白产品持水率没有显著影响的结果来看,可能是由于170180范围内,大

18、豆蛋白质变性程度相类似,通过“化学结合”方式结合的水量无显著差异。但升高挤压温度增加了模口处的温差,使水分发生闪蒸的强度增加,导致蜂窝状结构的数量增多,最终导致产品吸水率的增加。可见挤压温度主要通过影响产品组织结构影响产品的持水性。表4挤压温度对产品持水性的影响Table4EffectoftemperatureontheWHCandtheWACofTexturiedSoyProtein(TSP)区温度 1701754,5持水率 %(WHC)195.195.0A4A吸水率 %(WAC)224.283.5C5B差值 %(WAC-WHC)29.588.1%差值(WAC-WHC)-50.1140.51

19、21.7129.0注:同列不含相同字母者差异显著(p<0.01)。持水率和吸水率均为干基,下同。吸水率(WAC)139.1B333.0A320.3A328.3A2.3物料含水率对产品持水性的影响产品持水率和吸水率随着物料含水率的提高先增加,随后略有下降;35%和40%物料含水率对持水性的© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第11期张波等:挤压参数对组织化大豆蛋白持水性的影响2633小结1)物料含水率和螺杆构型对产品持水率有极显著影响(p<0

20、.01);螺杆构型、挤压温度和物料含水率对产品吸水率有极显著影响(p<0.01)。影响产品持水率的程度的大小顺序为物料含水率、螺杆构型;影响产品吸水率的程度的大小顺序为螺杆构型、挤压温度、物料含水率。2)产品吸水率随着挤压温度的升高而增加。产品的持水率和吸水率随着物料含水率的提高先增加,随后略有降低,但降低幅度不显著。与配备输送元件的构型相比,配备反向元件、齿型盘和捏合块的构型显著增加了产品的持水性。3)在设计的参数范围内,膨化型大豆组织化蛋白的持水率差异相对较小,。,1HarperJM.andtheirapplicationsA.MercierC,LinkoP,HarperJM.Ext

21、rusionCookingM.St,Paul,MN:AACC,1989:1-16.2魏益民,康立宁,张波,等.高水分大豆蛋白组织化生产工艺和机理分析J.农业工程学报,2006,22(10):193-197.3华欲飞,顾玉兴.大豆蛋白的吸水和持水性能J.中国油脂,1999,24(4):64-67.4FennemaOR著.王璋,许时婴,江波等译.食品化学(第3版)M.北京:中国轻工业出版社,2003:302-328.5王洪武.大豆蛋白质双螺杆挤压加工工艺参数对系统参数的影响J.中国油脂,2005,30(9):28-30.6CroweTW,JohnsonLA,WangT.Characterizati

22、onofextrude2expelledsoybeanfloursJ.JAmOilChemSoc,2001,78:775-779.7赵多勇,魏益民,张波,等.高水分组织化大豆蛋白干燥与复水特性研究J.中国粮油学报,2006,21(3):127-132.8ObatoluVA.Nutrientandsensoryqualitiesofextrudedmaltedorunmaltedmillet soybeanmixtureJ.FoodChem,2002,76:129-133.9DoganH,KarweMV.PhysicochemicalpropertiesofquinoaextrudatesJ.F

23、oodSciTechInter,2003,9(2):101-114.10DingQingbo,AisworthP,PlunkettA,etal.TheeffectofonconditionstheonalandphysicalpofsnacksJ.JFood73(2:G,G,GuidolinE,etal.Effectsofandfeedcompositiononthefunc2tional,physicalandsensorypropertiesofchestnutandriceflour2basedsnack2likeproductsJ.FoodResearchInter,2004,37:5

24、27-534.12耿孝正.双螺杆挤出机及其应用M.北京:中国轻工业出版社,2003:66-123,220-242.13耿孝正.啮合同向双螺杆挤出过程不同功能段的螺杆构型和整根螺杆的组合设计J.中国塑料,2000,14(8):68-73.14GogoiBK,ChoudhuryGS,OswaltAJ.Effectsofloca2tionandspacingofreversescrewandkneadingelementcombinationduringtwin2screwextrusionofstarchyandproteinaceousblendsJ.FoodResearchInter,1996

25、,29:505-512.EffectofextrusionparametersonthecapabilityofwaterholdingandwaterabsorptionoftexturizedsoyproteinZhangBo,WeiYimin11,KangLining2,YanJunhui1(1.InstituteofAgro2FoodScienceandTechnology,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100094,China;2.CollegeofFoodScienceandEngineering,NorthwestAgri

26、cultureandForestryUniversity,Yangling712100,China)Abstract:TheWaterHoldingCapability(WHC)andtheWaterAbsorptionCapability(WAC)areveryimportantindexesfortheevaluationoftexturiedsoyprotein(TSP).Theeffectoftemperature,materialmoisture,andscrewconfigurationontheWHCandWACoftheTSPwereinvestigatedwithlowtemperaturedefattedsoymealasmaterialusingaBrabendertwin2screwextruder(DSE225).Theresultsindicatethat,exceptfortheinsignifi2canteffectoftemperatureontheWAC,allindexesha