雙螺桿擠壓處理對小麥蛋白組織化程度的影響

徐 添，趙妍嫣，袁蓓蕾，許 駿，姜紹通

(合肥工業大學生物與食品工程學院，農產品加工研究院，安徽合肥 230009)

植物蛋白是人類膳食中重要的蛋白資源，主要來源于谷物、油料作物與豆類［1］，其價格低廉，營養豐富，且不含膽固醇，受到廣大消費者的青睞，但隨著食品工業的迅速發展，天然植物蛋白質的功能性質尚不突出，遠不能滿足人類的需求。早在20世紀中期，國外已通過對植物蛋白的改性來提高其功能性質及吸收利用率，以改善人類膳食結構，提高蛋白質供給水平［2］。植物蛋白的改性方法主要有化學法改性、物理法改性和酶法改性［3－5］，其中物理改性法又包括濕熱改性、微波改性和擠壓改性等［6］。擠壓改性是一種高溫高壓瞬時操作工藝，具有殺菌、鈍化不良因子、促使淀粉糊化、提高蛋白利用率的作用［7］，植物蛋白擠壓改性過程中，蛋白質在雙螺桿擠壓機內受到高溫、高壓、高剪切的作用，由球狀聚集態重組為具有同向性的纖維均勻結構［8－9］。植物蛋白的雙螺桿擠壓改性已經越來越受到人們的重視，成為食品工業高新技術研究領域熱點之一?，F階段，人們對于植物蛋白的擠壓改性研究主要集中于大豆蛋白，花生蛋白的改性。安紅周等［7］以大豆濃縮蛋白為原料，采用雙螺桿擠壓組織化［10］技術，對大豆組織蛋白的組織化度進行了研究;朗珊珊等［11］利用響應面分析法，采用雙螺桿擠壓膨化機，以高溫脫脂花生粕為原料，研究了雙螺桿擠壓組織化加工中操作參數對感官評定的影響，并通過優化與實驗驗證得到最佳工藝條件。與大豆蛋白、花生蛋白相比，小麥蛋白功能特性較差，不能滿足食品工業以及其他行業的要求，限制了其應用范圍［12－13］，因此國內外有關小麥蛋白擠壓改性的研究較少。本實驗主要以谷朊粉、面粉、小蘇打、單甘酯、水為主要原料，研究不同配方對小麥蛋白組織特性的影響，旨在為小麥蛋白擠壓組織化產品提供一定研究思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

谷朊粉 安徽瑞福祥食品有限公司;面粉 五得利集團興化面粉有限公司;小蘇打 鄭州優然化工有限公司;單甘酯 鄭州鴻祥化工有限公司。

精密電子天平 福州科迪電子技術有限公司;DS32－Ⅱ擠壓膨化機 濟南賽信機械有限公司;TAXA PLUS物性測試儀 英國Stable micro systems公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 基本組分的的測定方法

1.2.1.1 粗蛋白的測定 按GB/T 5009.5－2010中的凱氏定氮法進行蛋白質含量的測定;水分的測定:按GB/T 5009.3－2010中的干燥法進行原料水分含量的測定;粗脂肪的測定:按GB/T 5009.6－2003中的索氏抽提法進行脂肪含量的測定;灰分的測定:按GB/T 5009.4－2010測定。

1.2.2 樣品組織化程度的測定［14－15］將樣品(呈邊長1cm的正方形，厚度為5mm)置于物性測定儀測試臺中央，用A/CKB探頭(刀片狀)以1mm/s的速度對試樣進行剪切，剪切厚度設定為樣品厚度的75%，剪切寬度均為1cm。切刀與模頭擠出方向平行時的剪切力稱為縱向剪切力，垂直時稱為橫向剪切力，量綱為kg。

組織化度(kg/kg)=橫向剪切力(kg)/縱向剪切力(kg)

1.2.3 實驗方案 以面粉質量計為100g，選擇各物質與面粉的質量比作為考察因素，研究各物質不同添加量對小麥蛋白組織化度的影響。

在一定的擠壓參數下(螺桿轉速頻率15Hz，喂料電機轉速頻率15Hz，Ⅰ區溫度30℃、Ⅱ區溫度90℃、Ⅲ區溫度140℃)進行擠壓改性，根據單因素實驗結果及方差分析獲得的數據，利用Design－Expert軟件設計響應面實驗表，分析實驗結果并模擬出最優實驗結果。

1.2.4 響應面實驗設計 在單因素實驗的基礎上，采用Box－Behnken中心組合實驗設計對組織化度的四個主要因素水與面粉的質量比、谷朊粉與面粉的質量比、單甘酯與面粉的質量比、小蘇打與面粉的質量比進行優化。實驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面實驗設計(%)Table1 Response surface design table(%)

2 結果與討論

2.1 谷朊粉的基本組分

谷朊粉的基本組分測定如表2所示，其中谷朊粉中的粗蛋白含量達到79.35%，含量豐富，具有極高的營養價值。

表2 谷朊粉的基本組分Table2 Basic components of gluten flour

2.2 小麥組織蛋白制備單因素實驗

2.2.1 水分對小麥蛋白組織化的影響 根據預實驗確定，以面粉100g作為基準，水的添加量分別為60.53% 、63.16% 、65.79% 、68.42% 、71.05% 。

由圖1可知，當水添加量為60.53%、63.16%、65.79%時，擠壓產物的組織化度緩慢上升;水添加量68.42%之后，擠壓產物的組織化度明顯下降;可以看出在水添加量在68.42%時，擠壓產物的組織化度有最大值。這是由于水分含量過低時，擠壓產物易膨化，而膨化產生的氣孔導致擠壓產物纖維狀結構不明顯，組織化程度比較低;而水分含量過高時，擠壓產品質地較軟易分散而導致組織化程度也比較低。

圖1 水添加量對小麥蛋白組織化度的影響Fig.1 The influence of water addition on the wheat protein organization degree

2.2.2 谷朊粉添加量對小麥蛋白組織化的影響 根據預實驗確定，以面粉100g作為基準，谷朊粉的添加量分別為:13.16%、14.47%、15.79%、17.11%、18.42%。

由圖2可知，谷朊粉添加量在13.16%～14.47%時，擠壓產物的組織化度變化緩慢;在14.47%～15.79%區間急劇增加，在谷朊粉添加量為15.79%時，擠壓產物的組織化度有最大值;而在添加量15.79%之后，擠壓產物的組織化度又急劇下降。這是由于當谷朊粉添加量較低時，由于蛋白的含量較低，在擠壓及剪切力作用下，蛋白質分子間二硫鍵被破壞后，重新排布成鏈狀的蛋白結構比較少，同時纖維狀結構較少，從而導致擠壓產物的組織化度下降;而谷朊粉添加量較高時，由于蛋白含量的提高，經過擠壓及剪切力等一系列變化作用，擠壓產物中蛋白質結構可能變得更加緊密，從而導致擠壓產物的組織化程度的下降。

圖2 谷朊粉添加量對小麥蛋白組織化度影響Fig.2 The influence of gluten flour addition on the wheat protein organization degree

2.2.3 單甘酯添加量對小麥蛋白組織化的影響 根據預實驗確定，以面粉100g作為基準，單甘酯的添加量分別為:2.08%、2.27%、2.50%、2.63%、2.78%、3.13%。

由圖3可知，在單甘酯添加量為2.08%、2.27%、2.50%、2.63%時，擠壓產物的組織化度較緩慢增加;在單甘酯添加量達到2.63%時，擠壓產物的組織化度有最大值;之后其組織化度緩慢下降?？赡苁且驗楫攩胃术ヌ砑恿枯^低時，未達到添加劑作用的效果，當單甘酯添加量較高時，對面團的擠壓不完全。

圖3 單甘酯添加量對小麥蛋白組織化度影響Fig.3 The influence of monostearin addition on the wheat protein organization degree

2.2.4 小蘇打添加量對小麥蛋白組織化的影響 根據預實驗確定，以面粉100g作為基準，小蘇打的添加量分別為:1.58%、2.11%、2.63%、3.16%、3.68%。由圖4知，當小蘇打添加量為1.58%、2.11%時，擠壓產物的組織化度較低;當小蘇打添加量為2.63%時，擠壓產物的組織化度有最大值;當小蘇打添加量繼續增加時，擠壓產物的組織化度降低。這可能是由于當小蘇打添加量較低時，擠壓產物不易形成空隙結構，也就不容易形成纖維狀的組織蛋白;而當小蘇打含量過高時，擠壓產物的膨化度增加，內部結構空隙增大，其組織化度降低，實驗中存在個別平行實驗偏差較大的原因是由于擠壓機Ⅲ區溫度在擠壓過程中會有變化，工藝條件稍有偏差導致。

圖4 小蘇打添加量對小麥蛋白組織化度影響Fig.4 The influence of baking soda addition on the wheat protein organization degree

2.3 響應面模型建立及結果

2.3.1 響應面實驗方案與結果 在單因素實驗的基礎上，對水的添加量、谷朊粉的添加量、單甘酯的添加量及小蘇打的添加量進行了四因素三水平響應面實驗設計，實驗設計與結果見表3。

表3 響應面實驗方案及實驗結果Table3 The experiment scheme and experimental results of the Response surface

2.3.2 方差分析 利用軟件對實驗結果進行二次多元回歸擬合，對表3的數據進行方差分析后得到結果如表4所示。失擬項不顯著(p=0.2595＞0.05)，而模型的p＜0.0001，說明模型高度顯著。從表4中還可以看出，因素一次項(X1)，二次項對結果影響是高度顯著的(p＜0.0001);一次項對結果影響是顯著的(p ＜ 0.05);交互項(X1X4、X2X3、X2X4、X3X4)對結果影響不顯著(p＞0.05)。經過擬合得到組織化度(y)對編碼自變量X1、X2、X3和X4的二次多元回歸方程為:組織化度 =－119.7174+2.09615X1+0.72275X2+30.45621X3+2.17199X4+0.014152X1X2－0.20227X1X3－0.012908X12－0.053042X22－3.19816X32－0.42628X42。

2.3.3 響應曲面圖 由圖5看出，擠壓產物的組織化度隨水和谷朊粉的添加量的增加而提高，兩者交互作用顯著。根據動力學理論，水和谷朊粉的添加量的增加有利于擠壓產物組織化程度的提高，因此，在一定條件下適當增加水和谷朊粉的含量有利于提高擠壓產物的組織化度。

表4 響應面方差分析Table4 The response surface analysis of variance

圖5 水和谷朊粉添加量對擠壓產物組織化度影響的響應面圖Fig.5 The response surface chart of the influence of water and gluten flour addition on extrusion product organization degree

由圖6看出，擠壓產物的組織化度隨單甘酯添加量的降低以及水添加量的升高而增大，兩者的交互作用顯著。因此，在一定條件下，適當減少單甘酯的添加量同時適當增加水的添加量，可以使其組織化度提高。

2.3.4 驗證實驗 利用軟件分析，使用最大值法優化，優化得到的谷朊粉擠壓理論配方為:水添加量、谷朊粉添加量、單甘酯添加量、小蘇打添加量分別為面粉質量的70.19%、16.17%、2.54%、2.52%。若以100g面粉計，水70.19g，谷朊粉16.17g，單甘酯2.54g，小蘇打2.52g。該條件下的擠壓產物的預測組織化度為1.133。為驗證結果準確性，在該優化條件下，重復3次，實際擠壓產物的組織化度平均值為1.112±0.018，與預測值接近，由此可見，采用響應面法對制備小麥組織蛋白的優化是有效的。

圖6 水和單甘酯添加量對擠壓產物組織化度影響的響應面圖Fig.6 The response surface chart of the influence of water and monostearin addition on extrusion product organization degree

3 結論

本實驗在單因素的基礎上，以組織化度為指標，采用4因素3水平進行響應曲面實驗，對配方進行優化。經過軟件分析可知水和谷朊粉、水和單甘酯交互作用較顯著。得到小麥組織蛋白制備的最優配方為:以面粉100g作為基準，水添加量70.19g，谷朊粉添加量16.17g，單甘酯添加量2.54g，小蘇打添加量2.52g，該條件下的擠壓產物的預測組織化度為1.133，此配方下，實際擠壓產物的組織化度為1.112±0.018，與預測值接近，說明該模型能很好地模擬小麥組織蛋白的制備配方。利用響應面法對小麥組織蛋白制備配方進行優化，可得到最優的配方，小麥組織蛋白的制備奠定了基礎，對組織蛋白的研究具有重要意義。

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