擠壓膨化預處理工藝制備半脫脂蛋白粉

于殿宇 王 瑩 陳 俊 程 杰 江連洲 杜 晶 張理博 羅淑年 劉立新

(東北農業大學食品學院1，哈爾濱 150030)(九三集團惠康食品有限公司2，哈爾濱 150069)(肇東市東龍節能新技術有限公司3，肇東 151100 )

米糠是稻谷在碾米過程中從糙米粒的外層獲得的副產物，其總質量約占糙米的10%，米糠中含有約12%～22%的油脂[1]，23%～28%纖維。米糠脂質含有較多的不皂化物[2]，且富含蛋白質、纖維素和礦物質[3-5]，具有很大的開發潛力，同時米糠中還含有高營養價值[6-8]的生物活性物質，如生育酚、植物甾醇、多酚和谷維素等。但是米糠脫離糙米后直接與空氣接觸，脂肪酶被激活并作用于底物，迅速將米糠中的甘油三酯分解為脂肪酸，酸值快速升高[9]，游離的脂肪酸在一定條件下會被分解為過氧化物，以及醛類、酮類物質等小分子物質，這些物質的存在會使米糠產生刺激性氣味，造成米糠品質下降，降低副產物的利用價值。因此，使米糠中脂肪酶失活是米糠有效利用的前提。目前，米糠大多被遺棄，未得到充分利用。對米糠進行有效的加工處理，然后將其添加到動物飼糧中，可降低飼養成本[10]。充分利用米糠這一豐富資源作為飼料原料，使其成為高質量的飼料來源，具有重要的經濟和環境意義[11]。

米糠是粉末度高的粉狀類油料，用壓榨法制油時由于其流動性差、容易堵塞榨膛，會導致料胚不易被壓縮，難以形成正常的榨膛壓力，出油效率和生產能力都不盡如意；而大豆在壓榨過程中并不會產生同樣的問題，但大豆中的纖維不夠提供飼料所需的含量，而米糠中的纖維含量相對較高，并且價格低、生產成本低[12]，因此將米糠與大豆混合，用擠壓膨化機處理，由于物料在膨化機內存留時間較短，對保護原料的品質有利，易于儲存，為后續產品的深加工提供了有利條件[13]。

目前常見的米糠穩定化方法有干熱法、酶法、冷藏法、微波法、化學處理法及擠壓膨化法等[14]。擠壓膨化法具有能耗低、工藝操作簡便、自動化程度高的特點，而且擠壓機處理量大，生產周期短，更適合工業大規模生產[15,16]。擠壓膨化法能夠較大限度的保留米糠中的營養物質，將該技術應用于穩定化米糠經濟有效，適合工業生產，不僅能夠抑制酶的活性，延長米糠貯藏性能，且營養素損失較小。采用擠壓膨化作為預處理方法，可以使米糠達到穩定化，便于后續生產和加工[17,18]。將物料擠壓膨化處理后再進行榨油，能得到營養成分更高的油脂，得到的餅粕制成飼料，既能提高米糠的利用率，又能得到營養價值更高的飼料[19]。

本研究以米糠和大豆為原料進行破碎調質，通過擠壓膨化機使物料中的油脂外露，經榨油機榨出部分油脂，剩余部分制成含有一定油脂的蛋白粉。擠壓膨化過程中以原料的脂肪酶殘余活性為指標，對擠壓膨化過程的主要參數進行優化，并對擠壓膨化效果及產品質量進行了分析，以期得到低變性并且含有一定量油脂的蛋白粉，將其用作動物飼料，既能增加飼料品質，又提高了米糠的利用率。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮米糠(初始脂肪酶活 1.514吸光度/g，含油率17.9%，蛋白質質量分數14.3%)；大豆(初始脲酶活性 5.44 U/g，含油率18.2%，蛋白質質量分數41.6%)；對硝基苯酚基月桂酸酯(PNPL)；Triton X-100；阿拉伯膠；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

雙螺桿擠壓膨化機FT36，電機功率5.5 kW，產量20 kg/h；INSTA-PRO 5005型榨油機，產量15 t/d；半自動定氮儀K1301。

1.3 實驗方法

1.3.1 半脫脂蛋白粉的制備方法

蛋白粉

毛油

米糠和大豆經過調質機調節成相同的含水量(14%)后按照一定的比例混合均勻，送入擠壓膨化機，確定米糠和大豆質量混合比。將膨化后的物料(含水量7%)送入螺旋壓榨機，在壓榨溫度130 ℃，壓榨壓力3.5 MPa的條件下，經螺旋壓榨機榨出部分油脂。榨油后餅粕經過冷卻處理，再進行粉碎，從而制備半脫脂混合蛋白粉，細度為100目，降至室溫后貯藏。

1.3.2 物料中米糠和大豆混合比例的確定

新鮮米糠粉碎后過60目篩，大豆破碎成4～5瓣，然后分別調節米糠和大豆的水分含量。將米糠和大豆按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5的比例進行混合。以大豆為主原料，新鮮米糠為輔助原料，將新鮮米糠按一定比例添加到大豆中，以膨化機的電流為主要指標，確定新鮮米糠添加量。

1.3.3 擠壓膨化預處理制備半脫脂蛋白粉的單因素實驗

將米糠和大豆按照3∶7的質量比混合均勻后，然后調整物料含水率分別為10%～18%，充分濕潤后，在擠壓筒溫度125～165 ℃、螺桿轉速70～150 r/min、?？卓讖?6～24 mm 條件下，緩慢均勻加入混合物料進行擠壓處理，處理后樣品粉碎過篩，然后測定脂肪酶活性。

1.3.4 響應面優化實驗

表1 因素水平表

1.3.5 擠壓膨化效果的研究

將擠壓膨化預處理前后的物料樣品黏貼到樣品載物臺上，然后放入鍍金儀器中對樣品噴碳鍍金處理，在離子濺射儀工作距離50 mm、真空度0.05 mbar、 電流控制在30 mA、濺射時間40～60 s、電子槍加速電壓20 kV條件下，觀測樣品的組織微觀結構。

1.3.6 半脫脂蛋白粉貯藏穩定性

將半脫脂蛋白粉在常溫下保存12周，每兩周取出樣品2.0 g測定半脫脂蛋白粉的氮溶解指數(NSI)。在常溫下避光貯藏，每隔5 d用石油醚浸泡半脫脂蛋白粉過夜(12 h)，浸泡液過濾于已預稱重的碘量瓶中，旋轉蒸發回收石油醚，擦凈碘量瓶表面，分離出油，測定酸價和過氧化值。

1.3.7 主要指標的測定

1.3.7.1 脂肪酶活性的測定

參考文獻[20]，準確稱取2.0 g物料置于50 mL離心管中，加入磷酸鈉緩沖液(0.1 mol/L pH=7)10 mL，于25 ℃超聲振蕩40 min，混合液以4 000 r/min離心10 min，上清液即為脂肪酶提取液。取0.2 mL上清液于另一離心管中，加入0.2 mL溶液A (0.1 g PNPL溶解在30 mL異丙酮中)和3 mL溶液B (0.4 g TritonX-100+0.1 g阿拉伯膠溶解在90 mL 0.1 mol/L pH=7的磷酸鈉緩沖液中)，混合后置于35 ℃超聲振蕩反應45 min，然后置于沸水浴滅酶20 min，冷卻后，以5 000 r/min離心10 min，取上清液于410 nm處測定吸光度。 另取一份脂肪酶提取液先于沸水浴中滅酶20 min后進行如上操作作為空白對照。脂肪酶的酶活力及脂肪酶殘余活性如下式：

脂肪酶活力=(A410×10)/W

脂肪酶殘余活性=(擠壓膨化處理后的酶活力/擠壓膨化處理前的酶活力)×100%

式中：A410為吸光度，W為樣品干基質量/g， 10為稀釋倍數。

1.3.7.2 脲酶活性的測定

采用GB/T 8622—2006 規定的滴定法測定；NSI值的測定參照GB 5009.5—2016 進行測定；殘油率的測定參照 GB/T 14488.1—2008進行測定；水分的測定采用GB 5009.236—2016測定；酸值的測定按照GB 5009.229—2016 來進行檢驗；碘值按照GB/T 5532—2008 來進行檢驗；不皂化物含量按照GB/T 5535.—2008進行測定；過氧化值按照GB 5009.227—2016 來進行檢驗；維生素E含量測定按照GB/T 26635—2011；粗纖維含量測定采用GB/T 5512—2008。

1.3.7.3 谷維素及植物甾醇含量的測定

采用液相色譜-質譜聯用方法對γ-谷維素進行了鑒定和定量。γ-谷維素由Agilent Mass Hunter軟件并根據標準中指定的保留時間進行鑒定。采用氣相色譜-質譜法(GC/MS)對甾醇進行了定量和鑒定，其保留時間和質譜圖，通過SIM(單離子監測)模式對植物甾醇進行鑒定和定量。

1.4 數據統計分析方法

所有指標的測定都重復3次，實驗結果以平均值和標準誤差值來顯示，數據采用 Origin 7.5與Design Expert 8.0.6 進行分析和繪制。用SPSS 17.0進行ANOVA單因素方差分析，并檢驗數據的差異顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 新鮮米糠和大豆質量混合比的確定

以大豆為主原料，新鮮米糠為輔助原料，將新鮮米糠和大豆按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5的質量比例添加到擠壓膨化機中，以雙螺桿擠壓膨化機的電流為主要指標，確定新鮮米糠和大豆的最佳混合比。

隨著米糠添加量的升高，混合比為5∶5時，混合物料在擠壓膨化機中，電流達到了額定功率，擠壓膨化機的額定電流為14.47 A。隨著米糠添加量的增加，電流升高，這是因為米糠中的纖維含量高，物料的壓縮比大，導致膨化機的電流增大。我們通過添加不同的混合比觀察擠壓膨化機的電流變化，考慮到擠壓膨化機的工作狀態及壽命，負荷喂料以達到最佳膨化效果，膨化機主電機電流可以達到額定電流的85%；以擠壓膨化機11.5 A的電流，確定了米糠和大豆最佳混合比為3∶7。

2.2 擠壓膨化條件對物料中脂肪酶殘余活性的影響

研究了不同的物料含水率、膨化溫度、螺桿轉速、?？卓讖綄ξ锪现兄久笟堄嗷钚缘挠绊?，結果如圖1所示。

圖1 物料含水率、膨化溫度、螺桿轉速、?？卓讖綄χ久笟堄嗷钚缘挠绊?/p>

由圖1可知，在含水率小于14.0%時，脂肪酶殘余活性隨含水率的增加呈逐漸減小的趨勢，在含水率大于14.0%時，脂肪酶殘余活性顯著升高。這是因為含水率較低時，物料較干使得受熱不均，導致酶活較高；含水率為14.0%時，脂肪酶殘余活力最低，隨著含水率的逐漸增大，物料的流動性更好，在?？滋幍膲毫蝗粶p小，能順利通過?？?，物料在機筒中的滯留時間變短，受熱時間短，從而使脂肪酶殘余酶活升高[21，22]。

隨著膨化溫度的升高，物料中的脂肪酶殘余活性呈減小趨勢，當溫度低于 145 ℃時，脂肪酶殘余活性降低趨勢顯著，當溫度高于145 ℃時，脂肪酶殘余活性有升高的趨勢。這是因為隨著膨化溫度的升高，脂肪酶逐漸被鈍化，一般來說，脂肪酶的活性會隨膨化溫度增加而降低，但是溫度越高，膨化后的混合物物料顏色變深[23]，使測定的吸光值變大，因此溫度高于145 ℃時，測得的脂肪酶活性有所升高，由此結果可知，膨化溫度對脂肪酶活性有很大的影響，選擇膨化溫度145 ℃作為后續擠壓膨化工藝的條件。

隨著螺桿轉速的變化，混合物料中脂肪酶殘余活性呈現先下降然后略微上升的趨勢。這是因為螺桿轉速影響了混合物料在擠壓膨化腔內滯留的時間，低螺桿轉速會導致混合的物料在機筒內受熱時間較長，這加快了物料中脂肪酶的失活，但螺桿轉速較高極大的縮短了物料在機筒內的滯留時間，由于受熱不充分，脂肪酶殘余活性又有略微的升高趨勢[24, 25]，因此將物料擠壓膨化工藝的螺桿轉速設置為110 r/min。

隨著?？卓讖降脑龃?，物料中的脂肪酶殘余活性呈現先逐漸降低后又逐漸升高的趨勢。當?？卓讖綖?6～20 mm時，脂肪酶殘余活力逐漸降低，是由于孔徑較小時，物料所受阻力較大，在機筒內停留時間較長，受熱時間長導致米糠顏色加深，吸光度增大呈現出脂肪酶活力偏高，而?？卓讖捷^小時，物料容易堵塞。當?？卓讖綖?0 mm時，脂肪酶殘余活力最低，孔徑逐漸增大，出料阻力逐漸降低，物料在機筒內的滯留時間縮短，受熱時間短，鈍化脂肪酶活性的強度較低，脂肪酶殘余活性逐漸升高。所以，應選擇?？卓讖綖?0 mm。

2.3 二次回歸方程的建立與分析

在單因素實驗的基礎上，采用Box-Benhnken中心組合設計，以膨化溫度(A)、螺桿轉速(B)、?？卓讖?C)、物料含水率(D)為自變量，以脂肪酶殘余活性(R)為響應值設計四因素三水平響應面實驗，實驗設計方案及結果見表2。

利用Design Expert 8.0.6軟件對實驗結果進行方差分析，結果見表3(P<0.05為顯著項)。將實驗數據進行多元回歸擬合，得到脂肪酶活性(R)對膨化溫度(A)、螺桿轉速(B)、?？卓讖?C)、物料含水率(D)的回歸方程為:

脂肪酶殘余活性/%=1.36-0.32A-0.25B+0.16C+1.24D-0.14AB+0.26AC+0.13AD+0.14BC+0.16BD-0.068CD+0.68A2+0.73B2+0.55C2+1.83D2

表2 響應面設計方案及實驗結果

續表2

表3 方差分析結果

根據響應面結果可知，兩個因素交互影響時，保持一個因素不變，脂肪酶殘余活性隨著另一個因素變化呈現先降低后增加的趨勢，其中，膨化溫度和螺桿轉速、螺桿轉速和?？卓讖街g交互作用較為顯著，膨化溫度和?？卓讖?、?？卓讖胶臀锪虾手g交互作用極顯著。通過實驗設計優化得到擠壓膨化處理物料過程的最佳工藝參數為膨化溫度144.86 ℃、螺桿轉速108.46 r/min、?？卓讖?7.65 mm、物料含水率13.53%，該條件下脂肪酶殘余活性預測值為1.187 22%。根據實際情況對工藝參數進行整理，得出整理值為膨化溫度145 ℃、螺桿轉速110 r/min、?？卓讖?8 mm、物料含水率14%。為證明響應面優化出的條件下所得結果的可靠性，按照上述整理值進行三組平行實驗，得到的脂肪酶殘余活性為1.19%，預測值與實驗值之間具有良好的擬合性，從而證實了模型的有效性。

2.4 透射電子顯微鏡分析

利用透射電子顯微鏡檢測膨化后的物料組織結構，如圖2所示。物料在擠壓膨化機內受到擠壓、剪切、加壓、加溫等作用，物料的細胞壁被徹底破壞，同時破壞了油脂和蛋白的緊密結合狀態，油脂充分外露，小油滴大量聚集，多種酶類等有害物質得到鈍化[26]。在擠壓螺桿的末端，物料的急劇膨脹導致細胞內部具有更多的空隙度，油脂易于快速從膨化料中壓榨出來，從而有利于預榨餅殘油的降低。瞬時高溫過程還避免了蛋白質的過度變性，提高了半脫脂蛋白粉的蛋白質量[27]。

圖2 擠壓膨化后的物料透射電子顯微鏡圖

2.5 膨化后產品品質的測定

2.5.1 混合毛油的檢測

將膨化后的物料(含水量7%)送入螺旋壓榨機，在壓榨溫度130 ℃，壓榨壓力3.5 MPa的條件下，經螺旋壓榨機榨出部分油脂，獲得的毛油按照1.3.7中測定方法進行產品質量測定，檢測指標結果如表4所示。

表4 毛油的檢測指標

由表4可知，經過螺旋壓榨獲得的未精煉的毛油酸值和過氧化值較低，說明物料經擠壓膨化后能夠有效抑制脂肪酶的活性，避免了油脂被分解成游離的脂肪酸造成的酸價上升。并且由于米糠中γ-谷維素及植物甾醇被保存下來[7]，這增加了毛油的營養價值，不僅能夠減少米糠的資源浪費，而且提高了米糠利用率。

2.5.2 半脫脂蛋白粉的檢測指標

榨油后餅粕經過冷卻處理，再進行粉碎，從而制備半脫脂混合蛋白粉。將制備的半脫脂蛋白粉按照1.3.7中測定方法進行產品質量測定，檢測指標結果如表5所示。

表5 半脫脂蛋白粉的檢測指標

表5可知，米糠和大豆混合后經過擠壓膨化處理再進行壓榨粉碎后得到的半脫脂蛋白粉的蛋白質含量及NSI值較高，殘油率及水分含量適中，脲酶活性低于標準值。半脫脂蛋白粉中含有的纖維可增強動物體內的腸道蠕動。利用富含纖維的飼料來提高動物的飼養[28]，從而進一步增強肉類產品的品質。米糠中纖維含量豐富，但是其蛋白質溶解度差，難以被吸收，米糠和大豆的混合能夠有效提高米糠產業的高值化。而且，不僅降低飼料企業的生產成本又能提高經濟效益。由此可見，制得的半脫脂蛋白粉營養成分組成合理，用作飼料可以滿足動物的生長需要。

2.6 半脫脂蛋白粉貯藏穩定性

由圖4可知，半脫脂蛋白粉在貯藏過程中，NSI 整體下降。 在貯藏4周后，半脫脂蛋白粉的NSI值下降趨勢變快，這是因為在貯藏期間蛋白粉的水分含量增加，導致蛋白質水解，降低了蛋白粉中可溶性氮的含量，進而蛋白粉的NSI值逐漸下降[29]，由于米糠蛋白的溶解性差，而且半脫脂蛋白粉中存在植物甾醇、生育酚、谷維素等活性成分，提高了半脫脂蛋白粉的營養價值；將半脫脂蛋白粉貯藏30 d，半脫脂蛋白粉的酸價和過氧化值均隨著貯藏時間的增加而持續增加，貯藏30 d后，半脫脂蛋白粉酸價和過氧化值分別為3.8 mg KOH/g、5.7 mmol/kg，這是由于空氣中的水分會使油脂發生水解，酸值和過氧化值增加，導致油脂發生酸敗變質，經擠壓膨化處理后蛋白粉穩定性更好, 這是因為抑制了抗營養因子的活性, 使其能夠更好地應用到飼料的加工生產[30]。本實驗表明將一定量的新鮮米糠添加到大豆中，提高了半脫脂蛋白粉的貯藏期。

圖4 隨著貯藏時間的延長NSI值的變化

3 結論

通過擠壓膨化機將一定量的新鮮米糠均勻混合到大豆原料中，鈍化了新鮮米糠中脂肪酶的活性，降低了毛油的酸價、過氧化值。經螺旋榨油機壓榨后半脫脂蛋白粉中脲酶活性符合飼料行業標準，經常溫保存30 d后其過氧化值、酸價仍低于國家標準，12周后半脫脂蛋白粉的NSI含量有所降低。說明將一定量的新鮮米糠添加到大豆中，提高了新鮮米糠資源的利用率，降低了飼料成本，有利于緩解我國目前對大豆資源的依賴，同時又可以得到富含谷維素、生育酚及甾醇的油脂。