豌豆分離蛋白高水分擠壓工藝參數優化及質構特性研究

孫翠霞, 王淑蕊, 臧一宇, 扶佳玲, 方亞鵬

(上海交通大學 農業與生物學院, 上海 200240)

蛋白質是人類健康生活必需的營養元素,主要包括動物蛋白和植物蛋白兩大類。全球人口快速增長,環境壓力持續加重,動物蛋白供給緊張。全面開發利用植物蛋白, 生產綠色、環保、節能、安全、營養、健康的植物蛋白仿生肉是未來食品發展的重要方向。組織化植物蛋白(textured vegetable proteins, TVP)是一種具有類似動物肌肉纖維狀結構和口感的植物蛋白制品[1]。由低水分(水分質量分數小于40%)擠壓的拉絲蛋白制備的植物肉產品呈海綿狀結構,在使用前需經過復水、拆絲、黏合、重組等多個工序,而且其咀嚼性較差,在模仿動物肉的外觀和質地方面存在缺陷[2]。高水分擠壓技術制備的高水分(水分質量分數為40%～80%)蛋白組織化程度高,在制備纖維狀仿生肉制品方面具有低能耗、高效率和高品質的優勢[3],被認為是一種非常有前景的植物蛋白仿生肉的開發技術。

現有高水分植物蛋白擠壓的研究主要聚焦于大豆蛋白[4-6],然而,我國大豆長期需要大量進口,進口份額占比高達86%,如何在降低大豆依賴性的同時滿足人們對優質豆類蛋白質的需求,是當前亟須解決的一個重要問題[7]。豌豆分離蛋白(pea protein isolate, PPI)作為豌豆淀粉加工副產物中的主要成分,營養價值較高,其必需氨基酸配比貼近人體需求,且賴氨酸的含量尤其豐富[8]。此外,豌豆蛋白致敏性低、乳化性和泡沫穩定性強,是大豆蛋白理想的替代品,在植物肉蛋白原料應用領域具有廣闊的應用前景[9]。已有研究表明,在高水分條件下使用雙螺桿擠出機擠壓豌豆蛋白可以形成類似動物肉的纖維狀結構,擠出物的纖維結構受擠壓條件的影響顯著[7,10]。然而,目前研究聚焦于在單一工藝參數下研究豌豆蛋白擠出物的質構特性,有關豌豆蛋白高水分擠壓參數的優化缺乏系統研究。本研究擬以PPI為原料進行高水分擠壓制備豌豆組織化蛋白,研究擠壓參數,包括水分含量、蒸煮溫度、喂料速度、螺桿轉速的變化對擠出物的外觀、質構特性、結構特性的調控作用以及對擠出機系統參數的影響。以動物肉參數為標準設計正交試驗,并進行主成分分析,優化PPI擠出物的工藝參數,希望得到最接近動物肉的操作參數,以期為高水分組織化植物蛋白的生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豌豆分離蛋白(蛋白質質量分數為85.3%),購于煙臺雙塔食品股份有限公司。

1.2 儀器與設備

Process 11 Hygienic型同向嚙合雙螺桿擠壓機,主機長寬高分別為820、480、410 mm,螺桿直徑為11 mm,螺桿長徑比為40∶1,德國賽默飛世爾科技有限公司。附在擠出機端部的長冷卻模的長寬高分別為250、70、40 mm。擠壓機的機筒有8個獨立溫控區,由電筒加熱系統加熱,并由制冷循環器冷卻。機筒溫度、螺桿轉速、喂料速度可通過主機上的控制面板進行調控,轉速可設置為0～1 000 r/min。

Kjeltec型凱氏定氮儀,丹麥Foss公司;GZX-9140MBE型電熱鼓風干燥箱,上海博訊實業有限公司醫療設備廠;DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器,上海儀昕科學儀器有限公司;TA-XT2i型質構分析儀,英國Stable Micro Systems公司;UltraScan VIS型雙光路分光色度儀,美國Hunter Associates Laboratory公司;Rise-Manga型拉曼圖像掃描電子顯微鏡聯用儀,捷克Tescan公司;Scientz-18ND型冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司;ME2002型分析天平,瑞士梅特勒-托利多有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1PPI基本成分測定

根據國標中的方法,對市售豌豆分離蛋白中水分(GB 5009.3—2016)、蛋白含量(GB 5009.5—2016)、粗脂肪(GB 5009.6—2016)、灰分(GB 5009.4—2016)進行測定。測定結果:水分質量分數為7.47%,蛋白質量分數為85.30%,粗脂肪質量分數為3.63%,灰分質量分數為3.60%。

1.3.2高水分擠壓實驗設計

雙螺桿擠壓實驗開始前,對流量泵和喂料器進行校準和調整。對喂料器的螺桿轉速和喂料速度建立回歸方程,設定喂料器螺桿轉速后即可根據方程計算出實際喂料速度。恒流泵通過細長的橡膠管道將水泵入擠出機。長冷卻模具的溫度通過水循環保持在70 ℃,另一側的水循環溫度設置在25 ℃來冷卻機筒,樣品擠出后立即收集。

1.3.3不同工藝條件下PPI擠出物特性的測定

1.3.3.1 不同水分含量條件下的PPI擠出物特性的測定

探究不同水分含量(質量分數為45%、50%、55%、60%、65%)對PPI擠出物的宏觀結構、質構特性、感官特性、微觀結構的影響。保持其他參數條件不變,蒸煮溫度設置為150 ℃,喂料速度設置為8 g/min,螺桿轉速設置為150 r/min。

1.3.3.2 不同蒸煮溫度條件下的PPI擠出物特性的測定

探究機筒蒸煮區段的蒸煮溫度(120、130、140、150、160 ℃)對PPI擠出物的宏觀結構、質構特性、感官特性、微觀結構的影響。保持其他參數條件不變,機筒喂料區段、混合區段、傳輸區段的溫度分別設置為40、60、90 ℃,水分質量分數設置為55%,喂料速度設置為8 g/min,螺桿轉速設置為150 r/min。

1.3.3.3 不同喂料速度條件下的PPI擠出物特性的測定

探究擠壓機不同喂料速度(4、5、6、7、8 g/min)對PPI擠出物的宏觀結構、質構特性、感官特性、微觀結構的影響。保持其他參數條件不變,水分含量設置為55%,蒸煮溫度設置為150 ℃,螺桿轉速設置為150 r/min。

1.3.3.4 不同螺桿轉速條件下的PPI擠出物特性的測定

探究擠壓機不同螺桿轉速(125、150、175、200、225 r/min)對PPI擠出物的宏觀結構、質構特性、感官特性、微觀結構的影響。保持其他參數條件不變,水分質量分數設置為55%,蒸煮溫度設置為150 ℃,喂料速度設置為8 g/min。

1.3.4正交試驗設計

在單因素實驗的基礎上,設計四因素和三水平的正交試驗,如表1。

表1 正交試驗設計

1.3.5高水分組織化PPI的宏觀結構觀察

為了在宏觀尺度上觀察組織化產品中各向異性結構的形成,從邊緣切割擠出物,沿切口縱向撕開產品,以觀察其內部的纖維結構,拍攝記錄。

1.3.6高水分組織化PPI的質構特性表征

1.3.6.1 硬度、彈性、咀嚼度的測定

采用Fang等[6]的方法并適當修改。使用質構分析儀對PPI擠出物質構特性進行測定。動物肉被切割成20 mm×20 mm的方形。儀器使用1 kg的砝碼進行校準,儀器模式選擇TPA,探頭為P/50。測試前的速度為2 mm/s,測試的速度為1 mm/s,測試后的速度為2 mm/s,下壓樣品的程度為50%,探頭往復兩次進行下壓,時間間隔為5 s。記錄硬度、彈性和咀嚼度數據,每個樣品平行測定8次。

1.3.6.2 剪切力及組織化度的測定

組織化度在組織化產品的表征中用于指示纖維化程度。根據張金闖[11]的方法略加修改,采用質構儀測定樣品剪切力。儀器模式設定為剪切模式,探頭選擇HDB/BSK切刀。測試前的速度為2 mm/s,測試的速度為1 mm/s,測試后的速度為2 mm/s,切割樣品的程度為75%。組織化度用橫向與縱向剪切力的比值表示,每種動物肉平行測定8次。

1.3.7高水分組織化PPI的感官特性評價

由20名感官員在室溫下(25 ℃)對PPI擠出物進行感官特性評估。感官員都有至少一年的感官評估經驗,熟悉樣品以及評估的感官屬性。組織化樣品中不添加調味料和香料,以避免調味對口感的影響[12]。為了消除上一個樣品在口腔的殘留和感官員的疲勞,感官員每次品評樣品之后用溫水漱口,然后繼續品評下一個樣品[13]。感官員按照表2對表觀、色澤、纖維結構、風味、口感進行0～5分的感官特性評價[14-15]。

表2 豌豆分離蛋白擠出物感官評分標準

1.3.8高水分組織化PPI的微觀結構觀察

利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)分析PPI擠出物的微觀結構[16]。將樣品在液氮中快速冷凍后進行真空干燥。對干燥后的樣品噴金處理45 s。圖像采集的加速電壓恒定5 kV,SEM圖片放大倍數為300倍和3 000倍。

1.4 數據處理

用SPSS軟件對實驗數據進行單因素方差分析,并用Duncan’s multiple-range test進行多重比較。結果以平均值±標準差表示,P<0.05 時,表示數據間具有顯著差異。

2 結果與分析

2.1 不同工藝參數對PPI擠出物宏觀結構的影響

2.1.1水分含量的影響

不同水分含量(質量分數為45%、50%、55%、60%、65%)的PPI擠出物宏觀結構如圖1。由圖1可見,水分含量為45%時,擠出物有層狀結構形成,宏觀結構顯示出各向異性,但是樣品內部塑化嚴重;水分含量為50%時,樣品形成密集的層狀結構;繼續提高水分至55%,樣品呈現出顯著的纖維狀結構;水分含量為60%的樣品也可以觀察到纖維狀結構的形成;水分含量為65%時,樣品呈現出各向同性的斷裂模式,并沒有形成纖維狀結構,且因水分蒸發造成斷裂面粗糙。因此,在高水分擠壓過程中,過高或過低的水分含量均不利于擠出物纖維狀結構的形成。

圖1 不同水分含量對PPI擠出物宏觀結構的影響Fig.1 Effects of different moisture contents on macrostructure of PPI extrudates

2.1.2蒸煮溫度的影響

溫度是豌豆蛋白熱變性和組織化的關鍵因素。圖2展示了在不同蒸煮溫度下制備的PPI擠出物的宏觀結構。由圖2可見,在120 ℃的機筒溫度下生產的樣品,在擠出方向上(從下到上)沒有顯示出各向異性,擠出物不成形,缺乏特征性的流動層狀結構,這可能和機筒內大分子的不完全熔化和部分展開有關[7]。Sandoval等[17]在120 ℃的蒸煮溫度下觀察擠出物剖面得到了相同的結果。隨著蒸煮溫度的升高,蛋白質網絡沿擠出方向流動取向,呈現出明顯的纖維狀結構。溫度達到140℃時,物料充分熔融,擠出物表面具有一定光澤度。溫度在150～160 ℃時,沿擠出物縱向撕開可觀察到沿擠出方向形成的縱向纖維狀結構,剖面光滑。溫度會影響熔融物料在冷卻段模具凝固過程中的流速分布。如果黏性流體在模具中的流動狀態為層流,熔體在層流中心的溫度和流速高于靠近其冷卻模具壁處的溫度和流速,因此在冷卻成型過程中,可能會使剪切取向的線性散開大分子形成拋物線圖案,這些大分子在低于特征溫度時會發生交聯[7]。因此隨著溫度的升高,PPI擠出物出現主要為縱向取向的纖維。

圖2 不同蒸煮溫度對PPI擠出物宏觀結構的影響Fig.1 Effects of different cooking temperatures on macrostructure of PPI extrudates

2.1.3螺桿轉速和喂料速度的影響

螺桿轉速和喂料速度對擠出物宏觀結構的影響,實驗結果如圖3。由圖3(a)可見,所有樣品沿擠出方向均顯示出明顯的層狀結構,但隨著螺桿轉速從125 r/min增加到225 r/min,剖面結構在層狀結構擠出方向的取向性逐漸減弱,拋物線結構趨于平緩,不同螺桿轉速下的樣品整體差異性不大。由圖3(b)可見,喂料速度為4 g/min時,樣品沿擠出方向縱向撕開,內部呈現出部分區域有纖維狀結構,部分區域無纖維狀結構的結果,這可能是因為喂料速度過小造成擠出機吃料不足,形成擠出物不均勻。增大喂料速度(5～8 g/min),所有樣品均出現明顯的層狀結構,并且樣品內部層與層之間更加緊密,纖維感增強。

圖3 不同螺桿轉速和喂料速度對PPI擠出物宏觀結構的影響Fig.3 Effects of different screw speeds and feeding speeds on macrostructure of PPI extrudates

2.2 不同工藝參數對PPI擠出物微觀結構的影響

2.2.1水分含量的影響

水分含量對PPI擠出物微觀結構的影響,實驗結果如圖4。由圖4可見,不同水分含量的PPI擠出物微觀結構有顯著差異。水分含量為45%時,樣品表面有明顯的斷裂面,結構致密,在較低的水分含量下,蛋白質沒有完全水合以參與蛋白質交聯反應,因而層狀纖維結構不明顯[16]。提高水分含量至50%和55%,擠出物表面出現規則的層狀結構;隨著水分含量的增加,60%水分含量的樣品表面開始同時出現細小的氣孔和層狀結構;在水分含量為65%時樣品的氣孔結構均勻分布,表面粗糙,基本無層狀結構,與組織化度和表觀觀察的結果一致。整體來看,隨著水分含量的增加,纖維狀結構先增多后減少,氣孔逐漸增多。水分含量較高時,機筒內的蛋白質變性減少和黏度降低可能會減少蛋白質相互作用和交聯[16],此外,擠出物在進入冷卻段模具之前無法形成足夠高的模具壓力來驅動形成纖維結構。因此,水占據了大部分空隙空間,干燥后微觀結構孔洞較多,層狀結構較少[18]。

虛線框外圖片的放大倍數為300倍,虛線框內圖片的放大倍數為3 000倍。

2.2.2蒸煮溫度的影響

蒸煮溫度對PPI擠出物微觀結構的影響,實驗結果如圖5。由圖5可見,不同蒸煮溫度的PPI擠出物的微觀結構有顯著差異。蒸煮溫度為120 ℃時,樣品沒有顯示出取向結構;提高溫度至130 ℃,擠出物表面變得均一,但仍然沒有出現纖維狀結構,蛋白沒有充分熔融,在這種相對較低的溫度下蛋白質交聯反應不完全[16];蒸煮溫度為140 ℃時,在放大倍數為3 000倍的SEM圖中可以看到擠出物定向取向,說明蛋白已經在機筒內充分熔融;在150 ℃時,擠出物的結構更加有序,可以觀察到明顯的纖維狀結構,說明已經充分組織化;160 ℃時纖維狀結構最顯著。Chen等[4]也發現了類似的結果,在高水分擠壓中,蒸煮溫度從140 ℃提高到160 ℃,大豆蛋白的交聯程度增加。

虛線框外圖片的放大倍數為300倍,虛線框內圖片的放大倍數為3 000倍。

2.2.3螺桿轉速和喂料速度的影響

螺桿轉速和喂料速度對PPI擠出物微觀結構的影響,實驗結果如圖6。由圖6(a)可見:螺桿轉速為125～175 r/min,擠出物內部蛋白質網絡形成了纖維狀結構,隨著螺桿轉速的增大,微觀結構更加致密;在螺桿轉速為200 r/min和225 r/min時,纖維層更加緊密,需要用較高(3 000倍)的放大倍數下的顯微鏡才能觀察到。較低的螺桿轉速有利于纖維層的形成,與組織化度的測定結果一致。

虛線框外圖片的放大倍數為300倍,虛線框內圖片的放大倍數為3 000倍。

由圖6(b)可見,喂料速度較低時,擠出物內部層狀結構致密。提高喂料速度至5 g/min和6 g/min,可觀察到擠出物出現明顯的層狀結構;喂料速度為7 g/min時,擠出物層狀結構不顯著,需用高倍數下的顯微鏡進行觀察;喂料速度為8 g/min時,擠出物表面有氣孔,這可能是水分散失造成的。經分析發現,喂料速度對PPI擠出物微觀結構影響不顯著。

2.3 不同工藝參數對PPI擠出物質構特性的影響

2.3.1水分含量的影響

水分含量對PPI擠出物質構特性的影響,實驗結果如圖7。由圖7(a)可見,隨著水分含量增加,擠出物的硬度和咀嚼度顯著下降(與大豆蛋白擠壓特性的研究結果一致[19]),擠出物彈性略微升高,無顯著變化,縱向和橫向剪切力顯著下降。當機筒內水分增加時,擠出物蛋白質變性和去折疊不完全,蛋白質之間的交聯作用減少從而導致產品質地柔軟[16],因此導致剪切樣品時施加的力減小。由圖7(b)可見,擠出物的組織化度隨水分含量增加先增大后減小,在含水量為55%～60%時達到最大值,這表明水分在一定程度上有助于蛋白質分子在擠壓過程中的去折疊和重排;但水分對纖維結構形成的有利影響并不是無限的[4],水分含量過高(65%)不利于纖維結構的形成,組織化度的觀察結果與宏觀結構觀察結果一致。

圖7 不同水分含量對豌豆分離蛋白擠出物質構特性及組織化度的影響Fig.7 Effects of different moisture contents on texture and texturization degree of PPI extrudates

2.3.2蒸煮溫度的影響

蒸煮溫度對PPI擠出物質構特性的影響,實驗結果如圖8。由圖8(a)可見,蒸煮溫度顯著影響PPI擠出物的硬度、縱向和橫向剪切力、組織化度。機筒蒸煮溫度從初始120 ℃升溫到160 ℃的過程中,擠出物的硬度顯著上升,咀嚼度略微上升。120 ℃時擠出物較柔軟、不成形,其質構特性較差。橫向、縱向剪切力隨蒸煮溫度的升高而顯著增加。這是因為升溫帶來的能量輸入可能會導致蛋白質大分子解體,使之前隱藏在內部的鍵合位點暴露,蛋白質分子進一步交聯,從而使得剪切力上升[7]。擠出物彈性略微降低,組織化度也隨著溫度的升高而顯著增加。這是因為,溫度上升,蛋白質充分熔融,熱熔體以高于水沸點的溫度進入冷卻模,由于冷卻模溫度降低,蛋白質熔融物交聯凝固,形成與動物肉相似的纖維結構,因而組織化度上升[17]。Chen等[4]也發現,蒸煮溫度對高水分大豆蛋白擠出物的組織化度有顯著影響。已有研究也表明,高水分擠壓中纖維結構形成的物理機制是在溫度梯度影響下的旋節相分離[17],溫度是樣品組織化度的決定性因素[19]。

圖8 不同蒸煮溫度對PPI擠出物質構特性及組織化度的影響Fig.8 Effects of different cooking temperatures on texture and texturization degree of PPI extrudates

2.3.3螺桿轉速和喂料速度的影響

螺桿轉速和喂料速度對PPI擠出物質構特性的影響,實驗結果如圖9。螺桿轉速的快慢能決定腔體內蛋白質等物料的剪切程度[19]。通常,螺桿轉速較低時,延長了蛋白質等物料在擠壓機筒內的停留時間,有利于產品組織化度的提升;螺桿轉速較高時,擠壓機筒內的原料充分混合,形成組織化度較好的擠出物。由圖9(a)可見,擠出物的硬度、咀嚼度、彈性受螺桿轉速變化的影響較小,無顯著性差異。橫向剪切力和縱向剪切力隨著螺桿轉速的增加而顯著提高。在其他參數條件恒定的條件下,螺桿轉速越高,蛋白質的交聯和聚合度越高,切削力越強。同時,螺桿速度提高后,形成了具有更多接觸面的更小結構單元也會導致更高的剪切力[16]。擠出物的組織化度隨螺桿轉速的增加先顯著降低而后略微升高。

圖9 不同螺桿轉速和喂料速度對PPI擠出物質構特性及組織化度的影響Fig.9 Effects of different screw speeds and feeding speeds on texture and texturization degree of PPI extrudates

由圖9(b)可見,隨著喂料速度的增加,擠出物硬度先顯著增加后略微降低,咀嚼度變化的趨勢和硬度一致。這可能是由于隨著喂料速度增加,機筒中物料、壓力增加導致的結果。喂料速度較低時,蛋白質在機筒內的擠壓時間較長,有利于樣品組織化;當喂料速度進一步增加,蛋白質在機筒內的擠壓時間減少,擠出物組織化度降低,這與魏益民等[20]利用低溫大豆粕進行高水分擠壓得出的結論一致。

2.4 不同工藝參數對PPI擠出物感官特性的影響

2.4.1水分含量的影響

不同水分含量對PPI擠出物的感官特性影響,實驗結果如圖10。由圖10(a)可見,當水分含量為55%和60%時,擠出物呈現較好的表觀形貌。水分含量為55%～65%時,擠出物的色澤最好,與之前測定的結果一致。在口感方面,水分含量為50%時,擠出物最具有真實動物肉的口感,水分含量偏高(65%)或偏低(45%)時口感得分均較差,這可能是由于偏高的水分導致樣品過軟,以及偏低的水分導致樣品過硬,難以咀嚼。含50%水分的樣品纖維狀結構最好,除含45%水分的樣品外,其余樣品的風味都較好。綜合評價,水分含量為50%～60%的樣品具有較好的感官特性。

圖10 不同水分含量、蒸煮溫度、螺桿轉速和喂料速度對PPI擠出物感官特性的影響Fig.10 Effects of different moisture contents, cooking temperatures, screw speeds and feeding speeds on sensory attributes of PPI extrudates

2.4.2蒸煮溫度的影響

不同蒸煮溫度下PPI擠出物的感官特性如圖10。由圖10(b)可見,蒸煮溫度為120 ℃和130 ℃時,產品的風味較好,其余感官特性均較差。蒸煮溫度為140 ℃時,口感最好。在150 ℃擠壓的產品具有最好的表觀、色澤及較好的口感、纖維狀結構、風味。蒸煮溫度為160 ℃,此時擠出物的口感和纖維狀結構最好。綜合分析,蒸煮溫度為140～160 ℃時,產品具有較好的感官特性。

2.4.3螺桿轉速和喂料速度的影響

不同螺桿轉速下PPI擠出物的感官特性如圖10。由圖10(c)可見:螺桿轉速為125 r/min時,纖維狀結構、風味、口感較好;螺桿轉速為150 r/min時,產品的纖維狀結構和風味最好;口感和表觀在螺桿轉速為175 r/min達到最佳;螺桿轉速為200 r/min和225 r/min時,色澤、風味、表觀較好。綜合分析,螺桿轉速為125～175 r/min時,產品具有較好的感官特性。

不同喂料速度時PPI擠出物的感官特性如圖10。由圖10(d)可見:喂料速度為4 g/min時,所有感官特性都較差;喂料速度為5 g/min時,產品具有較好的表觀;喂料速度為6 g/min時,產品具有較好的口感、風味和纖維狀結構;纖維狀結構和風味在7 g/min時最好,8 g/min的進料速度擁有最好的表觀、色澤和口感。綜合分析,喂料速度為6～8 g/min時產品的感官特性較好。

2.5 最佳工藝參數的優化

2.5.1正交試驗分析結果

根據單因素實驗中水分含量、蒸煮溫度、喂料速度、螺桿轉速的最適參數區間,進行正交試驗,結果如表3。為保證擠出物產品更接近動物肉,需要對表3中的部分數據進行變換。前期通過將高水分組織化豌豆蛋白與不同部位的牛肉(牛里脊、牛腩、牛小黃瓜條、牛肩)的質構進行對比,研究發現,高水分組織化豌豆蛋白的質構特性與牛小黃瓜條的類似。此外,牛小黃瓜條主要為牛后臀部位的半腱肌,沿臀股二頭肌邊緣分離出的凈肉,這部分肉的運動量比較大,肌肉纖維較粗,脂肪含量較低[(2.17±0.01)g/100 g],這與本研究中的高水分組織化豌豆蛋白的質構特性相似。故本研究將牛小黃瓜條部位牛肉的質構數據作為目標值,牛小黃瓜條部位牛肉的硬度為139.62 N、彈性為0.837、咀嚼度為88.65 N、橫向剪切力為42.67 N、縱向剪切力為24.44 N。取整數作為期望值,即將硬度140 N、咀嚼度89 N、橫向剪切力43 N、縱向剪切力25 N作為擠出物最終優化的目標值,根據式(1)進行數據轉化。組織化度、感官評分越大,說明組織化蛋白產品的性能越好,不需要額外再進行數據轉換。

表3 PPI擠出物質構和感官特性正交試驗結果

(1)

式(1)中,X為正交試驗實際測定值;Y為牛小黃瓜條部位牛肉相對應的質構指標測定數值;Z為轉化值(越接近1說明與牛小黃瓜條部位牛肉的質構特性越接近)。轉化后數據如表4。

表4 正交試驗擠出物數據轉化結果

2.5.2主成分分析

使用SPSS 22.0軟件對9組正交試驗數據轉換后的7個指標(表4)進行主成分分析,結果見表5。表5表明:前3個主成分的特征值均超過1,數值分別為3.711、1.786和1.170;前3個主成分的方差貢獻率分別為53.021%、25.507%、16.714%;前3個主成分的方差貢獻率累計達到95.242%,遠超85%,能夠解釋豌豆蛋白組織化產品特性的大部分信息。故選取前3個主成分,然后計算主成分綜合得分。

表5 主成分特征值和貢獻率

第一主成分的得分計算方程如式(2)。

F1=-0.251×Z硬度+0.083×Z彈性-
0.242×Z咀嚼度+0.221×Z縱向剪切力+
0.261×Z橫向剪切力-0.041×Z組織化度+
0.151×Z感官評分。

(2)

第二主成分的得分計算方程如式(3)。

F2=0.182×Z硬度-0.066×Z彈性+0.187×
Z咀嚼度+0.233×Z縱向剪切力+ 0.025×
Z橫向剪切力+0.523×Z組織化度+0.398×
Z感官評分。

(3)

第三主成分的得分計算方程如式(4)。

F3=0.131×Z硬度+0.8×Z彈性+0.234×
Z咀嚼度+0.188×Z縱向剪切力-0.192×
Z橫向剪切力-0.218×Z組織化度+0.152×
Z感官評分。

(4)

根據各個主成分的特征值和貢獻率,主成分綜合得分計算方程如式(5)。

F=0.530F1+0.255F2+0.167F3。

(5)

式(2)、(3)、(4)中Z表示該指標經標準化之后的值,F1、F2和F3分別表示第1主成分、第2主成分和第3主成分,F表示綜合得分。主成分得分結果見表6。

表6 正交試驗主成分得分及綜合得分

通過主成分分析得到的較優操作工藝參數見表7。由表7可見,較佳擠壓操作參數設置組合為A2B3C2D3,即通過主成分分析得到的較優操作工藝參數:水分含量為55%、蒸煮溫度為160 ℃、喂料速度為7 g/min、螺桿轉速為175 r/min。從極差結果可以看出,影響組織化蛋白特性綜合評分的操作參數次序為水分含量、蒸煮溫度、螺桿轉速、喂料速度。在較優工藝條件下進行驗證實驗,驗證實驗產品和正交試驗一起進行主成分分析(表8),驗證實驗綜合得分為0.64,高于表6初始正交試驗組中所有組別樣品的綜合得分,證明擠壓工藝得到了優化。

表7 PPI擠出物綜合評價極差分析結果

表8 驗證實驗與正交試驗綜合評分結果

3 結 論

通過探究工藝參數對高水分蛋白擠壓特性的影響,研究結果表明,物料水分含量對高水分PPI擠出物組織化和質地起關鍵作用,水分過高(65%)或者過低(45%)均會獲得較差的纖維結構;蒸煮溫度在140～160 ℃內能使產品獲得較好的組織化度、口感。提高螺桿轉速,組織化度先顯著降低而后升高。喂料速度增加,擠出物硬度和咀嚼度先顯著增加后降低,組織化度先降低后增加,喂料速度過小(4 g/min)時影響產品內部形態。通過正交試驗和主成分分析,以牛小黃瓜條部位牛肉的質構參數為目標參數優化了高水分擠壓PPI操作參數,優化的工藝參數為:水分含量55%,蒸煮溫度160 ℃,螺桿轉速175 r/min,喂料速度7 g/min。本研究結果旨在為高水分組織化植物蛋白的生產工藝參數設定提供科學依據與技術支撐。