擠壓操作參數對組織化小麥蛋白復水性影響研究

李 誠 鄭 志,2 羅水忠,2 楊 文 郭文杰 鐘昔陽 趙妍嫣,2 姜紹通,2

(合肥工業大學生物與食品工程學院1，合肥 230009)(安徽省農產品精深加工重點實驗室2，合肥 230009)(安徽瑞福祥食品有限公司3，亳州 236800)

擠壓操作參數對組織化小麥蛋白復水性影響研究

李 誠1鄭 志1,2羅水忠1,2楊 文1郭文杰3鐘昔陽1趙妍嫣1,2姜紹通1,2

(合肥工業大學生物與食品工程學院1，合肥 230009)(安徽省農產品精深加工重點實驗室2，合肥 230009)(安徽瑞福祥食品有限公司3，亳州 236800)

以小麥蛋白為原料，研究擠壓制備組織化小麥蛋白過程中工藝參數對組織化小麥蛋白復水率的影響。通過設計單因素試驗和響應面分析方法，根據加水量、擠壓溫度、螺桿轉速和喂料量4個因素對組織化小麥蛋白復水率的影響，優化了組織化小麥蛋白的制備工藝參數。結果表明，擠壓溫度、螺桿轉速、喂料量、螺桿轉速和喂料量的交互作用對產品復水率影響顯著，回歸模型高度顯著。組織化小麥蛋白生產最佳工藝參數為：加水量44%、擠壓溫度160 ℃、螺桿轉速280 r/min、喂料量21 kg/h，在該最佳工藝參數條件下，組織化小麥蛋白的復水率為249.49%。電鏡掃描結果顯示小麥蛋白在擠壓過程中發生了蛋白質的變性和蛋白質分子間的重新排列，形成了纖維狀的結構。

小麥蛋白 擠壓組織化 復水率 響應面法

小麥蛋白(又稱谷朊粉)是將小麥粉中的淀粉、纖維素等成分分離后獲得的蛋白制品，主要由麥醇溶蛋白、麥谷蛋白組成，是一種營養豐富、食用安全、符合現代膳食需求的植物蛋白[1-2]。小麥蛋白含有大量的谷氨酸、亮氨酸、脯氨酸等疏水性氨基酸，導致其溶解性差，限制了其在食品加工領域的應用[3-4]。

食品擠壓重組技術是集溶解、混合、攪拌、輸送、加熱、變性、殺菌及切割成型等為一體，適用于工業化、連續化生產的一種高效、節能、環保的食品加工新技術，在膨化食品、谷物早餐食品、動植物組織化蛋白加工等方面得到普遍的應用[5-7]。采用食品擠壓重組技術對植物蛋白進行加工，可以顯著改善蛋白質質地、口感和營養價值，有利于人體消化吸收，提高植物蛋白的利用率。當前，植物蛋白的擠壓組織化在食品工業中已取得較大的發展，產品經復水后可作為魚類、肉類加工過程中的添加和替代物，在價格、營養和增加蛋白質食品供應上有顯著優勢[8-10]。

復水是組織化植物蛋白產品被利用的重要步驟[11]。由于組織化植物蛋白含有特殊的多孔纖維結構，致使其吸水性很強，較好的組織化植物蛋白復水率可達200%～300%，樣品復水后的外觀與口感與雞肉十分類似[12-13]。研究表明，擠壓工藝條件對組織化植物蛋白的組織結構和復水性有直接影響[14-15]。因此，復水性是評價組織化植物蛋白質量的一項重要指標。目前，對花生蛋白和大豆蛋白生產過程中工藝參數對產品復水率的影響研究較多[16-17]，而對組織化小麥蛋白生產過程中工藝參數對產品復水率的影響研究則很少。

本試驗以小麥蛋白為主要原料，以擠壓產品復水率為指標，在單因素試驗的基礎上，采用響應面分析法對加水量、擠壓溫度、螺桿轉速和喂料量4個因素進行優化，建立制備組織化小麥蛋白最佳的工藝參數模型，研究小麥蛋白擠壓組織化過程中工藝參數和產品復水率之間相互關系的基本規律。研究結果對充分利用小麥蛋白資源，改善我國居民膳食營養結構，進一步提高組織化小麥蛋白生產工藝和產品質量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥淀粉(粗蛋白質質量分數0.38%干基)、小麥蛋白粉：安徽瑞福祥食品有限公司，蛋白粉基本理化指標如表1所示。

表1 小麥蛋白理化指標/%

1.2 儀器與設備

FMHE-36高扭矩雙螺桿擠壓設備：湖南富馬科食品工程技術有限公司；UDK152全自動凱式定氮儀：意大利VELP公司；SER148/3脂肪測定儀：意大利VELP公司；JSM-6490LV掃描電子顯微鏡：日本電子株式會社。

1.3 試驗方法

1.3.1 小麥蛋白擠壓組織化工藝流程

原料→混合攪拌→加水→高溫高壓擠壓→切割成型→熱風干燥→冷卻→裝袋密封

將質量分數為90%的小麥蛋白粉和質量分數為10%的小麥淀粉混合，放入混合器中攪拌均勻，混勻后倒入固體喂料器中備用。

擠壓試驗所采用的雙螺桿擠壓設備，其螺桿直徑D=36 mm，長徑比為L∶D=24∶1，模頭出口大小為36 mm4 mm，擠壓機Ⅰ區為液體喂料區，加水量依據試驗要求進行控制，Ⅱ區到Ⅵ區為獨立控制溫度的電加熱區，Ⅱ區到Ⅵ區溫度分別維持在60、130、150、140 ℃，Ⅴ區溫度依據試驗進行控制，模頭溫度隨Ⅴ區溫度的變化而變化，螺桿構型為積木式結構，套筒采用循環水冷卻，螺桿由正向螺紋、反向螺紋及具有高剪切型捏合塊的組合。

1.3.2 單因素試驗

在前期預試驗基礎上，分別考察加水量、擠壓溫度、螺桿轉速和喂料量4個因素對組織化小麥蛋白復水率的影響，初步確定小麥蛋白擠壓組織化工藝參數的取值范圍。加水量設置梯度為38%、40%、42%、44%、46%、48%，擠壓溫度(Ⅴ區)的溫度梯度為145、150、155、160、165、170 ℃，螺桿轉速設置梯度為220、240、260、280、300 r/min，喂料量設置梯度為17、19、21、23、25 kg/h。

擠壓出的組織化小麥蛋白從模頭切割擠出后，放入流化干燥床中60 ℃干燥20 min，常溫下冷卻后，裝入聚乙烯封口袋中密封，用于后期復水性質的測定。

1.3.3 響應面優化試驗

在單因素試驗的基礎上，選取最適水平范圍進行響應面優化試驗。

1.4 檢測方法

1.4.1 復水率測定

稱取5 g干燥的小麥組織化蛋白樣品(質量計為Ml)，25 ℃復水30 min，瀝水10 min后稱重(質量記為M2)。

1.4.2 微觀結構分析

將小麥蛋白原料和優化后的組織化小麥蛋白樣品進行冷凍干燥處理后，樣品切成大小為5 mm×5 mm×5 mm的小塊，將其固定在鋁制載物片上，2.5 kV，25 mA噴金1.5 min后，采用掃描電子顯微鏡觀察、拍照[18]。

1.5 試驗數據統計與分析

采用Origin軟件進行基本數據的處理和相關性分析，采用Design expert軟件建立回歸模型、方差分析和響應面作圖。試驗中所有樣品平行測定3次，結果以平均值表示。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 加水量對組織化小麥蛋白復水率影響

在擠壓溫度160 ℃、螺桿轉速280 r/min、喂料量23 kg/h條件下，考察不同加水量對組織化小麥蛋白復水率的影響，結果見圖1。

圖1 加水量對組織化小麥蛋白復水率影響

由圖1可知，隨著加水量的增加，產品復水率先增加后降低，在加水量為42%時產品的復水率最大，達到209.66%。繼續增大加水量，產品的復水率呈下降趨勢。這是由于過多的水分會降低擠壓機內溫度，且使物料黏度急劇降低，不利于螺桿對物料進行擠壓和剪切，減少物料在擠壓機內的停留時間[19]，產品膨化和組織化程度低，復水率也相應降低。當加水量較少時，物料在螺桿內混合不均勻，產品不易成型，無組織化狀態，復水率低。

2.1.2 擠壓溫度對組織化小麥蛋白復水率影響

在加水量為44%、螺桿轉速280 r/min、喂料量23 kg/h條件下，考察不同擠壓溫度對組織化小麥蛋白復水率的影響，結果見圖2。

圖2 擠壓溫度對組織化小麥蛋白復水率影響

由圖2可知，隨著擠壓溫度的增加，產品復水率呈上升的趨勢，產品的復水率由145 ℃的180.32%上升為170 ℃的221.99%。這可能由于擠壓的溫度越高，產品的膨化效果越好，產品內部的氣孔增多，復水時與水的接觸面增大導致。

2.1.3 螺桿轉速對組織化小麥蛋白復水率影響

在加水量為44%、擠壓溫度160 ℃、喂料量23 kg/h條件下，考察不同螺桿轉速對組織化小麥蛋白復水率的影響，結果見圖3。

圖3 螺桿轉速對組織化小麥蛋白復水率影響

由圖3可知，隨著螺桿轉速的增加，產品復水率呈上升的趨勢，當螺桿轉速達到280 r/min時，產品復水率達到最大值207.86%。當螺桿轉速增大至300 r/min時，產品復水率急劇降低至113.44%。這是因為當轉速較低時，物料擠壓不充分，產品組織化程度低，螺桿轉速不斷升高會使螺桿與物料間的摩擦與剪切程度增大，產品的組織化程度也相應地升高，復水率增加。但過高的螺桿轉速會使擠壓機內的溫度升高，熔融的物料短時間輸送到擠壓機前端，導致模頭壓力增大，造成機器運行不穩定，產品組織化程度和成型性變差，復水率降低。

2.1.4 喂料量對組織化小麥蛋白復水率影響

在加水量為44%、擠壓溫度160 ℃、螺桿轉速為280 r/min條件下，考察不同喂料量對組織化小麥蛋白復水率的影響，結果見圖4。

圖4 喂料量對組織化小麥蛋白復水率影響

由圖4可知，隨著喂料量的增加，產品復水率呈先上升后下降的趨勢，當喂料量達到21 kg/h時，產品復水率達到最大值251.12%，隨后復水率隨著喂料量的增大急劇降低。因為喂料量增大會使擠壓機內的壓力升高，螺桿承受扭矩增大[20]，此時，有利于物料擠壓組織化。但喂料量過高時，物料在擠壓機內停留時間減少，單位物料獲得的能量相應地減少，會出現蛋白質變性低或者組織化不充分的現象，產品復水率也相應地降低。

2.2 響應面分析法優化擠壓工藝參數

2.2.1 響應面設計方案及結果分析

在單因素試驗結果的基礎上，確定了響應面試驗各因素的水平設置范圍及設計方案，以加水量(A)、擠壓溫度(B)、螺桿轉速(C)和喂料量(D)4個工藝參數為自變量，以組織化小麥蛋白復水率(Y)為因變量進行回歸分析，得到工藝參數對擠壓產品復水率的回歸模型。試驗因素水平編碼表見表2，響應面設計及結果見表3，回歸方程方差分析見表4，各因素之間的交互作用見圖5和圖6。

表2 響應面試驗因素水平編碼表

由表4可知，回歸模型的F值為11.73，且回歸模型的P<0.000 1，說明該回歸模型高度顯著；失擬

表3 試驗設計及結果

表4 回歸方程方差分析表

注：**表示極顯著(P<0.01)，*表示顯著(P<0.05)。

圖5 擠壓溫度和螺桿轉速對組織化小麥蛋白復水率影響的響應面圖和等高線圖

圖6 螺桿轉速和喂料量對組織化小麥蛋白復水率影響的響應面圖和等高線圖

項的P值為0.820 6>0.05，說明該模型可以接受；決定系數R2=0.916 3，信噪比RSN=12.337，說明回歸方程具有較好的擬合度和可信度，可以很好地反映響應值與各因素之間的關系。B、C、D、CD、B2、C2、D2對響應值的影響高度顯著(P<0.01)，A對響應值的影響顯著(P<0.05)，AB、AD、BD對響應值無影響(P>0.25)。

采用Design-Expert軟件計算得到的回歸方程為：Y(%)=-28 006.10+96.70A+249.39B+40.40C+31.43D+0.35AC-0.15BC+0.70CD-2.28A2-0.64B2-0.08C2-5.96D2。根據該方程，確定制備組織化小麥蛋白最優工藝參數條件為：加水量44.00%、擠壓溫度160.00 ℃、螺桿轉速280.00 r/min、喂料量21.00 kg/h。在該最佳工藝參數條件下，組織化小麥蛋白的復水率為249.49%，產品組織結構、外觀和口感與肉制品的品質十分相似。

2.2.2 驗證試驗

為了檢驗響應面法所得結果的可靠性，按試驗優化結果進行驗證試驗，工藝參數分別為加水量44%、擠壓溫度160 ℃、螺桿轉速280 r/min、喂料量21 kg/h。在此條件下做3組平行試驗，得出組織化小麥蛋白復水率為252.72%，實驗值與理論值的絕對誤差為1.29%，基本符合預期結果，可見此回歸模型可用。

2.3 擠壓組織化對小麥蛋白微觀結構的影響

由圖7和圖8可以看出，小麥蛋白在天然狀態下以不規則的球狀顆粒形式存在，且表面凹凸不平；組織化小麥蛋白在掃描電鏡下呈現出具有線性規則排列的纖維狀結構。由此可知，小麥蛋白在擠壓機內高溫、高壓和高剪切等因素的共同作用下，蛋白質發生變性[21]，失去其天然結構，面團呈熔融狀態，熔融蛋白在模頭端由于壓力和溫度的共同作用，沿著流動方向重新結合定型，蛋白質分子線性化、纖維化，組織化小麥蛋白呈現出具有纖維化狀態的結構。

圖7 小麥蛋白掃描電鏡照片

圖8 擠壓優化后的組織化小麥蛋白掃描電鏡照片

3 結論

3.1 通過單因素和響應面試驗，對擠壓生產組織化小麥蛋白過程中工藝參數進行了優化研究。結果表明，擠壓溫度、螺桿轉速、喂料量、螺桿轉速和喂料量的交互作用對產品復水率影響顯著，回歸模型高度顯著，回歸方程具有較好的擬合度和可信度，生產組織化小麥蛋白最佳工藝參數為：加水量44.00%、擠壓溫度160.00 ℃、螺桿轉速280.00r/min、喂料量21.00 kg/h。在該最佳工藝參數條件下，組織化小麥蛋白復水率為249.49%，產品組織結構、外觀和口感與肉制品的品質十分相似。驗證試驗表明實驗值與理論值的絕對誤差為1.29%，基本符合預期結果，回歸模型可用。

3.2 小麥蛋白在擠壓過程中發生了變性和蛋白質分子間的重新排列，形成了具有類似肉類質構特征的纖維化結構。

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Effect of Extrusion Parameters on Rehydration Characteristics of Texturized Wheat Gluten

Li Cheng1Zheng Zhi1,2Luo Shuizhong1,2Yang Wen1Guo Wenjie3Zhong Xiyang1Zhao Yanyan1,2Jiang Shaotong1,2

(School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology1, Hefei 230009) (Key Laboratory for Agriculture Processing Product of Anhui Province2, Hefei 230009) (Anhui Ruifuxiang Food Co., Ltd3, Bozhou 236800)

Study on the effect of extrusion parameters during extruding process, taking wheat gluten as raw material on rehydration ratio of texturized wheat gluten. Optimized process for texturized wheat gluten on the basis of single factor experiment and response surface method (RSM) according to the effect of the added water, extrusion temperature, screw speed and feed speed to rehydration ratio of texturized wheat gluten. We come to a conclusion that extrusion temperature, screw speed, feed speed, the interaction of screw speed and feed speed on product rehydration ratio significantly, the regression model was highly significant. The results showed that the optimum operating parameters for the extrusion of wheat gluten were as follows: added water 44%, extrusion temperature 160 ℃, screw speed 280 r/min, feed speed 21 kg/h. On the optimum conditions, rehydration ratio of texturized wheat gluten reached 249.49%. Scanning electron micrographs showed that the raw wheat gluten granule was denatured and protein molecules were recombined to form a new structure.

wheat gluten, extrusion texturization, rehydration ratio, response surface method

TS234+.1

A

1003-0174(2016)06-0035-06

863計劃(2013AA102201)，安徽省科技攻關重大項目(1301031031)

2014-10-17

李誠，男，1990年出生，碩士，農產品加工及貯藏工程

鄭志，男，1971年出生，教授，農產品加工