双螺杆挤压处理对小麦蛋白组织化程度的影响

徐 添，赵妍嫣，袁蓓蕾，许 骏，姜绍通

(合肥工业大学生物与食品工程学院，农产品加工研究院，安徽合肥 230009)

植物蛋白是人类膳食中重要的蛋白资源，主要来源于谷物、油料作物与豆类［1］，其价格低廉，营养丰富，且不含胆固醇，受到广大消费者的青睐，但随着食品工业的迅速发展，天然植物蛋白质的功能性质尚不突出，远不能满足人类的需求。早在20世纪中期，国外已通过对植物蛋白的改性来提高其功能性质及吸收利用率，以改善人类膳食结构，提高蛋白质供给水平［2］。植物蛋白的改性方法主要有化学法改性、物理法改性和酶法改性［3－5］，其中物理改性法又包括湿热改性、微波改性和挤压改性等［6］。挤压改性是一种高温高压瞬时操作工艺，具有杀菌、钝化不良因子、促使淀粉糊化、提高蛋白利用率的作用［7］，植物蛋白挤压改性过程中，蛋白质在双螺杆挤压机内受到高温、高压、高剪切的作用，由球状聚集态重组为具有同向性的纤维均匀结构［8－9］。植物蛋白的双螺杆挤压改性已经越来越受到人们的重视，成为食品工业高新技术研究领域热点之一。现阶段，人们对于植物蛋白的挤压改性研究主要集中于大豆蛋白，花生蛋白的改性。安红周等［7］以大豆浓缩蛋白为原料，采用双螺杆挤压组织化［10］技术，对大豆组织蛋白的组织化度进行了研究;朗珊珊等［11］利用响应面分析法，采用双螺杆挤压膨化机，以高温脱脂花生粕为原料，研究了双螺杆挤压组织化加工中操作参数对感官评定的影响，并通过优化与实验验证得到最佳工艺条件。与大豆蛋白、花生蛋白相比，小麦蛋白功能特性较差，不能满足食品工业以及其他行业的要求，限制了其应用范围［12－13］，因此国内外有关小麦蛋白挤压改性的研究较少。本实验主要以谷朊粉、面粉、小苏打、单甘酯、水为主要原料，研究不同配方对小麦蛋白组织特性的影响，旨在为小麦蛋白挤压组织化产品提供一定研究思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

谷朊粉 安徽瑞福祥食品有限公司;面粉 五得利集团兴化面粉有限公司;小苏打 郑州优然化工有限公司;单甘酯 郑州鸿祥化工有限公司。

精密电子天平 福州科迪电子技术有限公司;DS32－Ⅱ挤压膨化机 济南赛信机械有限公司;TAXA PLUS物性测试仪 英国Stable micro systems公司。

1.2 实验方法

1.2.1 基本组分的的测定方法

1.2.1.1 粗蛋白的测定 按GB/T 5009.5－2010中的凯氏定氮法进行蛋白质含量的测定;水分的测定:按GB/T 5009.3－2010中的干燥法进行原料水分含量的测定;粗脂肪的测定:按GB/T 5009.6－2003中的索氏抽提法进行脂肪含量的测定;灰分的测定:按GB/T 5009.4－2010测定。

1.2.2 样品组织化程度的测定［14－15］将样品(呈边长1cm的正方形，厚度为5mm)置于物性测定仪测试台中央，用A/CKB探头(刀片状)以1mm/s的速度对试样进行剪切，剪切厚度设定为样品厚度的75%，剪切宽度均为1cm。切刀与模头挤出方向平行时的剪切力称为纵向剪切力，垂直时称为横向剪切力，量纲为kg。

组织化度(kg/kg)=横向剪切力(kg)/纵向剪切力(kg)

1.2.3 实验方案 以面粉质量计为100g，选择各物质与面粉的质量比作为考察因素，研究各物质不同添加量对小麦蛋白组织化度的影响。

在一定的挤压参数下(螺杆转速频率15Hz，喂料电机转速频率15Hz，Ⅰ区温度30℃、Ⅱ区温度90℃、Ⅲ区温度140℃)进行挤压改性，根据单因素实验结果及方差分析获得的数据，利用Design－Expert软件设计响应面实验表，分析实验结果并模拟出最优实验结果。

1.2.4 响应面实验设计 在单因素实验的基础上，采用Box－Behnken中心组合实验设计对组织化度的四个主要因素水与面粉的质量比、谷朊粉与面粉的质量比、单甘酯与面粉的质量比、小苏打与面粉的质量比进行优化。实验因素与水平设计见表1。

表1 响应面实验设计(%)Table1 Response surface design table(%)

2 结果与讨论

2.1 谷朊粉的基本组分

谷朊粉的基本组分测定如表2所示，其中谷朊粉中的粗蛋白含量达到79.35%，含量丰富，具有极高的营养价值。

表2 谷朊粉的基本组分Table2 Basic components of gluten flour

2.2 小麦组织蛋白制备单因素实验

2.2.1 水分对小麦蛋白组织化的影响 根据预实验确定，以面粉100g作为基准，水的添加量分别为60.53% 、63.16% 、65.79% 、68.42% 、71.05% 。

由图1可知，当水添加量为60.53%、63.16%、65.79%时，挤压产物的组织化度缓慢上升;水添加量68.42%之后，挤压产物的组织化度明显下降;可以看出在水添加量在68.42%时，挤压产物的组织化度有最大值。这是由于水分含量过低时，挤压产物易膨化，而膨化产生的气孔导致挤压产物纤维状结构不明显，组织化程度比较低;而水分含量过高时，挤压产品质地较软易分散而导致组织化程度也比较低。

图1 水添加量对小麦蛋白组织化度的影响Fig.1 The influence of water addition on the wheat protein organization degree

2.2.2 谷朊粉添加量对小麦蛋白组织化的影响 根据预实验确定，以面粉100g作为基准，谷朊粉的添加量分别为:13.16%、14.47%、15.79%、17.11%、18.42%。

由图2可知，谷朊粉添加量在13.16%～14.47%时，挤压产物的组织化度变化缓慢;在14.47%～15.79%区间急剧增加，在谷朊粉添加量为15.79%时，挤压产物的组织化度有最大值;而在添加量15.79%之后，挤压产物的组织化度又急剧下降。这是由于当谷朊粉添加量较低时，由于蛋白的含量较低，在挤压及剪切力作用下，蛋白质分子间二硫键被破坏后，重新排布成链状的蛋白结构比较少，同时纤维状结构较少，从而导致挤压产物的组织化度下降;而谷朊粉添加量较高时，由于蛋白含量的提高，经过挤压及剪切力等一系列变化作用，挤压产物中蛋白质结构可能变得更加紧密，从而导致挤压产物的组织化程度的下降。

图2 谷朊粉添加量对小麦蛋白组织化度影响Fig.2 The influence of gluten flour addition on the wheat protein organization degree

2.2.3 单甘酯添加量对小麦蛋白组织化的影响 根据预实验确定，以面粉100g作为基准，单甘酯的添加量分别为:2.08%、2.27%、2.50%、2.63%、2.78%、3.13%。

由图3可知，在单甘酯添加量为2.08%、2.27%、2.50%、2.63%时，挤压产物的组织化度较缓慢增加;在单甘酯添加量达到2.63%时，挤压产物的组织化度有最大值;之后其组织化度缓慢下降。可能是因为当单甘酯添加量较低时，未达到添加剂作用的效果，当单甘酯添加量较高时，对面团的挤压不完全。

图3 单甘酯添加量对小麦蛋白组织化度影响Fig.3 The influence of monostearin addition on the wheat protein organization degree

2.2.4 小苏打添加量对小麦蛋白组织化的影响 根据预实验确定，以面粉100g作为基准，小苏打的添加量分别为:1.58%、2.11%、2.63%、3.16%、3.68%。由图4知，当小苏打添加量为1.58%、2.11%时，挤压产物的组织化度较低;当小苏打添加量为2.63%时，挤压产物的组织化度有最大值;当小苏打添加量继续增加时，挤压产物的组织化度降低。这可能是由于当小苏打添加量较低时，挤压产物不易形成空隙结构，也就不容易形成纤维状的组织蛋白;而当小苏打含量过高时，挤压产物的膨化度增加，内部结构空隙增大，其组织化度降低，实验中存在个别平行实验偏差较大的原因是由于挤压机Ⅲ区温度在挤压过程中会有变化，工艺条件稍有偏差导致。

图4 小苏打添加量对小麦蛋白组织化度影响Fig.4 The influence of baking soda addition on the wheat protein organization degree

2.3 响应面模型建立及结果

2.3.1 响应面实验方案与结果 在单因素实验的基础上，对水的添加量、谷朊粉的添加量、单甘酯的添加量及小苏打的添加量进行了四因素三水平响应面实验设计，实验设计与结果见表3。

表3 响应面实验方案及实验结果Table3 The experiment scheme and experimental results of the Response surface

2.3.2 方差分析 利用软件对实验结果进行二次多元回归拟合，对表3的数据进行方差分析后得到结果如表4所示。失拟项不显著(p=0.2595＞0.05)，而模型的p＜0.0001，说明模型高度显著。从表4中还可以看出，因素一次项(X1)，二次项对结果影响是高度显著的(p＜0.0001);一次项对结果影响是显著的(p ＜ 0.05);交互项(X1X4、X2X3、X2X4、X3X4)对结果影响不显著(p＞0.05)。经过拟合得到组织化度(y)对编码自变量X1、X2、X3和X4的二次多元回归方程为:组织化度 =－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 响应曲面图 由图5看出，挤压产物的组织化度随水和谷朊粉的添加量的增加而提高，两者交互作用显著。根据动力学理论，水和谷朊粉的添加量的增加有利于挤压产物组织化程度的提高，因此，在一定条件下适当增加水和谷朊粉的含量有利于提高挤压产物的组织化度。

表4 响应面方差分析Table4 The response surface analysis of variance

图5 水和谷朊粉添加量对挤压产物组织化度影响的响应面图Fig.5 The response surface chart of the influence of water and gluten flour addition on extrusion product organization degree

由图6看出，挤压产物的组织化度随单甘酯添加量的降低以及水添加量的升高而增大，两者的交互作用显著。因此，在一定条件下，适当减少单甘酯的添加量同时适当增加水的添加量，可以使其组织化度提高。

2.3.4 验证实验 利用软件分析，使用最大值法优化，优化得到的谷朊粉挤压理论配方为:水添加量、谷朊粉添加量、单甘酯添加量、小苏打添加量分别为面粉质量的70.19%、16.17%、2.54%、2.52%。若以100g面粉计，水70.19g，谷朊粉16.17g，单甘酯2.54g，小苏打2.52g。该条件下的挤压产物的预测组织化度为1.133。为验证结果准确性，在该优化条件下，重复3次，实际挤压产物的组织化度平均值为1.112±0.018，与预测值接近，由此可见，采用响应面法对制备小麦组织蛋白的优化是有效的。

图6 水和单甘酯添加量对挤压产物组织化度影响的响应面图Fig.6 The response surface chart of the influence of water and monostearin addition on extrusion product organization degree

3 结论

本实验在单因素的基础上，以组织化度为指标，采用4因素3水平进行响应曲面实验，对配方进行优化。经过软件分析可知水和谷朊粉、水和单甘酯交互作用较显著。得到小麦组织蛋白制备的最优配方为:以面粉100g作为基准，水添加量70.19g，谷朊粉添加量16.17g，单甘酯添加量2.54g，小苏打添加量2.52g，该条件下的挤压产物的预测组织化度为1.133，此配方下，实际挤压产物的组织化度为1.112±0.018，与预测值接近，说明该模型能很好地模拟小麦组织蛋白的制备配方。利用响应面法对小麦组织蛋白制备配方进行优化，可得到最优的配方，小麦组织蛋白的制备奠定了基础，对组织蛋白的研究具有重要意义。

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