大豆分离蛋白、南美白对虾肉及虾粉蛋白对大米玉米小麦混合粉挤压膨化性能的影响

黄　静,陈舜胜

(上海海洋大学食品学院,上海 201306)



黄静,陈舜胜*

(上海海洋大学食品学院,上海 201306)

为了比较大豆分离蛋白、南美白对虾肉及虾粉对大米-玉米-小麦混合粉挤压膨化性能的影响,首先测定了这三种添加原料的基本成分,然后测定膨化制品的膨胀度、体积密度、水溶性指数、吸水性指数、硬度、脆性;并通过SDS-PAGE及红外光谱初步探索比较添加不同种类蛋白质对膨化制品性质的影响。研究结果显示,添加南美白对虾肉的膨化制品的膨胀度高于添加大豆分离蛋白及南美白对虾粉的膨化制品,而体积密度、硬度低于其他两种膨化制品;添加南美白对虾粉膨化制品的水溶性指数、吸水性指数高于其他两种膨化制品;蛋白质含量高会导致膨化制品膨胀度低,体积密度高,硬度高,孔隙壁厚;添加一定量大豆分离蛋白的膨化制品在2500～4000 cm-1红外光谱下吸收强度最高,且挤压膨化产生了更多的糖类羟基;添加新鲜的南美白对虾肉比另外两种蛋白质膨化制品效果好,且南美白对虾肉蛋白添加量为2%较为适宜。

大豆分离蛋白,南美白对虾肉及虾粉,挤压膨化,膨化性能,混合粉

蛋白质(包括动物蛋白和植物蛋白)是人体不可缺少的基本成分。大豆具有极高的营养价值,南美白对虾蛋白质含量高,富含人体必需的8种必需氨基酸和2种半必需氨基酸,是一种营养均衡的优质蛋白[1]。评价蛋白质营养价值的最重要的指标是消化率,而原料在挤压膨化过程中,能较好的保留营养素,并且其消化率有所提高[2],即蛋白质利用率提高。但市场上的部分膨化制品是高脂肪、高热量、高添加剂、低蛋白的,长期食用会威胁人体健康。国内挤压膨化方面的研究主要集中于挤压工艺参数对产品特性的影响,很少有学者研究添加不同蛋白质对谷物挤压膨化的影响,王亮等[3]人指出蛋白质能影响产品的质构特性,但蛋白质对谷物挤压膨化的机理不清楚,导致富含蛋白质的营养膨化食品得不到开发,阻碍了挤压膨化食品的发展[4-6]。本实验初步探索添加南美白对虾粉、南美白对虾肉及大豆分离蛋白对挤压膨化食品的影响,以膨胀度、体积密度、吸水性指数、水溶性指数、硬度、脆性等用于评价挤压膨化产品质量的理化指标,并通过SDS-PAGE及红外光谱分析了不同来源蛋白质及蛋白质含量对产品膨化性能产生影响的机理,为后续营养膨化食品的研发提供了理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

大米粉、玉米粉、小麦粉郑州特正商贸有限公司;大豆分离蛋白上海鹤善实业有限公司;南美白对虾古棕路农贸市场,去壳采肉得到的新鲜虾肉,经真空冷冻干燥23 h并用粉碎机粉碎制成虾粉;丙酮分析纯,国药集团化学试剂有限公司;30%丙烯酰胺,10% SDS,10%过硫酸铵、四甲基二乙胺(TEMED)分析纯,Sigma公司;溴化钾分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

SYSLG32-II型挤压膨化实验机济南赛百诺科技开发有限公司;食品质构仪TA-XT Plus英国Stable Micro System公司;XMTD-204数显恒温水浴锅上海启前电子科技有限公司;KjeltecTM 8400全自动凯氏定氮仪、Soxtec 2050全自动粗脂肪测定仪FOSS公司;DZF-1B真空干燥箱上海天恒医疗器械有限公司;AL204电子天平梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;电子数显卡尺锦丰五金工具公司;MDJ-D421研磨机广东小熊电器有限公司;S-3400N电镜扫描仪HITACHI公司;FDC-1100真空冷冻干燥机上海万库真空设备有限公司;IS5傅里叶变换红外光谱仪美国赛默飞世尔科技公司。

1.2实验方法

实验混合谷物粉(55%大米粉,22%玉米粉,23%小麦粉),螺杆转速210 r/min,挤压温度(一区90 ℃,二区120 ℃,三区150 ℃),喂料速度为50 r/min,物料含水量调至15%,制成的挤压膨化制品,自然晾干后用于后续指标的测定。

1.2.1基本成分的测定水分含量的测定参考GB 5009.3-2010[7];粗脂肪含量的测定参考GB/T14772-2008[8];蛋白质含量的测定参考GB 5009.5-2010[9]。

1.2.2膨化度的测定用电子数显卡尺测量挤出物的横截面直径,每组抽取6个样品,取平均值表示产品挤压膨化后直径。膨胀度等于挤出物的直径除以模口的直径。

1.2.3体积密度的测定参照文献[10],略有修改,烘干后的样品,质量为m,采用小米排除法,产品的体积V(cm3)=小米加物料的体积(cm3)-小米的体积(cm3),3次重复实验取平均值。

式中:ρ-膨化制品的体积密度,g/cm3;m-挤出物的质量,g;V-样品的体积,cm3。

1.2.4吸水性指数和水溶性指数的测定参照文献[11]。

1.2.5硬度与脆度的测定参照文献[10,12],略有修改,随机选取10个样品,用食品质构仪测定其硬度与脆性,实验采用HDP/3PB探头,测前速度1.00mm/s,测试速度3.00mm/s,测后速度10.00mm/s,结果取6次平行实验结果的平均值。硬度指的是被测样品在探头冲压样品时,使样品单位面积断裂前受到的最大的力。脆度指的是被测产品单位面积断裂时探头下压的距离。

1.2.6扫描电镜观察参照文献[13],略有修改,膨化制品从3m处自然下落,取断裂面(厚度大约5mm),利用真空镀金机对样品进行喷涂,喷涂完成后用扫描电镜在5.00kV加速电压,50倍放大倍率下观察。

1.2.7SDS-PAGE分析取7个1.5mL的离心管,分别编号1～7,称取不同原料0.1g,分别加入离心管中,然后分别加入1mL的丙酮,-20 ℃冷冻10min,8000r/min离心10min,弃上清液,加入50μL上样缓冲液,煮沸3min,4000r/min离心5min,取15μL上清液进行电泳。

12%分离胶的制备:1.6mL蒸馏水,2mL30%丙烯酰胺,1.3mL1mol/LTris-HCl(pH=8.8),50μL10%SDS,50μL10%过硫酸铵,3μLTEMED。5%积层胶的制备:1.7mL蒸馏水,425μL30%丙烯酰胺,312.5μL1mol/LTris-HCl(pH=6.8),25μL10%SDS,25μL过硫酸铵,2.5μLTEMED。

1.2.8傅里叶光谱分析取少量冷冻干燥后的样品粉末,放入玛瑙研钵中研磨,加入100倍左右的溴化钾粉末,混合研磨10min,压片后放入红外光谱仪中扫描,采用Ominic8.0软件进行相应的图谱分析。

1.2.9数据处理基本数据处理SPSS(version19.0),用OriginPro8.0软件作图。

2　结果与分析

2.1大豆分离蛋白、南美白对虾肉及虾粉的基本组成

由表1可知,大豆分离蛋白、南美白对虾粉及虾肉基本成分中蛋白质及水分含量差异较为显著。大豆分离蛋白的蛋白质含量分别是南美白对虾粉和南美白对虾肉蛋白质含量的1.5、5倍;南美白对虾肉的水分含量是大豆分离蛋白和南美白对虾粉的11、6倍。由于挤压膨化原料水分含量都调制到15%,且它们脂肪含量很相近,在1.2%～4%范围内,所以水分含量与脂肪含量对挤压膨化产品各项性能的影响相对于蛋白质对膨化产品的影响可以忽略不计。本实验控制三种添加原料中蛋白质含量相同后比较不同来源蛋白质、蛋白质含量对挤压膨化产品的影响,从而在不影响膨化性能的基础上,找出营养丰富且口感好的配方。

表1　大豆分离蛋白、南美白对虾肉及虾粉的基本成分Table 1　The elementary element of soybean protein isolated,shrimp meat and shrimp powder

2.2膨胀度的比较

膨胀度是挤压膨化产品的重要指标之一,可以表示产品膨化状态的好坏。添加大豆分离蛋白、南美白对虾粉及虾肉蛋白对膨化制品的影响趋势一致:表现为随着蛋白质含量的增加,膨胀度不断下降,但不同蛋白质对制品膨胀度的影响幅度存在明显差异,通过比较得出,在相同比例蛋白质条件下,添加大豆分离蛋白制品的膨胀度明显低于其他两种膨化制品,而添加南美白对虾粉制品的膨胀度低于添加南美白对虾肉的膨化制品(图1)。添加南美白对虾肉对膨化制品膨胀度的影响比另外两种蛋白的影响小,与另外两种添加原料相比,更适合作为膨化制品的优质蛋白原料;膨胀度太高说明产品的气孔太大,产品不理想,所以南美白对虾肉的蛋白质含量为2%左右,产品膨胀度较为适宜。由图1可以看出膨胀度与蛋白质含量呈一定负相关性。Mathew等[14]研究发现,玉米中蛋白质含量与膨化制品的膨胀度呈显著负相关性,与本实验结果一致。

图1　加入不同比例的大豆分离蛋白、南美白对虾粉 及虾肉蛋白对挤压膨化制品膨胀度的影响Fig.1　The influence of adding different proportions of soybean protein isolated,protein of Penaeus Vanmamei & shrimp powder on puffing ratio of extrusion products

2.3体积密度的比较

加入不同比例的大豆分离蛋白、南美白对虾粉及虾肉蛋白,膨化制品的体积密度都是呈上升趋势;在添加相同比例蛋白质条件下,大豆分离蛋白膨化制品的体积密度高于南美白对虾粉、虾肉蛋白,南美对虾粉膨化制品的体积密度高于南美白对虾肉制品(图2),由图2也可以看出体积密度与蛋白质含量呈一定正相关性。添加相同比例的不同原料的膨化制品之间的体积密度增长速率有很大差异,整体上来看,添加大豆分离蛋白膨化制品的体积密度增长最快,添加南美白对虾虾肉膨化制品的体积密度的增长较缓慢,这种增幅的差距是与蛋白质种类及性质有关的。体积密度高会影响口感,体积密度低的膨化制品口感较好,容易咬断;因此从体积密度上看,南美白对虾肉比其他两种原料更适宜加入膨化制品中,因为南美白对虾肉对体积密度的影响小于较其他两种原料。

图2　加入不同比例的大豆分离蛋白、南美白对虾粉、 虾肉蛋白对挤压膨化制品体积密度的影响Fig.2　The influence of adding different proportions of soybean protein isolated,protein of Penaeus Vanmamei & shrimp powder on volume density of extrusion products

2.4吸水性指数和水溶性指数的比较

吸水性指数与挤压膨化原料中大分子淀粉、蛋白质的亲水性和成胶能力有关,吸水性越高表明其大分子亲水性和成胶能力越好[15]。挤压膨化导致的蛋白质变性、淀粉大颗粒破坏,从而引起吸水性指数的增大[16]。添加不同比例的大豆分离蛋白、南美白对虾粉及虾肉蛋白的膨化制品,它们的吸水性指数都得到了提高。其中添加相同比例蛋白质的条件下,添加南美白对虾粉膨化制品的吸水性指数高于大豆分离蛋白及南美白对虾肉的蛋白膨化制品；南美白对虾肉蛋白膨化制品的吸水性指数最低。从图中可以看出这三种膨化制品的吸水性指数变化趋势很相近(图3),且吸水性指数与体积密度之间可能存在一定正相关性(图2、图3),与陈锋亮等研究结果一致[11]。

图3　加入不同比例的大豆分离蛋白、南美白对虾粉、 虾肉蛋白对挤压膨化制品吸水性指数的影响Fig.3　The influence of adding different proportions of soybean protein isolated, protein of Penaeus Vanmamei & shrimp powder on water absorption index of extrusion products

水溶性指数可以表示淀粉降解的程度,与膨化原料中可溶性物质的含量和溶解性有一定的关系,可溶性物质含量越大,溶解性越好,其水溶性指数越高[17]。这三种添加不同蛋白质的膨化制品的水溶性指数差异很大,添加南美白对虾粉膨化制品的水溶性指数明显高于其他两种膨化制品。当蛋白质添加量少于1%,大豆分离蛋白的膨化制品的水溶性指数低于南美白对虾肉的膨化制品;蛋白质添加量大于2%,大豆分离蛋白膨化制品的水溶性指数就超过南美白对虾肉膨化制品。当大豆分离蛋白、南美白对虾肉和南美白对虾粉的蛋白质添加量超过4%时,它们的水溶性指数就几乎维持不变或下降(图4)。

图4　加入不同比例的大豆分离蛋白、南美白对虾粉、 虾肉蛋白对挤压膨化制品水溶性指数的影响Fig.4　The influence of adding different proportions of soybean protein isolated, protein of Penaeus Vanmamei & shrimp powder on water solubility index of extrusion products

2.5硬度与脆度的比较

总体上看,随着蛋白含量的增加,膨化制品的硬度呈不断增加的趋势(图5)。杜双奎等[18]研究表明,玉米中粗蛋白与挤压膨化制品的硬度呈一定正相关性,与此研究结果一致。在添加相同比例蛋白质的情况下,大豆分离蛋白及南美白对虾粉的膨化制品的硬度明显高于南美白对虾肉的膨化制品;可能是因为大豆分离蛋白因加工过程中蛋白质已经变性,南美白对虾肉在制成虾粉的过程中蛋白质也发生变性导致影响了产品的硬度。

图5　加入不同比例的大豆分离蛋白、南美白对虾粉、 虾肉蛋白对挤压膨化制品硬度的影响Fig.5　The influence of adding different proportions of soybean protein isolated, protein of Penaeus Vanmamei & shrimp powder on hardness of extrusion products

脆度反映的是产品的力学特性,决定挤压膨化制品力学特性的本质因素是产品的多孔性结构和壁材的力学性质[19]。有研究指出较高螺杆转速和较低喂料速度结合可以提高制品的脆度,但前人对于物料中蛋白含量及类别对制品脆度的影响没有一致的结论[12]。当大豆分离蛋白低于1%时,南美白对虾粉、虾肉添加量低于2%时,膨化制品的脆度随着添加量的增加而降低,即南美白对虾粉、虾肉添加量低于2%，大豆分离蛋白低于1%时,随着添加量的增加产品脆性越来越好;随后因添加量的增加,脆度不断增加,即脆性越差(图6)。由图6可以看出大豆分离蛋白添加量为1%,南美白对虾粉及虾肉添加量为2%,所得膨化制品的脆性较好。

图6　加入不同比例的大豆分离蛋白、 南美白对虾粉、虾肉对挤压膨化制品脆度的影响Fig.6　The influence of adding different proportions of soybean protein isolated, protein of Penaeus Vanmamei & shrimp powder on brittleness of extrusion products

2.6SDS-PAGE比较分析

挤压膨化后制品的电泳条带数量多于挤压膨化前,而挤压膨化前的电泳条带相对比较单一,出现这种现象的原因是由于氢键、二硫键和疏水键都是热不稳定的,膨化原料经过挤压膨化操作,混合谷物粉经过高温、高压、高剪切力的作用,蛋白质分子变性,氢键、二硫键断裂,形成了很多小分子片段[13,20]。经过挤压膨化操作,部分蛋白质采取了除二硫键以外的其他化学键聚合成更大的分子,这种聚合方式导致这部分蛋白质不能在还原剂处理过程中溶解出来,所以电泳后条带颜色较浅,与陈曦娟[10]研究结果一致。添加大豆分离蛋白、南美白对虾粉、虾肉的膨化制品的条带数量多于混合谷物粉的膨化制品,且条带颜色浅于混合谷物粉的膨化制品。原因是添加不同种类的蛋白导致产品的蛋白质种类及含量多于混合谷物粉,再经过挤压操作,不同蛋白质分子结构的重新排列,高温、高压又使不同蛋白质之间发生复杂生化反应,也会使蛋白质分子结构发生断裂[21]。大豆分离蛋白、南美白对虾粉、虾肉膨化制品电泳条带进行比较发现,添加南美白对虾肉的条带数量少于其他两种,可能是南美白对虾粉及大豆分离蛋白在高温、高剪切力作用下更容易变性的结果或虾粉蛋白与大豆分离蛋白本身已经变性(图7)。

图7　不同膨化制品及原料的SDS-PAGE图Fig.7　The SDS-PAGE page of different products and raw materials注:1-未挤压膨化混合谷物粉,2-大豆分离蛋白,3-混合谷物粉挤压膨化制品,4-南美白对虾粉,5-添加2.5%大豆分离蛋白的膨化制品,6-添加2.5%南美白对虾粉的膨化制品,7-添加2.5%南美白对虾肉的膨化制品,M-Marker。

2.7扫描电镜图的比较

添加2.5%大豆分离蛋白的膨化制品的气腔壁厚度最大,其次是添加2.5%南美白对虾粉的膨化制品;添加2.5%南美白对虾肉的膨化制品与混合谷物粉挤压膨化制品的气腔壁相差不大。从气腔壁厚度上看,南美白对虾更适合添加于膨化制品中。实验中发现添加一定比例的蛋白质的膨化制品,它们气腔的直径增大且实验中也发现它们的气腔结构更加坚固(图8)。这是因为挤压膨化过程中一些蛋白质作为气泡的壁材,充分包裹气体,避免气泡破裂,从而汇聚成气泡与气孔[22]。

图8　不同膨化制品的扫描电镜图Fig.8　The scanning electron microscopy picture of different puffed products注：A～D分别表示混合谷物粉挤压膨化制品， 2.5%大豆分离蛋白的膨化制品，2.5%南美白对虾粉蛋白的 膨化制品，2.5%南美白对虾肉蛋白的膨化制品。

2.8傅里叶红外光谱法比较分析

从图9中可以看出挤压膨化前后峰形基本相同,但峰高及相应的峰面积变化较大。添加大豆分离蛋白、南美白对虾肉、南美白对虾粉的膨化制品之间在500～2000 cm-1峰高及峰面积差别很小,而在2500～4000 cm-1光谱下吸收强度差别较大,其中添加2.5%大豆分离蛋白膨化制品的吸收强度最高。其中在(2926±1) cm-1处有CH2的伸缩振动,是脂肪的特征峰,挤压膨化后在此附近的红外吸收强度增加,其中加了大豆分离蛋白的膨化制品在此峰值最高。在1630～1680 cm-1处对应酰胺带C=O的吸收峰,此处为蛋白质的特征峰;挤压膨化制品在此处的吸收强度均高于挤压膨化前,这是因为挤压使大分子蛋白质的氢键、二硫键断裂,形成更多的小分子蛋白,导致在此处蛋白质吸收强度高于挤压膨化前。在3200～3800 cm-1处的O-H伸缩振动和1030～1200 cm-1处C-O伸缩振动,900～930 cm-1处和755～785 cm-1处的环振动峰,都为碳水化合物的特征峰[23];其中1030～1200 cm-1处C-O伸缩振动,900～930 cm-1处和755～785 cm-1处的环振动峰为糖类羟基的特征峰;挤压膨化制品在1080、929、765 cm-1附近峰高、峰面积都大于挤压膨化前,表明挤压膨化产生了更多的糖类羟基,这是由于挤压过程使淀粉降解成小分子的糖类物质。

图9　不同膨化制品的红外光谱图Fig.9　Infrared spectra page of different puffed products注：1～5分别表示添加2.5%大豆分离蛋白膨化制品， 混合谷物粉膨化制品，添加2.5%南美白对虾肉膨化制品， 添加2.5%南美白对虾粉膨化制品，混合谷物粉。

3　结论

大豆分离蛋白、南美白对虾粉及南美白对虾肉蛋白对膨化制品的膨化性能的影响有较大差异;添加相同含量的大豆分离蛋白质的膨化制品的膨胀度低于另外两种膨化制品,体积密度、硬度高于其他两种膨化制品;而添加相同含量的南美白对虾肉蛋白的膨化制品的膨胀度高于其他两种膨化制品,而体积密度、硬度低于其他膨化制品;添加相同含量南美白对虾粉蛋白质的膨化制品的吸水性指数及水溶性指数高于其他两种膨化制品。添加不同蛋白质导致膨化制品出现这种差异,实质上受到蛋白质的性质及蛋白质含量影响的结果。高蛋白质含量的膨化制品的孔隙壁较厚,硬度也相对较高;添加大豆分离蛋白、南美白对虾粉及虾肉蛋白的膨化制品营养丰富,但结合膨化性能各种因素考虑,添加新鲜的南美白对虾肉比另外两种蛋白质膨化制品效果好;南美白对虾肉蛋白添加量为2%时,产品膨胀度、体积密度等各项指标都比较理想,且添加新鲜虾肉也提高了产品的营养价值;该产品是适合儿童、青少年等广大消费者食用的健康食品。

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Effect of soybean separation protein,protein ofPenaeusVanmameiand shrimp powder on extrusion puffing performance

HUANG Jing，CHEN Shun-sheng*

(College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

To compare different puffing impacts of soybean separation protein,PenaeusVanmameiand shrimp powder on rice-corn-wheat mixed powder. Firstly,the basic composition of the three kinds of adding raw materials was determined,and so were the expansion degree,bulk density,water solubility index,water absorption index,hardness,brittle of puffed products,and the effect of adding different kinds of protein on puffed products properties were compared by SDS-PAGE and infrared spectrum preliminary. Results showed that the expansion degrees of puffed products that addedPenaeusVanmameiwas higher than extrusion products that added soybean separation protein and the shrimp powder,and bulk density,hardness was lower than the other two kinds of extrusion products. The puffed products that added shrimp powder,its water solubility index,water absorption index was higher than other kinds of puffed products. High protein content leaded to low degree of puffed products expansion,high volume density,high hardness,pore wall thickness. The puffed products that added a certain amount soybean separation protein had the highest absorption strength in infrared spectrum 2500～4000 cm-1,and more sugar alcohol was generated after extrusion operation.Adding freshPenaeusVanmameiwas better than two other protein puffed products,and 2% protein ofPenaeusVanmameiwas appropriate.

soybean separation protein;PenaeusVanmamei& shrimp powder;extrusion;puffing performance;mixed powder

2015-08-11

黄静(1991-)，女，硕士，研究方向：水产品加工与储藏,E-mail:jinghuang2CL@163.com。

陈舜胜(1956-)，男，博士，硕士生导师，研究方向：水产品加工与储藏，E-mail:sschen@edu.com。

国家自然科学基金(31471685)。

TS254.4

B

1002-0306(2016)05-0109-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.05.013