挤压膨化对大豆浓缩蛋白物理特性和蛋白组分的影响

■ 林华杏 覃笛根 陈 强 孟晓雪 郑煜东 谭北平 迟淑艳

（广东海洋大学，水产动物营养与饲料实验室，广东湛江 524025）

随着我国水产养殖行业的快速发展和高度集约化，饲料工业对蛋白质饲料的需求日益增加。鱼粉在原料的资源量和价格方面已经对产业的健康发展产生了不利影响[1]，而非鱼粉蛋白源在营养品质和饲料加工工艺的角度上又带来了新的挑战。大豆蛋白源因具有蛋白质含量高、营养组成平衡、价格合理和供应稳定等特点，已广泛应用于水产饲料行业[2]。2020年中国大豆产量为1 960 万吨，仅次于美国、巴西、阿根廷，居世界第四位[3]。

大豆浓缩蛋白是以脱脂豆粕为原料，去除大豆糖蜜等非蛋白成分后，蛋白质含量达到65%以上[4]，高于国产鱼粉和部分进口鱼粉。大豆浓缩蛋白品质主要包括营养品质和加工品质，与大豆中蛋白质含量以及各组分的含量和比例密切相关。大豆浓缩蛋白中的蛋白质组分依据溶解性的不同分为4 类：溶于水的清蛋白、溶于稀盐的球蛋白、溶于稀碱的谷蛋白和溶于乙醇的醇溶蛋白[5]。清蛋白和球蛋白具有生理活性，可调控机体发育的多种代谢活动，主要影响原料的营养品质[6]。醇溶蛋白和谷蛋白称为贮藏蛋白或面筋蛋白，主要影响原料的加工品质。醇溶蛋白富有黏性、延展性和膨胀性；醇溶蛋白和谷蛋白的含量与组成决定蛋白质加工质量，在面团流变学特性等加工品质中发挥重要作用[7-8]。

挤压膨化技术使原料发生一系列的化学反应，如淀粉熟化、蛋白质受热分解变性等[9]，现已广泛应用于食品、饲料等加工领域，可改善饲料适口性和提高养分消化率，显著促进动物的生长性能[10-12]。在水产饲料中，蛋白质的黏性、弹性及吸水性等特征与水产膨化饲料的稳定性有着十分密切的联系[13]。研究表明，挤压膨化处理引起大豆蛋白结构变化，影响饲料溶解性和吸水性[14]。饲料生产过程中可能会对饲料进行多次膨化，然而，一次膨化与二次膨化对饲料质量的影响是有差异的[15]。本研究以大豆浓缩蛋白为唯一蛋白源，分析挤压膨化工艺对其蛋白质组分和膨化颗粒品质的影响，为蛋白质原料在挤压膨化加工过程的变化提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 饲料

大豆浓缩蛋白（含粗蛋白66.83%）中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白及谷蛋白含量见图1。本试验所用饲料配方（表1）中含大豆浓缩蛋白（湛江市海宝饲料有限公司）70%，小麦淀粉（南海穗扬食品原料有限公司）28%，磷脂（湛江市粤海饲料有限公司）2%。按配方称量，过60 目筛，置于混合机中（江苏驰通机械制造有限公司，型号为VH-6）混匀，加入已称量好的磷脂，装入混合机中二次混合（天津联恒工业有限公司，型号为B20-G），并缓慢加水（饲料质量的25%～30%）。将混合均匀的物料装入膨化机（北京现代洋工机械科技发展有限公司，型号为TSE65S），模孔直径为4 mm，制成颗粒状，完成一次膨化。将制好的颗粒分出50%，再次倒入膨化机，进行第二次膨化制粒。两次制得的颗粒饲料在室温风干，用密封袋密封，于-20 ℃储存。

表1 饲料组成

图1 大豆浓缩蛋白各蛋白类型的含量

膨化机运行参数：主机30 Hz，主机温度39.8 ℃，切刀转速1 080 r/min，油泵温度39.8 ℃。

1.2 试剂

总蛋白含量测定试剂盒（南京建成生物工程研究所有限公司）；配制5%氯化钠溶液（氯化钠分析纯购自国药集团化学试剂有限公司），70%乙醇（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）溶液，0.2%氢氧化钠（分析纯，光华科技股份有限公司）溶液。

1.3 测试方法

1.3.1 各蛋白类型含量检测

将制成配合饲料的饲料颗粒，随机取一定量，通过破碎机（温岭市林大机械有限公司，DFY-500C）进行低速破碎，收集粉末。分别对大豆浓缩蛋白原料和配合饲料进行蛋白类型含量检测。

1.3.1.1 清蛋白含量

称取0.1 g 饲料粉末于1.5 mL 离心管中，加1 mL纯化水，于摇床上振荡提取2 h，然后在10 000 r/min条件下离心10 min，将上清液倾入10 mL 刻度试管中，重复提取3次，最后合并提取液。

1.3.1.2 球蛋白含量

在提取过清蛋白的原料粉沉淀中加1 mL 5%氯化钠溶液以提取球蛋白，其提取及测定过程与上述清蛋白含量测定方法相同。

1.3.1.3 醇溶蛋白含量

在提取过球蛋白的原料粉沉淀中加1 mL 70%乙醇溶液，其提取及测定过程与上述清蛋白含量测定方法相同。

1.3.1.4 谷蛋白含量

在提取过醇溶蛋白的米粉沉淀中加1 mL 0.2%氢氧化钠溶液，于摇床上振荡提取2 h，然后在12 000 r/min条件下离心10 min，将上清液倾入50 mL 容量瓶中，重复提取3次，合并提取液。

各提取液的蛋白质含量测定均严格按照试剂盒（南京建成生物工程研究所有限公司）说明书进行操作。上述各组分蛋白质含量的测定，每样品均重复3次。

1.3.2 膨化颗粒料容重

在1 L 量筒中倒满颗粒饲料，将其超出量筒上边缘的颗粒用直尺削平，体积记作V。在装入饲料颗粒时，避免在量筒内出现较大空隙，然后称量量筒内所装饲料质量（m），计算容重。

容重（g/m3）=量筒内饲料的质量/量筒内饲料的体积

1.3.3 膨化颗粒料软化时间

在烧杯中添加水，数30 粒饲料颗粒投入水中，计时。试验期间不间断地用镊子随机取出颗粒进行观察，直至取出的颗粒横截面全部被水浸润，可以用手指捏碎且无“硬芯”，以80%的饲料软化透心为计时终点。

1.3.4 颗粒径向膨化率

每份样品随机取20 粒，用游标卡尺测量其直径，取其平均值作为样品直径，膨化样品的横切面直径与模孔直径之比，计算径向膨化率。

样品的径向膨化率=样品的横切面直径（mm）/模孔直径（mm）

1.3.5 膨化颗粒料吸水性

称取饲料粉末0.50 g，放入离心管中，称重W1，加入5 mL 纯化水，混匀，静置40 min 后，4 500 r/min 离心15 min，去除上清液，称量W2，计算吸水性。

吸水性（g/g）=（W2-W1）/0.50

式中：W1——样品和离心管的质量（g）；

W2——去除水分后的样品和离心管总质量（g）。

1.3.6 膨化颗粒料溶解度的测定

称取饲料粉末2.00 g（m1），加入20 mL 50 ℃纯化水，于50 ℃水浴搅拌30 min，3 000 r/min离心10 min。吸取2 mL 上清液于已恒重的称量瓶中，(105±2) ℃干燥至恒重，称得溶解物质量（m2），计算溶解度。

溶解度（%）=[（10×m2）/m1]×100

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 18.0 进行方差分析。数据以“平均值±标准差”表示。以P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 膨化次数对饲料蛋白组成的影响

如图2 所示，二次膨化对饲料的蛋白组成影响较显著。其中，二次膨化中饲料的醇溶蛋白、清蛋白和谷蛋白含量均显著低于一次膨化（P＜0.05）。醇溶蛋白含量下降了73.85%，清蛋白含量下降了14.18%，谷蛋白含量下降了9.03%。二次膨化的饲料球蛋白含量与一次膨化的饲料球蛋白含量无显著差异（P＞0.05）。

图2 大豆浓缩蛋白饲料一次膨化和二次膨化各类型蛋白含量

2.2 膨化次数对饲料相关物理特性的影响

由表2 可知，膨化次数对饲料的径向膨化率和溶解度均有显著影响（P＜0.05）。二次膨化的饲料径向膨化率显著低于一次膨化（P＜0.05）。然而，二次膨化的饲料溶解度显著高于一次膨化的饲料溶解度（P＜0.05）。饲料的容重、软化时间和吸水性均无显著差异（P＞0.05）。二次膨化的饲料容重和吸水性高于一次膨化。二次膨化的饲料软化时间低于一次膨化。

表2 饲料一次膨化和二次膨化相关指标

2.3 一次膨化饲料物理特性与蛋白质类型的相关性

由表3 可知，在一次膨化饲料中，吸水性与醇溶蛋白呈极显著负相关（P＜0.01）。径向膨化率与清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白呈正相关，与谷蛋白呈负相关。其中，径向膨化率与蛋白质类型的相关性大小为：球蛋白＞醇溶蛋白＞清蛋白＞谷蛋白。溶解度与谷蛋白呈正相关，与其他蛋白呈负相关。

表3 一次膨化饲料物理特性与蛋白质类型的相关性

3 讨论

蛋白质是生命活动的基础性物质，几乎参与了所有的生命活动，作为机体的重要组成部分，蛋白质在营养结构、饮食结构中占据重要地位[16]。高温一般会引起蛋白质组分的明显变化。挤压膨化技术是一种现代的饲料加工方法，经过高温、高压、高剪切力等综合处理后的饲料原料[17]。大豆蛋白在高温、高压和高剪切的作用下，维持蛋白质结构的化学键发生一系列变化[14]。研究表明，高温高湿条件容易改变清蛋白和球蛋白的结构稳定性，从而使清蛋白和球蛋白的物理性质发生改变，使清蛋白和球蛋白含量的下降[18]。本研究也得到相似的结论，高温和高压的挤压膨化条件下，清蛋白含量显著下降。研究表明，挤压过程中的热效应和剪切效应使蛋白质发生变性，分子内部疏水基团暴露[19]。球蛋白因其内部的二硫键和疏水作用维持十分紧实的折叠结构，且所含有的碱性亚基表面具有大量的疏水基团，易发生自聚集[20]。此外，马梦瑶等[21]研究发现，延长加热时间，谷蛋白和醇溶蛋白结构出现严重断裂，不能形成连续的网状结构。在本试验中，醇溶蛋白和谷蛋白含量也显著下降，可能是较高的湿热处理造成蛋白质表面张力变大，形成凹陷甚至破裂的不规则表面，这说明热处理会破坏蛋白质完整的网状结构，并且随着湿热处理时间的增长，蛋白质的结构会被进一步破坏，影响饲料的品质[22]。因此，在本试验条件下，一次膨化比二次膨化更能保存大豆浓缩蛋白中蛋白质组成含量。

溶解度主要反映淀粉颗粒的降解程度，溶解度间接表示了样品中可溶解性营养素含量的多少以及样品在水中的溶解性能；吸水性能够表明淀粉的吸水能力，这两个指标可用于衡量粉体的冲调特性和稳定性[23-24]。挤压膨化对糙米粉溶解度与吸水性的影响表明挤压膨化能显著提高挤出物的水溶性与复水性[25-27]。本试验中，二次膨化后也得到类似的结果。这一变化结果可能有两方面的原因：一方面，湿物料在高温、高压、高剪切力的作用下，淀粉充分糊化，大分子物质（如淀粉、蛋白质、粗纤维等）断裂成小分子物质，可溶性物质进一步增加；另一方面，多次挤压膨化会加大破坏淀粉的晶体结构，从而使挤出物具有较高的吸水性[28]；并且，原本含水量较低的饲料经过二次膨化，水分随高温蒸发，制成的饲料更易吸水。因此，一次膨化比二次膨化更稳定。此外，研究表明谷物类品质性状与谷蛋白/醇溶蛋白比值呈显著相关[29]。随谷蛋白含量增加，稳定时间都有明显增加；醇溶蛋白高于谷蛋白含量，其稳定时间短。赵乃新等[30]研究表明，小麦品质性状与麦谷蛋白/醇溶蛋白比值显著相关，随麦谷蛋白含量的增加，稳定时间有明显延长。梁荣奇等[31]指出，总蛋白含量相当时，随着醇溶蛋白含量降低，谷蛋白含量增加，小麦稳定时间延长。在本试验中，进一步分析一次膨化的吸水性和溶解度与大豆浓缩蛋白类型的相关性，发现吸水性与醇溶蛋白含量呈极显著负相关；而溶解度与谷蛋白呈正相关。因此，在一次膨化中，原料谷蛋白/醇溶蛋白比值对膨化料的稳定性具有重要作用。

膨化率直接影响膨化产品的质地和口感，是衡量挤压膨化产品质量的一个重要指标[32]，径向膨化率是衡量膨化度的重要指标[33]。水是谷物的主要软化剂，可使物料在挤出过程中发生玻璃化转变，因而使物料易于变形和膨胀[34]。在本试验中，第二次的挤压膨化过程中，没有再添加水，第一次的径向膨化率显著高于第二次。此外，研究表明，植物性蛋白具有较高的吸水性（亲水性），会使熔融物料具有更高的表观黏度，增强了水与微颗粒之间的结合强度，从而降低了模头处熔体过热时的膨胀效果[35]。因此，二次膨化过程中，由于自身含水量少和吸水的特性，导致配合饲料膨化率显著下降。此外，大量研究表明，膨化率与饲料淀粉含量有关，淀粉含量的增加，挤压产品的体积膨化率增大[36-37]。目前，膨化率与原料蛋白质类型之间关系的研究极少。本试验进行径向膨化率与大豆浓缩蛋白类型相关性分析，发现与其他蛋白相比，膨化率与球蛋白相关性高，两者之间的关系仍需进一步研究。

容重表示膨化饲料在一定容积内的质量，是饲料膨化质量的综合标志。研究发现，在水分含量从24%上升至32%过程中，容重呈持续上升趋势[38]。这与Singh 等[39]获得的挤压膨化豌豆蛋白的研究结果一致。然而在本研究中，二次膨化的容重比一次膨化大。原因可能是在第一次膨化过程中，饲料含水量高，膨化效果好，膨化率高，饲料颗粒中气孔数量多，则颗粒容重越低[40]。

饲料软化时间是表示饲料在水体中维持颗粒一定形态的时间，间接反映饲料在水体中的稳定性。王昊等[38]研究挤压膨化工艺参数对全植物蛋白配方的水产饲料颗粒质量的影响时发现，含水量充足时饲料的膨化率显著升高，耐水性随之显著升高，软化时间也相应地延长。本研究也得到类似的结论。在第一次膨化过程中，充足的含水量能够促进原料微颗粒之间的均匀混合与相互交联，使成型后颗粒经过长时间浸泡后更具有黏弹性，而不易溃散。因此，在本试验条件下，膨化一次能够更好地延长膨化饲料的软化时间。

4 结论

在本试验条件下，以大豆浓缩蛋白作为配合饲料的主要蛋白原料，一次膨化比二次膨化效果好。一次膨化能较好地保存饲料中的蛋白组成含量，具有较高的膨化率，提高在水体中的稳定性。