谷朊粉高水分擠壓組織化工藝參數優(yōu)化

張丙虎張 波魏益民寧更哲,2

(中國農業(yè)科學院農產品加工研究所農業(yè)部農產品加工與質量控制重點開放實驗室1,北京 100193)

(西北農林科技大學食品科學與工程學院2,楊凌 712100)

谷朊粉高水分擠壓組織化工藝參數優(yōu)化

張丙虎1張 波1魏益民1寧更哲1,2

(中國農業(yè)科學院農產品加工研究所農業(yè)部農產品加工與質量控制重點開放實驗室1,北京 100193)

(西北農林科技大學食品科學與工程學院2,楊凌 712100)

以谷朊粉為原料,通過正交設計,使用雙螺桿擠壓機,研究谷朊粉高水分擠壓組織化工藝。采用主成分分析方法,綜合評價谷朊粉擠壓組織化產品性狀,優(yōu)化谷朊粉擠壓組織化工藝。結果表明:采用主成分分析法可進行谷朊粉擠壓組織化產品質量的綜合評價。擠壓工藝參數對組織化產品綜合得分影響的程度從大到小依次為:螺桿轉速 >機筒溫度 >喂料速率 >物料含水率。優(yōu)化的谷朊粉擠壓組織化工藝參數為:螺桿轉速 160 r/min,物料含水率 45%,喂料速率 15 g/min,機筒溫度 170℃。

谷朊粉高水分擠壓正交試驗工藝優(yōu)化

擠壓組織化技術是重要的食品質構重組技術,植物蛋白高水分擠壓組織化是該技術發(fā)展的新興領域。優(yōu)化谷朊粉高水分擠壓組織化工藝,對于拓寬谷朊粉的應用領域,開發(fā)谷朊粉產品具有較大的意義[1-2]。

植物蛋白高水分擠壓組織化的研究包括工藝參數優(yōu)化、產品特性評價和擠壓機理探討等,其中對工藝參數優(yōu)化和產品評價的研究較多[3]。魏益民等[4]分別以脫脂大豆粕和脫脂花生粕為原料,綜合評價了擠壓組織化產品的特性,優(yōu)化了擠壓工藝參數。Lin等[5]研究了物料含水率 (60%～70%)和擠壓溫度(137.8～160℃)對高水分組織化大豆蛋白感官特性和產品質構的影響,結果顯示較高的物料含水率導致產品變軟;當物料含水率確定時,較高的擠壓溫度使產品咀嚼度變差。王洪武等[6]研究了工藝參數對脫脂大豆粉擠壓組織化產品特性的影響,認為水分含量在 38%～44%之間,螺桿轉速在 80～100 r/min之間,產品質量比較理想。

前人研究表明,植物蛋白擠壓組織化主要以大豆、花生蛋白為主,谷朊粉多作為輔料進行擠壓組織化。Yao等[7]將大豆分離蛋白、谷朊粉和小麥淀粉按照 6:4:0.5的比例混合作為擠壓原料,研究了高水分擠壓組織化產品纖維形成的程度。Lawton等[8]以谷朊粉為原料,添加一定比例(0～15%)的麥麩,研究了擠壓溫度(130～190℃)和物料含水率 (20%～29%)對擠壓產品容積密度和復水率等物理特性的影響。擠壓組織化產品評價指標眾多,可以采用主成分分析方法,把多個指標轉換為少數幾個綜合指標,對產品品質進行綜合評價分析[9]。

以谷朊粉為原料,采用正交試驗設計,通過主成分分析,綜合評價谷朊粉擠壓組織化產品特性,探討谷朊粉高水分擠壓組織化工藝。在高水分條件下,以產品特性為目標性狀,優(yōu)化谷朊粉高水分擠壓組織化工藝參數。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

谷朊粉,購于河南華盛面業(yè)有限公司,基本理化指標如表1所示。

表1 谷朊粉理化指標

1.2 試驗儀器與設備

DSE-25型雙螺桿擠壓實驗室工作站(DSE-25 Twin-Screw Extruder Lab-Station):德國布拉本德儀器公司,主要技術參數:螺桿直徑 25 mm,長徑比20:1,螺桿轉速 0～250 r/min,加熱區(qū) 5段。試驗采用模孔為 2×20 mm的方形模頭;TA-XT2i物性測定儀:英國 Stable Micro Systems公司;2300型自動凱氏定氮儀、2010型半自動纖維測定儀、Soxtec Avanti 2050型自動索氏脂肪測定儀:瑞典 Foss公司; BF51794C-1型馬福爐:美國 LindBerg/Blue M公司; DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱:上海精宏試驗設備有限公司;CR-400色度色差儀:日本Minolta公司。

1.3 試驗設計

參照魏益民等[4]對大豆、花生蛋白擠壓組織化工藝的研究,采用L9(34)正交方法來進行試驗設計。試驗因素為機筒溫度(Ⅲ區(qū)溫度)、物料含水率、喂料速率和螺桿轉速。因素水平如表 2所示。

1.4 谷朊粉擠壓組織化產品質量評價指標的測定

1.4.1 拉伸力

拉伸力測定樣品形狀如圖 1所示。采用質構儀測定,操作參數為:拉伸模式,探頭 A/TG,測試前速度0.5 mm/s,測試速度 0.5 mm/s,測試后速度 5.0 mm/s。

1.4.2 組織化度

參照李里特等[10]仿肉制品組織化程度的測定方法,將樣品裁成如圖 2所示形狀,采用質構儀測定。以橫向剪切力(垂直擠出方向)與縱向剪切力 (平行擠出方向)的比值表示產品的組織化度,其比值越大,產品的組織化度越高。操作參數為:壓縮模式,探頭A/CKB,測試前速度 1.0 mm/s,測試速度 1.0 mm/s,測試后速度 2.0 mm/s,下壓程度 75%。

1.4.3 硬度、彈性和咀嚼度

將樣品切成邊長為 1.5 cm的正方形,采用質構儀測定。質構儀的操作參數為:TPA模式,探頭 P/35,測試前速度 2.0 mm/s,測試速度 1.0 mm/s,測試后速度 2.0 mm/s,下壓程度 50%。

1.4.4 色差值△E

采用色度色差儀測定,采用 L3a3b3表色系測定。根據公式(1)計算色差值△E。

1.4.5 吸水率

10 g干燥后的樣品 (質量計為W1),60℃復水 2 h,排水 5 min,稱重 (質量計為W2)。根據公式 (2)計算吸水率。

1.5 擠壓組織化產品綜合評價方法

產品綜合評價采用主成分分析法,首先對原始數據進行標準化處理,計算產品指標的相關系數矩陣,計算相關系數矩陣的特征值、特征向量、各主成分的方差貢獻率及累計方差貢獻率,按主成分累計方差貢獻率大于85%的原則,選擇主成分個數,根據主成分的方差貢獻率確定主成分權重系數,不同處理樣品的主成分得分乘以相應權重系數,得到綜合得分[9]。

1.6 數據處理

采用 Microsoft Excel進行基本數據處理,采用DPS V7.55數據處理軟件進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 數據轉換

正交試驗不同處理產品特性數據如表 3所示。為了使主成分得分與產品評價相一致,進行主成分分析前,需要將產品特性數據根據期望值進行轉換。期望值是在消費者能夠接受的產品指標范圍內獲得的優(yōu)選值。在選取的性狀中,組織化度、吸水率和彈性數值越大越好,無需進行轉換;△E數值越小越好,按照公式(3)進行轉換;

而拉伸力、硬度和咀嚼度 3個性狀數值太大或太小,產品品質均不理想。參考大豆組織化蛋白產品評價標準以及對產品的感官評價結果,選擇拉伸力為 1 500 g,硬度為 7 000 g,咀嚼度為 5 000 g為 3個指標的期望值,按照公式 (4)進行數據換算 (Y代表優(yōu)化值)。轉換后的數據如表 4所示。

表3 正交試驗不同處理產品評價性狀數據

表4 正交試驗不同處理產品性狀數據轉化結果

2.2 主成分分析

對表 4中的數據進行主成分分析(表 5),結果顯示前3個特征根的累積方差貢獻率已經達到90.13%,因此,保留前3個主成分。根據前 3個主成分的方差貢獻率計算權重系數,不同處理樣品的主成分得分乘以相應權重系數,得到相應的綜合得分,如表 6所示。

表 5 相關矩陣的特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率

表 6 不同處理樣品的主成分得分值以及綜合得分

2.3 谷朊粉擠壓組織化工藝優(yōu)化

谷朊粉擠壓組織化正交試驗極差分析如表 7所示。從 9個處理中直觀地找出較優(yōu)處理組合為 4號和6號處理。由表7分析可知:影響產品綜合評價結果的因素主次順序為A>D>C>B,即螺桿轉速 >機筒溫度 >喂料速率 >物料含水率。得到優(yōu)化參數水平組合為 A2B2C1D3,即螺桿轉速 160 r/min,物料含水率 45%,喂料速率 15 g/min,機筒溫度 170℃。

表 7 谷朊粉擠壓組織化產品綜合評價極差分析結果

2.4 驗證試驗

驗證試驗得到產品的特性為:拉伸力 1 645.17 g,組織化度 1.265,吸水率 58%,△E 38.246,硬度8 297.64 g,彈性 1.199,咀嚼度 7 720.77 g,代入上述產品評價體系中重新進行綜合評價。獲得驗證試驗產品綜合得分為2.205 3,超過了 4號和 6號處理,證明擠壓工藝得到了優(yōu)化 (表 8)。說明利用主成分分析法綜合評價擠壓組織化產品是可行的。

表8 驗證試驗組合的綜合評分

3 結論

采用主成分分析法綜合評價谷朊粉高水分擠壓組織化產品特性,得到擠壓工藝參數對產品綜合得分影響程度從大到小依次為:螺桿轉速 >機筒溫度>喂料速率 >物料含水率。經優(yōu)化的谷朊粉擠壓組織化工藝參數為:螺桿轉速 160 r/min,物料含水率45%,喂料速率 15 g/min,機筒溫度 170℃。本試驗綜合評價結果表明,可以采用主成分分析法綜合評價谷朊粉高水分擠壓組織化產品特性,以優(yōu)化擠壓工藝參數。

[1]嚴忠軍,卞科,司建中.谷朊粉應用概述[J].中國糧油學報,2005,20,(5):16-20

[2]Akdogan H.High moisture food extrusion[J].International Journal of Food Science and Technology,1999,34:195-207

[3]孫照勇,陳鋒亮,張波,等.植物蛋白高水分擠壓組織化技術研究進展[J].農業(yè)工程學報,2009,25(3):308-312

[4]魏益民,康立寧,張汆.食品擠壓理論與技術:中卷 [M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2009:34-56,140-159

[5]Lin S,Huff H E,Hsieh F.Extrusion process parameters, sensory characteristics,and structural properties of a high moisture soy protein meat analog[J].Journal of Food Sci2 ence,2002,67(3):1066-1072

[6]王洪武,周建國,林炳鑒.雙螺桿擠壓機工藝參數對組織蛋白的影響[J].中國糧油學報,2001,16(2):54-58

[7]Yao G,Liu K S,Hsieh F.A new method for characterizing fiber for mation in meat analogs during high moisture extrusion [J].Journal of Food Science,2004,69(7):303-307

[8]Lawton J W,Davis A B,Behnke K C.High-temperature, short-ti me extrusion of wheat gluten and a bran-like frac2 tion[J].Cereal Chemistry,1985,62(4):267-271

[9]區(qū)靖祥,邱建德.多元數據的統計分析方法[M].北京:中國農業(yè)科學技術出版社,2002

[10]李里特.食品物性學 [M].北京:中國農業(yè)出版社,2001

ProcessingOptimization of High-Moisture Extrusion ofWheat Gluten

Zhang Binghu1Zhang Bo1Wei Yimin1Ning Gengzhe1,2
(Institute ofAgro-Food Science and Technology,CAAS,KeyLaboratory ofAgricultural Product Processing and Quality Control,Ministry ofAgriculture1,Beijing 100193)
(College of Food Science and Engineering,Northwest Sci-Tech University ofAgriculture and Forestry2,Yangling 712100)

To optimize the high-moisture extrusion of wheat gluten,orthogonal tests were carried out,and principal component analysis was used to get comprehensive evaluation and integrated scores of the extruded prod2 ucts.Results:The impact order of extrusion processing parameters on the integrated scores of extruded products is screw speed>barrel temperature>feeding rate>materialmoisture.The optimum extrusion processing parameters are screw speed 160 r/min,materialmoisture 45%,feed rate 15 g/min,and barrel temperature 170℃.

wheat gluten,high-moisture extrusion,orthogonal test,processing optimization

TS201.1 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)06-0090-04

小麥產業(yè)技術體系建設專項(nycytx-03),公益性行業(yè)科研專項(200903043),江蘇省科技成果轉化專項資金(BA2009105)

2009-07-24

張丙虎,男,1986年出生,碩士,農產品加工及貯藏工程

魏益民,男,1957年出生,教授,博士生導師,農產品加工及食品安全