擠壓膨化對豆渣復配粉中膳食纖維的影響

孫冰玉,李鑫宇,張 光,王尚杰,石彥國

(哈爾濱商業大學食品工程學院,黑龍江省普通高等學校 食品科學與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

大豆是我國重要的糧食作物,其加工制作中會產生大量的豆渣。豆渣是一種營養極為豐富的食物資源,包括蛋白質、脂肪、膳食纖維、礦物質以及低聚糖等營養素[1],其中膳食纖維含量豐富,對人體的消化和排泄有著重要的促進作用,而且膳食纖維低糖、低脂、低熱,是一種理想的“三低一高”營養食物[2],而豆渣中幾乎都為不可溶性膳食纖維,不易被人體吸收利用。并且由于豆渣易腐爛、具有極大的豆腥味和不良的口感等缺點,常被應用于動物飼料或直接丟棄,因此造成一定的資源浪費[3]。

擠壓膨化是一種高溫、高壓、高剪切短時加工技術,廣泛應用于膳食纖維加工改性行業[4]。Jing等[5]應用擠壓膨化技術處理豆渣,提升豆渣中可溶性膳食含量,且擠壓后豆渣中的膳食纖維比未擠壓豆渣具有更高的持水性、持油性、膨脹性。Chen等[6]研究爆破擠壓加工對豆渣中可溶性膳食纖維的影響,分析出最優擠壓條件,擠壓產物中膳食纖維含量從2.6%增加到30.1%,峰值溫度提升了5.9 ℃。王瑞霞等[7]將原料中的面粉用豆渣進行替換,豆渣替代比例為13%時,可制得感官良好的豆渣纖維餅干。黃益前等[8]對豆渣纖維餅干的工藝進行了優化,將豆渣添加量提升到17%,產品不僅口感松脆,還具有濃厚的豆香味。目前關于擠壓膨化過程中膳食纖維的變化機理性研究甚少。

本實驗將低筋粉與豆渣復配后,通過擠壓膨化技術進行改性處理[7],確定最優擠壓膨化工藝參數,并對擠壓膨化產物進行理化指標測定,從官能團種類、粒度、熱穩定性對其性質變化機理進行分析闡述,以期使豆渣中不可溶性膳食纖維轉化為可溶性膳食纖維,提高其營養價值,為豆渣的高值化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豆渣 實驗室自制(大豆來自黑龍江北大荒集團)[9],其基本組分經測定得出:水分含量5.08%,蛋白質含量13.31%,脂肪含量17.54%,灰分含量4.84%,總膳食纖維含量51.44%;低筋粉 江蘇江南上一道科技股份有限公司(其營養成分由廠家標注:蛋白質含量9.3%,脂肪含量1.4%,碳水化合物含量82.0%);大豆油 九三糧油工業集團有限公司;0.05 mol/L MES-TRIS緩沖液、冰乙酸 分析純,天津市天力化學試劑有限公司;熱穩定α-淀粉酶(10000±1000 U/mL) 阿拉丁試劑;蛋白酶(300～400 U/mL) 北京博奧拓達科技有限公司;無水乙醇 化學純,天津市大茂化學試劑廠;氫氧化鈉 分析純,天津市凱通化學試劑有限公司;蒸餾水 哈爾濱哈三電蒸餾水經銷處。

DSE-25雙螺桿擠壓膨化機 德國布拉本德公司;FW177高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;DHP-9162電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;HH-ZK4水浴恒溫振蕩器 北京恒奧德科技有限公司;AE523電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司;Spectrum Two FT-IR Spectrometer傅立葉紅外光譜儀、DSC4000差示量熱掃描儀 珀金埃爾默股份有限公司;Nano Zetasizer 90粒度儀 馬爾文儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 技術路線 新鮮豆渣→干燥、粉碎→復配、調配水分→擠壓膨化→粉碎→測定

操作要點:將新鮮豆渣薄鋪于烹調紙上,置于電熱鼓風干燥箱內,于80 ℃條件下烘干3 h[10]。將豆渣粉碎后與低筋粉混合均勻后調配水分進行擠壓膨化處理。擠壓膨化產物粉碎后過80目篩,對可溶性膳食纖維含量及其理化性質進行測定。

1.2.2 擠壓膨化單因素實驗 復配粉中低筋粉含量為70%、豆渣替代量為30%[11-12],調配水分后進行擠壓處理。

螺桿轉速150 r/min和擠壓溫度170 ℃,設定物料水分為24%、26%、28%、30%、32%;物料水分28%和螺桿轉速150 r/min,設定擠壓溫度為150、160、170、180、190 ℃;物料水分28%和擠壓溫度170 ℃,設定螺桿轉速為130、140、150、160、170 r/min。以可溶性膳食纖維含量為指標,得到擠壓膨化條件的最優單因素條件。

1.2.3 響應面擠壓條件優化試驗 根據前期單因素實驗結果,設置物料水分水平在28%～32%,擠壓溫度水平在170～190 ℃,螺桿轉速水平在150～170 r/min,響應面試驗因素水平見表1,以可溶性膳食纖維含量為指標,對擠壓條件進行優化,采用Design-Expert 8.0.5軟件進行響應面試驗設計和數據分析。

表1 響應面試驗因素水平和編碼Table 1 Response surface test factor level and coding

1.2.4 可溶性膳食纖維含量的測定(soluble dietary fiber,SDF) 參照《GB 5009.88-2014 食品安全國家標準食品中膳食纖維》進行測定。

1.2.5 水分含量的測定 參照《GB 5009.3-2016 食品安全國家標準食品中水分的測定》進行測定。

1.2.6 蛋白質含量的測定 參照《GB 5009.5-2016 食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》。

1.2.7 脂肪含量的測定 參照《GB 5009.6-2016 食品安全國家標準食品中脂肪的測定》。

1.2.8 灰分含量的測定 參照《GB 5009.4-2016 食品安全國家標準食品中灰分的測定》。

1.2.9 持水性的測定 準確稱取250 mg樣品于50 mL離心管中,加入15 mL蒸餾水,將樣品攪拌均勻后于室溫下放置1 h,3000 r/min離心20 min,棄去上清液,稱量樣品濕重[13-14]。

1.2.10 持油性的測定 準確稱取1.500 g樣品于50 mL離心管中,加入20 mL大豆油,將樣品攪拌均勻后于室溫下放置1 h,4000 r/min離心20 min,棄去上層的大豆油,稱量樣品濕重[13-14]。

1.2.11 傅立葉紅外光譜測定 將復配粉粉碎后干燥2 h,使用瑪瑙研缽研磨至200目,通過傅立葉紅外光譜儀ATR法進行測定。實驗條件為400～4000 cm-1波長,8 cm-1分辨率和64次掃描[15-16]。

1.2.12 差示量熱掃描(Differential Scanning Calorimeter,DSC) 將復配粉水分含量干燥至5%以下,稱取樣品3～5 mg,加入DSC坩堝內,放入壓樣機中壓蓋。DSC測定條件:起始溫度20 ℃,終止溫度200 ℃,升溫速度10 ℃/min,重復測定3次,分析熱變化規律[17]。

1.2.13 粒度測定 準確稱取10 mg復配粉于15 mL離心管中,加入10 mL蒸餾水,將樣品混勻后8000 r/min離心20 min,過0.45 μm濾膜[18],使用粒度儀對其進行粒徑的測定。

1.3 數據處理

所有實驗均設定為三次平行實驗,采用Design-Expert 8.0.5統計分析軟件對實驗數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 物料水分對擠壓膨化豆渣可溶性膳食纖維含量的影響

由實驗結果(圖1)可知,隨著物料水分從24%升高到32%的過程中,可溶性膳食纖維含量先增后減,當物料水分為30%時可溶性膳食纖維的含量最高。物料水分會影響物料的輸送特性,同時也會影響擠壓過程中剪切力、壓力和摩擦力的大小。隨著物料水分含量不斷升高,使剪切力增大,有利于不可溶性膳食纖維解聚,使其向可溶性膳食纖維轉化[17],從而使可溶性膳食纖維含量升高;當物料水分過高(超過30%)時,減小了剪切力,導致纖維素的解聚受到影響[5,19],物料中可溶性膳食纖維含量減少。

圖1 物料水分對擠壓膨化豆渣可溶性膳食纖維含量的影響Fig.1 Effect of material moisture on the content of soluble dietary fiber in extrusion soybean dregs

2.2 擠壓溫度對擠壓膨化豆渣可溶性膳食纖維含量的影響

由實驗結果(圖2)可知,隨著擠壓溫度從150 ℃升高到190 ℃的過程中,可溶性膳食纖維含量先增加后減少,當擠壓溫度為180 ℃時可溶性膳食纖維的含量最高。這是因為在擠壓過程中,由于溫度的急劇升高,以及受到強烈的剪切和擠壓作用,會使物料的多糖糖苷鍵加速解聚,C-O鍵和C-C鍵斷裂,產生一些較低分子質量的化合物[20],從而提高了可溶性膳食纖維的含量,但溫度過高時,會導致物料在機筒內焦糊、結塊、膨脹不均勻[5,17],不利于后續工藝完成,因此選用180 ℃為最高擠壓溫度。

圖2 擠壓溫度對擠壓膨化豆渣中 可溶性膳食纖維含量的影響Fig.2 Effect of extrusion temperature on the content of soluble dietary fiber in extrusion soybean dregs

2.3 螺桿轉速對擠壓膨化豆渣可溶性膳食纖維含量的影響

由實驗結果(圖3)可知,隨著螺桿轉速升高到170 r/min的過程中,可溶性膳食纖維含量先增后減,當螺桿轉速為160 r/min時可溶性膳食纖維的含量最高。隨著螺桿轉速的增加,剪切力越大,越有利于纖維素的降解,但當螺桿轉速過快時,會使物料在擠壓機筒中的停滯時間過短,不易在機筒內形成有效的堆積,使機筒內壓力下降,降低了擠壓過程發揮的作用[5,17],因此當螺桿轉速高于160 r/min時可溶性膳食纖維含量下降。

圖3 螺桿轉速對擠壓膨化豆渣中 可溶性膳食纖維含量的影響Fig.3 Effect of screw speed on the content of soluble dietary fiber in extrusion soybean dregs

2.4 響應面優化實驗結果與分析

響應面優化實驗結果試驗設計及結果及方差分析見表2、表3。

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Regression model variance analysis table

注:*表示差異顯著,P<0.05,**表示差異極顯著,P<0.01。

表2 擠壓膨化條件優化實驗結果Table 2 Experimental results of optimization of extursion conditions

利用Design-Expert 8.0.5軟件對數據進行分析，并進行二次線性回歸擬合,得到數學模型:纖維含量=15.49-0.37A-0.27B+0.12C-0.55AB+0.22AC-0.35BC-1.20A2-0.77B2-1.53C2。由表3可知,在該模型中,模型項F值為283.78,建立的二次項模型具有極顯著性(P<0.01),回歸模型系數的顯著性檢驗結果R2為0.9973,說明此模型與數據擬合度很高。方差分析中失擬項P值為0.1085>0.05,因此證明該模型可以充分地解釋響應中的變異,模型擬合度很高,試驗誤差小。

由表3可知,在一次項中A(物料水分)、B(擠壓溫度)對可溶性膳食纖維含量變化差異極顯著(P<0.01),C(螺桿轉速)對可溶性膳食纖維含量變化顯著(P<0.05),在二次項中A、B和C對可溶性膳食纖維含量變化表現為差異極顯著(P<0.01),表明物料水分、擠壓溫度和螺桿轉速之間的相互作用對可溶性膳食纖維含量有一定影響,交互作用極顯著(P<0.01)。由F檢驗結果的顯著性分析可知,各因素對反應的貢獻率,對可溶性膳食纖維含量變化影響顯著性由大到小依次為A>B>C,即物料水分>擠壓溫度>螺桿轉速。物料水分、擠壓溫度、螺桿轉速及其交互作用對響應值的影響如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可以看出,隨著各因素水平的升高,物料中可溶性膳食纖維的含量先增加后減少。從等高線圖可以看出,其中物料水分與擠壓溫度溫度、螺桿轉速與擠壓溫度的交互作用最強,等高線均為橢圓形且曲線密集;而物料水分與螺桿轉速的交互作用最弱,等高線偏圓形且曲線稀疏。從響應面圖可以看出,螺桿轉速與擠壓溫度、物料水分與擠壓溫度的響應面坡度陡峭,說明兩種交互作用對響應值的影響顯著;物料水分與螺桿轉速響應面坡度平緩,說明交互作用較弱。通過等高線圖與響應面圖再次驗證了各因素的交互作用對可溶性膳食纖維含量影響的主次順序,與表3中顯著性檢驗結果一致。

根據Design-Expert 8.0.5軟件對試驗結果進行優化分析[18],確定最優擠壓膨化參數為物料水分29.76%、擠壓溫度178.57 ℃、螺桿轉速160.47 r/min,預測的擠壓膨化復配粉可溶性膳食纖維的含量為15.49%。為檢驗響應面法所得結果的可靠性,采用上述優化條件進行重復實驗,根據實際生產條件,將擠壓膨化參數修約為:物料水分30%、擠壓溫度180 ℃、螺桿轉速160 r/min,每個樣品取3次平行進行測定,測得擠壓膨化復配粉可溶性膳食纖維的含量平均值為15.47%,與理論預測值相比其相對誤差約為0.08%,明了該模型合理有效。

2.5 擠壓膨化對物料成分含量的影響

由表4可知,復配粉經擠壓膨化后,其水分含量略有降低,蛋白質和脂肪含量基本不變,可溶性膳食纖維含量提高,說明擠壓膨化使復配粉中不可溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉化。

圖4 物料水分和擠壓溫度對可溶性膳食纖維含量影響的等高線與響應面圖Fig.4 Contour and response surface diagrams of the influence of material moisture and extrusion temperature on soluble dietary fiber contents

圖5 物料水分和螺桿轉速對可溶性膳食纖維含量影響的等高線與響應面圖Fig.5 Contour and response surface diagrams of the influence of material moisture and screw speed on soluble dietary fiber contents

圖6 擠壓溫度和螺桿轉速對可溶性膳食纖維含量影響的等高線與響應面圖Fig.6 Contour and response surface diagrams of the influence of extrusion temperature and screw speed on soluble dietary fiber contents

表4 復配粉擠壓膨化前后成分含量測定(%)Table 4 Determination of components before and after extrusion of combination(%)

2.6 擠壓膨化對復配粉持水性與持油性的影響

對復配粉擠壓膨化前后的持水性與持油性進行測定,經測定,擠壓膨化后復配粉的持水性由(3.45±0.33) g/g提升至(4.86±0.28) g/g;復配粉的持油性由(2.27±0.24) g/g提升至(4.85±0.27) g/g。

復配粉經過擠壓膨化處理后持水性提升較大,主要原因為擠壓過程中的高溫、高壓和較強的剪切力使得復配粉中的纖維素發生裂解,可溶性物質數量增多,增加了物料表面積,不可溶性膳食纖維轉變為可溶性膳食纖維,同時使復配粉的結構更加疏松,增加了復配粉的吸附能力,使其與水具有更好的結合性;持油性的提升則由于在擠壓膨化過程中,高分子物質化學鍵的裂解,引起分子極性發生變化,同時高壓破壞了物料的外部狀態和內部的分子結構,形成多孔結構,提升其持油力[21-22]。

2.7 傅立葉紅外光譜分析

將擠壓前后復配粉中可溶性膳食纖維進行提取并進行傅立葉紅外光譜測定,如圖7所示。

圖7 擠壓膨化前后可溶性膳食纖維傅立葉紅外光譜圖Fig.7 Fourier infrared spectrum of soluble dietary fiber before and after extrusion

通過傅立葉紅外光譜方法鑒定可溶性膳食纖維的有機官能團。光譜中,觀察到擠壓前后吸收峰強度有明顯變化,擠壓后吸收峰強度增大,具有顯著的纖維素類多糖特征吸收峰[23]。紅外光譜在3300 cm-1處的-OH鍵伸縮和2930 cm-1處的多糖亞甲基拉伸的-CH基團,證實了纖維素和半纖維素的存在[24]。3300 cm-1處顯示出寬的拉伸強烈特征峰,這歸因于O-H的伸縮振動,表明分子中更強的氫鍵相互作用,說明在擠壓過程中多糖糖苷鍵斷裂,生成的游離-OH數增多,長鏈變成短鏈,形成氫鍵,半纖維素含量增多[25]。2800～3200 cm-1附近的峰是由于糖類甲基和亞甲基的C-H鍵伸縮振動,2930 cm-1處的峰為C-H伸縮振動的寬峰覆蓋。1620 cm-1附近的吸收峰為羰基的C=O鍵的特征性吸收峰,代表了纖維素中糖醛酸的存在[26]。1400 cm-1處的峰為O-H的變形振動,該物質可能是碳水化合物[27]。1000～1300 cm-1處的峰指定為脂類C-O伸縮振動,其可以是糖環的C-O-H和C-O-C,或伯醇的混合振動,1000 cm-1附近為半纖維素光譜,主要為木聚糖分子的振動特征,擠壓膨化后1016 cm-1處峰強度的增加,表明不可溶性膳食纖維分解為低聚糖[28],證實了不可溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維的轉化過程。580 cm-1處的出現的新峰為β-吡喃糖C-H變角振動的特征吸收峰,表明纖維素降解為可溶性的吡喃糖[26],從而提升了物料的水合能力。采用紅外光譜對擠壓前后的膳食纖維進行表征,結果表明膳食纖維具有多糖的典型吸收作用[28]。

2.8 差示量熱掃描

對擠壓前后復配粉進行DSC測定,結果見圖8。

圖8 復配粉擠壓膨化前后DSC結果Fig.8 DSC results before and after extrusion of combination

從圖8中可以看出,復配粉擠壓膨化前后DSC曲線趨勢基本一致。隨著溫度的增加,曲線出現吸熱峰,此時物料進入熔融狀態。擠壓膨化前復配粉吸熱峰溫度為118.86 ℃,擠壓膨化后復配粉吸熱峰溫度提升至146.16 ℃,這是由于物料在擠壓膨化過程中,長鏈纖維裂解為短鏈纖維,形成緊密有序的結構,生成更多的化學鍵,使物料化學能增加[6],說明擠壓膨化后復配粉需要消耗更多的能量才會達到熔融狀態,因此,吸熱峰溫度上升。

2.9 粒度分析

復配粉經相同處理粉碎過篩后,其宏觀顆粒大小粒徑大小近乎一致,對其物理性質影響較小。粒度測定中,使復配粉中的可溶性膳食纖維溶于水,通過光衍射原理對溶于水中的可溶性膳食纖維微觀結構的納米級粒度進行測定[18],對測定結果進行分析。

如圖9所示,物料經擠壓膨化后,粒度由160.8 μm減小至146.2 μm。這是由于在擠壓膨化的作用下,不可溶性纖維轉化為可溶性膳食纖維,物料中發生熔融現象,糖苷鍵裂解,生成了粒度更小的可溶性膳食纖維[18,29],由此也驗證了本實驗豆渣復配粉經擠壓膨化后持水能力增加的結果。

圖9 復配粉擠壓膨化前后粒度測定Fig.9 Grain size measurement before and after extrusion of combination

3 結論

本研究以豆渣為主要原料進行擠壓膨化處理,經響應面法對工藝參數進行優化后,實驗模型擬合度較好,確定最終擠壓膨化參數為物料水分30%、擠壓溫度180 ℃、螺桿轉速160 r/min,此時物料中可溶性膳食纖維含量達到最高值15.47%。通過傅立葉紅外光譜、粒度儀等分析可發現擠壓膨化處理使不可溶性膳食纖維裂解為粒度更小的小分子多糖以及可溶性多糖,從而轉化為可溶性膳食纖維。本研究為豆渣應用開拓了新途徑。