张东亮，何媛媛，李宏军
（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 ２５５０４９）
摘要：挤压膨化技术用于酱油生产过程中可以起到变性蛋白质、糊化淀粉及杀菌的作用，与传统的蒸煮法相比可以提高蛋白质消化率和氨基酸生成率。以蛋白质氮溶解指数（ＮＳＩ）为主要考察指标，选择面粉比例、混合物料含水率、套筒温度、模孔孔径和螺杆转速５个试验因素，运用５因素５水平二次旋转正交进行试验设计，经分析得出豆粕和面粉混合物的最佳挤压工艺参数为：面粉比例为１３．６％～１３．８％；物料含水率为２５．３％～２５．５％；套筒温度为１３５．５～１３６．１ ℃；模孔孔径为１２．１～１２．４ ｍｍ；螺杆转速为１９１．４～１９２．０ ｒ／ｍｉｎ，在此条件下ＮＳＩ值为４１．５％～４２．０％。
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关键词 ：挤压膨化；豆粕；酱油；氮溶解指数
中图分类号：ＴＳ２１４．２；ＴＳ２６４．２ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）16－4012-04
收稿日期：２０１４－１２－１６
基金项目：山东省科技发展计划项目（２０１３ＧＳＦ１２１０８）
作者简介：张东亮（１９８１－），男，山东临朐人，讲师，主要从事食品微生物研究及教学工作，（电话）１５８９８７０５５２９（电子信箱）ｚｈａｎｇｄｌ５５２９＠１６３．ｃｏｍ；
通信作者，李宏军（１９６８－），男，辽宁铁岭人，教授，博士，主要从事农产品加工方面的研究，（电话）１３１７６２２１３５１（电子信箱）ｌｈｊ６８１２＠１６３．ｃｏｍ。
挤压膨化加工是指物料被输送进高温高压的套筒内，在一定条件下混合、升温、剪切并在通过模孔的瞬间骤降到常温常压条件下，形成多孔状物质的一种工艺。单螺杆挤压机操作简单，成本低，可以用于多种产品的加工，现在已广泛应用于食品加工行业中［１，２］。在挤压过程中，物料中的蛋白质、淀粉、脂肪和纤维素等成分的性质会发生变化。蛋白质的三级结构和四级结构遭到破坏，只保留相对链状的大分子状态，溶解出一些小分子变性蛋白质［３］。淀粉在高温和一定水分条件下发生糊化，分解成糊精和还原糖［４］。挤压过程中，物料中的脂肪与蛋白质和淀粉形成复合体，改善食物口感［５］。采用挤压膨化技术对酱油生产原料进行预处理，可以达到适度变性蛋白质、糊化淀粉、钝化抗营养因子以及杀菌的目的，与传统的蒸煮法相比可以提高蛋白质消化率和氨基酸生成率［６］、简化工艺、减少劳动量、节约能源［７，８］，同时使酱油具有独特的香气。
大豆和脱脂豆粕是中国生产蛋白质酱油原料的首要选择，大豆含蛋白质约４０％，碳水化合物约２５％，脂肪约２０％，几乎不含淀粉，这是与一般谷物最大的区别。组成大豆蛋白质的氨基酸种类很多，目前已知的构成生物体蛋白质的２０种氨基酸中，大豆蛋白质中除蛋氨酸含量略低外，其余氨基酸含量均较丰富［９］。大豆中的水溶性蛋白质含量非常高，大约占总蛋白质含量的９０％左右，水溶性蛋白质可以被种曲中的蛋白酶分解，有利于酱油的酿造。
本研究的主要目的以氮溶解指数为指标对豆粕和面粉等原料的挤压膨化工艺进行优化，为该技术进一步用于酱油生产提供参考。
１ 材料与方法
１．１ 材料与仪器
豆粕（市购）；面粉（市购）。
单螺杆挤压机（山东理工大学食品加工实验室提供）、快速消解仪（Ｋ－４３７型，瑞士步琪有限公司）、凯氏自动定氮仪（Ｋ－３７０型，瑞士步琪有限公司）、小型植物粉碎机（ＦＺ１０２型，天津市泰斯特仪器有限公司）、液晶恒温水浴锅（ＨＨＤ－２型，上海启前电子科技有限公司）、台式离心机（ＴＧＬｌ－１６Ｃ型，上海安亭科学仪器厂）、数显鼓风干燥箱（ＤＨＧ－２６４０型，河南安盛仪器设备有限公司）、低速离心机（ＡｎｋｅＤＬ－５－Ｂ型，上海安亭科学仪器厂）。
１．２ 试验方法
以豆粕为主要原料，按一定比例混合面粉，调整水分含量，通过挤压机挤压膨化后用于酱油的制曲及发酵。试验过程通过优化面粉比例、物料含水率、套筒温度、模孔孔径、螺杆转速等参数，获得最优的蛋白质氮溶解指数（ＮＳＩ），进而确定最佳参数值。
淀粉糊化度测定：酶解法［１０］；水溶性蛋白的测定：凯氏定氮法［１１］；蛋白质的测定：凯氏定氮法［１２］。
以蛋白质ＮＳＩ（Y）为主要考察指标，选择面粉比例、物料含水率、套筒温度、模孔孔径、螺杆转速等５个试验因素，同时根据预试验结果选定５个水平，运用５因素５水平二次正交旋转组合设计，进行试验安排［１３］，试验因素与水平见表１。
２ 结果与分析
２．１ 试验设计与结果
对面粉比例、物料含水率、套筒温度、模孔孔径、螺杆转速对蛋白质消化率等指标的影响规律进行分析。依据试验安排测定的各项指标数据，利用ＳＡＳ ９．１软件对试验结果（表２）进行分析，得出回归方程为：
Ｙ＝４２．２４７ ８４７－２．７８３ ７５Ｘ１＋０．０８５ ４１７Ｘ２＋０．２１４ ５８３Ｘ３＋０．４２１ ２５０Ｘ４－０．６７９ ５８３Ｘ５－０．４７５ ６２５Ｘ２Ｘ１－１．７６５ ６２５Ｘ３Ｘ１－０．７９０ ６２５Ｘ４Ｘ１＋１．３０８ １２５Ｘ５Ｘ１＋０．３２０ ６２５Ｘ３Ｘ２＋１．４３０ ６２５Ｘ４Ｘ２－０．１５３ １２５Ｘ５Ｘ２＋０．９４３ １２５Ｘ４Ｘ３－０．０９５ ６２５Ｘ５Ｘ３＋０．０６６ ８７５Ｘ５Ｘ４－３．１２４ ２７１Ｘ１２－２．４８１ ７７１Ｘ２２－３．７５３ ０２１Ｘ３２－１．９１３ ０２１Ｘ４２－３．３７８ ０２１Ｘ５２，回归模型的方差分析见表３。由表３可知，此模型的Ｒ２为０．８４８ ４，响应模型线性回归（Ｐ＝０．１５３ ２）不显著、二次回归（Ｐ＜０．０００ １）极显著，交互项回归（Ｐ＝０．７４４ ７）不显著，总回归（Ｐ＝０．００３ ４＜０．０１）极显著。
２．２ 回归方程的响应面图
采用ＳＡＳ９．１软件得二次回归方程的响应面图，结果见图１至图６。图１为含水率、模孔孔径和螺杆转速分别固定在２４％、１０ ｍｍ和２００ ｒ／ｍｉｎ时，面粉比例和套筒温度对ＮＳＩ影响的响应面。当套筒温度保持不变时，ＮＳＩ随面粉比例的增加先升高后降低，面粉比例为１６％时达到最高值。而当面粉比例不变时，ＮＳＩ随套筒温度的增加而升高，套筒温度为１３０ ℃时达到最大值，然后随套筒温度的增加而降低。原因是温度低时，蛋白质结构破坏不完全导致ＮＳＩ不高，温度过高时，氨基酸与还原糖反应造成可溶性蛋白质损失引起ＮＳＩ降低。挤压过程中形成淀粉、淀粉脂肪及淀粉蛋白质复合物，在挤出模孔瞬间压力降低，在压力及蒸气作用下水分蒸发、气体膨胀，复合物膨胀形成多孔状组织［１４］。随面粉比例的增加起支撑作用的复合物强度增大，空隙增大有利于蛋白质的溶出，由于淀粉含量过高时（＞１６％）淀粉对蛋白质的包埋导致溶出率降低［１５］。对套筒温度而言，温度的升高加剧了蛋白质变性及分解，利于溶出，过高温度（＞１３０ ℃）导致变性程度加大溶解性降低。
图２为螺杆转速为２００ ｒ／ｍｉｎ、套筒温度为１３０ ℃、模孔孔径固定在１０ ｍｍ时，面粉比例和物料含水率对ＮＳＩ影响的响应面。当物料含水率不变时，ＮＳＩ随着面粉比例的增加而逐渐升高，在面粉比例为１６％时达到最高值，然后随面粉比例的增加而降低。当面粉比例不变时，ＮＳＩ随着物料含水率的增加而升高，物料含水率为２４％时达到最高值，然后随着物料含水率的增加而逐渐下降。原因是当物料含水率过低时，流动性不高引起摩擦力大，膨化效果不好造成ＮＳＩ不高，物料含水率过高时，流动性增强导致模口压力变小引起膨化效果变差，ＮＳＩ降低。
图３为套筒温度、螺杆转速、物料含水率分别固定在１３０ ℃、２００ ｒ／ｍｉｎ、２４％时，面粉比例和模孔孔径对ＮＳＩ影响的响应面。当模孔孔径保持不变时，ＮＳＩ随面粉比例的增加而升高，在面粉比例在１６％处达到最大，然后随着面粉比例的增加而明显下降。当面粉比例保持不变时，ＮＳＩ随着模孔孔径的增加而升高，在模孔孔径在１０ ｍｍ处达到最大，然后开始逐渐降低，适当的模孔孔径有利于物料的膨化进而影响ＮＳＩ。
图４为套筒温度固定在１３０ ℃、物料含水率为２４％、模孔孔径为１０ ｍｍ时，面粉比例和螺杆转速对ＮＳＩ影响的响应面。当螺杆转速保持不变时，ＮＳＩ先随面粉比例的增加而升高，当面粉比例在１６％处时达到最大，然后随面粉比例的增加而逐渐降低。当面粉比例维持不变时，随着螺杆转速的升高ＮＳＩ较明显升高，在螺杆转速为２００ ｒ／ｍｉｎ时达到最大后逐渐下降。当螺杆转速低时，螺杆与物料间摩擦力大导致膨化效果不好引起ＮＳＩ不高，当螺杆转速过高时，物料在挤压机内停留时间减少，吸收能量变少导致部分蛋白质变性不完全引起ＮＳＩ降低。
图５为模孔孔径固定在１０ ｍｍ、面粉比例为１６％、螺杆转速为２００ ｒ／ｍｉｎ时，套筒温度和物料含水率对ＮＳＩ影响的响应面。当物料含水率保持不变时，ＮＳＩ随套筒温度的升高而缓慢升高，在套筒温度为１３０ ℃时达到最大，然后缓慢降低。当套筒温度保持不变时，ＮＳＩ随物料含水率的增加而升高，物料含水率在２４％处达到最大，然后逐渐降低。水分含量高时淀粉、蛋白质持水量增加而水分蒸发程度差，膨化效果不好。
图６为面粉比例、套筒温度、螺杆转速分别固定在１６％、１３０ ℃、２００ ｒ／ｍｉｎ时，物料含水率和模孔孔径对ＮＳＩ影响的响应面。当物料含水率维持在一定水平时，随着模孔孔径的增加ＮＳＩ逐渐增加，模孔孔径在１０ ｍｍ处ＮＳＩ值达到最高值时开始降低。当模孔孔径保持不变时，ＮＳＩ随物料含水率的增加先升高后降低，在物料含水率为２４％时达到最大。
以ＮＳＩ为考察指标，经过岭回归寻优得出最佳工艺参数为：面粉比例１３．６％～１３．８％；物料含水率２５．３％～２５．５％；套筒温度１３５．５～１３６．１ ℃；模孔孔径１２．１～１２．４ ｍｍ；螺杆转速１９１．４～１９２．０ ｒ／ｍｉｎ，在此条件下ＮＳＩ为４１．５％～４２．０％。
３ 小结
本研究对豆粕和面粉等酿造酱油的原料进行挤压膨化预处理，代替传统酿造工艺中的蒸煮预处理，以蛋白质ＮＳＩ为考察指标，采用ＳＡＳ９．１软件进行试验数据处理，得出最佳挤压工艺参数为：面粉比例１３．６％～１３．８％；物料含水率２５．３％～２５．５％；套筒温度１３５．５～１３６．１ ℃；模孔孔径１２．１～１２．４ ｍｍ；螺杆转速１９１．４～１９２．０ ｒ／ｍｉｎ，在此条件下ＮＳＩ ４１．５％～４２．０％。
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