張智宇 朱秀清，2 任為聰 梁雪華

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院1，哈爾濱 150030)

(國(guó)家大豆工程技術(shù)研究中心2，哈爾濱 150030)

擠壓膨化對(duì)胰蛋白酶酶解高變性豆粕效果的影響

張智宇1朱秀清1，2任為聰1梁雪華1

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院1，哈爾濱 150030)

(國(guó)家大豆工程技術(shù)研究中心2，哈爾濱 150030)

合理的原料預(yù)處理工藝能有效提高高溫豆粕的水解度，胰蛋白酶具有很強(qiáng)的專一性，水解程度較低?？疾炝瞬煌瑪D壓膨化條件對(duì)胰蛋白酶酶解高溫豆粕效果的影響，以螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水率、?？字睆?、套筒溫度、進(jìn)樣量為因素，以水解度為檢測(cè)指標(biāo)，采用5因素5水平(1/2實(shí)施)進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到了膨化擠壓高變性豆粕優(yōu)化的預(yù)處理工藝參數(shù):溫度110℃，轉(zhuǎn)速101．28 r/min，模孔4 mm，含水量29．96%，進(jìn)料量0．4 kg/min，此條件下胰蛋白酶水解膨化豆粕水解度達(dá)12．60%，與原料水解度相比提高了4%。

高變性豆粕 擠壓膨化 胰蛋白酶 水解度

高溫豆粕是由大豆浸油后，高溫脫溶所得。經(jīng)高溫處理后去除了部分的抗?fàn)I養(yǎng)因子并且蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，高溫豆粕蛋白含量低且不易酶解，胰蛋白酶酶解水解度不超過10%［1］，一般作為飼料直接飼喂。大豆肽與大豆蛋白相比，具有消化吸收率高、提供能量迅速、促進(jìn)微生物生長(zhǎng)、促進(jìn)脂肪代謝和低過敏原性等特性［2］。水解程度間接影響到生物活性肽的生成，進(jìn)一步研究可進(jìn)行預(yù)處理的方法有超聲、熱水處理、酸堿處理，但方法不是處理效果不好就是不易于工業(yè)化生產(chǎn)。高溫瞬時(shí)處理在食品工業(yè)中應(yīng)用越來越多，有利于進(jìn)一步的去除大豆的抗?fàn)I養(yǎng)因子，提高蛋白的消化利用率［3］。擠壓膨化在油和生物活性肽的提取和制備方面都得到了較好的應(yīng)用［4－6］，也產(chǎn)生了許多新產(chǎn)品包括嬰兒食品、膳食纖維、早餐麥片和改性淀粉絮凝劑等［7］。本試驗(yàn)利用雙螺桿擠壓膨化高變性大豆粕預(yù)處理來提高豆粕胰蛋白酶的水解度和高變性豆粕的利用率，為生產(chǎn)飼料生物活性肽提供依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料與試劑

胰蛋白酶:Amresco，1．04×105U/g;高變性豆粕:楊霖油脂集團(tuán)，過80目篩，水分9．4%、脂肪5．4%、蛋白質(zhì)(干基)50．87%、灰分 5．3%、尿素酶活性 0．172 U/g;福林酚:sigma公司。其他試劑均為分析純。

1．2 儀器與設(shè)備

DS56－Ⅲ型雙螺桿全膨化機(jī):濟(jì)南塞信;BüChi Spray Dryer B－290型噴霧干燥儀:瑞士BüChi Spray Dryer公司;KND－HYP8型消化爐、KDN－2008全自動(dòng)定氮儀:上海纖檢儀器有限公司;UV－2401PC紫外可見分光光度計(jì):日本島津公司。

1．3 試驗(yàn)方法

水解度的測(cè)定參照 OPA 法［8－9］;蛋白質(zhì)測(cè)定:GB/T 5009．5—2003。

1．4 試驗(yàn)安排

1．4．1 工藝流程

高變性豆粕→粉碎→擠壓膨化→粉碎過80目篩→水解液制備［底物4%，胰蛋白酶酶解(酶添加量4 000 U/g蛋白質(zhì))，50 ℃，2．5 h］→滅酶(沸水浴 10 min)→離心(10 min，5 000 g)→取上清液→測(cè)定水解度

1．4．2 擠壓膨化條件的確定

根據(jù)單因素試驗(yàn)，選取5個(gè)因素為自變量(xi)，以水解度為響應(yīng)值(Y)，進(jìn)行中心旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)［10－11］，共32個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。因素水平編碼見表1。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均做3個(gè)平行樣，取其平均值。

表1 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)因素水平編碼表

1．4．3 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用 Design－Expert 7．1 軟件(Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA);SPSS13．0;Microsoft Excel 2003 處理數(shù)據(jù)。

1．4．4 模型的驗(yàn)證

通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化胰蛋白酶水解膨化豆粕水解度最優(yōu)的膨化條件。在優(yōu)化條件下擠壓膨化出的豆粕進(jìn)行酶解后水解度的測(cè)定，通過比較預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值來驗(yàn)證模型的有效性。

2 結(jié)果與討論

2．1 模型的擬合

應(yīng)用響應(yīng)面法(Response Surface Methodology，RSM)建立一個(gè)模型來優(yōu)化擠壓膨化提高酶解效率的制備工藝。試驗(yàn)條件和響應(yīng)值見表2。

表2 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)和響應(yīng)值

通過分析自變量和因變量得到一個(gè)能夠在給定的范圍內(nèi)預(yù)測(cè)響應(yīng)值的回歸方程。擠壓膨化豆粕酶解的水解度回歸方程如下:

Y=3．568+0．057x1+0．100x2－ 0．061x3+0．052x4－0．059x5+1．042 ×10－5x1x2+0．010x1x3－4．531 ×10－4x1x4+4．750 ×10－4x1x5－ 2．708 × 10－3x2x3－4．167 × 10－4x2x3+1．542 × 10－4x2x5+0．042 x3x4－6．500x3x5+4．469 ×10－3x4x5－3．849 × 10－4x12－4．169 ×10－4x22－0．214x32－5．014 ×10－3x42－1．390 ×10－3x52

通過上述回歸方程得出水解度的預(yù)測(cè)值與實(shí)際試驗(yàn)值擬合情況，見圖1，可看出預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值擬合良好。

圖1 擠壓膨化對(duì)胰蛋白酶酶解效果影響的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表3 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方差分析表

中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的方差分析見表3。模型的擬合度可通過決定系數(shù)來衡量，Joglekar和May［12］建議，一個(gè)良好的模型，決定系數(shù)至少為0．80。本研究所得模型的決定系數(shù)為0．947。這表明，94．7%的變更能夠通過這個(gè)模型解釋;模型調(diào)整決定系數(shù)R2Adj=0．849 8，說明該模型可以解釋84．98%的響應(yīng)值的變化，進(jìn)而表明此模型擬合度較高，試驗(yàn)誤差較小。由表4可知，本研究所得回歸模型極顯著(P＜0．000 2)，因此，此模型能充分地表明各因素之間的關(guān)系。

根據(jù)方差分析和回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果，將差異不顯著的因子剔除后得到的回歸方程為:

2．2 自變量對(duì)響應(yīng)值的影響

對(duì)回歸方程進(jìn)行中心標(biāo)準(zhǔn)化處理，可直接從回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小來分析各因素的改變對(duì)擠壓豆粕酶解水解度的影響大小。由回歸方程得到:x3＞x4＞x2＞x1＞x5。為了形象的描述各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，擠壓膨化對(duì)胰蛋白酶酶解高溫粕水解效果的影響的響應(yīng)面見圖2～圖11。

2．2．1 膨化溫度

由圖2～圖5知，隨溫度的升高水解度增加，在90～105℃時(shí)影響較大，之后隨溫度升高而逐漸降低。這是由于蛋白質(zhì)分子受到高溫、高壓、高剪切力的作用，原有的空間結(jié)構(gòu)被打亂而熔融，離開?？跁r(shí)，隨著壓力迅速下降，過熱水急劇蒸發(fā)，在纖維狀結(jié)構(gòu)中留下了多孔氣泡狀空間結(jié)構(gòu)［13］。大豆蛋白的熱穩(wěn)定性可由熱變性溫度和熱焓來反應(yīng)［14］。但溫度過高，過度變性造成蛋白亞基之間的聚集，聚集后的蛋白分子減少了酶反應(yīng)位點(diǎn)，不利于酶的作用。因此過高的膨化溫度不利于酶解。

2．2．2 轉(zhuǎn)速

由圖2、圖6、圖8可知，隨轉(zhuǎn)速的增加水解度增加，在95～110 r/min時(shí)影響較大，之后隨轉(zhuǎn)速的增加而加速下降。螺桿轉(zhuǎn)速與物料在擠壓腔的滯留時(shí)間有關(guān)，轉(zhuǎn)速過快，物料在擠壓腔停留太短，剪切作用強(qiáng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能越大［15］，蛋白經(jīng)適當(dāng)熱處理暴露的位點(diǎn)多更利于水解。轉(zhuǎn)速過慢，剪切作用弱，熱能轉(zhuǎn)化少，蛋白結(jié)構(gòu)未完全展開反應(yīng)位點(diǎn)暴露的少不利于酶解。

2．2．3 ?？字睆?/p>

由圖3、圖6、圖9可知，隨?？字睆降脑黾铀舛认仍黾樱?～4 mm時(shí)影響較大，之后緩慢下降。原因是隨?？字睆降臏p小物料出口壓力增大，分子內(nèi)部高度規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)被一定程度破壞，部分氫鍵、范德華力、離子鍵等次級(jí)鍵斷裂，肽鏈一定程度松散，部分蛋白質(zhì)分子發(fā)生了定向的再結(jié)合，形成多孔的蛋白結(jié)構(gòu)［16］，適度的高溫高壓處理能使蛋白結(jié)構(gòu)展開并暴露出更多的反應(yīng)位點(diǎn)，從而加速了水解多肽的生成速率利于酶解，但?？滋?huì)出現(xiàn)堵料現(xiàn)象。

2．2．4 含水量

由圖7、圖9、圖11可知，隨水分的減少水解度逐漸升高，含水量22%～18%時(shí)影響較大。物料中含水量的增加，導(dǎo)致部分水穿透至蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的空洞表面導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶脹，這種溶脹作用提高了多肽鏈的移動(dòng)性和柔性，當(dāng)加熱時(shí)，這種柔性結(jié)構(gòu)更易變性，易于水解，但水分過高，變性溫度快速下降［17］，當(dāng)水分高于某一值時(shí)，一方面可能是蛋白質(zhì)變性程度加劇，變性的蛋白質(zhì)不再降解;另一方面由于物料的含水量過高，物料的濕潤(rùn)程度大，形變性和輸送特性增強(qiáng)，受到機(jī)筒內(nèi)部的壓力、摩擦力和剪切力降低，在機(jī)筒內(nèi)滯留時(shí)間縮短，以至于纖維物料分子裂解程度降低，而不利于酶解。

2．2．5 進(jìn)料量

由圖5、圖8、圖11可知，隨進(jìn)料量的增加水解度逐漸升高，0．35～0．45 kg/min時(shí)影響較大。因?yàn)檫M(jìn)料速度與原料性質(zhì)有關(guān)。原料表面越光滑則進(jìn)料速度應(yīng)越慢，若進(jìn)料速度過快會(huì)造成進(jìn)料與螺桿轉(zhuǎn)速不協(xié)調(diào)造成物料聚積，阻止螺桿與套筒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而造成堵料和電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的故障［18］。

2．3 最適條件的模型驗(yàn)證

綜合考慮各項(xiàng)試驗(yàn)因素及其相互作用，根據(jù)二次多項(xiàng)回歸方程，利用Design－Expert 7．1設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化出擠壓膨化對(duì)胰蛋白酶解高變性豆粕效果的最適工藝條件為:套筒溫度:110℃、螺桿轉(zhuǎn)速101．28 r/min、?？字睆?4 mm、含水量 29．96%、進(jìn)料量0．4 kg/min，在此條件下進(jìn)行了5組驗(yàn)證試驗(yàn)得到胰蛋白酶水解膨化豆粕水解度為12．49%，而模型預(yù)測(cè)值為12．6%，相對(duì)誤差為0．87%，差異不顯著，說明用響應(yīng)面法優(yōu)化出的工藝參數(shù)合理可靠，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值高。根據(jù)上述優(yōu)化的試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到擠壓膨化后的高變性豆粕樣品與未進(jìn)行擠壓的高變性豆粕進(jìn)行水解度的比較，結(jié)果見表4。

表4 水解度的比較

由表4知，原料經(jīng)擠壓膨化后水解度差異極顯著，其胰蛋白酶水解度大幅度提高。因此，本研究為提高胰蛋白酶酶解效果提供了一個(gè)切實(shí)可行預(yù)處理的方法，為實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)。

3 結(jié)論

3．1 各擠壓參數(shù)對(duì)胰蛋白酶酶解高變性豆粕水解效果影響大小依次為:模孔直徑＞含水量＞螺桿轉(zhuǎn)速＞擠壓溫度＞進(jìn)料量。

3．2 擠壓膨化提高胰蛋白酶酶解高變性豆粕水解度的最佳條件:溫度110℃，轉(zhuǎn)速101．28 r/min，?？? mm，含水量29．96%，進(jìn)料量0．4 kg/min，此條件下預(yù)測(cè)可達(dá)水解度達(dá)12．6%。實(shí)際測(cè)得水解度為12．49%，表明擠壓膨化對(duì)提高胰蛋白酶酶解高變性豆粕的水解度具有良好的發(fā)展前景。

3．3 胰蛋白酶酶解試驗(yàn)中酶活添加量?jī)H為4 000 U/g，若提高胰蛋白酶的酶活力，水解效果會(huì)進(jìn)一步得到提高，為高變性豆粕的改性和利用提供了一個(gè)可行的方法。

［1］劉芳，王遂．酶法提取變性脫脂豆粕中蛋白質(zhì)的研究［J］．食品科學(xué)，2004，25(3):85 －92

［2］趙芳芳，張日俊．大豆肽研究進(jìn)展［J］．中國(guó)飼料，2004(1):22－23

［3］Zongjia J Cheng，Ronald W Hardy．Effects of extrusion and expelling processing，and microbial phytase supplementation on apparent digestibility coefficients of nutrients in full－fat soybeans for rainbow trout(Oncorhynchus mykiss)［J］．Aquaculture，2003，218:501 －514

［4］徐紅華，申德超．改進(jìn)的擠壓膨化浸出工藝對(duì)大豆油脂及粕蛋白品質(zhì)的改善［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(4):249－252

［5］鄭喜群，劉曉蘭，王曉杰，等．?dāng)D壓膨化玉米黃粉酶解制備生物活性肽［J］．食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31(8):1－3

［6］Stephanie Jung，Abdullah A Mahfuz．Low temperature dry extrusion and high－pressure processing prior to enzyme－assisted aqueous extraction of full fat soybean flakes．Food Chemistry［J］，2009(114):947 －954

［7］L Sebio，Y K Chang．Effects of selected process parameters in extrusion of yam flour(Dioscorea rotundata)on physicochemical properties of extrudates［J］．nahrung － food，2000，44(2):96－101

［8］D Spellman，E McEvoy，G O'Cuinn，et al．Proteinase and exopeptidase hydrolysis of whey protein:Comparison of the TNBS，OPA and pH stat methods for quantification of degree of hydrolysis［J］．International Dairy Journal，2003，13(6):447 －453

［9］趙新淮，馮志彪．蛋白質(zhì)水解物水解度的測(cè)定［J］．食品科學(xué)，1994，179(11):65 －67

［10］王欽德，楊堅(jiān)．食品試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析［M］．北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2009

［11］Yong Wang．Optimization of extrusion of flaxseeds for in vitro protein digestibility analysis using response surface methodology［J］．Journal of Food Engineering，2008(85):59 －64

［12］Joglekar AM，May AT．Product excellence through design of experiments［J］．Cereal Foods Word，1987，32(12):857 －868

［13］魏益民．?dāng)D壓膨化工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響概述［J］．中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2005，20(2):33 －36

［14］Petra B Welzel．Investigation of adsorption － induced structural changes of proteins at solid/liquid interfaces by differential scanning calorimetry［J］．Thermochimica Acta，2002，382(1－2):175－188

［15］崔巍，吳德勝，梁浩，等．豆粕膨化加工的試驗(yàn)研究［J］．糧油加工，2009(6):1－3

［16］孫君社．現(xiàn)代食品加工學(xué)［M］．北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000

［17］Fujita Y，Y Noda．The effect of hydration on the thermal stability of ovalbumin as measured by means of differential scanning calorinetry［J］．Bulletin of the Chemical Society of Japan．1981，54:3233 －3234

［18］尚永彪，唐浩國(guó)．膨化食品加工技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

Effects of Extrusion on Trypsinase Enzymolysis of Denatured Soybean Meal

Zhang Zhiyu1Zhu Xiuqing2Ren Weicong1Liang Xuehua1

(Food College，Northeast Agricultural University1，Harbin 150030)
(National Soybean Engineering and Technique Research Center2，Harbin 150030)

Degree of hydrolysis of denatured soybean meal can be improved by reasonable crude pre－treatment technologies．Trypsinase has low degree of hydrolysis and high specificity．In this paper，effects of different conditions of extrusion on trypsinase enzymolysis of denatured soybean meal were studied．Quadratic rotation －orthogonal combination design was established with five factors(screw speed，material moisture，die throat diameter，bushing temperature and sample size)and five levels(1/2 executed)，with the degree of hydrolysis as determination index，and the optimum conditions of extrusion on denatured soybean meal were obtained:extrusion temperature 110 ℃，screw speed 101．28 r/min，die throat diameter 4 mm，material moisture 29．96%and sample size 0．4 kg/min．Under such conditions，the enzymolysis degree of extruding soybean meal reached 12．60%，increased by 4%compared with that of the unprocessed soybean meal．

denatured soybean meal，extrusion and expansion，trypsinase，hydrolysis degree

TS214．2

A

1003－0174(2011)03－0020－06

黑龍江省科技計(jì)劃(GB08B401－01)

2010－04－26

張智宇，女，1985年出生，碩士，農(nóng)產(chǎn)品加工及儲(chǔ)藏

朱秀清，女，1968年出生，研究員，大豆精深加工