響應(yīng)面法優(yōu)化玉米蛋白擠出工藝

張艷榮，周清濤，張傳智，王大為

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

響應(yīng)面法優(yōu)化玉米蛋白擠出工藝

張艷榮，周清濤，張傳智，王大為*

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

雙螺桿擠出改性處理脫脂玉米蛋白粉。以脫脂玉米蛋白粉含水量、擠出溫度、螺桿轉(zhuǎn)速為響應(yīng)因素，可溶性蛋白含量為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面分析方法，確定脫脂玉米蛋白粉擠出改性的最佳工藝條件。結(jié)果表明：物料含水量68%、擠出溫度163℃、螺桿轉(zhuǎn)速30Hz(225r/min)時(shí)，擠出脫脂玉米蛋白粉中可溶性蛋白含量最高，為3.43%。采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)測(cè)定擠出改性后玉米可溶性蛋白的分子質(zhì)量分布，結(jié)果顯示其分子質(zhì)量介于3500～14300D之間，且主要是分子質(zhì)量為3500～6500D的多肽。改性后的玉米蛋白粉其理化性質(zhì)都有了較明顯的改善，說(shuō)明雙螺桿擠出改性玉米蛋白粉效果明顯，切實(shí)可行。

脫脂玉米蛋白粉；雙螺桿擠出；改性

玉米蛋白粉(corn gluten meal，CGM)是由玉米籽粒經(jīng)濕法工藝提取玉米淀粉時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物。玉米蛋白粉中總蛋白質(zhì)含量高達(dá)65%、碳水化合物含量15%、脂肪含量7%、纖維含量2%、灰分1%，還含有玉米黃素、葉黃素等[1]。我國(guó)近年來(lái)玉米產(chǎn)量在1.6億噸左右，是世界第二大玉米生產(chǎn)國(guó)，約占世界總產(chǎn)量的20%，占我國(guó)糧食總產(chǎn)量的25%。國(guó)內(nèi)有濕法玉米淀粉生產(chǎn)企業(yè)600多家，生產(chǎn)量占全國(guó)各種淀粉產(chǎn)量的80%，玉米蛋白粉資源量約21萬(wàn)噸[1]。由于其具有濃重的異雜味，主要為不溶性醇溶蛋白，可消化性差，只能用于飼料生產(chǎn)原料，某些企業(yè)甚至將含有玉米蛋白的黃漿水未作任何利用而自然排放。目前，我國(guó)每年隨廢液排放的玉米蛋白高達(dá)8萬(wàn)多噸[2]。不僅經(jīng)濟(jì)效益低，極大浪費(fèi)了資源，而且造成了環(huán)境污染。螺桿擠出技術(shù)是20世紀(jì)60年代后才興起的一種新技術(shù)[3]，它集混合、壓縮、蒸煮、改性、殺菌、膨化等單元操作于一體，物料在機(jī)筒內(nèi)受到高溫、高壓、剪切、蒸煮等綜合作用而發(fā)生理化及生物化學(xué)反應(yīng)[4-5]，分子組成及物性發(fā)生顯著變化。本研究通過(guò)雙螺桿高溫高壓可控?cái)D出處理對(duì)脫脂玉米蛋白粉進(jìn)行改性處理，提高玉米蛋白粉中可溶性蛋白含量，去除異雜味，改善其加工性能，使其有利于進(jìn)一步制備生物活性蛋白粉或用于工程食品的生產(chǎn)，提高玉米資源利用率，減少環(huán)境污染，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蛋白粉 長(zhǎng)春大成新資源集團(tuán)有限公司；丙烯酰胺天津市大茂化學(xué)試劑廠；甲叉雙丙烯酰胺 北京鼎國(guó)生物技術(shù)有限責(zé)任公司；過(guò)硫酸銨 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；巰基乙醇 北京鼎國(guó)生物技術(shù)有限責(zé)任公司；鹽酸(分析純)、氫氧化鈉(分析純) 北京北化精細(xì)化學(xué)品有限責(zé)任公司；Low-rang rainbow markers RPN755 (2500～45000D) 上海卓康生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DS-30B型雙螺桿試驗(yàn)機(jī)(螺桿轉(zhuǎn)速1Hz=7.5r/min) 山東賽信膨化機(jī)械有限公司；CT15RT型高速冷凍離心機(jī)上海天美生化儀器設(shè)備工程有限公司；LXJ-Ⅱ型離心沉淀機(jī) 上海醫(yī)用分析儀器廠；101A-2E型數(shù)顯式電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；GB1302電子精密天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；HZS-HA水浴振蕩器 哈爾濱市東聯(lián)電子科技有限公司；DYY-10C型電泳儀 北京市六一儀器廠；SH10A水分快速測(cè)定儀 上海恒平科學(xué)儀器有限公司；SX-8-10型箱式電阻爐 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 成分測(cè)定

水分測(cè)定：GB 5009.3—2003《食品中水分的測(cè)定》采用直接干燥法與快速水分測(cè)定儀法。脂肪測(cè)定：GB 5009.6—2003《食品中脂肪的測(cè)定》索氏提取法。蛋白質(zhì)測(cè)定：GB 5009.5—2003《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》凱氏定氮法?；曳譁y(cè)定：GB 5009.4—2003《食品中灰分的測(cè)定》灼燒稱量法。淀粉測(cè)定：GB 5009.9—2003《食品中淀粉的測(cè)定》方法。

1.3.2 可溶性蛋白含量的測(cè)定

取不同條件下擠出改性處理的玉米蛋白粉，于50℃烘箱中烘24h左右，水分含量低于6%，粉碎過(guò)60目篩，采用Folin-酚試劑法測(cè)定其可溶性蛋白含量[6]。

1.3.3 脫脂玉米蛋白粉制備

將玉米蛋白粉按料水比1∶5(g/mL)加入20℃以下的清水，攪拌均勻并靜止至分層，去除上清液，重復(fù)洗滌多次至玉米蛋白粉洗滌液呈中性，所得濕玉米蛋白粉溶液在轉(zhuǎn)速4000r/min條件下離心脫水5min，使其含水量低于26%，自然晾干或低溫烘干至水分含量低于12%，粉碎至可全部通過(guò)0.147mm孔徑篩。采用超臨界CO2萃取技術(shù)對(duì)上述處理后的玉米蛋白粉進(jìn)行脫脂脫異味處理。萃取壓力25MPa、萃取溫度50℃、萃取時(shí)間100min、CO2流量25L/h，所得產(chǎn)品顏色乳黃，風(fēng)味純正無(wú)異味，脂類含量低于0.5%。

1.3.4 脫脂玉米蛋白粉擠出改性單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.4.1 含水量對(duì)可溶性蛋白含量的影響

在擠出溫度為160℃，螺桿轉(zhuǎn)速為30Hz的條件下，分別對(duì)含水量為50%、60%、70%、80%、90%的脫脂玉米蛋白粉進(jìn)行改性處理，以可溶性蛋白含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察含水量對(duì)可溶性蛋白含量的影響。

1.3.4.2 擠出溫度對(duì)可溶性蛋白含量的影響

在脫脂蛋白粉含水量為60%，螺桿轉(zhuǎn)速為30Hz的條件下，分別考察擠出溫度為140、150、160、170、180℃對(duì)可溶性蛋白含量的影響。

1.3.4.3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)可溶性蛋白含量的影響

在擠出溫度為160℃，脫脂蛋白粉含水量為60%的條件下分別考察螺桿轉(zhuǎn)速26、28、30、32、34Hz對(duì)可溶性蛋白含量的影響。

1.3.5 脫脂玉米蛋白粉擠出改性工藝的優(yōu)化

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取對(duì)脫脂蛋白粉擠出作用影響較大的因素水分含量(X1)、擠出溫度(X2)、螺桿轉(zhuǎn)速(X3)設(shè)計(jì)擠出中心組合試驗(yàn)，以擠出物中可溶性蛋白含量(Y)作為考核指標(biāo)，采用SAS 8.1分析軟件及Box-Behnken中心設(shè)計(jì)原理，確定最佳擠出條件。試驗(yàn)因素水平及編碼水平見(jiàn)表1。

表1 脫脂玉米蛋白粉擠出改性工藝Box-Behnken試驗(yàn)因素水平編碼Table 1 Factors and their coded levels in the Box-Behnken experimental design for optimizing extrusion process of defatted corn gluten meal

1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SAS 8.1軟件對(duì)Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸方差分析[7]。

1.3.7 持水性和吸水性的測(cè)定

1.3.7.1 持水性測(cè)定

產(chǎn)品持水性參考美國(guó)谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)方法(america ascioation of cereal chemist，AACC 88-04)進(jìn)行，稱取約4g玉米蛋白粉，放入50mL離心管內(nèi)并稱量(M1)，加入20mL蒸餾水，振蕩混合均勻，靜置10min，在3000r/ min條件下離心15min，取出，吸干上層液體，稱量(M2)。每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3.7.2 吸水性測(cè)定

稱取約4g未粉碎樣品(W1)，放入50mL燒杯中，加入30mL蒸餾水，在40℃條件下保溫吸水60min，取出瀝干10min，稱量持水后產(chǎn)品質(zhì)量(W2)。每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3.8 持油性的測(cè)定

參考謝良等[8]方法進(jìn)行測(cè)定。準(zhǔn)確稱取2g玉米蛋白粉(a)樣品置于離心管中，連管稱量，總質(zhì)量記為b，加入約15mL植物油，先后在25℃、37℃條件下分別靜置60min，后在3000r/min條件離心30min，棄去上層游離的油，然后用濾紙吸干掛在試管壁的油，最后稱取試管質(zhì)量量記為c，3次平行試驗(yàn)取平均值即為最終結(jié)果。

1.3.9 乳化性及乳化穩(wěn)定性

將玉米蛋白粉配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的蛋白溶液，取40mL色拉油和80mL待測(cè)液在膠體磨中均質(zhì)1min，用微量進(jìn)量器取100μL，用0.1% SDS溶液的稀釋成10mL，立即用分光光度計(jì)在500nm波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度[9]。乳化性及乳化穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

式中：ESI為乳化穩(wěn)定性/min；A0為均質(zhì)后迅速被稀釋的乳化液的吸光度；A10為乳化液在靜止10min后的吸光度；t為時(shí)間(本實(shí)驗(yàn)是10min)；EAI為每克蛋白的乳化面積/(m2/g)；A為500nm處的吸光度；Ф為油相所占的分?jǐn)?shù)，本實(shí)驗(yàn)為1/3；C為蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本實(shí)驗(yàn)為0.5%；I為比色池的光徑(10mm)。

1.3.10 起泡性及泡沫穩(wěn)定性

采用攪拌法[10]取3g玉米蛋白粉，加入蒸餾水100mL于燒杯中，調(diào)節(jié)pH7，用高剪切均質(zhì)機(jī)，8000r/min條件下均質(zhì)2min。記錄均質(zhì)停止時(shí)溶液中泡沫的體積V1以及均質(zhì)停止30s后的泡沫體積V2。起泡性及泡沫穩(wěn)定性分別按下式計(jì)算：

1.3.11 玉米蛋白分子質(zhì)量的測(cè)定

采用不連續(xù)SDS-PAGE[11]，分離膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，濃縮膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，電極緩沖液含0.5mol/L Tris，0.384mol/L甘氨酸，0.1% SDS(pH8.3)電泳用樣品溶解液(內(nèi)含2% SDS、5%的巰基乙醇、10%甘油、0.02%溴酚藍(lán)及濃度為0.05mol/L、pH8.0的Tris-HCl緩沖液)。上樣量為10μL，開(kāi)始電泳時(shí)電流為10mA，待樣品進(jìn)入分離膠后改為20mA；考馬斯思亮藍(lán)染色。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料基本成分分析(表2)

表2 原料基本成分分析結(jié)果Table 2 Main ingredients of corn gluten meal, defatted corn gluten meal and extruded defatted corn gluten meal

2.2 可溶性蛋白含量的測(cè)定

以牛血清白蛋白質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以其在500nm波長(zhǎng)處的吸光度為縱坐標(biāo)，做出一條關(guān)于牛血清白蛋白濃度與其在500nm波長(zhǎng)處吸光度的關(guān)系曲線，運(yùn)用Excel軟件對(duì)其進(jìn)行線性回歸擬合，得到線性回歸方程為y＝1.3523χ＋0.0547，相關(guān)性系數(shù)為R2＝0.9991，相關(guān)性良好。

2.3 含水量對(duì)可溶性蛋白含量的影響

圖1 含水量對(duì)可溶性蛋白含量的影響Fig.1 Effect of water content before extrusion on soluble protein content

由圖1可知，隨脫脂蛋白粉中含水量的增加可溶性蛋白含量有先增大后減少的趨勢(shì)。這主要因?yàn)椋瑪D出處理過(guò)程中，物料中水分含量影響擠出腔內(nèi)的溫度和壓力，影響物料在擠出腔內(nèi)的停留時(shí)間[12]。另外，適量的水分不但使物料分散均勻，蛋白質(zhì)表面游離的氨基、羧基、亞氨基等親水基團(tuán)，與水分子發(fā)生水合作用，形成膠體，改善脫脂玉米蛋白粉擠出改性效果[13]。水分含量過(guò)高則減弱物料所受到的剪切力及摩擦力，降低了擠出頭?？谔幍奈锪蠅毫?，大部分水分以液態(tài)形式存在擠出物中，減小物料擠出瞬間的汽化程度[14-15]，利用Excel軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合，獲得擠出物可溶性蛋白含量(Y)脫脂蛋白粉含水量(X1)的二次擬合公式為Y=-0.0014＋0.1935X1-2.9811(R2=0.9852)，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)得出當(dāng)含水量X1=69.11%時(shí)，可溶性蛋白含量最大，因此脫脂玉米蛋白粉含水量取值范圍為60%、70%、80%。

2.4 擠出溫度對(duì)可溶性蛋白含量的影響

圖2 擠出溫度對(duì)可溶性蛋白含量的影響Fig.2 Effect of extrusion temperature on soluble protein content

只有溫度適當(dāng)才能保證脫脂玉米蛋白粉擠出改性效果。擠出過(guò)程中從機(jī)筒壁傳遞的熱量及物料在機(jī)筒內(nèi)受剪切摩擦作用產(chǎn)生的熱量使物料在一定的溫度條件下完成擠出操作，尤其從機(jī)筒壁傳遞的熱量所起的作用更大[16]。由圖2可看出，當(dāng)溫度達(dá)到160℃左右時(shí)，可溶性蛋白含量達(dá)到最大值，之后開(kāi)始下降。這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度較低時(shí)，擠出物散碎，成型性差，此時(shí)物料在機(jī)筒內(nèi)還未達(dá)到充分的熔融狀態(tài)[14]，隨著溫度的逐漸升高，當(dāng)達(dá)到160℃左右時(shí)，擠出物形成穩(wěn)定的帶狀，且具有一定的抗拉伸能力，組織結(jié)構(gòu)良好[17]。當(dāng)隨著溫度的繼續(xù)升高，擠出物開(kāi)始焦糊，摸頭壓力變大，擠出機(jī)工作電流變大，導(dǎo)致機(jī)器超負(fù)荷而自動(dòng)停機(jī)。

利用Excel軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合，獲得擠出物可溶性蛋白含量(Y)與擠出溫度(X2)的二次擬合公式為Y=-0.0012X22＋0.3879X2-27.356(R2=0.9546)，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)得出當(dāng)擠出溫度X2=161.2℃時(shí)，可溶性蛋白含量最大，因此擠出溫度取值范圍選取150、160、170℃。

2.5 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)可溶性蛋白含量的影響

由圖3可知，螺桿轉(zhuǎn)速在26～30Hz的范圍內(nèi)，擠出物中可溶性蛋白含量隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大而增加，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速持續(xù)增加，可溶性蛋白含量開(kāi)始降低。這主要是隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大，剪切力也在增大，脫脂蛋白受到的壓力也變大，表面的電荷重新分布且趨于均一化，分子結(jié)構(gòu)伸展、重組，分子間氫鍵、二硫鍵等次級(jí)鍵部分?jǐn)嗔裑13]，有利于蛋白質(zhì)的降解及可溶性蛋白含量的增加。螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)大，物料在機(jī)筒內(nèi)停留的時(shí)間過(guò)短，物料來(lái)不及吸收足夠的熱量獲得反應(yīng)動(dòng)能，降解反應(yīng)進(jìn)行不徹底[18-19]。另外螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)高，擠出機(jī)運(yùn)行也不穩(wěn)定。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)可溶性蛋白含量的影響Fig.3 Effect of screw rotation speed on soluble protein content

利用Excel軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合，獲得擠出物可溶性蛋白含量(Y)與擠出溫度(X3)的二次擬合公式為Y =-0.038X32＋2.2926X3-31.289(R2=0.8889)，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)得出當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速X3=30.2Hz時(shí)，可溶性蛋白含量最大，因此螺桿轉(zhuǎn)速取值范圍為28、30、32Hz。

2.6 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

表3 玉米蛋白擠出工藝優(yōu)化Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 3 Box-Behnken experimental design and corresponding experimental results

通過(guò)SAS 8.1軟件對(duì)表3進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)二次回歸擬合后求得響應(yīng)函數(shù)，即回歸方程為Y＝3.386667＋0.32375X1-0.13875X2-0.035X3-0.569583＋0.1825X1X2＋0.025X1X3-0.214583-0.305X2X3-0.342083，該方程的回歸系數(shù)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 回歸系數(shù)方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis for the regression coefficients in the fitted regression equation

2.7 數(shù)學(xué)模型解析

2.7.1 主因子效應(yīng)分析

由于各因素處理均經(jīng)無(wú)量綱線性編碼代換，偏回歸系數(shù)已不受因素取值的大小和單位的影響，即已標(biāo)準(zhǔn)化，其絕對(duì)值的大小直接反映了變量對(duì)響應(yīng)值的影響程度。其中X1、X2都達(dá)到了極顯著水平(P＜0.01)，因此，各因素在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)對(duì)玉米蛋白粉中可溶性蛋白含量影響的大小順序?yàn)閄1(含水量)＞X2(擠出溫度)＞X3(螺桿轉(zhuǎn)速)。

2.7.2 單因素效應(yīng)分析

將回歸方程中的3個(gè)未知數(shù)中令其中兩個(gè)未知數(shù)固定于零水平，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析得到以其中一個(gè)因素為決策變量的偏回歸模型：

上述3個(gè)方程的二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，說(shuō)明其表征的拋物線都開(kāi)口向下，因此，3個(gè)因素取值均存在最佳值，過(guò)大或過(guò)小均會(huì)使響應(yīng)值降低。

2.7.3 交互效應(yīng)分析

對(duì)模型的方差分析表明，在交互項(xiàng)中X1與X2達(dá)到了顯著水平(P＜0.05)，見(jiàn)圖4A，X2與X3達(dá)到了極顯著水平(P＜0.01)，見(jiàn)圖4B，而X1與X3之間的交互作用并不明顯，見(jiàn)圖4C。

圖4 各兩因素交互作用的響應(yīng)面圖及等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots showing the effect of water content, extrusion temperature and screw rotation on soluble protein content

2.8 數(shù)學(xué)模型尋優(yōu)

由表4可得：回歸方程模型P值為0.000459遠(yuǎn)小于0.01，因此該模型極顯著，回歸方程的決定系數(shù)R2=0.9855，即98.55%的脫脂蛋白粉中可溶性蛋白含量數(shù)據(jù)變異，方程的擬合性較好，正確反映了可溶性蛋白含量與脫脂蛋白粉含水量﹑擠出溫度﹑螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系[20]。因此利用Maple 14軟件對(duì)回歸方程的三個(gè)未知數(shù)分別求偏導(dǎo)數(shù)，可得如下方程組：

對(duì)方程組求解得出X1=0.24、X2=-0.28、X3=0.08，對(duì)應(yīng)實(shí)際值為X1=67.6%、X2=162.8℃、X3=29.84Hz，此條件下可溶性蛋白含量為3.44%。

為了驗(yàn)證方案的真實(shí)性，在脫脂蛋白粉含水量68%、擠出溫度163℃、螺桿轉(zhuǎn)速30Hz的條件下進(jìn)行擠出處理，取3次測(cè)定結(jié)果的平均值為最終結(jié)果，得到擠出后脫脂玉米蛋白粉中可溶性蛋白含量為3.43%，與理論值較為接近，表明數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)化擠出工藝是可行的。因此，Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化得到的雙螺桿擠出改性脫脂玉米蛋白粉條件準(zhǔn)確可靠。

2.9 擠出前后玉米蛋白粉理化特性的變化

表5 擠出對(duì)玉米蛋白粉理化性質(zhì)的影響Table 5 Physicochemical properties of extruded corn gluten meal under different extrusion conditions

蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)與其本身的結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，玉米蛋白粉在擠出機(jī)機(jī)筒內(nèi)受到高溫、剪切、高壓、蒸煮等綜合作用，使蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生伸展，重組分子表面的電荷重新分布，導(dǎo)致維持蛋白質(zhì)三級(jí)、四級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)合力變?nèi)?，分子間氫鍵、二硫鍵部分?jǐn)嗔?，蛋白質(zhì)分子由球狀聚集態(tài)重組為纖維狀，發(fā)生變性[5]，并導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生不同程度的降解，大分子的蛋白部分降解為小分子蛋白甚是多肽，進(jìn)而改變了蛋白質(zhì)的溶解性、持水性及保水性，持油性，起泡性，乳化性等特性，提高了蛋白質(zhì)的利用率，由表6可看出，經(jīng)過(guò)雙螺桿擠出改性后的玉米蛋白粉較改性前，其功能性質(zhì)都有了明顯的改善。

2.10 玉米蛋白粉分子質(zhì)量分布

2.1 0.1 SDS-PAGE電泳標(biāo)準(zhǔn)曲線

以標(biāo)準(zhǔn)蛋白(Marker)的蛋白譜帶相對(duì)遷移率為橫坐標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)分子質(zhì)量為縱坐標(biāo)作圖，標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖5。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.5 Standard curve for molecular weight estimation

從圖5可看出，蛋白譜帶的相對(duì)遷移率與標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)分子質(zhì)量在3.5～45kD范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系，得出線性回歸方程y=77.49χ+70.979，相關(guān)系數(shù)R2= 0.9819。

2.1 0.2 玉米蛋白粉SDS-PAGE電泳圖譜

圖6 玉米蛋白粉的SDS-PAGE電泳圖譜Fig.6 SDS-PAGE of extruded and unextruded corn gluten meal

由于擠出改性前的玉米蛋白粉微溶于水，很難在電泳圖譜上形成較為清晰的條帶，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將擠出改性前的玉米蛋白粉溶解于0.05mol/L、pH8.0的Tris-HCl緩沖液并加入了1% SDS和2%巰基乙醇進(jìn)行助溶，在12000r/min條件下離心10min，取上清液加等體積樣品緩沖液后進(jìn)行不連續(xù)SDS-PAGE，最后得到較為清晰的電泳圖譜。擠出改性后的玉米蛋白粉取適量溶于水中，于4000r/min條件下離心15min，取上清液冷凍干燥，得到改性后玉米可溶蛋白粉，然后取適量可溶蛋白粉于0.05mol/L、pH8.0的Tris-HCl緩沖液配成蛋白含量0.5～1mg/mL的溶液，在12000r/min條件下離心10min，然后取適量上清液與樣品緩沖溶液等體積混合后進(jìn)行不連續(xù)SDS-PAGE。

由圖6可以看出，擠出改性前的玉米蛋白粉亞基主要集中在25000D左右，擠出改性后的玉米可溶蛋白粉其分子質(zhì)量主要集中在14300D以下，其中大部分是在6500～3500D之間的多肽，因此，擠出改性使玉米蛋白發(fā)生了降解，將部分大分子的不溶性蛋白質(zhì)降解為可溶的小分子蛋白和多肽，提高了其可溶性蛋白的含量(是未擠出樣的2.5倍)，且風(fēng)味、加工性能均得到較大改善，可用作高蛋白食品的加工原料。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)響應(yīng)面分析研究物料含水量、擠出溫度、螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出改性玉米蛋白粉效果的影響，并得到可溶性蛋白含量與試驗(yàn)參數(shù)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，方差分析結(jié)果表明，所得模型高度顯著，決定系數(shù)R2=98.55%，并對(duì)雙螺桿擠出改性脫脂玉米蛋白粉進(jìn)行工藝優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果顯示：物料含水量68%、擠出溫度163℃、螺桿轉(zhuǎn)速30Hz時(shí)擠出后的脫脂玉米蛋白粉中可溶性蛋白含量為3.43%。凝膠電泳結(jié)果顯示，其中可溶性蛋白分子質(zhì)量主要分布在14300D以下，其中大部分是分子量在6500～3500D的多肽，使玉米蛋白粉的應(yīng)用及加工性能得到改善。

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Optimization of Twin-screw Extrusion Technology of Defatted Corn Gluten Meal by Response Surface-Methodology

ZHANG Yan-rong，ZHOU Qing-tao，ZHANG Chuan-zhi，WANG Da-wei*
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

The objective of the present study was to optimize the process conditions for the modification of defatted corn gluten meal by two-screw extrusion by response surface methodology. The soluble protein content of extruded corn gluten meal was investigated with respect to water content before extrusion, extrusion temperature and screw rotation speed. The results indicated that the optimal twin-screw extrusion conditions were water content of 68%, extrusion temperature of 163 ℃ and rotation speed of 30 Hz (225 r/min). Under the optimal conditions, the soluble protein content of extruded corn gluten meal reached up to 3.43%. SDS-PAGE analysis demonstrated that the molecular weight distribution of soluble proteins in extruded corn gluten meal was in the range of 3500-14300 D, mainly consisting of polypeptides with a molecular weight between 3500 D and 6500 D. Modified corn gluten meal showed an obvious improvement in its physicochemical properties. Therefore, twinscrew extrusion is feasible to produce modified corn gluten meal.

defatted corn gluten meal；twin-screw extrusion；modification

TS213

A

1002-6630(2011)14-0072-07

2011-02-13

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD27B07)

張艷榮(1965—)，女，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z食、油脂與植物蛋白工程。E-mail：xcpyfzx@163.com

*通信作者：王大為(1960—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z食、油脂與植物蛋白工程。E-mail：xcpyfzx@163.com