尋崇榮,薛洪飛,劉寶華,江連洲,謝鳳英,3,李 楊,隋曉楠,王中江,*
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030;2.濟(jì)南真諾機(jī)械有限公司,山東 濟(jì)南 250000;3.哈爾濱市食品產(chǎn)業(yè)研究院,黑龍江 哈爾濱 150030)
肉類含有人體所需的高質(zhì)量蛋白,具有良好的風(fēng)味及適口性,受到廣泛青睞[1]。1961年以來,由于人口的增加、城市化、工業(yè)化、教育和收入的提高,發(fā)展中國(guó)家人均肉類消費(fèi)量增長(zhǎng)迅速,預(yù)期到2030年,肉類需求量將增加72%[2-4]。近年來,肉制品不斷出現(xiàn)的道德倫理問題,過度食用引起的公共衛(wèi)生問題,生產(chǎn)加工過程的土地資源、水資源消耗及CO2排放等環(huán)境問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn),利用植物資源生產(chǎn)高蛋白仿肉制品的研究引起了人們的廣泛關(guān)注[5-6]。
仿肉制品與某些肉類的美學(xué)性質(zhì)和化學(xué)特性相似,由非動(dòng)物蛋白制成,其口感、外觀及風(fēng)味類似肉類[7]。由于植物蛋白仿肉制品的高營(yíng)養(yǎng)特性及其生產(chǎn)成本較低、價(jià)格穩(wěn)定、不易受季節(jié)性供應(yīng)波動(dòng)影響、保質(zhì)期長(zhǎng)、易儲(chǔ)存等加工儲(chǔ)藏特性,仿肉制品可作為昂貴動(dòng)物源蛋白的替代品應(yīng)用于食品加工工業(yè)中[8-10]。目前常用的仿肉制品原料為大豆分離蛋白、大豆?jié)饪s蛋白、脫脂豆粉、谷朊粉等,其中大豆分離蛋白及谷朊粉成分單一,常用于學(xué)術(shù)研究。谷朊粉是一種具有黏性、黏彈性的復(fù)合物,是從小麥面粉中分離出來的面筋蛋白,其主要組分是麥谷蛋白和醇溶蛋白,由于其低廉的生產(chǎn)成本及良好的功能特性(如溶解性、黏度、膨脹性、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)),廣泛用于仿肉制品的生產(chǎn)加工[11]。楊聳[12]和Kumar等[13]的研究結(jié)果表明向大豆分離蛋白中混入適量的谷朊粉可提高仿肉制品的纖維化程度,改善產(chǎn)品的口感及風(fēng)味,增加產(chǎn)品亮度及白度。
目前制備仿肉制品主要用擠壓法、凍結(jié)法、紡絲粘結(jié)法和水蒸氣膨化法等,其中擠壓法應(yīng)用廣泛,可大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn),操作便利,不產(chǎn)生廢料,產(chǎn)品質(zhì)地均勻,較為經(jīng)濟(jì)流行[14-17]。高濕擠壓技術(shù)(物料含水率≥40%)是國(guó)際上新興的植物蛋白重組技術(shù),得到的產(chǎn)品質(zhì)地與肉類相似,不需復(fù)水即可直接食用,營(yíng)養(yǎng)成分和生理活性成分損失少,但得到的產(chǎn)品風(fēng)味較差,豆腥味嚴(yán)重,需對(duì)擠壓物料進(jìn)行調(diào)味,以改善產(chǎn)品的感官可接受度[15,18]。Palkert等[19]直接將揮發(fā)性風(fēng)味化合物添加到脫脂大豆粉中,混合后靜置反應(yīng)45 min,然后進(jìn)行低水分?jǐn)D壓(物料含水量30%),結(jié)果發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)平均回收率不到10%,風(fēng)味損失嚴(yán)重。Milani等[20]在擠壓大豆分離蛋白物料中加入風(fēng)味增強(qiáng)劑(肌苷酸二鈉和味精),發(fā)現(xiàn)得到低水分?jǐn)D壓樣品,其揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的保留率不僅受風(fēng)味增強(qiáng)劑影響,也與擠壓溫度及物料水分含量有關(guān),其最高風(fēng)味保留率為27%左右。Yuliani等[21-22]分別利用酪蛋白酸鈉和β-環(huán)糊精微膠囊技術(shù)包埋風(fēng)味物質(zhì)檸檬烯,以玉米淀粉為擠壓原料進(jìn)行低水分?jǐn)D壓,結(jié)果發(fā)現(xiàn)檸檬烯保留率受擠壓條件的影響較大,平均保留率分別為65%和92.2%。上述研究表明擠壓產(chǎn)品的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率隨擠壓物料、擠壓參數(shù)、揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)處理方式的不同有較大差異。
目前對(duì)低水分?jǐn)D壓產(chǎn)品風(fēng)味物質(zhì)保留率的研究較多,對(duì)高濕擠壓產(chǎn)品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的研究尚鮮見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)利用高濕擠壓技術(shù)制備植物蛋白仿肉制品,以大豆分離蛋白為主要擠壓物料,天然呈味粉末油脂為香氣調(diào)味料,確定擠壓參數(shù)對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響,為持香型仿肉制品的生產(chǎn)加工提供理論支撐。
大豆分離蛋白(蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%) 山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司;谷朊粉(蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)85.92%)鄭州天龍生物科技有限公司;天然呈味粉末(成分:香辛料風(fēng)味提取物、β-環(huán)狀糊精,油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%)廣州市晨益貿(mào)易有限公司;實(shí)驗(yàn)所需基礎(chǔ)試劑(均為分析純) 北京化學(xué)試劑公司。
拌粉機(jī) 濟(jì)南德倫機(jī)械設(shè)備有限公司;FT-36型雙螺桿擠壓機(jī) 濟(jì)南真諾機(jī)械有限公司;DZ型真空包裝機(jī) 萬(wàn)昌隆包裝機(jī)電有限公司;7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)安捷倫公司;203182Hamilton-CTC頂空進(jìn)樣針(5 mL) 深圳市諾亞迪化學(xué)科技有限公司;TA.XT Plus型物性測(cè)試儀 英國(guó)Stable Micro System公司;AL204型分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。
1.3.1 持香型仿肉制品的制備
拌料→參數(shù)調(diào)節(jié)→喂料→高濕擠壓→真空密封→冷藏
準(zhǔn)確稱取1 kg大豆分離蛋白和一定量的谷朊粉于拌粉機(jī)中,添加1%(占大豆分離蛋白和谷朊粉總質(zhì)量的百分比)天然呈味粉末,在拌粉機(jī)中混合20 min,混合的同時(shí)于注水口添加一定量的去離子水;擠壓機(jī)喂料速率為30 g/min;擠壓筒各加熱區(qū)段溫度:1區(qū)(喂料區(qū))20 ℃,2~4區(qū)(2~4區(qū)為固定加熱區(qū),其溫度隨5區(qū)擠壓溫度的變化有輕微浮動(dòng),浮動(dòng)溫度范圍5 ℃左右)分別為60、80、100 ℃,5區(qū)稱為擠壓溫度區(qū),6區(qū)和7區(qū)為冷卻段(冷卻段溫度受擠壓溫度的影響,其監(jiān)控溫度為50~70 ℃);調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度,將拌好的物料加入喂料桶,進(jìn)行擠壓,擠出樣品立即密封并于4 ℃冰箱儲(chǔ)存?zhèn)溆肹23]。
1.3.2 頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析
參照葉韜等[24]的研究方法,萃取頭于氣相色譜進(jìn)樣口活化1 h(270 ℃),稱取2.0 g切割為2 mm左右的樣品于螺口瓶中,加入1 μL 2,4,6-三甲基吡啶作為定量?jī)?nèi)標(biāo)物,密封,插入手動(dòng)固相微萃取進(jìn)樣器,推出纖維頭,調(diào)整萃取頭位置于樣品上方且不接觸樣品,萃取40 min(60 ℃恒溫水?。?,推入纖維頭,拔出固相微萃取管放入氣相色譜進(jìn)樣口,推出纖維頭,解析3 min。色譜條件:色譜柱DB-5MS(30 m×0.25 mm,0.25 μm),柱流量1 mL/min,進(jìn)口溫度250 ℃,調(diào)節(jié)起始溫度40 ℃停留2 min,升至120 ℃(升溫速率6 ℃/min,停留5 min),升至200 ℃(升溫速率8 ℃/min,停留2 min),升至250 ℃(升溫速率10 ℃/min,停留8 min)。質(zhì)譜條件:接口溫度250℃,離子源溫度230 ℃,四極桿溫度150 ℃,電子電離源,電子能量70 eV,質(zhì)量掃描范圍45~450 amu/s。以匹配度大于800的化合物進(jìn)行質(zhì)譜定性,以各揮發(fā)性物質(zhì)的峰面積與內(nèi)標(biāo)物峰面積的比值進(jìn)行定量,擠壓樣品中各揮發(fā)性物質(zhì)保留率計(jì)算見下式:
1.3.3 高濕擠壓工藝的單因素試驗(yàn)
以谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、擠壓溫度150 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min為固定擠壓工藝,分別選取谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以原料大豆分離蛋白質(zhì)量計(jì))0%、10%、20%、30%、40%,擠壓溫度120、130、140、150、160 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速200、250、300、350、400 r/min進(jìn)行單因素試驗(yàn)。通過揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率分析確定高濕擠壓工藝單因素最優(yōu)條件。
1.3.4 高濕擠壓工藝的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)
在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì),選取谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速3 個(gè)因素為自變量,以總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率為響應(yīng)值,設(shè)置3因素3水平試驗(yàn),因素與水平如表1所示。
表1 單因素試驗(yàn)因素與水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for one-factor-at-a-time design
每組都進(jìn)行3 次平行,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 18對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性和差異顯著性分析;采用Origin 8.5軟件進(jìn)行作圖;數(shù)據(jù)及方差分析利用Design-Expert軟件進(jìn)行。
2.1.1 谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)仿肉制品各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響
表2 谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)仿肉制品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響Table 2 Effect of wheat gluten content on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues%
由表2可知,仿肉制品中各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的保留率隨原料谷朊粉含量的變化有部分差異。仿肉制品中烯類、酚類、醇類、烷類及酯類總保留率隨谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加均有先增大后減小的變化趨勢(shì),且谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率最高。原因可能是一定程度上增加谷朊粉含量,可改善原料在機(jī)筒中的黏度,增強(qiáng)蛋白對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的吸附,導(dǎo)致保留率增大;而繼續(xù)增加谷朊粉,原料在擠出瞬間,仿肉制品有輕度膨化現(xiàn)象,擠出物硬度降低,膨化引起擠出物表面破裂,部分揮發(fā)性物質(zhì)隨破裂表面揮發(fā)除去,導(dǎo)致保留率減小[12]。其中3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯和桉樹醇的保留率均為0%,石竹烯保留率隨谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增大后減?。≒<0.05),當(dāng)谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、40%時(shí),保留率為0%,原因可能是原料中這3 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量較少,且在擠壓過程中損失較大,導(dǎo)致剩余含量較少難以檢測(cè)到。而隨谷朊粉的增多,草蒿腦保留率變化不規(guī)律、茴香腦有先減小后增大的變化趨勢(shì)、醛類有減小趨勢(shì),該保留率變化可能與風(fēng)味物質(zhì)的物理化學(xué)特性及擠壓過程中蛋白結(jié)構(gòu)變化(如蛋白疏水基團(tuán)暴露、表面疏水性變化等)有關(guān)[19,25],導(dǎo)致擠壓過程中蛋白對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的吸附能力及結(jié)合能力不同,繼而出現(xiàn)不同的風(fēng)味物質(zhì)保留率變化。綜上所述,選擇20%原料谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最優(yōu)值。
2.1.2 原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)仿肉制品各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響
表3 原料水分含量對(duì)仿肉制品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響Table 3 Effect of raw material moisture content on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues%
由表3可知,仿肉制品中各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率及烯類、酚類、醛類、醇類、酯類及烷烴類總保留率隨原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加均有減小趨勢(shì),且原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由60%增加到80%時(shí),總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率顯著減?。≒<0.05),原因可能是部分揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在仿肉制品擠出時(shí)隨水分的蒸發(fā)而揮發(fā)出去,且隨著原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,仿肉制品中水分蒸發(fā)量增多,繼而帶出更多的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),導(dǎo)致其保留率降低。而部分揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)(β-月桂烯、麥芽酚、對(duì)異丙基苯甲醛及1-甲基-4-異丙基-環(huán)己烷等)保留率隨原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有先增大后減小的趨勢(shì),原因可能是增加原料水分含量,導(dǎo)致原料體系黏度增大,增加蛋白對(duì)部分揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的吸附作用,在仿肉制品擠出時(shí),受水分蒸發(fā)影響較小,保留率較大[26-27]。由于水分含量較低影響仿肉制品的咀嚼性,故選擇60%水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最優(yōu)值[14],且不對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。
2.1.3 擠壓溫度對(duì)仿肉制品各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響
表4 擠壓溫度對(duì)仿肉制品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響Table 4 Effect of extrusion temperature on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues%
由表4可知,仿肉制品中各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率及烯類、酚類、醇類、酯類及烷烴類的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)總保留率隨擠壓溫度的升高均有先增大后減小的變化趨勢(shì),且在150 ℃擠壓溫度時(shí)最大。而醛類物質(zhì)保留率隨擠壓溫度的升高逐漸增大,不同揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的保留率有較大差異,最高達(dá)到94.60%(3-蒈烯),最低為0%(3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯、石竹烯、桉樹醇),而與其他類型相比,醇類及醛類的保留率相對(duì)較小。上述保留率變化的原因可能與風(fēng)味物質(zhì)的物理化學(xué)特性及擠壓過程中蛋白結(jié)構(gòu)變化有關(guān),一定程度上升高擠壓溫度,仿肉制品結(jié)構(gòu)更加緊密,蛋白對(duì)醛類等部分揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的吸附力較強(qiáng),在仿肉制品擠出時(shí),受水分蒸發(fā)影響較小,導(dǎo)致保留率較大[28-29],而隨著擠壓溫度繼續(xù)升高,破壞β-環(huán)狀糊精膠囊,更多的風(fēng)味物質(zhì)流出,且溫度升高,增加仿肉制品中的水分蒸發(fā)量,繼而帶出更多的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),導(dǎo)致總保留率降低[22]。故選擇150 ℃的擠壓溫度為最優(yōu)值。
2.1.4 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)仿肉制品各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響
表5 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)仿肉制品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率的影響Table 5 Effect of screw speed on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues%
由表5可知,仿肉制品中各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率及烯類、酚類、醛類、醇類、酯類及烷烴類的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)總保留率隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加均有先增多后減少的變化趨勢(shì),且在300 r/min時(shí)最大。上述保留率變化的原因可能與擠壓過程中蛋白結(jié)構(gòu)變化有關(guān),一定程度上增加螺桿轉(zhuǎn)速,導(dǎo)致擠壓過程中蛋白對(duì)部分揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的吸附能力增強(qiáng),在仿肉制品擠出時(shí),受水分蒸發(fā)影響較小,導(dǎo)致保留率較大[29-30];而隨著螺桿轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加,物料在機(jī)筒的滯留時(shí)間縮短,縮短與蛋白的吸附時(shí)間,且較高的轉(zhuǎn)速也可能破壞β-環(huán)狀糊精膠囊,導(dǎo)致更多的風(fēng)味物質(zhì)流出,在物料擠出時(shí),隨擠出物中部分水分的蒸發(fā)而損失,導(dǎo)致其保留率較低[22]。故選擇300 r/min螺桿轉(zhuǎn)速為最優(yōu)值。
本試驗(yàn)利用統(tǒng)計(jì)軟件Design-Expert進(jìn)行響應(yīng)面法過程優(yōu)化,以谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速為自變量,以總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率為響應(yīng)值,根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)原理,具體試驗(yàn)方案與結(jié)果如表6所示。
表6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Experimental design and results for response surface analysis
仿肉制品中總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率通過Design-Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到二次回歸模型方程:R=43.87+0.38A+0.46B-2.35C+2.07AB-1.91AC+2.33BC-8.98A2-12.57B2-9.45C2。
該二次回歸模型的回歸與方差分析結(jié)果如表7所示。
表7 回歸與方差分析結(jié)果Table 7 Analysis of variance of regression model
圖1 兩因素交互作用對(duì)仿肉制品總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率影響的響應(yīng)面圖Fig. 1 Response surface plots showing the interactive effect of various variables on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues
由表6、7可知,擬合方程線性關(guān)系顯著,模型回歸項(xiàng)為顯著(P<0.000 1),失擬項(xiàng)為不顯著(P>0.05),模型擬合度R2為98.93%,R2Adj為97.56%,表明該模型可有效模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù),故可利用該模型對(duì)響應(yīng)值最優(yōu)值進(jìn)行理論推測(cè)。通過F檢驗(yàn)可比較得知各因素貢獻(xiàn)率依次為:C>B>A,即螺桿轉(zhuǎn)速>擠壓溫度>谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)。各因素交互作用響應(yīng)面見圖1,基于響應(yīng)面尋優(yōu)分析確定的最優(yōu)工藝參數(shù)為谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.32%、擠壓溫度149.72 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速293.43 r/min,響應(yīng)值總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率有最優(yōu)值,為44.04%。為適應(yīng)生產(chǎn)將制備條件優(yōu)化為原料谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、擠壓溫度150 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min,此條件下仿肉制品總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率為44.07%,說明試驗(yàn)值與回歸方程預(yù)測(cè)值吻合良好。
本實(shí)驗(yàn)對(duì)高濕擠壓技術(shù)制備持香型仿肉制品工藝進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、擠壓溫度及螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)仿肉制品的各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率均有影響,總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率隨谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加、擠壓溫度的升高及螺桿轉(zhuǎn)速的加快均有先增多后減少的變化趨勢(shì),但隨原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。由響應(yīng)面分析結(jié)果可知,持香型仿肉制品的最優(yōu)工藝參數(shù)為谷朊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、擠壓溫度150 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min,響應(yīng)值總揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)保留率有最優(yōu)值,為44.07%。根據(jù)上述結(jié)論可知持香型仿肉生產(chǎn)過程中的風(fēng)味損失較嚴(yán)重,風(fēng)味保留率不到一半,故可在優(yōu)化的擠壓工藝基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究風(fēng)味增強(qiáng)劑對(duì)仿肉擠壓過程中風(fēng)味損失的影響。