擠壓膨化對大豆?jié)饪s蛋白物理特性和蛋白組分的影響

■ 林華杏 覃笛根 陳 強(qiáng) 孟曉雪 鄭煜東 譚北平 遲淑艷

（廣東海洋大學(xué)，水產(chǎn)動(dòng)物營養(yǎng)與飼料實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江 524025）

隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展和高度集約化，飼料工業(yè)對蛋白質(zhì)飼料的需求日益增加。魚粉在原料的資源量和價(jià)格方面已經(jīng)對產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展產(chǎn)生了不利影響[1]，而非魚粉蛋白源在營養(yǎng)品質(zhì)和飼料加工工藝的角度上又帶來了新的挑戰(zhàn)。大豆蛋白源因具有蛋白質(zhì)含量高、營養(yǎng)組成平衡、價(jià)格合理和供應(yīng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)飼料行業(yè)[2]。2020年中國大豆產(chǎn)量為1 960 萬噸，僅次于美國、巴西、阿根廷，居世界第四位[3]。

大豆?jié)饪s蛋白是以脫脂豆粕為原料，去除大豆糖蜜等非蛋白成分后，蛋白質(zhì)含量達(dá)到65%以上[4]，高于國產(chǎn)魚粉和部分進(jìn)口魚粉。大豆?jié)饪s蛋白品質(zhì)主要包括營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)，與大豆中蛋白質(zhì)含量以及各組分的含量和比例密切相關(guān)。大豆?jié)饪s蛋白中的蛋白質(zhì)組分依據(jù)溶解性的不同分為4 類：溶于水的清蛋白、溶于稀鹽的球蛋白、溶于稀堿的谷蛋白和溶于乙醇的醇溶蛋白[5]。清蛋白和球蛋白具有生理活性，可調(diào)控機(jī)體發(fā)育的多種代謝活動(dòng)，主要影響原料的營養(yǎng)品質(zhì)[6]。醇溶蛋白和谷蛋白稱為貯藏蛋白或面筋蛋白，主要影響原料的加工品質(zhì)。醇溶蛋白富有黏性、延展性和膨脹性；醇溶蛋白和谷蛋白的含量與組成決定蛋白質(zhì)加工質(zhì)量，在面團(tuán)流變學(xué)特性等加工品質(zhì)中發(fā)揮重要作用[7-8]。

擠壓膨化技術(shù)使原料發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，如淀粉熟化、蛋白質(zhì)受熱分解變性等[9]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品、飼料等加工領(lǐng)域，可改善飼料適口性和提高養(yǎng)分消化率，顯著促進(jìn)動(dòng)物的生長性能[10-12]。在水產(chǎn)飼料中，蛋白質(zhì)的黏性、彈性及吸水性等特征與水產(chǎn)膨化飼料的穩(wěn)定性有著十分密切的聯(lián)系[13]。研究表明，擠壓膨化處理引起大豆蛋白結(jié)構(gòu)變化，影響飼料溶解性和吸水性[14]。飼料生產(chǎn)過程中可能會(huì)對飼料進(jìn)行多次膨化，然而，一次膨化與二次膨化對飼料質(zhì)量的影響是有差異的[15]。本研究以大豆?jié)饪s蛋白為唯一蛋白源，分析擠壓膨化工藝對其蛋白質(zhì)組分和膨化顆粒品質(zhì)的影響，為蛋白質(zhì)原料在擠壓膨化加工過程的變化提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 飼料

大豆?jié)饪s蛋白（含粗蛋白66.83%）中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白及谷蛋白含量見圖1。本試驗(yàn)所用飼料配方（表1）中含大豆?jié)饪s蛋白（湛江市海寶飼料有限公司）70%，小麥淀粉（南海穗揚(yáng)食品原料有限公司）28%，磷脂（湛江市粵海飼料有限公司）2%。按配方稱量，過60 目篩，置于混合機(jī)中（江蘇馳通機(jī)械制造有限公司，型號為VH-6）混勻，加入已稱量好的磷脂，裝入混合機(jī)中二次混合（天津聯(lián)恒工業(yè)有限公司，型號為B20-G），并緩慢加水（飼料質(zhì)量的25%～30%）。將混合均勻的物料裝入膨化機(jī)（北京現(xiàn)代洋工機(jī)械科技發(fā)展有限公司，型號為TSE65S），?？字睆綖? mm，制成顆粒狀，完成一次膨化。將制好的顆粒分出50%，再次倒入膨化機(jī)，進(jìn)行第二次膨化制粒。兩次制得的顆粒飼料在室溫風(fēng)干，用密封袋密封，于-20 ℃儲存。

表1 飼料組成

圖1 大豆?jié)饪s蛋白各蛋白類型的含量

膨化機(jī)運(yùn)行參數(shù)：主機(jī)30 Hz，主機(jī)溫度39.8 ℃，切刀轉(zhuǎn)速1 080 r/min，油泵溫度39.8 ℃。

1.2 試劑

總蛋白含量測定試劑盒（南京建成生物工程研究所有限公司）；配制5%氯化鈉溶液（氯化鈉分析純購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），70%乙醇（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）溶液，0.2%氫氧化鈉（分析純，光華科技股份有限公司）溶液。

1.3 測試方法

1.3.1 各蛋白類型含量檢測

將制成配合飼料的飼料顆粒，隨機(jī)取一定量，通過破碎機(jī)（溫嶺市林大機(jī)械有限公司，DFY-500C）進(jìn)行低速破碎，收集粉末。分別對大豆?jié)饪s蛋白原料和配合飼料進(jìn)行蛋白類型含量檢測。

1.3.1.1 清蛋白含量

稱取0.1 g 飼料粉末于1.5 mL 離心管中，加1 mL純化水，于搖床上振蕩提取2 h，然后在10 000 r/min條件下離心10 min，將上清液傾入10 mL 刻度試管中，重復(fù)提取3次，最后合并提取液。

1.3.1.2 球蛋白含量

在提取過清蛋白的原料粉沉淀中加1 mL 5%氯化鈉溶液以提取球蛋白，其提取及測定過程與上述清蛋白含量測定方法相同。

1.3.1.3 醇溶蛋白含量

在提取過球蛋白的原料粉沉淀中加1 mL 70%乙醇溶液，其提取及測定過程與上述清蛋白含量測定方法相同。

1.3.1.4 谷蛋白含量

在提取過醇溶蛋白的米粉沉淀中加1 mL 0.2%氫氧化鈉溶液，于搖床上振蕩提取2 h，然后在12 000 r/min條件下離心10 min，將上清液傾入50 mL 容量瓶中，重復(fù)提取3次，合并提取液。

各提取液的蛋白質(zhì)含量測定均嚴(yán)格按照試劑盒（南京建成生物工程研究所有限公司）說明書進(jìn)行操作。上述各組分蛋白質(zhì)含量的測定，每樣品均重復(fù)3次。

1.3.2 膨化顆粒料容重

在1 L 量筒中倒?jié)M顆粒飼料，將其超出量筒上邊緣的顆粒用直尺削平，體積記作V。在裝入飼料顆粒時(shí)，避免在量筒內(nèi)出現(xiàn)較大空隙，然后稱量量筒內(nèi)所裝飼料質(zhì)量（m），計(jì)算容重。

容重（g/m3）=量筒內(nèi)飼料的質(zhì)量/量筒內(nèi)飼料的體積

1.3.3 膨化顆粒料軟化時(shí)間

在燒杯中添加水，數(shù)30 粒飼料顆粒投入水中，計(jì)時(shí)。試驗(yàn)期間不間斷地用鑷子隨機(jī)取出顆粒進(jìn)行觀察，直至取出的顆粒橫截面全部被水浸潤，可以用手指捏碎且無“硬芯”，以80%的飼料軟化透心為計(jì)時(shí)終點(diǎn)。

1.3.4 顆粒徑向膨化率

每份樣品隨機(jī)取20 粒，用游標(biāo)卡尺測量其直徑，取其平均值作為樣品直徑，膨化樣品的橫切面直徑與?？字睆街龋?jì)算徑向膨化率。

樣品的徑向膨化率=樣品的橫切面直徑（mm）/模孔直徑（mm）

1.3.5 膨化顆粒料吸水性

稱取飼料粉末0.50 g，放入離心管中，稱重W1，加入5 mL 純化水，混勻，靜置40 min 后，4 500 r/min 離心15 min，去除上清液，稱量W2，計(jì)算吸水性。

吸水性（g/g）=（W2-W1）/0.50

式中：W1——樣品和離心管的質(zhì)量（g）；

W2——去除水分后的樣品和離心管總質(zhì)量（g）。

1.3.6 膨化顆粒料溶解度的測定

稱取飼料粉末2.00 g（m1），加入20 mL 50 ℃純化水，于50 ℃水浴攪拌30 min，3 000 r/min離心10 min。吸取2 mL 上清液于已恒重的稱量瓶中，(105±2) ℃干燥至恒重，稱得溶解物質(zhì)量（m2），計(jì)算溶解度。

溶解度（%）=[（10×m2）/m1]×100

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 進(jìn)行方差分析。數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。以P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 膨化次數(shù)對飼料蛋白組成的影響

如圖2 所示，二次膨化對飼料的蛋白組成影響較顯著。其中，二次膨化中飼料的醇溶蛋白、清蛋白和谷蛋白含量均顯著低于一次膨化（P＜0.05）。醇溶蛋白含量下降了73.85%，清蛋白含量下降了14.18%，谷蛋白含量下降了9.03%。二次膨化的飼料球蛋白含量與一次膨化的飼料球蛋白含量無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 大豆?jié)饪s蛋白飼料一次膨化和二次膨化各類型蛋白含量

2.2 膨化次數(shù)對飼料相關(guān)物理特性的影響

由表2 可知，膨化次數(shù)對飼料的徑向膨化率和溶解度均有顯著影響（P＜0.05）。二次膨化的飼料徑向膨化率顯著低于一次膨化（P＜0.05）。然而，二次膨化的飼料溶解度顯著高于一次膨化的飼料溶解度（P＜0.05）。飼料的容重、軟化時(shí)間和吸水性均無顯著差異（P＞0.05）。二次膨化的飼料容重和吸水性高于一次膨化。二次膨化的飼料軟化時(shí)間低于一次膨化。

表2 飼料一次膨化和二次膨化相關(guān)指標(biāo)

2.3 一次膨化飼料物理特性與蛋白質(zhì)類型的相關(guān)性

由表3 可知，在一次膨化飼料中，吸水性與醇溶蛋白呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。徑向膨化率與清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白呈正相關(guān)，與谷蛋白呈負(fù)相關(guān)。其中，徑向膨化率與蛋白質(zhì)類型的相關(guān)性大小為：球蛋白＞醇溶蛋白＞清蛋白＞谷蛋白。溶解度與谷蛋白呈正相關(guān)，與其他蛋白呈負(fù)相關(guān)。

表3 一次膨化飼料物理特性與蛋白質(zhì)類型的相關(guān)性

3 討論

蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)性物質(zhì)，幾乎參與了所有的生命活動(dòng)，作為機(jī)體的重要組成部分，蛋白質(zhì)在營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、飲食結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位[16]。高溫一般會(huì)引起蛋白質(zhì)組分的明顯變化。擠壓膨化技術(shù)是一種現(xiàn)代的飼料加工方法，經(jīng)過高溫、高壓、高剪切力等綜合處理后的飼料原料[17]。大豆蛋白在高溫、高壓和高剪切的作用下，維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵發(fā)生一系列變化[14]。研究表明，高溫高濕條件容易改變清蛋白和球蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而使清蛋白和球蛋白的物理性質(zhì)發(fā)生改變，使清蛋白和球蛋白含量的下降[18]。本研究也得到相似的結(jié)論，高溫和高壓的擠壓膨化條件下，清蛋白含量顯著下降。研究表明，擠壓過程中的熱效應(yīng)和剪切效應(yīng)使蛋白質(zhì)發(fā)生變性，分子內(nèi)部疏水基團(tuán)暴露[19]。球蛋白因其內(nèi)部的二硫鍵和疏水作用維持十分緊實(shí)的折疊結(jié)構(gòu)，且所含有的堿性亞基表面具有大量的疏水基團(tuán)，易發(fā)生自聚集[20]。此外，馬夢瑤等[21]研究發(fā)現(xiàn)，延長加熱時(shí)間，谷蛋白和醇溶蛋白結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔眩荒苄纬蛇B續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在本試驗(yàn)中，醇溶蛋白和谷蛋白含量也顯著下降，可能是較高的濕熱處理造成蛋白質(zhì)表面張力變大，形成凹陷甚至破裂的不規(guī)則表面，這說明熱處理會(huì)破壞蛋白質(zhì)完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且隨著濕熱處理時(shí)間的增長，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)會(huì)被進(jìn)一步破壞，影響飼料的品質(zhì)[22]。因此，在本試驗(yàn)條件下，一次膨化比二次膨化更能保存大豆?jié)饪s蛋白中蛋白質(zhì)組成含量。

溶解度主要反映淀粉顆粒的降解程度，溶解度間接表示了樣品中可溶解性營養(yǎng)素含量的多少以及樣品在水中的溶解性能；吸水性能夠表明淀粉的吸水能力，這兩個(gè)指標(biāo)可用于衡量粉體的沖調(diào)特性和穩(wěn)定性[23-24]。擠壓膨化對糙米粉溶解度與吸水性的影響表明擠壓膨化能顯著提高擠出物的水溶性與復(fù)水性[25-27]。本試驗(yàn)中，二次膨化后也得到類似的結(jié)果。這一變化結(jié)果可能有兩方面的原因：一方面，濕物料在高溫、高壓、高剪切力的作用下，淀粉充分糊化，大分子物質(zhì)（如淀粉、蛋白質(zhì)、粗纖維等）斷裂成小分子物質(zhì)，可溶性物質(zhì)進(jìn)一步增加；另一方面，多次擠壓膨化會(huì)加大破壞淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，從而使擠出物具有較高的吸水性[28]；并且，原本含水量較低的飼料經(jīng)過二次膨化，水分隨高溫蒸發(fā)，制成的飼料更易吸水。因此，一次膨化比二次膨化更穩(wěn)定。此外，研究表明谷物類品質(zhì)性狀與谷蛋白/醇溶蛋白比值呈顯著相關(guān)[29]。隨谷蛋白含量增加，穩(wěn)定時(shí)間都有明顯增加；醇溶蛋白高于谷蛋白含量，其穩(wěn)定時(shí)間短。趙乃新等[30]研究表明，小麥品質(zhì)性狀與麥谷蛋白/醇溶蛋白比值顯著相關(guān)，隨麥谷蛋白含量的增加，穩(wěn)定時(shí)間有明顯延長。梁榮奇等[31]指出，總蛋白含量相當(dāng)時(shí)，隨著醇溶蛋白含量降低，谷蛋白含量增加，小麥穩(wěn)定時(shí)間延長。在本試驗(yàn)中，進(jìn)一步分析一次膨化的吸水性和溶解度與大豆?jié)饪s蛋白類型的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)吸水性與醇溶蛋白含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；而溶解度與谷蛋白呈正相關(guān)。因此，在一次膨化中，原料谷蛋白/醇溶蛋白比值對膨化料的穩(wěn)定性具有重要作用。

膨化率直接影響膨化產(chǎn)品的質(zhì)地和口感，是衡量擠壓膨化產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[32]，徑向膨化率是衡量膨化度的重要指標(biāo)[33]。水是谷物的主要軟化劑，可使物料在擠出過程中發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，因而使物料易于變形和膨脹[34]。在本試驗(yàn)中，第二次的擠壓膨化過程中，沒有再添加水，第一次的徑向膨化率顯著高于第二次。此外，研究表明，植物性蛋白具有較高的吸水性（親水性），會(huì)使熔融物料具有更高的表觀黏度，增強(qiáng)了水與微顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而降低了模頭處熔體過熱時(shí)的膨脹效果[35]。因此，二次膨化過程中，由于自身含水量少和吸水的特性，導(dǎo)致配合飼料膨化率顯著下降。此外，大量研究表明，膨化率與飼料淀粉含量有關(guān)，淀粉含量的增加，擠壓產(chǎn)品的體積膨化率增大[36-37]。目前，膨化率與原料蛋白質(zhì)類型之間關(guān)系的研究極少。本試驗(yàn)進(jìn)行徑向膨化率與大豆?jié)饪s蛋白類型相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)與其他蛋白相比，膨化率與球蛋白相關(guān)性高，兩者之間的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。

容重表示膨化飼料在一定容積內(nèi)的質(zhì)量，是飼料膨化質(zhì)量的綜合標(biāo)志。研究發(fā)現(xiàn)，在水分含量從24%上升至32%過程中，容重呈持續(xù)上升趨勢[38]。這與Singh 等[39]獲得的擠壓膨化豌豆蛋白的研究結(jié)果一致。然而在本研究中，二次膨化的容重比一次膨化大。原因可能是在第一次膨化過程中，飼料含水量高，膨化效果好，膨化率高，飼料顆粒中氣孔數(shù)量多，則顆粒容重越低[40]。

飼料軟化時(shí)間是表示飼料在水體中維持顆粒一定形態(tài)的時(shí)間，間接反映飼料在水體中的穩(wěn)定性。王昊等[38]研究擠壓膨化工藝參數(shù)對全植物蛋白配方的水產(chǎn)飼料顆粒質(zhì)量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，含水量充足時(shí)飼料的膨化率顯著升高，耐水性隨之顯著升高，軟化時(shí)間也相應(yīng)地延長。本研究也得到類似的結(jié)論。在第一次膨化過程中，充足的含水量能夠促進(jìn)原料微顆粒之間的均勻混合與相互交聯(lián)，使成型后顆粒經(jīng)過長時(shí)間浸泡后更具有黏彈性，而不易潰散。因此，在本試驗(yàn)條件下，膨化一次能夠更好地延長膨化飼料的軟化時(shí)間。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件下，以大豆?jié)饪s蛋白作為配合飼料的主要蛋白原料，一次膨化比二次膨化效果好。一次膨化能較好地保存飼料中的蛋白組成含量，具有較高的膨化率，提高在水體中的穩(wěn)定性。