擠壓膨化對胰蛋白酶酶解高變性豆粕效果的影響

張智宇 朱秀清，2 任為聰 梁雪華

(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院1，哈爾濱 150030)

(國家大豆工程技術研究中心2，哈爾濱 150030)

擠壓膨化對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)大學食品學院1，哈爾濱 150030)

(國家大豆工程技術研究中心2，哈爾濱 150030)

合理的原料預處理工藝能有效提高高溫豆粕的水解度，胰蛋白酶具有很強的專一性，水解程度較低?？疾炝瞬煌瑪D壓膨化條件對胰蛋白酶酶解高溫豆粕效果的影響，以螺桿轉速、物料含水率、?？字睆健⑻淄矞囟?、進樣量為因素，以水解度為檢測指標，采用5因素5水平(1/2實施)進行二次正交旋轉組合試驗設計，得到了膨化擠壓高變性豆粕優(yōu)化的預處理工藝參數(shù):溫度110℃，轉速101．28 r/min，?？? mm，含水量29．96%，進料量0．4 kg/min，此條件下胰蛋白酶水解膨化豆粕水解度達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營養(yǎng)因子并且蛋白結構發(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、促進微生物生長、促進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，進一步研究可進行預處理的方法有超聲、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)。高溫瞬時處理在食品工業(yè)中應用越來越多，有利于進一步的去除大豆的抗營養(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］。本試驗利用雙螺桿擠壓膨化高變性大豆粕預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，過80目篩，水分9．4%、脂肪5．4%、蛋白質(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 儀器與設備

DS56－Ⅲ型雙螺桿全膨化機:濟南塞信;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全自動定氮儀:上海纖檢儀器有限公司;UV－2401PC紫外可見分光光度計:日本島津公司。

1．3 試驗方法

水解度的測定參照 OPA 法［8－9］;蛋白質測定:GB/T 5009．5—2003。

1．4 試驗安排

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)，50 ℃，2．5 h］→滅酶(沸水浴 10 min)→離心(10 min，5 000 g)→取上清液→測定水解度

1．4．2 擠壓膨化條件的確定

根據(jù)單因素試驗，選取5個因素為自變量(xi)，以水解度為響應值(Y)，進行中心旋轉組合試驗設計［10－11］，共32個試驗點。因素水平編碼見表1。每個試驗點均做3個平行樣，取其平均值。

表1 中心旋轉組合設計因素水平編碼表

1．4．3 統(tǒng)計分析

應用 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 模型的驗證

通過響應面分析法優(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行酶解后水解度的測定，通過比較預測值和試驗值來驗證模型的有效性。

2 結果與討論

2．1 模型的擬合

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

表2 中心旋轉組合設計和響應值

通過分析自變量和因變量得到一個能夠在給定的范圍內預測響應值的回歸方程。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測值與實際試驗值擬合情況，見圖1，可看出預測值和試驗值擬合良好。

圖1 擠壓膨化對胰蛋白酶酶解效果影響的預測值與實際值的對應關系

表3 中心旋轉組合設計方差分析表

中心旋轉組合設計的方差分析見表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模型解釋;模型調整決定系數(shù)R2Adj=0．849 8，說明該模型可以解釋84．98%的響應值的變化，進而表明此模型擬合度較高，試驗誤差較小。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系。

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

2．2 自變量對響應值的影響

對回歸方程進行中心標準化處理，可直接從回歸系數(shù)絕對值的大小來分析各因素的改變對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響應值的影響，擠壓膨化對胰蛋白酶酶解高溫粕水解效果的影響的響應面見圖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℃時影響較大，之后隨溫度升高而逐漸降低。這是由于蛋白質分子受到高溫、高壓、高剪切力的作用，原有的空間結構被打亂而熔融，離開?？跁r，隨著壓力迅速下降，過熱水急劇蒸發(fā)，在纖維狀結構中留下了多孔氣泡狀空間結構［13］。大豆蛋白的熱穩(wěn)定性可由熱變性溫度和熱焓來反應［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位點，不利于酶的作用。因此過高的膨化溫度不利于酶解。

2．2．2 轉速

由圖2、圖6、圖8可知，隨轉速的增加水解度增加，在95～110 r/min時影響較大，之后隨轉速的增加而加速下降。螺桿轉速與物料在擠壓腔的滯留時間有關，轉速過快，物料在擠壓腔停留太短，剪切作用強，機械能轉化為熱能越大［15］，蛋白經(jīng)適當熱處理暴露的位點多更利于水解。轉速過慢，剪切作用弱，熱能轉化少，蛋白結構未完全展開反應位點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，分子內部高度規(guī)則的空間結構被一定程度破壞，部分氫鍵、范德華力、離子鍵等次級鍵斷裂，肽鏈一定程度松散，部分蛋白質分子發(fā)生了定向的再結合，形成多孔的蛋白結構［16］，適度的高溫高壓處理能使蛋白結構展開并暴露出更多的反應位點，從而加速了水解多肽的生成速率利于酶解，但模孔太小會出現(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%時影響較大。物料中含水量的增加，導致部分水穿透至蛋白質結構的空洞表面導致蛋白質溶脹，這種溶脹作用提高了多肽鏈的移動性和柔性，當加熱時，這種柔性結構更易變性，易于水解，但水分過高，變性溫度快速下降［17］，當水分高于某一值時，一方面可能是蛋白質變性程度加劇，變性的蛋白質不再降解;另一方面由于物料的含水量過高，物料的濕潤程度大，形變性和輸送特性增強，受到機筒內部的壓力、摩擦力和剪切力降低，在機筒內滯留時間縮短，以至于纖維物料分子裂解程度降低，而不利于酶解。

2．2．5 進料量

由圖5、圖8、圖11可知，隨進料量的增加水解度逐漸升高，0．35～0．45 kg/min時影響較大。因為進料速度與原料性質有關。原料表面越光滑則進料速度應越慢，若進料速度過快會造成進料與螺桿轉速不協(xié)調造成物料聚積，阻止螺桿與套筒的相對運動，從而造成堵料和電機不能正常運轉的故障［18］。

2．3 最適條件的模型驗證

綜合考慮各項試驗因素及其相互作用，根據(jù)二次多項回歸方程，利用Design－Expert 7．1設計軟件優(yōu)化出擠壓膨化對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℃、螺桿轉速101．28 r/min、模孔直徑 4 mm、含水量 29．96%、進料量0．4 kg/min，在此條件下進行了5組驗證試驗得到胰蛋白酶水解膨化豆粕水解度為12．49%，而模型預測值為12．6%，相對誤差為0．87%，差異不顯著，說明用響應面法優(yōu)化出的工藝參數(shù)合理可靠，實際應用價值高。根據(jù)上述優(yōu)化的試驗條件進行驗證試驗，得到擠壓膨化后的高變性豆粕樣品與未進行擠壓的高變性豆粕進行水解度的比較，結果見表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切實可行預處理的方法，為實際應用提供了可靠的理論依據(jù)。

3 結論

3．1 各擠壓參數(shù)對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＞螺桿轉速＞擠壓溫度＞進料量。

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℃，轉速101．28 r/min，?？? mm，含水量29．96%，進料量0．4 kg/min，此條件下預測可達水解度達12．6%。實際測得水解度為12．49%，表明擠壓膨化對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 胰蛋白酶酶解試驗中酶活添加量僅為4 000 U/g，若提高胰蛋白酶的酶活力，水解效果會進一步得到提高，為高變性豆粕的改性和利用提供了一個可行的方法。

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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)品加工及儲藏

朱秀清，女，1968年出生，研究員，大豆精深加工