李明娟,張雅媛*,游向榮,周葵,王穎,衛(wèi)萍,韋林艷
1(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣西 南寧, 530007)2(廣西果蔬貯藏與加工新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧, 530007)
核桃(JuglansregiaL.)又名羌桃、胡桃,因具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值而深受消費(fèi)者和生產(chǎn)者青睞。核桃仁中蛋白質(zhì)含量高達(dá)14%~18%,含有18種氨基酸和8種人體必需氨基酸,含量豐富且種類齊全,其中谷氨酸和精氨酸含量較高,是核桃蛋白的特征性氨基酸,長(zhǎng)期食用對(duì)人體具有保健功效[1-2]。目前核桃的主要加工途徑是榨油,榨油后產(chǎn)生核桃粕副產(chǎn)物,核桃粕保留了核桃仁原有的蛋白質(zhì)成分,尤其是冷榨后的核桃粕其蛋白含量高達(dá)53.89%[3],且蛋白變性極少,是一種營(yíng)養(yǎng)豐富、來源廣泛又物美價(jià)廉的植物蛋白原料。我國(guó)是世界核桃種植和消費(fèi)大國(guó),種植面積和產(chǎn)量均居世界第一,隨著核桃種植規(guī)模、產(chǎn)量及其銷量的逐年擴(kuò)大,核桃粕資源隨之增大。然而,目前核桃粕大多被作為飼料、肥料或直接丟棄,造成大量核桃優(yōu)質(zhì)蛋白資源浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)效益低,同時(shí),因其富含蛋白質(zhì),直接丟棄對(duì)環(huán)境帶來嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化污染[4-5]。因此核桃粕蛋白粉產(chǎn)品的開發(fā)研究對(duì)實(shí)現(xiàn)核桃粕高附加值利用意義重大。
干燥方式是影響蛋白粉體功能性質(zhì)的重要因素,其粉體功能特性直接決定了其應(yīng)用。已有研究表明,不同干燥方式通過改變蓮子蛋白結(jié)構(gòu)而改變蛋白粉功能性質(zhì),噴霧干燥的蓮子蛋白粉起泡性優(yōu)于冷凍干燥,而溶解性、持油性和乳化性則低于冷凍干燥[6];噴霧干燥的亞麻籽粕蛋白粉起泡性高于真空冷凍干燥,而溶解性、持水性、吸油性、乳化性、乳化穩(wěn)定性和泡沫穩(wěn)定性則低于真空冷凍干燥[7];噴霧干燥制備的小扁豆蛋白粉溶解性和凝膠性高于冷凍和真空干燥,且吸水性低[8];冷凍干燥的苦蕎蛋白粉溶解性、乳化性和乳化穩(wěn)定性均最好,熱風(fēng)與真空干燥次之,微波干燥最差,而熱風(fēng)干燥的起泡性最好,微波干燥的起泡能力最差[9];冷凍干燥的花生蛋白溶解度、持油性、持水性和乳化穩(wěn)定性顯著高于噴霧干燥的,乳化性則較低[10]。蛋白粉體特性受不同干燥技術(shù)、不同蛋白種類影響,其持油性、持水性、乳化性和起泡性決定了其在烘焙產(chǎn)品、乳制品、肉制品、谷物制品等食品加工領(lǐng)域中的應(yīng)用效果[11]。
因此,選擇科學(xué)合適的干燥技術(shù)是制備具有優(yōu)良粉體特性核桃粕蛋白粉的關(guān)鍵。然而,目前關(guān)于不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉體特性的影響的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以液壓冷榨后的核桃粕為原料,采用熱風(fēng)、熱泵、真空冷凍和噴霧4種干燥技術(shù)制備核桃粕蛋白粉,對(duì)其粉體粒徑大小、堆積密度、流動(dòng)性、溶解性、持水性、持油性、乳化性、乳化穩(wěn)定性、起泡性及起泡穩(wěn)定性等進(jìn)行比較,分析4種干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉體性能的影響,以期選出適當(dāng)?shù)母稍锛夹g(shù)制備核桃粕蛋白粉,為其廣泛應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域奠定理論基礎(chǔ)。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑
核桃,采自廣西河池市鳳山縣;核桃粕為核桃仁經(jīng)液壓壓榨后的副產(chǎn)物,經(jīng)檢測(cè)其含水量為6.40%,蛋白含量為50.57%,脂肪含量25.33%;NaOH、檸檬酸均為食品級(jí),廣西南寧泰諾生物工程有限公司;金龍魚大豆油,嘉里糧油(防城港)有限公司。
1.1.2 儀器與設(shè)備
全自動(dòng)液壓壓榨機(jī)(DLL-150T),常德市鼎糧機(jī)械制造有限公司;破壁打漿機(jī)(JYL-Y20),九陽(yáng)股份有限公司;膠體磨(JM-L50),鄭州玉祥食品機(jī)械有限責(zé)任公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱(WGLL-230BE),天津市泰斯特儀器有限公司;太陽(yáng)能熱泵干燥儀,自主研發(fā)(專利號(hào)ZL 201320617683.6);真空冷凍干燥機(jī)(LGJ-18),北京松源華興科技發(fā)展有限公司;低溫噴霧干燥機(jī)(YC-1800),上海雅程儀器設(shè)備有限公司;臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)(3-18KS),德國(guó)Sigma公司;磁力攪拌器(C-MAG HS 7),德國(guó)IKA公司;高速剪切乳化機(jī)(JRJ300-I),上海越磁電子科技有限公司;水浴震蕩鍋(SW22),德國(guó)Julobo公司;激光粒度分布儀(BT-2001),丹東市百特儀器有限公司。
1.2.1 核桃粕蛋白液制備
1.2.1.1 工藝流程
制備工藝流程:
核桃→去殼→核桃仁→脫皮→烘干→液壓榨油→核桃粕→浸泡→打漿→膠體磨細(xì)化→堿溶→過濾→酸沉→收集沉淀→水洗至中性→物料樣液→干燥→集粉→過篩→包裝
1.2.1.2 操作要點(diǎn)
(1)將去殼后的核桃仁放入90 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的NaOH溶液中熱燙3 min,撈出后置于水中沖洗脫皮,再用清水漂洗數(shù)次至中性;(2)將脫皮核桃仁放入50 ℃的烘箱中干燥12 h(含水量為2.5%左右);(3)于壓力45 MPa、常溫下,液壓冷榨3次,榨油后得到的副產(chǎn)物即為核桃粕;(4)取一定量的核桃粕,按料液比1∶10(g∶mL)添加蒸餾水浸泡60 min,打漿5 min以上至細(xì)膩,過膠體磨細(xì)化2遍;(5)用NaOH調(diào)pH至8.5,磁力攪拌60 min,過160目濾布,收集濾液,10 000 r/min離心10 min,去除上層油脂層和下層沉淀,收集中間層濾液;(6)用檸檬酸調(diào)pH至4.5,磁力攪拌30 min,靜置收集沉淀,用蒸餾水洗至中性,加蒸餾水至一定體積,獲得物料樣液。
1.2.2 干燥處理與集粉
1.2.2.1 干燥處理
根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定各干燥技術(shù)的工藝條件。(1)熱風(fēng)干燥:將物料樣液置于不銹鋼盤中,厚度約為0.5 cm,于45 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥36 h;(2)熱泵干燥:將物料樣液置于不銹鋼盤中,厚度約為0.5 cm,于45 ℃太陽(yáng)能熱泵烘房中烘干30 h;(3)真空冷凍干燥:將物料樣液不銹鋼盤中,厚度約為 0.5 cm,于-80 ℃預(yù)凍24 h以上,置于冷肼溫度為-45 ℃、真空度為0.07 MPa條件下干燥24 h;(4)噴霧干燥:將物料樣液在進(jìn)風(fēng)溫度140 ℃、風(fēng)機(jī)風(fēng)量2.5 m3/min,進(jìn)樣速度12 mL/min條件下進(jìn)行噴霧干燥。
1.2.2.2 集粉
熱風(fēng)、熱泵和真空冷凍干燥后的核桃粕蛋白粉于研缽中研磨粉碎,噴霧干燥的蛋白粉不再進(jìn)行研磨處理;各干燥處理的蛋白粉再過80目篩,收集篩下密封包裝,置于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.3 核桃粕蛋白粉粉體特性指標(biāo)測(cè)定
1.2.3.1 粒徑大小
采用BT-2001型激光粒度分布儀濕法測(cè)定核桃粕蛋白粉的粒徑,以比表面積和跨度值來評(píng)價(jià)粒徑大小。
1.2.3.2 堆積密度
取10 mL量筒稱量質(zhì)量為m1,將核桃粕蛋白粉置于10 mL量筒中,使粉體積讀數(shù)在10 mL刻度處,再稱量量筒和蛋白粉的質(zhì)量為m2。堆積密度計(jì)算如公式(1)所示:
(1)
1.2.3.3 流動(dòng)性[12]
用休止角來評(píng)價(jià)粉體的流動(dòng)性,將漏斗固定在試管架上,漏斗下端距桌面距離為6 cm,取15 g蛋白粉樣品置于漏斗中使其自由下落形成錐形,以粉體堆積圓錐高度與半徑的比值的正切值來計(jì)算休止角。
1.2.3.4 溶解性[13]
稱取樣品0.500 g,加入15 mL蒸餾水,常溫下振蕩搖勻30 min使蛋白粉充分溶解,4 000 r/min離心10 min,取上清液于105 ℃烘干至恒重。溶解性計(jì)算如公式(2)所示:
(2)
1.2.3.5 持水性[14]
稱取樣品0.50 g蛋白粉置于離心管中,加入15 mL蒸餾水,常溫下振蕩搖勻1 h,4 000 r/min離心10 min,棄上清液,稱量沉淀和離心管質(zhì)量。持水性計(jì)算如公式(3)所示:
(3)
1.2.3.6 持油性[15]
稱量樣品0.50 g放入離心管中,加15 mL大豆油,常溫下振蕩搖勻1 h,4 500 r/min離心15 min,棄去上層油,稱離心管和沉淀質(zhì)量。持油性計(jì)算如公式(4)所示:
(4)
1.2.3.7 乳化性與乳化穩(wěn)定性[16]
稱取2.00 g樣品置于離心管中,加入15 mL蒸餾水和15 mL大豆油,10 000 r/min高速剪切乳化2 min,3 500 r/min離心10 min,測(cè)定離心管中液體總高度h1和油層高度h2;將離心管置于80 ℃水浴鍋中水浴30 min,3 500 r/min離心10 min,測(cè)量液體總高度h3和油層高度h4。乳化性和乳化穩(wěn)定性計(jì)算如公式(5)、公式(6)所示:
(5)
(6)
1.2.3.8 起泡性與起泡穩(wěn)定性[17]
稱取1.00 g樣品置于燒杯中,加入100 mL水配制成蛋白質(zhì)溶液,10 000 r/min高速剪切乳化2 min,迅速移至量簡(jiǎn)中,讀取泡沫體積V,計(jì)算起泡性,如公式(7)所示。將量筒在常溫下靜置,觀察并記錄泡沫消失所需時(shí)間,表示泡沫穩(wěn)定性。
(7)
所有指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定3次,取平均值,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和DPS軟件進(jìn)行處理分析、制圖,并進(jìn)行差異顯著性分析。
比表面積表征粉體粒徑大小,比表面積越大,表明粉體顆粒越小,其聚合力和吸附能力越強(qiáng),能有效吸附或包裹于食品表面[18];跨度表征粉體粒度大小的均勻程度,跨度越小,表示粉體顆粒大小分布越均勻[19]。由表1可知,不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉比表面積影響較大,大小順序?yàn)閲婌F>真空冷凍>熱泵>熱風(fēng),噴霧干燥的蛋白粉比表面積最大為271.47 m2/kg,顯著高于其他3種干燥技術(shù)(P<0.05),真空冷凍干燥的次之;跨度大小順序則相反為噴霧<真空冷凍<熱泵<熱風(fēng),各干燥處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說明噴霧干燥制備的核桃粕蛋白粉體粒徑最小且大小分布均勻。
表1 不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉粒徑大小的影響
堆積密度與粉體粒徑大小、微觀結(jié)構(gòu)有關(guān),堆積密度越小,表示粉體越疏松[20]。由圖1可知,4種干燥技術(shù)制備的核桃粕蛋白粉堆積密度大小順序?yàn)檎婵绽鋬?噴霧<熱泵<熱風(fēng),真空冷凍干燥的蛋白粉堆積密度最小為0.29 g/mL,與噴霧干燥的蛋白粉堆積密度0.32 g/mL差異不顯著(P>0.05),兩者均顯著低于熱泵和熱風(fēng)干燥(P<0.05)。說明真空冷凍干燥制備的核桃粕蛋白粉體組織結(jié)構(gòu)較疏松,其次是噴霧干燥的。
圖1 不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉堆積密度的影響
休止角反映了蛋白粉的流動(dòng)性,其大小主要取決于粉體粒徑大小及其表面特性,休止角越大,粉體之間的摩擦力越大,流動(dòng)性越差[13]。由圖2可知,核桃粕蛋白粉休止角的大小依次為噴霧>真空冷凍>熱泵>熱風(fēng),噴霧干燥的蛋白粉休止角最大為46.64°,顯著大于其他3種干燥技術(shù)(P<0.05),說明噴霧干燥所得蛋白粉流動(dòng)性最差;其次是真空冷凍和干燥的熱泵干燥的,兩者差異不顯著;熱風(fēng)干燥的蛋白粉休止角最小為39.43°,流動(dòng)性最好,與熱泵干燥的差異不顯著。
圖2 不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉休止角的影響
溶解性是蛋白粉最基本的功能性質(zhì),直接影響蛋白粉的吸油性、乳化性和起泡性,從而對(duì)其在食品工業(yè)中的應(yīng)用產(chǎn)生影響[21]。由圖3可知,核桃粕蛋白粉溶解性大小為噴霧>真空冷凍>熱泵>熱風(fēng),噴霧和真空冷凍干燥獲得的蛋白粉溶解性較大,分別為15.53%和13.87%,兩者差異不顯著;熱泵和熱風(fēng)干燥的蛋白粉溶解性較小,分別為11.60%和11.40%,兩者差異很小,均顯著低于噴霧和真空冷凍干燥的(P<0.05)。
圖3 不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉溶解性的影響
持水性是評(píng)價(jià)粉體親水能力的重要指標(biāo)之一,可反映粉體與水結(jié)合并保持的能力,應(yīng)用于面包、糕點(diǎn)、肉制品等加工中可以改善產(chǎn)品的保水能力,進(jìn)而影響產(chǎn)品的口感、品質(zhì)及貯藏[22]。由圖4可知,不同干燥技術(shù)制備的核桃粕蛋白粉持水性大小依次為噴霧>真空冷凍>熱泵>熱風(fēng),和溶解性結(jié)果一致;其中,噴霧干燥制備的核桃粕蛋白粉持水性最高為3.26 g/g,其次是真空冷凍干燥的2.93 g/g,兩者差異達(dá)到顯著水平(P<0.05);熱泵和熱風(fēng)干燥蛋白粉的持水性分別為2.46 g/g和2.33 g/g,兩者差異不顯著。
圖4 不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉持水性的影響
持油性指粉體與游離油脂結(jié)合的能力,持油性越高表示蛋白粉對(duì)脂肪的吸收和保留能力越強(qiáng),應(yīng)用于肉制品、乳品、甜點(diǎn)和油炸食品中,能有效減少加工過程中脂肪的損失,可提高食品的口感和風(fēng)味[23]。由圖5可知,核桃粕蛋白粉持油性大小依次為噴霧>真空冷凍>熱泵>熱風(fēng),噴霧和真空冷凍干燥的蛋白粉持油性分別為2.83 g/g和2.59 g/g,兩者差異不顯著;熱泵和熱風(fēng)干燥的蛋白粉持油性分別為2.23 g/g和2.05 g/g,兩者差異不顯著,但均顯著低于噴霧和真空冷凍干燥的(P<0.05)。
圖5 不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉持油性的影響
乳化性指蛋白質(zhì)聚集在油-水界面上降低界面張力,形成乳狀液,并在油滴周圍形成界面薄膜包裹油滴,使其保持穩(wěn)定的能力[24]。由表2可知,不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉乳化性和乳化穩(wěn)定性影響較大,其中對(duì)乳化性的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05);核桃粕蛋白粉乳化性和乳化穩(wěn)定性大小排序一致,均為噴霧>真空冷凍>熱泵>熱風(fēng),與其溶解性結(jié)果一致。
表2 不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響
起泡性是指蛋白質(zhì)溶于水中,在氣-液界面形成薄膜,表面張力降低而形成起氣泡并使其保持穩(wěn)定的能力[6, 16]。由表3可知,核桃粕蛋白粉起泡性大小排序?yàn)閲婌F>真空冷凍>熱泵>熱風(fēng),其中噴霧干燥的蛋白粉起泡性最高為6.90%,顯著高于其他3種干燥技術(shù)(P<0.05),其次是真空冷凍干燥和熱泵干燥,兩者差異不顯著,熱風(fēng)干燥最低;起泡穩(wěn)定性大小排序則相反,熱風(fēng)干燥的最高為30.67 min,顯著高于其他3種干燥技術(shù)(P<0.05)。
表3 不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉起泡性及起泡穩(wěn)定性的影響
通過制作雷達(dá)圖可更加直觀地看出各干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉體特性的影響(見圖6)。噴霧干燥過程中霧化器將物料均勻分散成小霧滴,在干燥熱介質(zhì)中瞬間受熱蒸發(fā)從而制成粉末狀蛋白粉,粉體粒徑小、分布均勻[25],顆粒間含有大量的空隙,因此粉體堆積密度較小[26];由于粒徑小,分子引力、靜電作用增大,粉體之間容易吸附團(tuán)聚,表面聚合力和黏著力較大,因此休止角最大,流動(dòng)性最差[27];由于粒徑小且顆粒形狀大小均勻、比表面積大和孔隙率高,蛋白質(zhì)分子親水、親油基團(tuán)暴露較多,粉體與水和油的接觸面積增多,有利于與水結(jié)合溶解,對(duì)水和油脂的吸附束縛能力最強(qiáng)[28-29],因此粉體溶解性、持水性和持油性均最高。已有研究表明,蛋白乳化性與溶解性呈正相關(guān)關(guān)系,良好的溶解性可以促進(jìn)蛋白在油-水界面的擴(kuò)散和遷移,降低界面張力,提高乳化性能;溶解性較低,則蛋白質(zhì)之間相互聚集,乳化性及其穩(wěn)定性較低[30-31],噴霧干燥制備的核桃粕蛋白粉溶解性最高,因此其乳化性和乳化穩(wěn)定性也最高。時(shí)文芳等[6]研究表明,噴霧干燥的蓮子蛋白起泡性和起泡穩(wěn)定性均優(yōu)于冷凍干燥的,與本研究結(jié)果一致。
圖6 核桃粕蛋白粉體特性雷達(dá)圖
真空冷凍干燥過程中預(yù)凍和冷凍過程中物料均處于靜止?fàn)顟B(tài),料液隨意組合,因此粉體粒徑較大且分布不均;由于真空冷凍干燥物料先凍結(jié)形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)骨架,升華脫水時(shí)其基架結(jié)構(gòu)不變,粉體為疏松多孔結(jié)構(gòu),堆積時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定空隙,單位體積內(nèi)質(zhì)量比較小,所以粉體堆積密度最小[32];粉體顆粒之間的相互摩擦力較小,而使粉體具有較好的流動(dòng)性;蛋白粉內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)疏松,有大量空隙,利于溶于水中,但其顆粒形狀不規(guī)則、大小不均勻,這對(duì)其溶解性具有一定的影響[33],因此其溶解性比噴霧干燥的低,與付露瑩等[25]研究結(jié)果一致;冷凍干燥的蛋白粉呈片層狀的疏松多孔結(jié)構(gòu),增加了蛋白質(zhì)對(duì)水分的物理截留作用[34],因此,其持水性較高,持油性也較高。
熱風(fēng)和熱泵干燥過程中,由于長(zhǎng)時(shí)間受熱風(fēng)流量影響,物料表面收縮硬化,組織緊密,因此粉體粒徑大且大小不一;組織內(nèi)部不能形成大量微孔,空隙率低,因而制備的蛋白粉堆積密度大[35-36];蛋白粉顆粒粒徑大,形狀不規(guī)則,且物料表面急劇收縮引起孔隙通路受阻,不利于水分的傳導(dǎo)和對(duì)油脂的吸附,且長(zhǎng)時(shí)間熱風(fēng)在一定程度上破壞了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),溶解度小,與胡方洋等[9]、付露瑩等[25]研究結(jié)果一致,持水性和持油性差;因溶解性小,其乳化性、乳化穩(wěn)定性也小。
本研究以核桃粕為原料,采用熱風(fēng)、太陽(yáng)能熱泵、真空冷凍和噴霧4種干燥技術(shù)制備核桃粕蛋白粉,考察不同干燥技術(shù)對(duì)核桃粕蛋白粉體特性的影響。結(jié)果顯示,采用噴霧干燥制備的核桃粕蛋白粉粒徑最小,粉體顆粒大小分布均勻,其溶解性、持水性、持油性、乳化性、乳化穩(wěn)定性和起泡性最好,流動(dòng)性和起泡穩(wěn)定性最差;真空冷凍干燥的核桃粕蛋白粉堆積密度最小,其溶解性、持水性、持油性、乳化性、乳化穩(wěn)定性和起泡性僅次于噴霧干燥;熱風(fēng)干燥的核桃粕蛋白粉流動(dòng)性和起泡穩(wěn)定性最好,但其溶解性、持水性、持油性、乳化性、乳化穩(wěn)定性和起泡性最差??梢?,噴霧干燥制備的核桃粕蛋白粉體特性最佳,加上噴霧干燥耗時(shí)短、耗能小、可連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn),因此噴霧干燥是制備核桃粕蛋白粉的最好選擇,但大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還有待進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果為核桃粕蛋白粉的干燥工業(yè)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和生產(chǎn)指導(dǎo),對(duì)于提高核桃粕的利用率和附加值,并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。