上海交通大学方亚鹏教授与孙翠霞副研究员等：豌豆分离蛋白高水分挤压工艺参数优化及质构特性研究

蛋白质是人类健康生活必需的营养元素,主要包括动物蛋白和植物蛋白两大类。全球人口快速增长,环境压力持续加重,动物蛋白供给紧张。全面开发利用植物蛋白, 生产绿色、环保、节能、安全、营养、健康的植物蛋白仿生肉是未来食品发展的重要方向。组织化植物蛋白(textured vegetable proteins, TVP)是一种具有类似动物肌肉纤维状结构和口感的植物蛋白制品^[1]。由低水分(水分质量分数小于40%)挤压的拉丝蛋白制备的植物肉产品呈海绵状结构,在使用前需经过复水、拆丝、黏合、重组等多个工序,而且其咀嚼性较差,在模仿动物肉的外观和质地方面存在缺陷^[2]。高水分挤压技术制备的高水分(水分质量分数为40%～80%)蛋白组织化程度高,在制备纤维状仿生肉制品方面具有低能耗、高效率和高品质的优势^[3],被认为是一种非常有前景的植物蛋白仿生肉的开发技术。

现有高水分植物蛋白挤压的研究主要聚焦于大豆蛋白^[4-6],然而,我国大豆长期需要大量进口,进口份额占比高达86%,如何在降低大豆依赖性的同时满足人们对优质豆类蛋白质的需求,是当前亟须解决的一个重要问题^[7]。豌豆分离蛋白(pea protein isolate, PPI)作为豌豆淀粉加工副产物中的主要成分,营养价值较高,其必需氨基酸配比贴近人体需求,且赖氨酸的含量尤其丰富^[8]。此外,豌豆蛋白致敏性低、乳化性和泡沫稳定性强,是大豆蛋白理想的替代品,在植物肉蛋白原料应用领域具有广阔的应用前景^[9]。已有研究表明,在高水分条件下使用双螺杆挤出机挤压豌豆蛋白可以形成类似动物肉的纤维状结构,挤出物的纤维结构受挤压条件的影响显著^[7,10]。然而,目前研究聚焦于在单一工艺参数下研究豌豆蛋白挤出物的质构特性,有关豌豆蛋白高水分挤压参数的优化缺乏系统研究。本研究拟以PPI为原料进行高水分挤压制备豌豆组织化蛋白,研究挤压参数,包括水分含量、蒸煮温度、喂料速度、螺杆转速的变化对挤出物的外观、质构特性、结构特性的调控作用以及对挤出机系统参数的影响。以动物肉参数为标准设计正交试验,并进行主成分分析,优化PPI挤出物的工艺参数,希望得到最接近动物肉的操作参数,以期为高水分组织化植物蛋白的生产提供技术支撑。

1.1 材料与试剂

豌豆分离蛋白(蛋白质质量分数为85.3%),购于烟台双塔食品股份有限公司。

1.2 仪器与设备

Process 11 Hygienic型同向啮合双螺杆挤压机,主机长宽高分别为820、480、410 mm,螺杆直径为11 mm,螺杆长径比为40∶1,德国赛默飞世尔科技有限公司。附在挤出机端部的长冷却模的长宽高分别为250、70、40 mm。挤压机的机筒有8个独立温控区,由电筒加热系统加热,并由制冷循环器冷却。机筒温度、螺杆转速、喂料速度可通过主机上的控制面板进行调控,转速可设置为0～1 000 r/min。

Kjeltec型凯氏定氮仪,丹麦Foss公司;GZX-9140MBE型电热鼓风干燥箱,上海博讯实业有限公司医疗设备厂;DF-101S型恒温加热磁力搅拌器,上海仪昕科学仪器有限公司;TA-XT2i型质构分析仪,英国Stable Micro Systems公司;UltraScan VIS型双光路分光色度仪,美国Hunter Associates Laboratory公司;Rise-Manga型拉曼图像扫描电子显微镜联用仪,捷克Tescan公司;Scientz-18ND型冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;ME2002型分析天平,瑞士梅特勒-托利多有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 PPI基本成分测定

根据国标中的方法,对市售豌豆分离蛋白中水分(GB 5009.3—2016)、蛋白含量(GB 5009.5—2016)、粗脂肪(GB 5009.6—2016)、灰分(GB 5009.4—2016)进行测定。测定结果:水分质量分数为7.47%,蛋白质量分数为85.30%,粗脂肪质量分数为3.63%,灰分质量分数为3.60%。

1.3.2 高水分挤压实验设计

双螺杆挤压实验开始前,对流量泵和喂料器进行校准和调整。对喂料器的螺杆转速和喂料速度建立回归方程,设定喂料器螺杆转速后即可根据方程计算出实际喂料速度。恒流泵通过细长的橡胶管道将水泵入挤出机。长冷却模具的温度通过水循环保持在70 ℃,另一侧的水循环温度设置在25 ℃来冷却机筒,样品挤出后立即收集。

1.3.3 不同工艺条件下PPI挤出物特性的测定

1.3.3.1 不同水分含量条件下的PPI挤出物特性的测定

探究不同水分含量(质量分数为45%、50%、55%、60%、65%)对PPI挤出物的宏观结构、质构特性、感官特性、微观结构的影响。保持其他参数条件不变,蒸煮温度设置为150 ℃,喂料速度设置为8 g/min,螺杆转速设置为150 r/min。

1.3.3.2 不同蒸煮温度条件下的PPI挤出物特性的测定

探究机筒蒸煮区段的蒸煮温度(120、130、140、150、160 ℃)对PPI挤出物的宏观结构、质构特性、感官特性、微观结构的影响。保持其他参数条件不变,机筒喂料区段、混合区段、传输区段的温度分别设置为40、60、90 ℃,水分质量分数设置为55%,喂料速度设置为8 g/min,螺杆转速设置为150 r/min。

1.3.3.3 不同喂料速度条件下的PPI挤出物特性的测定

探究挤压机不同喂料速度(4、5、6、7、8 g/min)对PPI挤出物的宏观结构、质构特性、感官特性、微观结构的影响。保持其他参数条件不变,水分含量设置为55%,蒸煮温度设置为150 ℃,螺杆转速设置为150 r/min。

1.3.3.4 不同螺杆转速条件下的PPI挤出物特性的测定

探究挤压机不同螺杆转速(125、150、175、200、225 r/min)对PPI挤出物的宏观结构、质构特性、感官特性、微观结构的影响。保持其他参数条件不变,水分质量分数设置为55%,蒸煮温度设置为150 ℃,喂料速度设置为8 g/min。

1.3.4 正交试验设计

在单因素实验的基础上,设计四因素和三水平的正交试验,如表1。

表1 正交试验设计

Tab.1 Orthogonal experimental design

1.3.5 高水分组织化PPI的宏观结构观察

为了在宏观尺度上观察组织化产品中各向异性结构的形成,从边缘切割挤出物,沿切口纵向撕开产品,以观察其内部的纤维结构,拍摄记录。

1.3.6 高水分组织化PPI的质构特性表征

1.3.6.1 硬度、弹性、咀嚼度的测定

采用Fang等^[6]的方法并适当修改。使用质构分析仪对PPI挤出物质构特性进行测定。动物肉被切割成20 mm×20 mm的方形。仪器使用1 kg的砝码进行校准,仪器模式选择TPA,探头为P/50。测试前的速度为2 mm/s,测试的速度为1 mm/s,测试后的速度为2 mm/s,下压样品的程度为50%,探头往复两次进行下压,时间间隔为5 s。记录硬度、弹性和咀嚼度数据,每个样品平行测定8次。

1.3.6.2 剪切力及组织化度的测定

组织化度在组织化产品的表征中用于指示纤维化程度。根据张金闯^[11]的方法略加修改,采用质构仪测定样品剪切力。仪器模式设定为剪切模式,探头选择HDB/BSK切刀。测试前的速度为2 mm/s,测试的速度为1 mm/s,测试后的速度为2 mm/s,切割样品的程度为75%。组织化度用横向与纵向剪切力的比值表示,每种动物肉平行测定8次。

1.3.7 高水分组织化PPI的感官特性评价

由20名感官员在室温下(25 ℃)对PPI挤出物进行感官特性评估。感官员都有至少一年的感官评估经验,熟悉样品以及评估的感官属性。组织化样品中不添加调味料和香料,以避免调味对口感的影响^[12]。为了消除上一个样品在口腔的残留和感官员的疲劳,感官员每次品评样品之后用温水漱口,然后继续品评下一个样品^[13]。感官员按照表2对表观、色泽、纤维结构、风味、口感进行0～5分的感官特性评价^[14-15]。

表2 豌豆分离蛋白挤出物感官评分标准

Tab.2 Standard of sensory evaluation of PPI extrudates

1.3.8 高水分组织化PPI的微观结构观察

利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)分析PPI挤出物的微观结构^[16]。将样品在液氮中快速冷冻后进行真空干燥。对干燥后的样品喷金处理45 s。图像采集的加速电压恒定5 kV,SEM图片放大倍数为300倍和3 000倍。

1.4 数据处理

用SPSS软件对实验数据进行单因素方差分析,并用Duncan’s multiple-range test进行多重比较。结果以平均值±标准差表示,P<0.05 时,表示数据间具有显著差异。

2.1 不同工艺参数对PPI挤出物宏观结构的影响

2.1.1 水分含量的影响

不同水分含量(质量分数为45%、50%、55%、60%、65%)的PPI挤出物宏观结构如图1。由图1可见,水分含量为45%时,挤出物有层状结构形成,宏观结构显示出各向异性,但是样品内部塑化严重;水分含量为50%时,样品形成密集的层状结构;继续提高水分至55%,样品呈现出显著的纤维状结构;水分含量为60%的样品也可以观察到纤维状结构的形成;水分含量为65%时,样品呈现出各向同性的断裂模式,并没有形成纤维状结构,且因水分蒸发造成断裂面粗糙。因此,在高水分挤压过程中,过高或过低的水分含量均不利于挤出物纤维状结构的形成。

图1 不同水分含量对PPI挤出物宏观结构的影响
Fig.1 Effects of different moisture contents on macrostructure of PPI extrudates

2.1.2 蒸煮温度的影响

温度是豌豆蛋白热变性和组织化的关键因素。图2展示了在不同蒸煮温度下制备的PPI挤出物的宏观结构。由图2可见,在120 ℃的机筒温度下生产的样品,在挤出方向上(从下到上)没有显示出各向异性,挤出物不成形,缺乏特征性的流动层状结构,这可能和机筒内大分子的不完全熔化和部分展开有关^[7]。Sandoval等^[17]在120 ℃的蒸煮温度下观察挤出物剖面得到了相同的结果。随着蒸煮温度的升高,蛋白质网络沿挤出方向流动取向,呈现出明显的纤维状结构。温度达到140℃时,物料充分熔融,挤出物表面具有一定光泽度。温度在150～160 ℃时,沿挤出物纵向撕开可观察到沿挤出方向形成的纵向纤维状结构,剖面光滑。温度会影响熔融物料在冷却段模具凝固过程中的流速分布。如果黏性流体在模具中的流动状态为层流,熔体在层流中心的温度和流速高于靠近其冷却模具壁处的温度和流速,因此在冷却成型过程中,可能会使剪切取向的线性散开大分子形成抛物线图案,这些大分子在低于特征温度时会发生交联^[7]。因此随着温度的升高,PPI挤出物出现主要为纵向取向的纤维。

图2 不同蒸煮温度对PPI挤出物宏观结构的影响
Fig.2 Effects of different cooking temperatures on macrostructure of PPI extrudates

2.1.3 螺杆转速和喂料速度的影响

螺杆转速和喂料速度对挤出物宏观结构的影响,实验结果如图3。由图3(a)可见,所有样品沿挤出方向均显示出明显的层状结构,但随着螺杆转速从125 r/min增加到225 r/min,剖面结构在层状结构挤出方向的取向性逐渐减弱,抛物线结构趋于平缓,不同螺杆转速下的样品整体差异性不大。由图3(b)可见,喂料速度为4 g/min时,样品沿挤出方向纵向撕开,内部呈现出部分区域有纤维状结构,部分区域无纤维状结构的结果,这可能是因为喂料速度过小造成挤出机吃料不足,形成挤出物不均匀。增大喂料速度(5～8 g/min),所有样品均出现明显的层状结构,并且样品内部层与层之间更加紧密,纤维感增强。

图3 不同螺杆转速和喂料速度对PPI挤出物宏观结构的影响
Fig.3 Effects of different screw speeds and feeding speeds on macrostructure of PPI extrudates

2.2 不同工艺参数对PPI挤出物微观结构的影响

2.2.1 水分含量的影响

水分含量对PPI挤出物微观结构的影响,实验结果如图4。由图4可见,不同水分含量的PPI挤出物微观结构有显著差异。水分含量为45%时,样品表面有明显的断裂面,结构致密,在较低的水分含量下,蛋白质没有完全水合以参与蛋白质交联反应,因而层状纤维结构不明显^[16]。提高水分含量至50%和55%,挤出物表面出现规则的层状结构;随着水分含量的增加,60%水分含量的样品表面开始同时出现细小的气孔和层状结构;在水分含量为65%时样品的气孔结构均匀分布,表面粗糙,基本无层状结构,与组织化度和表观观察的结果一致。整体来看,随着水分含量的增加,纤维状结构先增多后减少,气孔逐渐增多。水分含量较高时,机筒内的蛋白质变性减少和黏度降低可能会减少蛋白质相互作用和交联^[16],此外,挤出物在进入冷却段模具之前无法形成足够高的模具压力来驱动形成纤维结构。因此,水占据了大部分空隙空间,干燥后微观结构孔洞较多,层状结构较少^[18]。

虚线框外图片的放大倍数为300倍,虚线框内图片的放大倍数为3 000倍。

图4 不同水分含量对PPI挤出物微观结构的影响
Fig.4 Effects of different moisture contents on microstructure of PPI extrudates

2.2.2 蒸煮温度的影响

蒸煮温度对PPI挤出物微观结构的影响,实验结果如图5。由图5可见,不同蒸煮温度的PPI挤出物的微观结构有显著差异。蒸煮温度为120 ℃时,样品没有显示出取向结构;提高温度至130 ℃,挤出物表面变得均一,但仍然没有出现纤维状结构,蛋白没有充分熔融,在这种相对较低的温度下蛋白质交联反应不完全^[16];蒸煮温度为140 ℃时,在放大倍数为3 000倍的SEM图中可以看到挤出物定向取向,说明蛋白已经在机筒内充分熔融;在150 ℃时,挤出物的结构更加有序,可以观察到明显的纤维状结构,说明已经充分组织化;160 ℃时纤维状结构最显著。Chen等^[4]也发现了类似的结果,在高水分挤压中,蒸煮温度从140 ℃提高到160 ℃,大豆蛋白的交联程度增加。

虚线框外图片的放大倍数为300倍,虚线框内图片的放大倍数为3 000倍。

图5 不同蒸煮温度对PPI挤出物微观结构的影响
Fig.5 Effects of different cooking temperatures on microstructure of PPI extrudates

2.2.3 螺杆转速和喂料速度的影响

螺杆转速和喂料速度对PPI挤出物微观结构的影响,实验结果如图6。由图6(a)可见:螺杆转速为125～175 r/min,挤出物内部蛋白质网络形成了纤维状结构,随着螺杆转速的增大,微观结构更加致密;在螺杆转速为200 r/min和225 r/min时,纤维层更加紧密,需要用较高(3 000倍)的放大倍数下的显微镜才能观察到。较低的螺杆转速有利于纤维层的形成,与组织化度的测定结果一致。

虚线框外图片的放大倍数为300倍,虚线框内图片的放大倍数为3 000倍。

图6 不同螺杆转速和喂料速度对PPI挤出物微观结构的影响
Fig.6 Effects of different screw speeds and feeding speeds on microstructure of PPI extrudates

由图6(b)可见,喂料速度较低时,挤出物内部层状结构致密。提高喂料速度至5 g/min和6 g/min,可观察到挤出物出现明显的层状结构;喂料速度为7 g/min时,挤出物层状结构不显著,需用高倍数下的显微镜进行观察;喂料速度为8 g/min时,挤出物表面有气孔,这可能是水分散失造成的。经分析发现,喂料速度对PPI挤出物微观结构影响不显著。

2.3 不同工艺参数对PPI挤出物质构特性的影响

2.3.1 水分含量的影响

水分含量对PPI挤出物质构特性的影响,实验结果如图7。由图7(a)可见,随着水分含量增加,挤出物的硬度和咀嚼度显著下降(与大豆蛋白挤压特性的研究结果一致^[19]),挤出物弹性略微升高,无显著变化,纵向和横向剪切力显著下降。当机筒内水分增加时,挤出物蛋白质变性和去折叠不完全,蛋白质之间的交联作用减少从而导致产品质地柔软^[16],因此导致剪切样品时施加的力减小。由图7(b)可见,挤出物的组织化度随水分含量增加先增大后减小,在含水量为55%～60%时达到最大值,这表明水分在一定程度上有助于蛋白质分子在挤压过程中的去折叠和重排;但水分对纤维结构形成的有利影响并不是无限的^[4],水分含量过高(65%)不利于纤维结构的形成,组织化度的观察结果与宏观结构观察结果一致。

图7 不同水分含量对豌豆分离蛋白挤出物质构特性及组织化度的影响
Fig.7 Effects of different moisture contents on texture and texturization degree of PPI extrudates

2.3.2 蒸煮温度的影响

蒸煮温度对PPI挤出物质构特性的影响,实验结果如图8。由图8(a)可见,蒸煮温度显著影响PPI挤出物的硬度、纵向和横向剪切力、组织化度。机筒蒸煮温度从初始120 ℃升温到160 ℃的过程中,挤出物的硬度显著上升,咀嚼度略微上升。120 ℃时挤出物较柔软、不成形,其质构特性较差。横向、纵向剪切力随蒸煮温度的升高而显著增加。这是因为升温带来的能量输入可能会导致蛋白质大分子解体,使之前隐藏在内部的键合位点暴露,蛋白质分子进一步交联,从而使得剪切力上升^[7]。挤出物弹性略微降低,组织化度也随着温度的升高而显著增加。这是因为,温度上升,蛋白质充分熔融,热熔体以高于水沸点的温度进入冷却模,由于冷却模温度降低,蛋白质熔融物交联凝固,形成与动物肉相似的纤维结构,因而组织化度上升^[17]。Chen等^[4]也发现,蒸煮温度对高水分大豆蛋白挤出物的组织化度有显著影响。已有研究也表明,高水分挤压中纤维结构形成的物理机制是在温度梯度影响下的旋节相分离^[17],温度是样品组织化度的决定性因素^[19]。

图8 不同蒸煮温度对PPI挤出物质构特性及组织化度的影响
Fig.8 Effects of different cooking temperatures on texture and texturization degree of PPI extrudates

2.3.3 螺杆转速和喂料速度的影响

螺杆转速和喂料速度对PPI挤出物质构特性的影响,实验结果如图9。螺杆转速的快慢能决定腔体内蛋白质等物料的剪切程度^[19]。通常,螺杆转速较低时,延长了蛋白质等物料在挤压机筒内的停留时间,有利于产品组织化度的提升;螺杆转速较高时,挤压机筒内的原料充分混合,形成组织化度较好的挤出物。由图9(a)可见,挤出物的硬度、咀嚼度、弹性受螺杆转速变化的影响较小,无显著性差异。横向剪切力和纵向剪切力随着螺杆转速的增加而显著提高。在其他参数条件恒定的条件下,螺杆转速越高,蛋白质的交联和聚合度越高,切削力越强。同时,螺杆速度提高后,形成了具有更多接触面的更小结构单元也会导致更高的剪切力^[16]。挤出物的组织化度随螺杆转速的增加先显著降低而后略微升高。

图9 不同螺杆转速和喂料速度对PPI挤出物质构特性及组织化度的影响
Fig.9 Effects of different screw speeds and feeding speeds on texture and texturization degree of PPI extrudates

由图9(b)可见,随着喂料速度的增加,挤出物硬度先显著增加后略微降低,咀嚼度变化的趋势和硬度一致。这可能是由于随着喂料速度增加,机筒中物料、压力增加导致的结果。喂料速度较低时,蛋白质在机筒内的挤压时间较长,有利于样品组织化;当喂料速度进一步增加,蛋白质在机筒内的挤压时间减少,挤出物组织化度降低,这与魏益民等^[20]利用低温大豆粕进行高水分挤压得出的结论一致。

2.4 不同工艺参数对PPI挤出物感官特性的影响

2.4.1 水分含量的影响

不同水分含量对PPI挤出物的感官特性影响,实验结果如图10。由图10(a)可见,当水分含量为55%和60%时,挤出物呈现较好的表观形貌。水分含量为55%～65%时,挤出物的色泽最好,与之前测定的结果一致。在口感方面,水分含量为50%时,挤出物最具有真实动物肉的口感,水分含量偏高(65%)或偏低(45%)时口感得分均较差,这可能是由于偏高的水分导致样品过软,以及偏低的水分导致样品过硬,难以咀嚼。含50%水分的样品纤维状结构最好,除含45%水分的样品外,其余样品的风味都较好。综合评价,水分含量为50%～60%的样品具有较好的感官特性。

图10 不同水分含量、蒸煮温度、螺杆转速和喂料速度对PPI挤出物感官特性的影响
Fig.10 Effects of different moisture contents, cooking temperatures, screw speeds and feeding speeds on sensory attributes of PPI extrudates

2.4.2 蒸煮温度的影响

不同蒸煮温度下PPI挤出物的感官特性如图10。由图10(b)可见,蒸煮温度为120 ℃和130 ℃时,产品的风味较好,其余感官特性均较差。蒸煮温度为140 ℃时,口感最好。在150 ℃挤压的产品具有最好的表观、色泽及较好的口感、纤维状结构、风味。蒸煮温度为160 ℃,此时挤出物的口感和纤维状结构最好。综合分析,蒸煮温度为140～160 ℃时,产品具有较好的感官特性。

2.4.3 螺杆转速和喂料速度的影响

不同螺杆转速下PPI挤出物的感官特性如图10。由图10(c)可见:螺杆转速为125 r/min时,纤维状结构、风味、口感较好;螺杆转速为150 r/min时,产品的纤维状结构和风味最好;口感和表观在螺杆转速为175 r/min达到最佳;螺杆转速为200 r/min和225 r/min时,色泽、风味、表观较好。综合分析,螺杆转速为125～175 r/min时,产品具有较好的感官特性。

不同喂料速度时PPI挤出物的感官特性如图10。由图10(d)可见:喂料速度为4 g/min时,所有感官特性都较差;喂料速度为5 g/min时,产品具有较好的表观;喂料速度为6 g/min时,产品具有较好的口感、风味和纤维状结构;纤维状结构和风味在7 g/min时最好,8 g/min的进料速度拥有最好的表观、色泽和口感。综合分析,喂料速度为6～8 g/min时产品的感官特性较好。

2.5 最佳工艺参数的优化

2.5.1 正交试验分析结果

根据单因素实验中水分含量、蒸煮温度、喂料速度、螺杆转速的最适参数区间,进行正交试验,结果如表3。为保证挤出物产品更接近动物肉,需要对表3中的部分数据进行变换。前期通过将高水分组织化豌豆蛋白与不同部位的牛肉(牛里脊、牛腩、牛小黄瓜条、牛肩)的质构进行对比,研究发现,高水分组织化豌豆蛋白的质构特性与牛小黄瓜条的类似。此外,牛小黄瓜条主要为牛后臀部位的半腱肌,沿臀股二头肌边缘分离出的净肉,这部分肉的运动量比较大,肌肉纤维较粗,脂肪含量较低[(2.17±0.01)g/100 g],这与本研究中的高水分组织化豌豆蛋白的质构特性相似。故本研究将牛小黄瓜条部位牛肉的质构数据作为目标值,牛小黄瓜条部位牛肉的硬度为139.62 N、弹性为0.837、咀嚼度为88.65 N、横向剪切力为42.67 N、纵向剪切力为24.44 N。取整数作为期望值,即将硬度140 N、咀嚼度89 N、横向剪切力43 N、纵向剪切力25 N作为挤出物最终优化的目标值,根据式(1)进行数据转化。组织化度、感官评分越大,说明组织化蛋白产品的性能越好,不需要额外再进行数据转换。

表3 PPI挤出物质构和感官特性正交试验结果

Tab.3 Texture and sensory properties of PPI extrudates by orthogonal experiment

(1)

式(1)中,X为正交试验实际测定值;Y为牛小黄瓜条部位牛肉相对应的质构指标测定数值;Z为转化值(越接近1说明与牛小黄瓜条部位牛肉的质构特性越接近)。转化后数据如表4。

表4 正交试验挤出物数据转化结果

Tab.4 Transformation results of extrudates in orthogonal experiment

2.5.2 主成分分析

使用SPSS 22.0软件对9组正交试验数据转换后的7个指标(表4)进行主成分分析,结果见表5。表5表明:前3个主成分的特征值均超过1,数值分别为3.711、1.786和1.170;前3个主成分的方差贡献率分别为53.021%、25.507%、16.714%;前3个主成分的方差贡献率累计达到95.242%,远超85%,能够解释豌豆蛋白组织化产品特性的大部分信息。故选取前3个主成分,然后计算主成分综合得分。

表5 主成分特征值和贡献率

Tab.5 Principal component eigenvalue and contribution rate

第一主成分的得分计算方程如式(2)。

F₁=-0.251×Z硬度+0.083×Z弹性-
0.242×Z咀嚼度+0.221×Z纵向剪切力+
0.261×Z横向剪切力-0.041×Z组织化度+
0.151×Z感官评分。

(2)

第二主成分的得分计算方程如式(3)。

F₂=0.182×Z硬度-0.066×Z弹性+0.187×
Z咀嚼度+0.233×Z纵向剪切力+ 0.025×
Z横向剪切力+0.523×Z组织化度+0.398×
Z感官评分。

(3)

第三主成分的得分计算方程如式(4)。

F₃=0.131×Z硬度+0.8×Z弹性+0.234×
Z咀嚼度+0.188×Z纵向剪切力-0.192×
Z横向剪切力-0.218×Z组织化度+0.152×
Z感官评分。

(4)

根据各个主成分的特征值和贡献率,主成分综合得分计算方程如式(5)。

F=0.530F₁+0.255F₂+0.167F₃。

(5)

式(2)、(3)、(4)中Z表示该指标经标准化之后的值,F₁、F₂和F₃分别表示第1主成分、第2主成分和第3主成分,F表示综合得分。主成分得分结果见表6。

表6 正交试验主成分得分及综合得分

Tab.6 Principal component score and comprehensive score of orthogonal experiment

通过主成分分析得到的较优操作工艺参数见表7。由表7可见,较佳挤压操作参数设置组合为A₂B₃C₂D₃,即通过主成分分析得到的较优操作工艺参数:水分含量为55%、蒸煮温度为160 ℃、喂料速度为7 g/min、螺杆转速为175 r/min。从极差结果可以看出,影响组织化蛋白特性综合评分的操作参数次序为水分含量、蒸煮温度、螺杆转速、喂料速度。在较优工艺条件下进行验证实验,验证实验产品和正交试验一起进行主成分分析(表8),验证实验综合得分为0.64,高于表6初始正交试验组中所有组别样品的综合得分,证明挤压工艺得到了优化。

表7 PPI挤出物综合评价极差分析结果

Tab.7 Results of range analysis for comprehensive evaluation of PPI extrudates

表8 验证实验与正交试验综合评分结果

Tab.8 Comprehensive scores results of verification test and orthogonal experiment

通过探究工艺参数对高水分蛋白挤压特性的影响,研究结果表明,物料水分含量对高水分PPI挤出物组织化和质地起关键作用,水分过高(65%)或者过低(45%)均会获得较差的纤维结构;蒸煮温度在140～160 ℃内能使产品获得较好的组织化度、口感。提高螺杆转速,组织化度先显著降低而后升高。喂料速度增加,挤出物硬度和咀嚼度先显著增加后降低,组织化度先降低后增加,喂料速度过小(4 g/min)时影响产品内部形态。通过正交试验和主成分分析,以牛小黄瓜条部位牛肉的质构参数为目标参数优化了高水分挤压PPI操作参数,优化的工艺参数为:水分含量55%,蒸煮温度160 ℃,螺杆转速175 r/min,喂料速度7 g/min。本研究结果旨在为高水分组织化植物蛋白的生产工艺参数设定提供科学依据与技术支撑。

制作：路旭东

编辑：张逸群、李宁

审核：叶红波