基于擠出機(jī)響應(yīng)與GBX eFAst-Lab水分活度儀分析

江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金征宇團(tuán)隊(duì)在《Foods》期刊上（IF=5.2）發(fā)表了一項(xiàng)研究，題為“Effect of Wheat Gluten and Peanut Protein Ratio on the

Moisture Distribution and Textural Quality of High-Moisture Extruded Meat Analogs from an Extruder Response Perspective"。該研究探討了不同比例的小麥面筋與花生蛋白粉混合物在高水分?jǐn)D壓過程中，原料特性、擠壓機(jī)響應(yīng)參數(shù)與擠出物品質(zhì)之間的關(guān)系。

摘要

將小麥面筋和花生蛋白粉的混合物進(jìn)行高水分?jǐn)D壓，以研究該混合物在肉類似物生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力。分析了多個(gè)因素，包括混合原料的水吸收指數(shù)、水溶性指數(shù)、流變特性，高水分?jǐn)D壓過程中的模頭壓力、扭矩和比機(jī)械能，以及擠出物的質(zhì)地特性、顏色、水分分布和水分活度，以確定原料特性、擠壓機(jī)響應(yīng)參數(shù)與擠出物品質(zhì)之間的關(guān)系。當(dāng)小麥面筋比例為50%時(shí)，擠出物具有低的硬度（2.76 kg）、最高的彈性（0.95），纖維化程度達(dá)到1.75。小麥面筋的添加導(dǎo)致擠出物中氫質(zhì)子弛豫時(shí)間右移，表明水流動(dòng)性和水分活度增加。比例為50:50時(shí)，總色差最?。s18.12）。當(dāng)小麥面筋添加量為50%或更少時(shí)，與添加量大于50%相比，其提高了亮度并減小了總色差。因此，闡明原料特性、擠壓機(jī)響應(yīng)參數(shù)與擠出物品質(zhì)之間的關(guān)系，有助于系統(tǒng)理解和調(diào)控二元蛋白肉類似物的纖維質(zhì)地形成過程。

實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料

花生蛋白：粉蛋白質(zhì)含量55.3%，干基；小麥面筋：蛋白質(zhì)含量83.2%，干基；去離子水：通過三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)制備不同比例的小麥面筋與花生蛋白粉混合物

實(shí)驗(yàn)儀器

GBX eFAst-Lab水分活度儀；旋轉(zhuǎn)流變儀；同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)；長冷卻模具；低場(chǎng)核磁共振儀；質(zhì)構(gòu)分析儀。

 GBX eFAst-Lab水分活度儀

實(shí)驗(yàn)過程

1、原料特性測(cè)定：測(cè)定混合原料的水吸收指數(shù)和水溶性指數(shù)。使用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)調(diào)整至55%水分含量的原料-水混合物進(jìn)行頻率掃描（0.1-10 Hz）、應(yīng)變掃描（0.1-100%）和蠕變恢復(fù)（10 Pa壓力下180秒，恢復(fù)360秒）分析。

2、擠壓實(shí)驗(yàn)：設(shè)置擠出機(jī)喂料速度6 kg/h（干基），最終物料水分含量55%，螺桿轉(zhuǎn)速210 rpm。擠出機(jī)各溫區(qū)溫度分別為25°C、60°C、90°C、165°C、165°C和120°C，長冷卻模具溫度控制在70°C。待擠出機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，收集各比例擠出物，真空封裝，-18°C冷凍保存。

長冷卻模具的形狀和主要尺寸

3、擠壓機(jī)響應(yīng)監(jiān)測(cè)：在穩(wěn)定運(yùn)行階段，通過擠出機(jī)實(shí)時(shí)控制軟件在線監(jiān)測(cè)扭矩、模頭壓力、模頭溫度和質(zhì)量流量，并計(jì)算比機(jī)械能。

4、擠出物分析：使用低場(chǎng)核磁共振儀測(cè)定擠出物的橫向弛豫時(shí)間（T2）并進(jìn)行磁共振成像。使用GBX eFAst-Lab水分活度儀測(cè)定擠出物的水分活度、顏色（CIE L, a, b值）和總色差。使用質(zhì)構(gòu)分析儀測(cè)定擠出物的硬度、彈性、拉伸阻力、橫向剪切力、縱向剪切力，并計(jì)算纖維化程度（橫向剪切力/縱向剪切力）。

不同混合比例擠出物的水活度

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1、原料特性：隨著小麥面筋比例增加，混合原料的水吸收指數(shù)呈上升趨勢(shì)，在100%小麥面筋時(shí)達(dá)到最大值2.55 g/g；水溶性指數(shù)逐漸下降。流變學(xué)分析表明，小麥面筋比例增加導(dǎo)致儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G''）逐漸增加，損耗角正切（tan δ）逐漸減小。當(dāng)小麥面筋比例≤70%時(shí)，原料-水混合物傾向粘性液體特性（tan δ >1）；100%小麥面筋時(shí)表現(xiàn)為彈性固體特性（tan δ <1）。應(yīng)變掃描顯示，線性粘彈區(qū)終點(diǎn)隨小麥面筋比例增加從0.636%升至32.019%。蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，小麥面筋比例增加導(dǎo)致蠕變變形和非恢復(fù)變形增大。

2、擠壓機(jī)響應(yīng)：小麥面筋比例增加導(dǎo)致扭矩從110.42 Nm升至116.04 Nm，比機(jī)械能從699.35 kJ/kg升至759.22 kJ/kg，模頭壓力從3.56 MPa升至4.70 MPa，模頭溫度從104.60°C升至123.20°C。

3、擠出物水分分布：低場(chǎng)核磁共振顯示，當(dāng)小麥面筋比例增至50%時(shí)，擠出物的T21、T22和T23逐漸增加，表明水流動(dòng)性增加。進(jìn)一步增加小麥面筋比例導(dǎo)致水流動(dòng)性下降。強(qiáng)結(jié)合水峰面積比例逐漸增加，弱結(jié)合水峰面積比例逐漸減少，表明部分固定水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水。磁共振成像顯示，小麥面筋含量低于50%時(shí)，擠出物水分損失不明顯；含量繼續(xù)增加時(shí)，出現(xiàn)明顯水分損失和不均勻分布。

4、擠出物顏色：小麥面筋比例從0增至50%時(shí)，擠出物L(fēng)值從68.92升至77.09，亮度增加；總色差從23.24降至18.12。進(jìn)一步增加小麥面筋比例至100%，L值降至46.51，總色差升至46.06。a值和b值隨小麥面筋比例增加而持續(xù)升高。

5、擠出物質(zhì)地：小麥面筋比例從0增至50%時(shí)，硬度從3.51 kg降至2.76 kg，彈性從0.92升至0.95。進(jìn)一步增加至100%，硬度升至12.81 kg，彈性降至0.91。拉伸阻力隨小麥面筋比例增加從0.26 kg持續(xù)升至0.64 kg。纖維化程度在小麥面筋比例為50%時(shí)達(dá)到最大值1.75，隨后降至1.36。

總結(jié)

該研究揭示了小麥面筋和花生蛋白粉的比例通過影響原料的水合能力和流變特性，進(jìn)而改變擠壓過程中的扭矩、比機(jī)械能和模頭壓力等響應(yīng)參數(shù)，最終調(diào)控?cái)D出物的水分分布、顏色和質(zhì)地品質(zhì)。當(dāng)小麥面筋與花生蛋白粉比例為50:50時(shí)，擠出物具有較佳的水分分布、柔軟的彈性質(zhì)地、較亮的顏色和最高的纖維化程度。小麥面筋比例超過50%會(huì)導(dǎo)致物料在模頭堆積，水分大量蒸發(fā)，擠出物變得干燥、堅(jiān)硬、顏色變深，纖維化程度下降。

參考文獻(xiàn)：

1. Dekkers, B.L.; Emin, M.A.; Boom, R.M.; van der Goot, A.J. The phase properties of soy protein and wheat gluten in a blend for fibrous structure formation. Food Hydrocoll. 2018, 79, 273-281. 

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