张智宇 朱秀清，2 任为聪 梁雪华

(东北农业大学食品学院1，哈尔滨 150030)

(国家大豆工程技术研究中心2，哈尔滨 150030)

挤压膨化对胰蛋白酶酶解高变性豆粕效果的影响

张智宇1朱秀清1，2任为聪1梁雪华1

(东北农业大学食品学院1，哈尔滨 150030)

(国家大豆工程技术研究中心2，哈尔滨 150030)

合理的原料预处理工艺能有效提高高温豆粕的水解度，胰蛋白酶具有很强的专一性，水解程度较低。考察了不同挤压膨化条件对胰蛋白酶酶解高温豆粕效果的影响，以螺杆转速、物料含水率、模孔直径、套筒温度、进样量为因素，以水解度为检测指标，采用5因素5水平(1/2实施)进行二次正交旋转组合试验设计，得到了膨化挤压高变性豆粕优化的预处理工艺参数:温度110℃，转速101．28 r/min，模孔4 mm，含水量29．96%，进料量0．4 kg/min，此条件下胰蛋白酶水解膨化豆粕水解度达12．60%，与原料水解度相比提高了4%。

高变性豆粕 挤压膨化 胰蛋白酶 水解度

高温豆粕是由大豆浸油后，高温脱溶所得。经高温处理后去除了部分的抗营养因子并且蛋白结构发生了变化，高温豆粕蛋白含量低且不易酶解，胰蛋白酶酶解水解度不超过10%［1］，一般作为饲料直接饲喂。大豆肽与大豆蛋白相比，具有消化吸收率高、提供能量迅速、促进微生物生长、促进脂肪代谢和低过敏原性等特性［2］。水解程度间接影响到生物活性肽的生成，进一步研究可进行预处理的方法有超声、热水处理、酸碱处理，但方法不是处理效果不好就是不易于工业化生产。高温瞬时处理在食品工业中应用越来越多，有利于进一步的去除大豆的抗营养因子，提高蛋白的消化利用率［3］。挤压膨化在油和生物活性肽的提取和制备方面都得到了较好的应用［4－6］，也产生了许多新产品包括婴儿食品、膳食纤维、早餐麦片和改性淀粉絮凝剂等［7］。本试验利用双螺杆挤压膨化高变性大豆粕预处理来提高豆粕胰蛋白酶的水解度和高变性豆粕的利用率，为生产饲料生物活性肽提供依据。

1 材料与方法

1．1 材料与试剂

胰蛋白酶:Amresco，1．04×105U/g;高变性豆粕:杨霖油脂集团，过80目筛，水分9．4%、脂肪5．4%、蛋白质(干基)50．87%、灰分 5．3%、尿素酶活性 0．172 U/g;福林酚:sigma公司。其他试剂均为分析纯。

1．2 仪器与设备

DS56－Ⅲ型双螺杆全膨化机:济南塞信;BüChi Spray Dryer B－290型喷雾干燥仪:瑞士BüChi Spray Dryer公司;KND－HYP8型消化炉、KDN－2008全自动定氮仪:上海纤检仪器有限公司;UV－2401PC紫外可见分光光度计:日本岛津公司。

1．3 试验方法

水解度的测定参照 OPA 法［8－9］;蛋白质测定:GB/T 5009．5—2003。

1．4 试验安排

1．4．1 工艺流程

高变性豆粕→粉碎→挤压膨化→粉碎过80目筛→水解液制备［底物4%，胰蛋白酶酶解(酶添加量4 000 U/g蛋白质)，50 ℃，2．5 h］→灭酶(沸水浴 10 min)→离心(10 min，5 000 g)→取上清液→测定水解度

1．4．2 挤压膨化条件的确定

根据单因素试验，选取5个因素为自变量(xi)，以水解度为响应值(Y)，进行中心旋转组合试验设计［10－11］，共32个试验点。因素水平编码见表1。每个试验点均做3个平行样，取其平均值。

表1 中心旋转组合设计因素水平编码表

1．4．3 统计分析

应用 Design－Expert 7．1 软件(Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA);SPSS13．0;Microsoft Excel 2003 处理数据。

1．4．4 模型的验证

通过响应面分析法优化胰蛋白酶水解膨化豆粕水解度最优的膨化条件。在优化条件下挤压膨化出的豆粕进行酶解后水解度的测定，通过比较预测值和试验值来验证模型的有效性。

2 结果与讨论

2．1 模型的拟合

应用响应面法(Response Surface Methodology，RSM)建立一个模型来优化挤压膨化提高酶解效率的制备工艺。试验条件和响应值见表2。

表2 中心旋转组合设计和响应值

通过分析自变量和因变量得到一个能够在给定的范围内预测响应值的回归方程。挤压膨化豆粕酶解的水解度回归方程如下:

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

通过上述回归方程得出水解度的预测值与实际试验值拟合情况，见图1，可看出预测值和试验值拟合良好。

图1 挤压膨化对胰蛋白酶酶解效果影响的预测值与实际值的对应关系

表3 中心旋转组合设计方差分析表

中心旋转组合设计的方差分析见表3。模型的拟合度可通过决定系数来衡量，Joglekar和May［12］建议，一个良好的模型，决定系数至少为0．80。本研究所得模型的决定系数为0．947。这表明，94．7%的变更能够通过这个模型解释;模型调整决定系数R2Adj=0．849 8，说明该模型可以解释84．98%的响应值的变化，进而表明此模型拟合度较高，试验误差较小。由表4可知，本研究所得回归模型极显著(P＜0．000 2)，因此，此模型能充分地表明各因素之间的关系。

根据方差分析和回归方程系数显著性检验的结果，将差异不显著的因子剔除后得到的回归方程为:

2．2 自变量对响应值的影响

对回归方程进行中心标准化处理，可直接从回归系数绝对值的大小来分析各因素的改变对挤压豆粕酶解水解度的影响大小。由回归方程得到:x3＞x4＞x2＞x1＞x5。为了形象的描述各因素对响应值的影响，挤压膨化对胰蛋白酶酶解高温粕水解效果的影响的响应面见图2～图11。

2．2．1 膨化温度

由图2～图5知，随温度的升高水解度增加，在90～105℃时影响较大，之后随温度升高而逐渐降低。这是由于蛋白质分子受到高温、高压、高剪切力的作用，原有的空间结构被打乱而熔融，离开模口时，随着压力迅速下降，过热水急剧蒸发，在纤维状结构中留下了多孔气泡状空间结构［13］。大豆蛋白的热稳定性可由热变性温度和热焓来反应［14］。但温度过高，过度变性造成蛋白亚基之间的聚集，聚集后的蛋白分子减少了酶反应位点，不利于酶的作用。因此过高的膨化温度不利于酶解。

2．2．2 转速

由图2、图6、图8可知，随转速的增加水解度增加，在95～110 r/min时影响较大，之后随转速的增加而加速下降。螺杆转速与物料在挤压腔的滞留时间有关，转速过快，物料在挤压腔停留太短，剪切作用强，机械能转化为热能越大［15］，蛋白经适当热处理暴露的位点多更利于水解。转速过慢，剪切作用弱，热能转化少，蛋白结构未完全展开反应位点暴露的少不利于酶解。

2．2．3 模孔直径

由图3、图6、图9可知，随模孔直径的增加水解度先增加，3～4 mm时影响较大，之后缓慢下降。原因是随模孔直径的减小物料出口压力增大，分子内部高度规则的空间结构被一定程度破坏，部分氢键、范德华力、离子键等次级键断裂，肽链一定程度松散，部分蛋白质分子发生了定向的再结合，形成多孔的蛋白结构［16］，适度的高温高压处理能使蛋白结构展开并暴露出更多的反应位点，从而加速了水解多肽的生成速率利于酶解，但模孔太小会出现堵料现象。

2．2．4 含水量

由图7、图9、图11可知，随水分的减少水解度逐渐升高，含水量22%～18%时影响较大。物料中含水量的增加，导致部分水穿透至蛋白质结构的空洞表面导致蛋白质溶胀，这种溶胀作用提高了多肽链的移动性和柔性，当加热时，这种柔性结构更易变性，易于水解，但水分过高，变性温度快速下降［17］，当水分高于某一值时，一方面可能是蛋白质变性程度加剧，变性的蛋白质不再降解;另一方面由于物料的含水量过高，物料的湿润程度大，形变性和输送特性增强，受到机筒内部的压力、摩擦力和剪切力降低，在机筒内滞留时间缩短，以至于纤维物料分子裂解程度降低，而不利于酶解。

2．2．5 进料量

由图5、图8、图11可知，随进料量的增加水解度逐渐升高，0．35～0．45 kg/min时影响较大。因为进料速度与原料性质有关。原料表面越光滑则进料速度应越慢，若进料速度过快会造成进料与螺杆转速不协调造成物料聚积，阻止螺杆与套筒的相对运动，从而造成堵料和电机不能正常运转的故障［18］。

2．3 最适条件的模型验证

综合考虑各项试验因素及其相互作用，根据二次多项回归方程，利用Design－Expert 7．1设计软件优化出挤压膨化对胰蛋白酶解高变性豆粕效果的最适工艺条件为:套筒温度:110℃、螺杆转速101．28 r/min、模孔直径 4 mm、含水量 29．96%、进料量0．4 kg/min，在此条件下进行了5组验证试验得到胰蛋白酶水解膨化豆粕水解度为12．49%，而模型预测值为12．6%，相对误差为0．87%，差异不显著，说明用响应面法优化出的工艺参数合理可靠，实际应用价值高。根据上述优化的试验条件进行验证试验，得到挤压膨化后的高变性豆粕样品与未进行挤压的高变性豆粕进行水解度的比较，结果见表4。

表4 水解度的比较

由表4知，原料经挤压膨化后水解度差异极显著，其胰蛋白酶水解度大幅度提高。因此，本研究为提高胰蛋白酶酶解效果提供了一个切实可行预处理的方法，为实际应用提供了可靠的理论依据。

3 结论

3．1 各挤压参数对胰蛋白酶酶解高变性豆粕水解效果影响大小依次为:模孔直径＞含水量＞螺杆转速＞挤压温度＞进料量。

3．2 挤压膨化提高胰蛋白酶酶解高变性豆粕水解度的最佳条件:温度110℃，转速101．28 r/min，模孔4 mm，含水量29．96%，进料量0．4 kg/min，此条件下预测可达水解度达12．6%。实际测得水解度为12．49%，表明挤压膨化对提高胰蛋白酶酶解高变性豆粕的水解度具有良好的发展前景。

3．3 胰蛋白酶酶解试验中酶活添加量仅为4 000 U/g，若提高胰蛋白酶的酶活力，水解效果会进一步得到提高，为高变性豆粕的改性和利用提供了一个可行的方法。

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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

黑龙江省科技计划(GB08B401－01)

2010－04－26

张智宇，女，1985年出生，硕士，农产品加工及储藏

朱秀清，女，1968年出生，研究员，大豆精深加工