超微粉碎及螺杆挤压对大豆豆渣粒度和加工性质的影响
发布时间：2022-03-22
摘 要：鲜豆渣经烘干后，采用直接超微粉碎和螺杆挤压-超微粉碎联用技术处理，研究这两种加工方式对豆渣粒度和加工性质的影响。结果表明，直接超微粉碎处理的豆渣与普通粉碎处理的豆渣相比具有良好的粒度分布和加工性质，直接超微粉碎10、20、30min和60min的豆渣D50的粒径均在10μm以内，粉碎时间20min最为适宜，在此条件下，豆渣分散性最佳，过滤截留物为4.5g，水溶性达到21.34%，同时持水力和膨胀力也较高。螺杆挤压-超微粉碎联用处理的豆渣，虽然色泽会变暗，但分散性会明显优于直接超微粉碎的豆渣，截留物质量仅为1.53g，更适合冲调产品。
关键词：豆渣;超微粉碎;螺杆挤压;加工性质
大豆豆渣是豆制品生产过程中的副产物，含有较高的膳食纤维和适量的蛋白质等营养物质，具有巨大的开发应用价值[1]。由于豆渣水分含量高，且口感粗糙，一直以来得不到很好的应用。
超微粉碎技术是一种新型的加工技术，可将物料粒径降低至几微米到几十微米范围[2-3]，在食品加工领域，可以通过降低物料的粒度，改善原料的口感及分散性、持水性等加工性能[4-5]。螺杆挤压技术能够实现高压、高温、高剪切力的优势组合[6]，在食品的加工中有广泛应用，在豆渣开发的研究中也有应用[7-9]。
本实验将豆渣经过适度烘干后，直接进行不同程度的超微粉碎，并对经超微粉碎后豆渣的粒度、分散性、水溶性、持水力、膨胀力等多个指标进行系统的研究，同时考察螺杆挤压技术和超微粉碎技术联用对以上指标的影响，为豆渣的开发利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
新鲜大豆豆渣 天津立达食品有限公司;GW-Y-2 高温α-淀粉酶 天津市诺奥科技发展有限公司;M0015 葡萄糖淀粉酶 上海江莱生物科技有限公司;P7000胰蛋白酶 美国Sigma公司。
1.2 仪器与设备
3-18K离心机 德国Sigma公司;RWF Carbolite马弗炉 英国Carbolite公司;UDK159 VELP全自动凯氏定氮仪 意大利VELP公司;LabMASTER-aw水分活度测定仪 瑞士Novasina公司;UltraScan Pro色差仪 美国 HunterLab公司;Rise-2008型激光粒度分析仪 济南润之科技有限公司;CW3-1.5超微粉碎机 烟台慧宝设备制造有限公司;DS32型螺杆膨化机 济南赛信膨化机械有限公司。
1.3 方法
1.3.1 常规指标的测定
水分的测定：GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》;脂肪的测定：GB 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》;蛋白质的测定：GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》;灰分的测定：GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》;膳食纤维的测定：GB/T5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》。
1.3.2 豆渣最佳烘干条件的确定
取一定质量新鲜豆渣，以1.5cm厚度均匀平铺于热风干燥箱内，分别在60、70、80、90、100、110℃和120℃ 条件烘干，测定豆渣水分活度和水分含量随时间变化情况，当物料水分含量降低至7%左右时，参考其前后色度指标变化，选取适宜的烘干条件。
1.3.3 豆渣超微粉碎处理
采用超微粉碎机超微粉碎豆渣，取烘干豆渣200g 左右，加入超微粉碎机内，分别定时10、20、30min和 60min，进行超微粉碎处理，然后烘干至质量恒定。
1.3.4 豆渣螺杆挤压处理
将豆渣烘干，加入去离子水，调节水分含量20%，搁置过夜。在挤压温度150℃，转速120r/min条件下进行螺杆挤压处理，挤压完成后烘干，以持水力作为评价指标，固定其他条件，分别研究不同水分含量(10%、 15%、20%、25%、30%)、不同转速(80、100、120、 140、160r/min)、不同挤压温度(130、140、150、160、 170℃)对持水力的影响。
1.3.5 豆渣粒度测定
采用Rise-2008型激光粒度分析仪测定，取适量处理后的豆渣，加入去离子水稀释，旋涡振荡。取适量体积的样液，使其遮光比在1～2范围内，去离子水做分散剂，超声波分散，进行测量。
1.3.6 豆渣分散性的测定
称取处理后豆渣样品5g，加沸水75mL，摇匀后静置 5min，取100目筛网对冲调液进行过滤，用清水冲洗结块物，沥干，连同筛网称质量，所得结果减去筛网重即为结块物的质量，过滤截留物越多，分散性越差[10]。
1.3.7 豆渣水溶性的测定
准确称取0.500g样品于200mL烧杯中，加入50mL蒸馏水，在90℃恒温水浴锅中连续震荡30min后，3000r/min 离心15min，取出上清液于103℃烘干至恒质量，称残留物质量[11]。
2 结果与分析
2.1 豆渣基本成分
豆渣基本成分结果见表1。
2.2 豆渣最佳烘干条件的确定
新鲜豆渣水分含量高，易于遭受微生物侵染，不易保存。因此，新鲜豆渣要进行烘干处理，烘干温度过高和烘干时间过长都会引起豆渣色泽焦黄，在直接应用时从感官上受到限制。所以，降低水分活度和水分含量的同时，要兼顾色泽的变化。
2.2.1 烘干温度和时间对豆渣水分活度及水分含量的影响
由图1可知，随着热风干燥温度增高，水分活度和水分含量降低的速率增加，达到较低水分含量所需时间变短，烘干的效率也越高;随着烘干时间的延长，水分活度和水分含量也呈逐渐降低的趋势，当水分含量达到7% 左右时有利于进行超微粉碎。当烘干温度高于100℃时，烘干效率趋于一致。因此，烘干温度应控制在100℃之内，烘干时间应大于2h。
2.2.2 烘干温度和时间对豆渣色度的影响
由图2可知，随着烘干温度的升高和烘干时间的延长L*值有逐渐下降的趋势，a*、b*值随之增加，尤其是在110、120℃烘干时，L*值显著降低，a*和b*值则显著增加，说明豆渣在110℃和120℃烘干时色泽变暗的趋势明显;100℃烘干3h后，水分含量降低至7%以下，水分活度低于0.6。因此，最佳烘干条件为：温度100℃，烘干时长3h，在此条件下，既保证了豆渣的色泽品质和加工品质，同时又保证了较高的烘干效率。
2.3 超微粉碎时间对豆渣粒度和加工性质的影响
2.3.1 超微粉碎时间对豆渣粒度的影响
由图3可知，超微粉碎与普通粉碎豆渣相比，能够使颗粒粒径大幅度降低，且随着超微粉碎时间的延长，豆渣的粒径逐渐减小;但经过30min和60min超微化处理的豆渣，其粒径降低幅度不大。可能是由于豆渣超微粉碎过程中，随着粉体颗粒的减小，表面积逐渐增加，表面能也随之增加，重新聚集的可能性也增强[12]。
由表2可知，随着超微粉碎时间的延长，各统计范围粒径呈现下降的趋势，比表面积逐渐增加。同时，超微粉碎60min与超微粉碎30min相比，粒度的缩小趋势不再明显，超微粉碎的效率极度下降。因此，超微粉碎加工时间应该控制在30min范围内。
2.3.2 超微粉碎时间对豆渣分散性的影响
分散性作为粉体在液体介质中沉淀与否的重要标志，能够反映超微粉碎豆渣处理效果，是评价超微化豆渣能否直接应重要的参考指标。由图4可知，与普通粉碎的豆渣相比，经过超微化的豆渣具有良好的分散性质，以超微粉碎10min和20min最佳，过滤截留物质量分别为 4.4g和4.5g，随着超微时间的延长，分散性有降低趋势，尤其是超微粉碎30min和60min的豆渣，过滤截留物分别达到9.2g和11.3g，团聚现象更加明显。可能是由于较长时间的超微粉碎，豆渣受到过度的机械力作用，使其中部分蛋白质出现变性，颗粒间聚集能力加强[14]。也可能由于长时间机械振动使部分油脂附着于颗粒表面，从而降低了水中的分散能力。
由图5可知，超微粉碎与普通粉碎的豆渣相比，水溶性都显著提高，超微粉碎20min的豆渣的水溶性最好，达到22.54%，随着加工处理的时间增加，水溶性效果有所降低。这是由于在超微粉碎加工过程中，部分不溶性膳食纤维转变为可溶性纤维[13]，同时豆渣颗粒在超微粉碎过程中更加细小，增加了蛋白质等水溶性成分的溶出。豆渣超微粉碎30min和60min后水溶性降低，可能是由于较强的机械力作用，使豆渣部分蛋白质变性，溶于水的能力降低所致[14]。
2.3.4 超微粉碎时间对豆渣水溶性膳食纤维含量的影响
由图6可知，与普通粉碎相比，超微粉碎使豆渣水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)含量大幅增加，且超微粉碎时间越长，水溶性膳食纤维增加量越多。这是由于在超微粉碎的强作用力下，部分结构致密不溶性的半纤维素和不溶性果胶类化合物会发生熔融现象或部分键断裂，转变为可溶性的结构疏松的半纤维素及可溶性果胶[15-17]。
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由图7可知，经超微粉碎的豆渣持水力都明显高于普通粉碎的豆渣，并且随着超微粉碎的时间的延长，持水性不断增加;特别是20～30min阶段增加显著，且30～ 60min持水能力增加幅度不大。这是由于粒径变小，比表面积增大，使其接触水的能力增加;同时机械作用使豆渣的颗粒破碎，结构上更加疏松多孔。 2.3.6 超微粉碎时间对豆渣膨胀力的影响 由图8可知，与普通粉碎相比，经超微粉碎后的豆渣膨胀力增加3.5mL/g左右。可能是由于豆渣的颗粒破坏程度加强，使更多的亲水基团和部位暴露，同时颗粒粒径微小，在液体的浸泡下径向延展更加充分。
豆渣超微粉碎后粉体粒径极其微小，分散性和水溶性得到极大提高，对于豆渣的直接应用至关重要。因此，以颗粒粒度、分散性、水溶性作为主要的评价指标。结果表明，豆渣直接超微粉碎20min最为适宜，在此条件下，超微化豆渣粉末的分散性和水溶性最佳，不会出现明显的团聚现象，同时保证了较好的膨胀性能和持水性能，这些对于豆渣在体内的生理功能的发挥极其关键[18-19]。
2.4 螺杆挤压-超微粉碎联用对豆渣粒度和加工性质的影响
螺杆挤压技术在食品加工中应用成熟。在高温、高压、高剪切力的作用下，豆渣的原有结构可以得到很好的破坏[20]。将烘干后的豆渣先经过螺杆挤压处理，经适度烘干后进行超微粉碎，并烘干至质量恒定。测定粒度和加工性质的变化。以持水力作为螺杆挤压效果的评价指标[6]，优化螺杆挤压参数。
2.4.1 水分含量对螺杆挤压豆渣持水力的影响
由图9可知，物料水分含量对螺杆挤压效果有显著性影响，随着物料水分增加，持水力先升高然后降低，豆渣水分含量为20%时持水力最佳，达到510%左右。由于水分含量较低时出现豆渣的碳化造成的，同时伴随着色泽加深，水分含量过高时豆渣在挤压筒内作用的摩擦力和剪切力减小，影响了结构的破坏。
2.4.2 转速对螺杆挤压豆渣持水力的影响
由图10可知，豆渣持水力在一定范围内随着螺杆转速的增加而增加，当转速为120r/min时持水效果最佳，之后会逐渐降低。这是由于螺杆转速越大，作用的剪切力就越大，当螺杆转速超过一定值后，物料在挤压机筒内的停留时间相应减少，挤压作用的时间也就降低。
2.4.3 挤压温度对螺杆挤压豆渣持水力的影响
由图11可知，温度的增高使豆渣的结构破坏增强，挤压温度为150℃时挤压豆渣的持水性最大，而后降低。这是由于温度升高使豆渣的颗粒发生破裂，化学键的断裂程度增强，亲水基团暴露增加。而温度高于150℃时，豆渣的颜色会加深，同时堆积结块。
因此，对豆渣进行螺杆挤压处理时，适宜条件为：水分含量20%，螺杆转速120r/min，挤压温度为150℃。在此条件下，螺杆挤压的效果较好。
2.4.4 螺杆挤压-超微粉碎联用对豆渣粒度和加工性质的影响
将经螺杆挤压的豆渣进行适度烘干，即水分含量7% 左右，超微粉碎20min，再烘干至质量恒定，测定其粒度、分散性、SDF含量、水溶性、持水力和膨胀力指标。
由表3可知，利用螺杆挤压-超微粉碎联用技术处理后的豆渣与直接超微化处理20min的豆渣相比，各统计阶段的豆渣颗粒粒径偏大。这可能由于螺杆挤压过程中油脂外溢，附着于豆渣表面，使颗粒表面光滑，使超微粉碎过程中固体颗粒间的作用力减小所致。
由表4可知，经过螺杆挤压-超微粉碎联用处理的豆渣分散性要显著强于直接超微粉碎的豆渣，没有出现团聚的现象，这表明经过螺杆挤压-超微粉碎处理的豆渣具有十分优异的冲调性能，在直接作为冲调饮品或添加至其他饮品中时具有良好的应用价值。水溶性略低于直接超微粉碎20min的豆渣，与直接超微粉碎30min和60min豆渣相近;持水力和膨胀力与直接超微粉碎豆渣相比也显著降低，且持水力明显低于普通粉碎豆渣;冲调性的改善和水溶性、持水力、膨胀力的相应降低可能是由于螺杆挤压过程中，油脂外溢，附着于颗粒表面，使豆渣在水中聚集的能力降低，颗粒充分接触水分的能力减弱。 SDF含量与直接超微粉碎20min的豆渣相比明显增加，这是由于在螺杆挤压过程中，受到高温、高压、高剪切力作用，膳食纤维的糖苷键、C—O和C—C键发生断裂，短链可溶性多糖成分增加所致[21]。
3 结 论
对烘干豆渣进行超微粉碎处理和螺杆挤压-超微粉碎联用处理。表明，两种加工方式对豆渣的粒度和加工性质都具显著的改善作用。直接超微粉碎处理20min的豆渣粒度明显降低，D50粒度降至8.44μm，而普通粉碎豆渣颗粒D50粒度为35.79μm，分散性、水溶性、持水力和膨胀力等加工性能均明显提高。经过螺杆挤压-超微粉碎联用技术处理的豆渣D50粒径为9.16μm，与直接超微粉碎 20min的豆渣相比，分散性得到进一步的改善，未过筛的残渣仅为1.53g，持水力和膨胀力有较大幅度的降低。因此，无论是直接超微粉碎还是螺杆挤压-超微粉碎联用处理的豆渣其粒度和加工性质均得到极大改善，比较适用于冲调产品。——论文作者：吴占威，胡志和*，鲍 洁
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