一种植物基宠物咬胶产品的制作工艺研究

导读

咬胶产品是可以清洁宠物口腔和清除牙垢的一类宠物零食。这些产品通常是通过螺杆挤压制备。宠物产品与牙齿之间的摩擦可以在喂食过程中去除牙垢，而且咬胶产品中一些有效成分能够清新宠物的口气。当前的咬胶产品以牛皮、猪皮为原料，采用化学改性，干燥，裁剪，整形等操作的高污染、高成本生产工艺。

以植物蛋白粉和淀粉为主要原料，采用螺杆挤压机挤压成型的产品，具有污染少、高消化性、高力学性能等特性，满足高品质咬胶产品的技术要求，具有良好的发展前景。在挤压过程中，在高温高剪切和高压综合作用下，摩擦增大，压力增加，温度升高，物料细化﹔在出口处突然由一个状态变成另外一个常温常压的状态，物料的性质和内部结构会发生很大的变化，如淀粉粒解体，淀粉糊化，蛋白质变性重组，高级结构遭到破坏。淀粉、蛋白质等成分结构性质的改变会对挤压咬胶产品的组织产生明显影响。

本文以大豆分离蛋白、玉米淀粉等植物大分子为主要原料，添加一定辅料，采用双锥螺杆挤出、注塑成型工艺制备得到植物大分子基咬胶产品。研究中，固定甘油、碳酸钙等辅料的含量和比例，考察主料玉米淀粉与大豆分离蛋白配比、螺杆挤压参数（螺杆转速、挤压温度、挤压时间等）对咬胶产品质量的影响规律，优化植物基咬胶产品的制备工艺。

试验设计

1.咬胶的制备

咬胶制备的工艺流程如下：混合物料→调制→水分平衡→双螺杆挤压→注塑成型→冷却→烘干产品→指标测定。

具体配方为：玉米淀粉70.0g、大豆分离蛋白12.3g、碳酸钙10.3g、白砂糖3.9g、单甘酯1.2g、氯化钠1.2g、山梨酸钾0.3g、丙酸钙0.8g、植物油1.3g、甘油20.6g、水23.1g.

具体操作为：将玉米淀粉、大豆分离蛋白和辅料（碳酸钙，白砂糖，单干酯，氯化钠，山梨酸钾，丙酸钙）混匀后获得100g混合粉，然后加入植物油、甘油和水混匀后获得混合物，备用。

将挤出机和注塑机分别预热至105℃后，将上述混合物加入挤出机中，以113r/min的螺杆转速挤压2min后进入注塑机中，在注塑压力为5Mpa下注塑5s,成型后冷却，最后在60℃下烘干至咬胶含水量为10.8%即可。

2.咬胶生产影响因子试验

本试验在单因素试验的基础上，考察因子（自变量）大豆分离蛋白含量、挤压温度、螺杆转速分别以A、B、C代表，1、0、一1分别代表因素的三个水平。采用Box一Behnken试验设计，进行响应面分析，表1列出了各自变量的实验水平范围及其编码，评价指标（响应值）为咬胶的综合评价指标，试验设计辅助软件为Design-ExPert 8.0.进行17组试验，以咬胶的综合评价指标为响应值（Y），通过响应面分析得出制作咬胶的最优条件。

试验结果

依据Box一Behnken实验设计原理，对17个试验点的响应面试验进行分析。具体试验方案及结果见表2.

通过建立回归模型，进行方差分析可知：大豆分离蛋白含量A和挤压温度B对咬胶综合评分具有极显着影响（P<0.01），大豆分离蛋白含量A和挤压温度B的交互作用、大豆分离蛋白含量A和螺杆转速C的交互作用对咬胶综合评分的影响达极显着水平（P<0.01），挤压温度B的二次项是极显着水平（P<0.01），螺杆转速C的二次项是极显着水平（P<0.05）。

1.大豆分离蛋白含量和挤压温度对咬胶产品综合评分的影响

随着大豆分离蛋白含量增大，综合评分变化不明显，挤压温度增加，咬胶综合评分先增加后降低，曲面随着挤压温度的变化波动大，验证了挤压温度显着影响综合评分。低大豆分离蛋白含量与综合评分呈正比，如果继续增加大豆分离蛋白含量，综合评分反而开始下降。

挤压时应该设定适当的温度来保证挤压效果和提高咬胶综合评价。挤压温度逐渐升高，综合评分先增加又下降，吸收足够热量的条件下，淀粉蛋白充分反应，分子间作用力被强大的压力和剪切力切断再重组，结构发生变化，使生淀粉转化成熟淀粉，但在较高的挤压温度下，原料中的淀粉和蛋白质等易焦化，结构塑化，容易堵塞螺杆，同时高温使物料呈焦化糊化，从而使综合评分下降。保持挤压温度不变，逐渐增加大豆分离蛋白含量时的综合评分变化不大。

2.大豆分离蛋白含量和螺杆转速对咬胶产品综合评分的影响

随着大豆分离蛋白含量或螺杆转速增大，综合评分都表现为变化不大，螺杆转速对综合评分有影响。大豆分离蛋白含量不变，随着螺杆转速的增加，咬胶的综合评分先增加后减小，原因在于当螺杆转速较低时，物料所受的剪切力低，当螺杆转速增加时，物料与螺杆之间的摩擦和剪切作用增强﹐促进了淀粉和蛋白的分解和重组，咬胶综合评分增加。但当螺杆转速过大，物料停留时间过短，挤压中热传递不足，生化反应不充分，无法使淀粉溶胀糊化完全，所以螺杆转速过高和过低都将使咬胶综合评价降低。

螺杆转速不变，随着大豆分离蛋白含量的增加，咬胶的综合评分保持先增加后减小，无明显变化，蛋白含量对咬胶综合评分不明显。

3.挤压温度和螺杆转速对咬胶产品综合评分的影响

挤压温度和螺杆转速其中一个因素不变时，曲面随另一因素的增大先升高后降低。当螺杆转速保持不变时，增加挤压温度，综合评分同样先增大后减小，在低温时增加挤压温度有利于淀粉颗粒溶胀，分裂，糊化，发生反应。但当温度过高时，高温导致物料中淀粉与蛋白质发生美拉德反应，降低咬胶质量。当保持挤压温度一定时，螺杆转速增加，综合评分同样先增大后减小，在低螺杆转速下，淀粉、蛋白易焦糖化。随着螺杆转速升高，螺杆对淀粉、蛋白的剪切作用力增强，咬胶综合评价增大。但较高螺杆转速降低了物料在机筒中的挤压时间，物料还没完全熟化即被挤出模孔，所以导致综合评分很低。

根据软件最终拟合出的咬胶综合评分达到极大值时的咬胶螺杆挤压优化工艺参数为：大豆分离蛋白含量15%、挤压温度105℃、螺杆转速113r/min,计算出咬胶的综合评分预测值为0.87.

结论

1.进行响应面试验设计，建立相关回归模型，建立的回归模型、蛋白含量A、螺杆温度B对产品综合指标有极显着影响（P<0.01），而螺杆转速的影响不显着（p>0.05），得到相关参数对咬胶综合评价影响的大小依次为大豆分离蛋白含量>挤压温度>螺杆转速，且此模型可以对咬胶质量进行理论预测。

2.咬胶综合评分达到极大值时的咬胶螺杆挤压优化工艺参数为：大豆分离蛋白含量15%、挤压温度105℃、螺杆转速113r/min,烘干后所得到的产品的咬胶整体性能最佳，抗拉伸强度和硬度适中，断裂伸长率适中，延展性好，颜色接近白色。