高水分擠壓組織化植物蛋白品質(zhì)調(diào)控及評價研究進展

朱 嵩，劉 麗，張金闖，劉紅芝，胡 暉，石愛民，王 強*

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

擠壓技術(shù)是一項融合了輸送、壓縮、混合、蒸煮、變性、殺菌、成型等多單元操作于一體的食品加工技術(shù)，可以有效地改善食品的質(zhì)地和口感[1]，提高原料附加值。組織化植物蛋白具有類似動物肉的纖維結(jié)構(gòu)和口感，既能滿足消費者的食肉欲望，又可以降低患高血壓、肥胖癥及心腦血管等“現(xiàn)代文明病”的風險[2]，廣泛應用于各類食品，如即食谷物早餐、通心面制品、嬰兒食品、休閑食品、仿肉制品、肉品復合物、奶酪類似物、改性淀粉等[3-4]。據(jù)水分含量的不同，擠壓技術(shù)分為低水分擠壓和高水分擠壓，兩種技術(shù)的具體特點見表1。

表 1 低水分和高水分擠壓技術(shù)[1,5-13]Table 1 Low moisture and high moisture extrusion technologies[1,5-13]

根據(jù)張金闖[11]、Wolz[7]、Beck[12]、Lin[17]等及本團隊高水分擠壓實驗，高水分組織化植物蛋白的制備工藝流程圖見圖1。

圖 1 高水分擠壓組織化植物蛋白制備工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of high moisture textured vegetable protein preparation

1 擠壓參數(shù)對高水分組織化植物蛋白功能品質(zhì)的影響

擠壓參數(shù)是影響高水分組織化植物蛋白功能品質(zhì)的重要因素，分為操作參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)和目標參數(shù)。操作參數(shù)主要包括水分含量、擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿結(jié)構(gòu)等，系統(tǒng)參數(shù)主要包括單位機械能耗、扭矩、壓力等，目標參數(shù)指高水分組織化植物蛋白的理化特性。目前研究多集中在操作參數(shù)（水分含量、擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速率）對組織化植物蛋白的品質(zhì)影響[1,14-16]。

1.1 水分含量

水分在擠壓過程中起多種作用，如參與化學反應、影響機腔內(nèi)的溫度和壓力等[1,17]。Chen Fengliang等[18]系統(tǒng)研究了水分質(zhì)量分數(shù)對組織化大豆蛋白品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示，水分質(zhì)量分數(shù)為28%～60%時，隨著水分質(zhì)量分數(shù)的提高，蛋白聚集程度降低，組織化大豆蛋白的硬度和咀嚼度顯著降低；當水分質(zhì)量分數(shù)為60%時，得到組織化蛋白的組織化度為1.30～1.40。魏益民[1]發(fā)現(xiàn)，隨著物料含水率增加，組織化大豆蛋白的組織化度、L*值（亮度值）和黏著性逐漸增加，咀嚼度逐漸降低；物料含水率較高（50%）時，其氮溶解指數(shù)較低，持水性增強。高揚等[19]通過高水分擠壓組織化大豆分離蛋白實驗得出，含水量越高，L*值越高。張汆[20]研究發(fā)現(xiàn)，當水分質(zhì)量分數(shù)在45%～55%時，組織化花生蛋白感官評價得分最高，組織化度在1.2～1.6之間，硬度約為10 kg，咀嚼度約為15 kg。張丙虎[21]研究表明，水分質(zhì)量分數(shù)45%時，擠壓組織化小麥蛋白的組織化度最高。組織化小麥蛋白中的疏水性氨基酸，可延緩擠出物在貯藏過程中水分遷移導致分層的現(xiàn)象，緩解產(chǎn)品老化，延長貯藏時間[22]。

1.2 擠壓溫度

溫度是影響蛋白質(zhì)變性及纖維化程度的重要因素，一般所說的擠壓溫度是指物料熔融區(qū)或蒸煮區(qū)的溫度[16,23]。擠壓溫度與物料的變化情況密切相關(guān)，控制著物料熔融狀態(tài)的起始點和終止點。

魏益民[1]研究發(fā)現(xiàn)，機筒溫度小于120 ℃時，大豆蛋白的組織化結(jié)構(gòu)和成型性較差，容易斷裂；130～150 ℃時，其組織化度逐漸升高；150～160 ℃時，表面開始出現(xiàn)裂紋，色澤逐漸加深，組織化度降低；超過160 ℃時，擠壓機工作不穩(wěn)定，擠出物形態(tài)劣化，并得出140～150℃比較適合大豆組織化蛋白加工。高揚等[19]通過高水分擠壓組織化大豆分離蛋白實驗得出，擠壓溫度越高，b*值（黃藍值）越大，產(chǎn)品顏色越深。Lin等[15]研究發(fā)現(xiàn)，149 ℃和160 ℃擠壓獲得的高水分組織化大豆蛋白吸水性較好，纖維絲結(jié)構(gòu)有序，但硬度、彈性、咀嚼度和膠凝性均降低。張汆[20]以低溫脫脂花生粕為原料，研究發(fā)現(xiàn)在100～120 ℃時，花生蛋白已發(fā)生變性，但擠出物尚未見明顯的組織化結(jié)構(gòu)；擠壓溫度大于140 ℃時，花生蛋白結(jié)構(gòu)致密，擠出物纖維結(jié)構(gòu)明顯；得出擠壓組織化花生蛋白較優(yōu)的溫度為147～148 ℃。Rehrah等[24]以花生分離蛋白為原料制備高水分組織化蛋白，得出擠壓溫度為160～165 ℃時，擠出物最具纖維結(jié)構(gòu)。張丙虎[21]研究擠壓組織化小麥蛋白特性的結(jié)果表明，擠壓溫度170 ℃時，得到組織化小麥蛋白的組織化度為1.265。徐添[25]以小麥蛋白為主要原料，得出最優(yōu)擠壓溫度為160 ℃，此溫度下擠出物組織化度為1.2～1.3。Pietsch等[26]研究高水分組織化小麥蛋白發(fā)現(xiàn)，螺桿部分的熱處理影響面筋蛋白的聚合及組織化形成，而模口溫度、壓力及單位機械能耗對擠壓過程無顯著影響。Osen等[27]研究高水分組織化豌豆蛋白時發(fā)現(xiàn)，擠出物的質(zhì)構(gòu)特性取決于擠壓過程中初始加熱階段的溫度。

1.3 螺桿轉(zhuǎn)速及喂料速率

螺桿轉(zhuǎn)速直接影響機筒填充度及熱量的產(chǎn)生，使得熔融物料不斷地流向?？谔帲瑥亩鴮е氯廴隗w在?？谔幨茏瑁a(chǎn)生高壓[1]。喂料速率的控制主要是通過改變物料在擠壓機內(nèi)的填充程度和停留時間，進而影響物料的受熱程度。喂料速率過低時，物料的滯留時間較長，蛋白變性程度高，色澤較深；喂料速率過高時，物料的滯留時間較短，蛋白變性程度低，可能出現(xiàn)“夾生”現(xiàn)象[1,28]。

康立寧[29]采用響應面法研究得出，較高的螺桿轉(zhuǎn)速（180 r/min）結(jié)合較高的擠壓溫度有利于組織化大豆蛋白色差值△E*減??；喂料速率對組織化大豆蛋白組織化度、硬度、咀嚼度和色澤的影響主要為負效應，但對吸水率的影響為正效應，較低的喂料速率（10 g/min）結(jié)合較高的擠壓溫度有利于組織化度的提高。魏益民[1]研究發(fā)現(xiàn)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，組織化大豆蛋白的咀嚼度、硬度均有增加的趨勢，而持水率和組織化度逐漸下降；當螺桿轉(zhuǎn)速從10 g/min到50 g/min變化時，組織化大豆蛋白的組織化度從1.3降低到1.1左右，持水性由2.2 g/g下降至1.66 g/g，氮溶解指數(shù)由9.0%降低到7.5%左右，表觀變得粗糙，咀嚼性明顯降低。螺桿轉(zhuǎn)速對組織化花生蛋白的色澤、氮溶解指數(shù)、吸水性和吸油性等功能性質(zhì)影響不大；但隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加（60～180 r/min），其組織化度呈明顯降低趨勢，螺桿轉(zhuǎn)速應控制在90～120 r/min；較低的喂料速率下得到組織化花生蛋白的組織化結(jié)構(gòu)較好，喂料速率在10.96～12.69 g/min之間比較合適，其制得高水分組織化花生蛋白組織化度在1.2～1.6之間，硬度10～15 kg，咀嚼度10～15 kg[20]。O s e n等[27]以豌豆分離蛋白為原料，在喂料速率0.45 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min下，得出的擠出物表面光滑均勻，撕裂可見纖維結(jié)構(gòu)。

2 品質(zhì)評價要素及評價方法

高水分組織化蛋白的評價要素包括組織化度、纖維絲強度、質(zhì)構(gòu)特性（主要包括硬度、彈性、咀嚼性、黏著性）、色澤等[13,29-31]。評價方法主要有質(zhì)構(gòu)儀法、光譜法、感官評價方法、微觀結(jié)構(gòu)分析方法等。迄今為止，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)參照2008年商務部頒布的SB/T 10453—2007《膨化豆制品》對膨化豆制品的感官、理化指標進行評價[32]；但因不同制品關(guān)注的品質(zhì)要素不同（表2），所選取的評價方法和標準也不同。除以上常用的評價要素之外，持水性、密度、嫩度、含汁度、濕度等也同樣作為評價組織化植物蛋白的指標。因此規(guī)范其品質(zhì)評價要素方法，制定高水分組織化植物蛋白綜合評價標準，是高水分組織化蛋白產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求。

表 2 組織化蛋白產(chǎn)品品質(zhì)要素及應用Table 2 Quality factors and applications of texturized protein products

2.1 質(zhì)構(gòu)儀法

質(zhì)構(gòu)儀可用來分析擠出物的組織化度、纖維絲強度、質(zhì)構(gòu)特性。組織化度即纖維化程度，是評價高水分組織蛋白品質(zhì)的一項重要指標，該指標決定了擠壓產(chǎn)品的感官特性及用途[41]，國內(nèi)研究多參考李里特[42]的方法測定肉制品組織化度。魏益民等[43]采用質(zhì)構(gòu)儀分析方法，將樣品進行切割（圖2），采用的參數(shù)為：A/CKB探頭，測試前速率2.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測試后速率2.0 mm/s，剪切程度為75%；以橫向剪切力與縱向剪切力的比值表示組織化度，該值越大，表明產(chǎn)品的纖維化程度越強，即越接近于肉的口感。Zhang Bo等[3]將樣品裁成圖3形狀，采用質(zhì)構(gòu)儀拉伸模式，A/TG探頭測量組織化產(chǎn)品的抗拉伸力，以此表示纖維絲強度；采用TPA模式測量組織化產(chǎn)品的硬度、彈性、咀嚼度和聚結(jié)性，采用參數(shù)為：探頭P/35下壓樣品50%，測試前速率2.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測試后速率2.0 mm/s。

圖 3 纖維絲強度測定取樣圖[3]Fig. 3 illustration of sampling for fiber strength determination[3]

質(zhì)構(gòu)儀法操作簡便，結(jié)果直觀，可量化擠出物的組織化度、硬度、彈性等品質(zhì)要素，是目前國內(nèi)最常用的分析手段，但其對測試樣品的剪裁形狀要求較高，尤其是拉伸模式下測量纖維絲強度時，樣品表觀狀態(tài)的不均一，致使測試樣品形狀無法達到完全一致，誤差大，且無法實現(xiàn)在線監(jiān)測。

2.2 感官評價

擠壓產(chǎn)品的感官評價指標主要包括外觀、質(zhì)地、風味等，其中質(zhì)地最為重要[20]。較好的纖維化結(jié)構(gòu)在縱向撕裂時可觀察到質(zhì)地均勻的層次結(jié)構(gòu)。在外觀上要求高水分組織化蛋白表面光滑、結(jié)構(gòu)細密；色澤以均勻一致的乳白色、淺黃色，伴有光澤為優(yōu)?？诟械脑u價要素包括組織化蛋白的硬度、潤滑感和黏彈性；主要指咀嚼高水分組織化蛋白時不感覺費力，富有潤滑感，有咬勁，咀嚼時爽口，富有彈性，不黏牙，無硬塊，均符合人體能感受到的良好口感要求。Osen等[27]以豌豆分離蛋白為原料，觀察其表面光滑度及擠出物撕裂后的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在水分質(zhì)量分數(shù)55%、溫度120 ℃的條件下，制得的樣品質(zhì)地柔軟，形如面團，無纖維結(jié)構(gòu)；水分質(zhì)量分數(shù)相同、擠壓溫度為160 ℃時，縱向撕裂擠出物有明顯纖維結(jié)構(gòu)。Maurice等[44]提出在相同量的條件下，咀嚼至與對照樣品吞咽程度類似的次數(shù)來分析產(chǎn)品的質(zhì)地，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高（135～180 ℃），組織化大豆蛋白質(zhì)地逐漸松軟。Rehrah等[24]制備高水分組織化花生蛋白，對擠出物進行感官評價發(fā)現(xiàn)，不同參數(shù)下制備的擠出物的外觀、質(zhì)地及纖維結(jié)構(gòu)差異顯著。Pietsch等[26]以感官評價法研究螺桿部分熱處理對小麥蛋白聚合及組織化形成的影響中發(fā)現(xiàn)，擠壓溫度145 ℃比110 ℃條件更有利于擠出物成型。

雖然感官評價因能夠直接反映品質(zhì)的優(yōu)劣而被行業(yè)廣泛認可，但存在較強的主觀性，不能量化樣品間的差異。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析法

可通過微觀結(jié)構(gòu)分析清楚觀察組織化蛋白的纖維結(jié)構(gòu)，不同學者采用的樣品處理方式不同。Lin等[15]將高水分組織化大豆蛋白樣品處理成7 mm3方塊，切面朝上，用光學顯微鏡觀察，另以-60 ℃凍干處理樣品后進行掃描電子顯微鏡觀察，并結(jié)合感觀（硬度、黏性、彈性、咀嚼性等）對產(chǎn)品的纖維結(jié)構(gòu)作了分析；得出在相同的溫度下，水分質(zhì)量分數(shù)越低，纖維結(jié)構(gòu)越多，水分質(zhì)量分數(shù)相同時，溫度越高，纖維結(jié)構(gòu)越多。張汆[20]采用掃描電子顯微鏡觀察高水分組織化花生蛋白纖維化結(jié)構(gòu)，得出在擠壓溫度100～120 ℃時，無明顯纖維結(jié)構(gòu)；擠壓溫度大于140 ℃時，可見明顯纖維結(jié)構(gòu)。

2.4 光譜法

光譜法主要應用于分析高水分組織化蛋白的纖維化程度。Yao等[45]采用熒光偏振法分析評價以大豆蛋白為主要原料制備的高水分組織化蛋白纖維化程度，如圖4所示，光源通過透鏡并由偏振器1（P1）極化，平行擠出方向投射縱向撕裂的樣品，光纖探頭采集通過偏振器2（P2）的光譜信息，并由光譜儀檢測分析，通過計算偏振程度（P）（其中I0為P2平行于P1時的熒光強度；I90為P2垂直于P1時的熒光強度），P值越大，纖維化程度越高。結(jié)果表明基于熒光偏振光譜理論的熒光偏振法可反映擠壓過程中纖維的形成，其結(jié)果優(yōu)于質(zhì)構(gòu)儀法。Ranasinghesagara等[46-47]利用光散射及反射原理發(fā)明了光子遷移方法（圖5），紅色LED作為光源，呈45°平行組織化蛋白擠出方向照射樣品，位于樣品上方的相機采集反射圖像，并將圖片轉(zhuǎn)換至坐標系中，計算偏置參數(shù)B，B值越大，纖維化程度越高，且與Yao等[45]開發(fā)的熒光偏振光檢測方法相關(guān)系數(shù)達到95%。

與質(zhì)構(gòu)儀分析相比，熒光偏振法和光子遷移法更方便、快捷，且適用于工業(yè)化生產(chǎn)在線檢測，但要求產(chǎn)品均一性好，且成本高。

圖 4 熒光偏振法實驗流程[45]Fig. 4 Experimental setup for fl uorescence polarization measurements[45]

圖 5 光子遷移法實驗流程[47]Fig. 5 Experimental setup for image acquisition by photon migration [47]

3 高水分組織化植物蛋白應用前景

隨著生活水平的提高，消費者對蛋白的需求持續(xù)增長，預計2050年，全球肉類消費將翻一番，難以滿足90億人口的需求，尋找動物蛋白的健康替代物迫在眉睫。與動物蛋白相比，植物蛋白營養(yǎng)價值更高，且不含脂肪及膽固醇[48-49]。組織化植物蛋白可緩解當前全球動物蛋白供不應求的問題，并降低人類慢性病的發(fā)病率，控制流行性疾病的傳播以及自然資源的耗竭[50-51]。

美國生產(chǎn)“人造肉”的公司如Beyond Meat、Modern Meadow、Impossible Foods等，其產(chǎn)品有人造雞肉、人造牛肉、肉餅、漢堡配料等，每年生產(chǎn)300萬 kg植物蛋白產(chǎn)品替代雞肉[53]。我國有百余家規(guī)模不等的企業(yè)加工生產(chǎn)組織化植物蛋白，原料包括大豆蛋白、花生蛋白、小麥蛋白和豌豆蛋白等[52]，這些組織化植物蛋白以半成品形式提供給肉制品企業(yè)、速凍食品企業(yè)、休閑食品企業(yè)，后續(xù)可用于加工火腿腸、素雞、手撕肉、午餐肉、雞柳、肉松、肉丸等，加工后的產(chǎn)品直接銷往市場或出口至日本、南美、東南亞、中東地區(qū)等地。但這些生產(chǎn)組織化植物蛋白企業(yè)的產(chǎn)品均以低水分組織化植物蛋白為主，只能部分替代動物蛋白，因此高水分組織化植物蛋白產(chǎn)品亟待開發(fā)。

隨著高水分組織化植物蛋白技術(shù)瓶頸的突破，其可作為雞丁、素肉餅、燒烤肉、火鍋肉等半成品，也可作為“素牛排”、“素火腿”、“手撕肉”、“素腸”等即食食品，不僅有助于弱化快餐食品“高熱高能”的標簽，還能降低食用肉的成本；既能緩解肉制品供不應求的現(xiàn)狀，又能滿足類似動物肉的口感，降低患慢性病的風險。

4 結(jié) 語

高水分擠壓組織化植物蛋白因其能耗低、無需復水、組織化程度高、彈性好，以及類似肉類纖維結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，成為當前食品技術(shù)研究熱點之一。隨著人們對高品質(zhì)健康生活需求的日益增加，高水分組織化植物蛋白具有可觀的發(fā)展應用前景，因此生產(chǎn)營養(yǎng)、健康、美味的組織化植物蛋白是未來的發(fā)展趨勢[53]。現(xiàn)階段，高水分組織化植物蛋白的研究已取得一些進展，但產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和市場推廣仍需繼續(xù)努力，其主要原因有：1）不同擠壓工藝和設備由于能量輸入或作用方式的不同，對終產(chǎn)品的品質(zhì)影響不盡相同，導致工藝優(yōu)化的普適性還不具備，使得構(gòu)建擠壓能量輸入與品質(zhì)變化間的關(guān)系還需進一步研究；2）國內(nèi)有關(guān)高水分擠壓組織化蛋白品質(zhì)評價方面的研究鮮有報道，僅是通過質(zhì)構(gòu)儀法等單一方法來分析某一品質(zhì)如硬度、彈性等，并未對整體品質(zhì)進行分析，缺少科學、統(tǒng)一的品質(zhì)評價指標方法；3）高水分組織化植物蛋白產(chǎn)品水分質(zhì)量分數(shù)高達30%，貯藏期間極易變質(zhì)，其在貯藏期間品質(zhì)變化規(guī)律等尚未明晰，限制了高水分擠壓組織化蛋白產(chǎn)業(yè)化應用。

針對以上問題，今后對高水分組織化植物蛋白的研究應側(cè)重于以下幾個方面：1）構(gòu)建擠壓能量輸入與品質(zhì)變化間的關(guān)系，實現(xiàn)擠壓過程中能量輸入的精準調(diào)控，有利于后期擠壓工藝放大；2）建立不同用途的高水分擠壓組織化蛋白的評價方法和標準，為高水分擠壓組織化蛋白工藝參數(shù)優(yōu)化和產(chǎn)品后期貯藏品質(zhì)研究提供依據(jù)；3）研究高水分擠壓組織化蛋白在不同貯藏條件下品質(zhì)變化規(guī)律，從而實現(xiàn)對貯藏過程中產(chǎn)品品質(zhì)進行調(diào)控。