高水分挤压转谷氨酰胺酶改性花生蛋白：转谷氨酰胺酶对纤维结构形成的影响

背景

目前，粮食生产和消费方式面临严峻挑战，人口增加、土地短缺、粮食和水资源不足导致环境负担增加和饮食失调。越来越多的人开始意识到与动物养殖相关的环境、伦理以及健康问题，导致其饮食习惯向素食转变。但许多消费者不愿在日常饮食中牺牲动物肉的感官享受。目前，类似动物肉类的“双绿色”植物蛋白肉类替代产品已经研发出来，此类产品中纤维结构可模拟肉类的质构及感官特性。

花生蛋白作为世界第三大植物蛋白来源，多被用作动物饲料，其附加值较低。本团队在高水分挤压制备花生蛋白肉类替代品的工艺优化及纤维结构形成机理方面已进行了大量的研究。新型花生蛋白肉类替代品已成功研制，其在肉的纤维结构、质地和感官品质等方面均能与鸡胸肉相媲美。目前，高水分挤压花生蛋白的品质还不能完全满足消费者对牛肉等具有较高纤维强度的动物肉的模拟要求。转谷氨酰胺酶（TG酶）已在商业上应用多年，其可利用肽链上谷氨酰胺残基的γ-酰胺基为酰基供体，通过催化其与酰基受体间的酰基转移反应，从而引发蛋白质或多肽之间的共价交联。TG 酶诱导共价交联后的蛋白质的某些功能特性如塑性、持水性、溶解性等得到改善，可在非热条件下形成凝胶。

一般来说，植物蛋白（主要是球状蛋白）在天然状态下呈现紧密的三、四级结构，对酶作用不敏感。蛋白质分子的部分或完全伸展是进行TG酶交联所必需的。在高水分挤压过程中，蛋白质伸展、缔合、聚集、交联，从而形成类似肉的纤维结构。因此，挤压过程有可能为TG酶反应提供反应位点，促进蛋白质分子交联，提高花生蛋白肉类替代品的品质。然而，在从原料到最终产品的整个挤压过程中，TG酶对花生蛋白分子的作用随反应条件的变化目前尚无研究。

因此，本文研究了TG酶修饰改性对花生蛋白肉类替代品感官品质的影响，测定TG酶改性花生蛋白的热特性及流变特性，分析了高水分挤压过程中TG酶对蛋白质构象的变化如蛋白质分子间相互作用、分子量分布和二级结构的影响。研究成果发表在Food Hydrocolloids（2021，112：106346，IF：7.053）上。

图1 高水分挤压过程转谷氨酰胺酶改性花生蛋白及对纤维结构的影响

研究方法和结果

将花生蛋白与不同量的TG酶混合均匀，在挤压机机筒内诱导，获取不同聚集程度的花生蛋白，并在高水分条件下挤压成型，获取高水分花生拉丝蛋白，分析其纤维结构特征、质构特性和外观品质。采用“突然停机”的方法，获取挤压过程中喂料器、混合区、蒸煮区、模口区、成型区和挤出物共计六个区段样品。采用扫描电镜，观察不同聚集程度的花生蛋白在不同挤压区段微观结构变化。对比分析六个挤压区段花生蛋白热转变特性、热分解特性和流变特性等物性学特性变化，阐明不同聚集程度花生蛋白在高水分挤压过程中相变化规律。进一步对蛋白相对分子量、化学交联键和二级结构等分子构象变化信息进行测定，最终揭示不同聚集态花生蛋白原料在挤压过程中蛋白构象变化过程及纤维结构形成规律。

结果表明，TG酶可显著提高高水分挤压花生蛋白的凝胶性质如拉伸特性、硬度和咀嚼度。但当TG酶的添加量大于0.2 %时，不利于蛋白质分子的重排和纤维结构的改善。在挤出机筒内，TG酶能促进蛋白质分子链的展开、聚集、交联，破坏氢键和二硫键，增强疏水作用。TG酶使得蛋白质分子的排列更加无序，α-螺旋向β-转角和无规则卷曲结构转变。添加0.1%或0.2%的TG酶，有利于促进蛋白质分子在模口区重排过程中形成新的氢键和二硫键，从而稳定蛋白质构象。从冷却段到挤出物过程中，TG酶有利于蛋白质分子链的伸展，有利于形成较大的蛋白质亚基（66kDa），其对纤维结构的形成起到重要作用。在TG酶的作用下，维持纤维结构的主要作用力由氢键和二硫键交互作用转化为疏水作用、氢键和二硫键。同时，经TG酶改性后，四种蛋白质二级结构的比例为β-折叠>α-螺旋>β-转角>无规则卷曲。

图2 TG酶诱导花生蛋白高水分挤压过程中微观结构变化（a×300，b×1500）

图3 TG酶添加量对高水分挤压过程中花生蛋白热转变特性的影响

（a混合区，b蒸煮区，c模口区，d成型区，e挤出物）

图4 TG 酶添加量对高水分挤压过程中花生蛋白热分解特性的影响

（a混合区，b蒸煮区，c模口区，d成型区，e挤出物）

图5 TG酶添加量对高水分挤压过程中花生蛋白溶液表观黏度变化的影响

（a混合区，b蒸煮区，c模口区，d成型区，e挤出物）

图6 TG 酶添加量对高水分挤压过程中花生蛋白相对分子量变化的影响

（a混合区，b蒸煮区，c模口区，d成型区，e挤出物）

图7 傅里叶红外扫描光谱图

（a混合区，b蒸煮区，c模口区，d成型区，e挤出物）

该研究得到了国家重点研究发展计划(2016YFD0400200)、国家自然科学基金（31901608）、中国农业科学院科技创新项目(CAAS-ASTIP-201X-IAPPST)的资助。中国农业科学院农产品加工研究所张金闯博士为第一作者，王强研究员为通讯作者。

参考文献：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0268005X20308663#undfig1

原文链接

Jinchuang Zhang, Qiongling Chen, Li Liu, Yujie Zhang, Ning He, Qiang Wang.High-moisture extrusion process of transglutaminase-modified peanut protein:Effect of transglutaminase on the mechanics of the process forming a fibrousstructure. Food Hydrocolloids, 2021, 112:106346.DOI: 10.1016/j.foodhyd.2020.106346

供稿人：陈琼玲

王强，中国农业科学院农产品加工研究所副所长，二级研究员/博士生导师，享受国务院特殊津贴，九三学社中央农林委委员。全国优秀科技工作者，全国首批农业科研杰出人才，全国科技助力精准扶贫先进个人，入选国家“百千万人才工程”并获“有突出贡献中青年专家”荣 誉称号，农业部“粮油加工与综合利用”创新团队首席，中国农业科学院领军人才，山东省泰山领军人才，中国粮油学会花生食品分会会长，中国食品学会功能食品分会副理事长，“国家花生产业技术体系”加工研究室主任。NPJ Science of Food编委、Journal of Integrative  Agriculture食品栏目主编等。

长期从事粮油加工与营养健康领域科学研究，首次构建了花生加工适宜性评价技术，筛选出加工专用品种，解决了我国花生混收混用、产品品质差的瓶颈问题；颠覆了传统高温压榨技术与方法，建立了国内第一条花生低温制油与蛋白联产生产线，开发出高品质系列新产品，推动了花生加工业的高质量发展。