中国农业科学院农产品加工研究所王强研究员团队：豌豆分离蛋白-直链/支链淀粉混合物的流变学特性及其在高水分挤压法制备新型植物基肉制品中的应用
近日，中国农业科学院农产品加工研究所王强研究员团队在国际食品领域顶级期刊Food Hydrocolloids在线发表题为“Rheological properties of pea protein isolate-amylose/amylopectin mixtures and the application in the high-moisture extruded meat substitutes”的研究论文，系统揭示了豌豆分离蛋白-直链/支链淀粉混合物的流变学特性及其对高水分挤压过程系统响应参数及产品品质的影响。中国农业科学院农产品加工研究所王强研究员为本文通讯作者；博士生陈琼玲和张金闯助理研究员为文章的并列第一作者。
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.106732
Highlights
1. 直链/支链淀粉比例对豌豆蛋白原料流变学特性具有较大影响；
2. 支链淀粉可促进高水分挤压豌豆蛋白中纤维结构的形成；
3. 添加直链淀粉和支链淀粉均有利于降低挤压过程中的单位机械能耗；
4. 添加支链淀粉会导致豌豆分离蛋白挤出物的体外消化率显著降低。
Introduction
近年来，随着消费者的环境保护、动物福利和个人健康意识增强，植物蛋白肉制品受到广泛关注。目前制备植物蛋白肉的技术主要包括挤压、剪切腔、静电纺丝等。其中高水分挤压技术具有生产率高、营养成分损失少、能耗低、无废弃物排放等优点，且产品极具动物肉质地和结构。因此，高水分挤压技术是制备植物基肉制品的最具前景的技术之一。目前制备植物蛋白肉的原料主要包括大豆蛋白、花生蛋白、小麦蛋白等。由于豌豆蛋白具有致敏性低、无豆腥味和转基因问题等优点，近年来引起了研究者的关注。已有研究表明，以豌豆分离蛋白为原料，通过高水分挤压技术可制备高度组织化的挤出物，且蛋白质分子间主要通过二硫键形成大分子网络结构，通过冷却过程中的旋节相分离促进纤维结构的形成。然而，目前的文献报道仅限于研究高水分挤压过程中蛋白质分子结构的变化。
挤压过程中食品组分的相分离可以阻止蛋白质横向聚集，这被认为是各向异性纤维结构形成的必要条件。在挤出加工过程中添加外源性多糖（如卡拉胶和果胶）可促进各向异性纤维结构的形成，显著提高产品的整体接受度。本团队前期研究也发现，添加淀粉有利于蛋白质聚集和组织化。淀粉中直链/支链淀粉的比例不仅对物料的流动行为起着关键作用，而且还会影响挤压过程中的响应参数。由于直链淀粉和支链淀粉分别为线性结构和高度分支结构，表现出完全不同的溶解度、吸水性、糊化温度和流变特性。直链淀粉可能通过氢键与水结合，并在热机械加工过程中与伸展的蛋白质分子相互作用，促进致密结构的形成，而支链淀粉可能以分散相的形式分布在熔融物中，促进各向异性结构的形成。然而，原料中直链淀粉/支链淀粉比例对挤出物中纤维结构形成的影响还鲜有报道。
因此，本研究旨在明确豌豆分离蛋白-直链淀粉/支链淀粉混合物的流变特性，分析原料流变特性对高水分挤压过程中系统响应参数的影响，及其与最终产品品质（外观、质构特性、体外消化率）之间的关系。
Results and Discussion
本研究以豌豆分离蛋白为原料，添加10%直链/支链淀粉混合物（其中直链/支链淀粉比例为1:0、2:1、1:1、1:2、0:1），对其进行高水分挤压处理。测定不同原料的流变学特性，分析其对挤压过程中的模口压力、扭矩、产量、单位机械能耗等系统响应参数及最终产品品质如外观、质构特性和体外消化率的影响，探究原料流变特性与高水分挤压过程及挤出物品质之间的关系。
研究结果表明，支链淀粉流体力学体积和回转半径较小，有利于提高豌豆蛋白分子的灵活性，降低其表观粘度、贮存模量和损耗模量，降低高水分挤压过程中单位机械能耗，提高蛋白质与淀粉的接枝度。同时，支链淀粉均匀分布在蛋白质基质中，可促进挤出物中各向异性结构的形成，提高产品的组织化度，降低其体外消化率。而添加直链淀粉对豌豆分离蛋白的表观粘度和稠度系数K值无显著影响，在高水分挤压过程中导致挤出物中形成更密实的结构。且添加直链淀粉会降低挤出物的接枝度，不利于纤维结构的形成。此外，添加直链淀粉和支链淀粉均能显著降低高水分挤压加工过程中的模口压力和扭矩，降低挤出物的色差、硬度、弹性和咀嚼性。
综上所述，在高水分挤压过程中，豌豆分离蛋白-直链淀粉/支链淀粉混合物的原料流变特性决定了物料在机筒中的流动行为，从而影响挤压响应参数和产品的最终品质。添加支链淀粉有利于制备纤维结构丰富的豌豆蛋白基肉类替代物。该研究结果明确了直链淀粉与支链淀粉对高水分挤压制备植物蛋白肉的影响，也为开发新的植物蛋白肉产品提供了重要的理论基础。
通讯作者简介
王强 二级研究员/博士生导师
中国农业科学院农产品加工研究所副所长
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，享受国务院特殊津贴，农业部“粮油加工技术与工程”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。
长期从事粮油加工与营养健康领域科学研究。主持“十三五”国家重点研发计划专项（基础研究类）、国家自然科学基金、863、公益性农业行业科研专项等国家项目30多项，以第一完成人获得2014年国家技术发明二等奖、2013和2019中华农业科技奖一等奖、2015年中华农业科技奖“优秀创新团队类”、2012年ICC最高学术奖、2014年中国专利优秀奖、2017年中国商业联合会科学技术奖特等奖、2019年中国农业农村十大新装备，授权发明专利90余项（其中国际专利9项），软著12项，制修订国家和行业标准9项，出版著作12部（英文专著3部），学术论文330余篇SCI 120篇、JCR一区57篇，培养硕博研究生、博士后及外国留学生100多人。
第一作者简介
张金闯
博士 助理研究员
中国农业科学院农产品加工研究所
2019年毕业于中国农业科学院，现就职于中国农业科学院农产品加工研究所。主要从事植物蛋白挤压技术与应用研究工作，主持国家自然科学基金1项、参与国家重点研发计划专项、知名企业横向合作等课题6项。近五年，以第一作者在Crit Rev Food Sci（IF:7.862）、Food Hydrocolloids（IF:7.053）、Journal of Agricultural and Food Chemistry（IF:4.192）等JCR前5%期刊发表高水平论文15篇，累计影响因子57.627，被引次数100余次，授权美国发明专利1项、中国发明专利4项、实用新型专利3项，创制植物蛋白素牛肚、素风干牛肉等新产品10余个，参与制定植物蛋白基肉制品团体标准2项，获得软件著作权1项，参编著作3部，荣获中国农业科学院2019年度优秀博士学位论文，参加国际会议并作专题报告5次。
第一作者简介
陈琼玲 博士研究生
陈琼玲，中国农业科学院农产品加工研究所2019级博士研究生，主要研究方向为植物蛋白挤压技术与应用。目前已发表学术论文13篇，申请国家发明专利8项，参编著作3部，参与国家重点研发计划专项、知名企业横向合作等课题4项，并参与研发植物蛋白素牛肚、素风干牛肉、黄金炸鸡块等新型植物蛋白肉产品10余个。
