高水分挤压大豆蛋白各向异性结构形成的研究

背景介绍

近年来，由于消费者对健康、动物福利和可持续发展等问题的关注，植物基肉制品的需求稳步增长。为满足消费者对肉类纤维结构及口感的要求，植物基肉制品需模拟真实肉类的各向异性结构，并提供相当的蛋白含量。目前制备植物蛋白肉的技术主要为低水分挤压（水分含量＜40%）和高水分挤压（水分含量＞40%）。其中低水分挤压制得的挤出物蓬松多孔，而高水分挤压通过长的冷却模具使熔融物温度降低至100℃以下，可防止水分蒸发并促进各向异性结构的形成。

挤压过程中，蛋白质分子沿流动方向伸展和重排，形成了各向异性结构。研究报道，挤压过程中产品结构形成与蛋白质-蛋白质间相互作用及分子重排有关。20世纪90年代，Tolstoguzov提出了另一种各向异性结构形成的机制：多相体系的存在。其在研究中观察到，生物大分子混合物（蛋白质-蛋白质或蛋白质-多糖）具有热力学不相容性，在一定浓度阈值以上形成相分离。在挤压机模口，分散相发生变形，沿流动方向取向，并在冷却过程中凝固，形成典型的各向异性结构。最近，对shear cell装置中高浓度生物聚合物组织化的研究表明，基质中截留的气泡沿流动方向变形，导致各向异性结构的形成。

因此，本研究以大豆分离蛋白为模型，分析了挤出物的微观结构、流变特性、水分分布及在不同溶剂体系中的溶解度，旨在探究挤压过程中蛋白质-蛋白质相互作用的变化和多相体系对植物蛋白挤出物中各向异性结构形成的影响。

研究方法

本研究以大豆分离蛋白为原料，采用德国科倍隆ZSK 26 Mc型双螺杆挤压机进行高水分挤压。长径比为29，冷却模具尺寸为380×30×6 mm，冷却温度为50 ℃，螺杆转速250 rmp，水分含量50 %，挤压机筒温度分别设置为40-60-80-110-123-124 ℃和40-60-90-130-135-140 ℃。对挤出物冷冻切片后观察其微观结构，并测定挤出物在不同溶剂体系中的溶解度、流变特性，探究挤压过程中蛋白质-蛋白质相互作用的变化和多相体系对植物蛋白挤出物中各向异性结构形成的影响。

结果与分析

挤压后蛋白质水溶性增加，这表明挤压过程破坏了部分非共价键作用力（静电相互作用、氢键、疏水相互作用）。在含DTT的缓冲液中，样品中二硫键被破坏，原料及挤出物样品间溶解度无显著差异，这表明挤压过程对大豆蛋白中共价相互作用（二硫键）无影响。

对大豆蛋白原料进行温度扫描（图2），结果发现原料黏度随温度增加呈指数下降。因此，当挤压温度由124℃增加至135℃时，挤出物中的结构变化可能是由于分子流动性增加所导致的。对冷冻干燥前后的样品进行X射线扫描，挤出物俯视图和侧视图（图3）显示，富含蛋白的分散相沿模具中的流动方向取向，可见典型的哈根-泊肃叶流动剖面。因此，物料在冷却模具中的流动特性对多相体系的形态具有重要影响。

图1.豌豆分离蛋白挤出物在不同溶液中的相对溶解度：（a）去离子水；（b）非还原性溶剂；（c）还原性溶剂

图2.大豆分离蛋白原料温度扫描

图3.X射线观察冷冻干燥大豆分离蛋白挤出物的微观结构：（A）前视图；（B）俯视图；（C）侧视图

讨论

目前，高水分挤压产品中各向异性结构的形成主要归因于两种机制：蛋白质分子的排列或多相体系的存在。大部分研究都集中在分子结构方面，例如蛋白质相互作用或分子量的变化的测定。研究者认为蛋白质分子必须通过重排和产生新的相互作用而稳定最终产品，特别是二硫键和疏水相互作用被认为是最重要的作用力。而本研究中结果表明，蛋白质-蛋白质和蛋白质-多糖的相互作用没有发生变化，并且蛋白分子不存在明显的取向性。各向异性结构的形成是由于分散相的取向导致的。本研究中的微观结构分析揭示了挤出物中存在明显的多相体系，通过挤压过程，形成富含水分的分散相和富含蛋白的连续相。假设在大豆分离蛋白的预处理过程中产生了具有高分子量和低溶解度的高度聚集的蛋白质，这些不溶性蛋白质可以形成连续相，而可溶性蛋白质则分散于富含水分的分散相中。在此类多相体系中，熔融物的流变特性对挤出物的结构的形成起着重要的作用。同时蛋白分子结构仍然是挤压植物蛋白质形成多相体系的一个重要因素，其影响亲水性/疏水性，从而影响系统中的水分分布和蛋白质的流变学性质。

结论

随着挤压温度升高，物料流动性增强，挤出物各向异性结构发生变化。多相体系具有类似于哈根-泊肃叶的流动剖面。结果表明，植物蛋白挤出物中各向异性结构的形成是由于多相体系的存在及水分重分配共同作用的结果。在植物蛋白的热机械加工中，进行工艺和产品设计时，必须考虑多相动力学及水分分布。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0268005X2100148X?via%3Dihub

供稿人：

陈琼玲