油脂含量和添加位置对小麦蛋白基肉制品挤压工艺的影响

背景介绍

健康、环境保护及动物福利等因素促进消费者改变饮食习惯而选择植物基食品。然而，许多消费者不愿牺牲动物肉的感官享受，包括肉类的纤维结构和风味，尤其是其嫩度与多汁性。在真实肉类中，这些特性是由肌肉纤维和肌内脂肪共同形成的。在肉类类似物中，可通过挤压组织化形成的各向异性结构模拟肌肉纤维的纹理。然而，这些结构本身并不能完全模拟真实肉的口感，尤其是其多汁性。由于真实肉类中的脂肪含量可高达30%，因此可以假设多汁性等感官特性可以通过向植物基肉制品中添加脂肪或油来改善。然而，油的添加不仅影响产品的多汁性，而且对挤压工艺条件、物料流变性能及产品各向异性结构的形成均有影响。

为从机理上理解挤压过程中复杂的相互关系，必须研究添加油如何影响挤压工艺条件、蛋白聚合反应、流变特性和各向异性产品结构的形成。研究表明，挤压过程中油以小的球形液滴分散在蛋白质基质中，且添加8%的油会导致小麦蛋白中自由巯基减少，促进小麦蛋白通过二硫键聚合。然而，前期研究中，关于油脂添加量、挤压条件和最终产品性能之间的相关性尚未见报道。

因此，本研究以小麦蛋白为模型，系统研究油脂的添加量和添加位置对高水分挤压小麦蛋白中各向异性结构形成的影响，添加的油在小麦蛋白基质中的分散状态，以及工艺参数和流变特性对分散相形态的影响。

研究方法

本研究以小麦蛋白、中性甘油三酯为原料，采用德国科倍隆ZSK 26 Mc型双螺杆挤压机进行高水分挤压。螺杆直径25.5 mm，长径比为29。挤压机筒分为七段，除第一段外，每段机筒可独立控温。冷却模具尺寸为380×30×6 mm，冷却温度为40 ℃。分别在位置2（加水区域后）和位置7（机筒最后端）添加混有尼罗红的油脂（见图1）。在不同挤压温度（40-60-80-120/140-120/140-120/140 ℃）、螺杆转速（200、400、800rmp）和油脂添加量（0、2、4、6%）条件下进行高水分挤压。水分含量51~53%，喂料速度10 kg/h。待模口压力、模口温度及扭矩稳定3min后取样。采用闭腔流变仪测定样品流变特性，计算机断层扫描（micro-CT）观察冻干样品形态，质构仪测定样品抗拉伸特性及杨氏模量，激光共聚焦（CLSM）观察样品中油滴分布状态。

图1. 挤压机示意图

结果与分析

随着添加油含量增加，模口温度及压力降低。这可能是由于添加油脂会降低物料黏度，并润滑物料，降低其与螺杆及挤压机筒间的摩擦力，使挤压过程中剪切应力及黏性能量耗散减弱，从而降低物料温度及扭矩。同时添加油脂，降低单位体积聚合物浓度，降低聚合反应速率，从而间接降低物料黏度。位置7添加油对温度和压力的影响较位置2小，这表明螺杆末端（位置7）添加油可降低油脂的润滑作用，有利于小麦蛋白在挤压机筒中聚合。

随着螺杆转速的增加，挤压过程机械能增加，导致模口温度增加。螺杆转速为800 rpm时，在位置2添加4%的油脂导致物料温度降低10K，为在位置7添加则导致温度仅降低4K。这表明位置7添加油，会降低挤压过程中油脂对物料的润滑作用及能量耗散。

在位置2和7添加油脂，对样品各向异性结构无显著影响。油脂添加量由2%增加至4%时，挤出物流动剖面中各向异性结构减少，形成类似面团的结构（见表1）。由于高水分挤压产品中，各向异性结构的形成主要是由于蛋白质基质在冷却模具中受到剪切应力变性而形成的，因此在本研究中，两种添加位置均会导致物料在冷却模具中壁面滑移，降低剪切应力，导致两个不同添加位置获取的挤出物中各向异性结构差异较小。

螺杆转速增加会导致油脂添加量为0%和4%的样品中各向异性结构更明显（见表2）。这是由于随着螺杆转速的增加使挤压过程中热机械能增加，导致小麦蛋白聚合作用增加，物料黏度变大，导致冷却模具中物料变形应力增加，从而促进各向异性结构的形成。

位置2添加油脂时，随着油脂含量增加，挤出物杨氏模量逐渐降低；而位置7添加不同含量油脂时，挤出物杨氏模量无显著变化。这表明油脂添加量和添加位置影响挤压过程中物料温度和机械能，进而影响挤出物质构特性。

采用激光共聚焦观察样品中油脂分布状态，其中油脂呈红色，蛋白呈绿色。结果发现油脂以小液滴形态分散在蛋白基质中。其中位置2添加油脂的样品中油滴尺寸大于位置7的样品。这可能是由于位置7添加油脂时，物料黏度更大，导致更高的机械应力，促使油滴在挤压过程中变形和破碎。随着螺杆转速增加，油脂液滴尺寸减小（见图3），也是由于螺杆转速增加导致更高的机械应力，促进液滴破碎。此外，较高的能量输入加速挤压过程中小麦蛋白的聚合作用，增加物料黏度，增加油滴所受的机械应力。

表1 油脂添加量及添加位置对挤出物各向异性结构的影响

表2 油脂添加量及螺杆转速对挤出物各向异性结构的影响

图2. 油脂添加位置对挤出物中油脂分布状态的影响：（a）位置2添加；（b）位置7添加

图3. 螺杆转速对挤出物中油脂分布状态的影响：（a）200 rpm；（b）400 rpm；（c）800 rpm

结论

在高水分挤压小麦蛋白过程中添加油脂，导致工艺条件、流变学特性和产品特性发生显著变化。随着油含量的增加，物料黏度降低，模口温度和模口压力逐渐降低，挤出物的杨氏模量降低，油滴尺寸变大，表明油脂对动态加工条件和蛋白质聚合作用的影响较大。通过在挤压机筒末端添加油，可使这种影响大大降低，这为更好地控制挤压过程及产品中各向异性结构的形成提供参考。

原文链接：

https://doi.org/10.3390/foods10040697

供稿人：

陈琼玲