高 揚 解鐵民 李哲濱 洪 濱 張英蕾 盧淑雯

植物蛋白高水分擠壓組織化技術的現(xiàn)狀及發(fā)展

高 揚 解鐵民 李哲濱 洪 濱 張英蕾 盧淑雯

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院食品加工研究所，哈爾濱 150086)

結(jié)合國內(nèi)外相關文獻對高水分蛋白擠壓技術的研究進行總結(jié)，并將擠壓機作為生物反應器，以此為基礎系統(tǒng)論述了大豆蛋白、小麥蛋白等植物蛋白原料的高水分擠壓組織化技術。在總結(jié)過程中，對高水分擠壓技術的發(fā)展歷程、高水分擠壓設備、擠壓機理、相關的技術特點等方面進行論述，探討了植物蛋白高水分擠壓過程中蛋白質(zhì)特性的變化以及相關的擠壓系統(tǒng)參數(shù)對擠壓蛋白產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)的影響，并闡述了這項技術的研究動態(tài)及發(fā)展前景。

植物蛋白 高水分擠壓 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 流變學特性

植物蛋白的高水分擠壓組織化技術是國際上新興的蛋白質(zhì)質(zhì)構(gòu)重組技術［1］，利用該技術能夠生產(chǎn)出組織化程度高、食用方便、營養(yǎng)豐富，且具有動物蛋白質(zhì)構(gòu)特性的產(chǎn)品，可作為動物蛋白替代產(chǎn)品滿足人們?nèi)粘ｏ嬍臣盃I養(yǎng)攝入的需要?，F(xiàn)階段，蛋白質(zhì)質(zhì)構(gòu)重組技術的商業(yè)化應用幾乎都是采用中低水分(物料含水率＜40%)擠壓技術進行生產(chǎn)加工的，其產(chǎn)品與高水分擠壓產(chǎn)品相比，需復水后方可食用，且咀嚼性差，沒有“肉感”。在20世紀70年代，高水分擠壓組織化技術由于受其基礎理論和加工設備的限制還不能夠?qū)崿F(xiàn)。進入80年代，隨著制造業(yè)的發(fā)展，擠壓機技術尤其是雙螺桿擠壓機復雜機筒、螺桿以及模頭設計技術的進一步發(fā)展，使得高水分(40%～80%)擠壓組織化技術的應用成為可能［2］。采用雙螺桿擠壓機對植物蛋白進行高水分(物料含水率≥40%)擠壓是一個新的加工領域，目前商業(yè)化生產(chǎn)中僅美國、加拿大、歐洲和泰國有極少數(shù)企業(yè)在進行相關產(chǎn)品的生產(chǎn)，在我國尚屬空白。因此，高水分組織化蛋白產(chǎn)品在我國具有廣闊的發(fā)展前景。

隨著擠壓加工技術的發(fā)展以及其巨大的優(yōu)勢，高水分擠壓加工技術已經(jīng)逐漸開始應用于食品加工領域。同時，一些學者針對擠壓機理展開探討，研究了植物蛋白原料在擠壓過程中發(fā)生的復雜理化改變，以及擠壓產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、理化特性等問題。近些年來，隨著對擠壓加工過程的深入了解和對其過程的有效控制，高水分蛋白擠壓加工技術必將得到更為廣泛的應用。

1 植物蛋白的高水分擠壓技術

1．1 植物蛋白的營養(yǎng)與特性

蛋白質(zhì)作為有機體構(gòu)成的重要組成部分，在人們的日常飲食以及營養(yǎng)攝入中占有非常重要的地位。蛋白質(zhì)通過為生物體提供必需的氨基酸，為生物的成長、生命的維持提供物質(zhì)基礎。目前，人類所攝取的蛋白質(zhì)資源主要分為動物蛋白和植物蛋白兩類。動物蛋白的營養(yǎng)價值較高，是人們膳食中優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的主要供給來源。但動物蛋白攝入過多，會導致肥胖、高血壓、高血脂、心腦血管等疾病糖尿病等疾?。?］。因此，開發(fā)低脂肪、低膽固醇的植物蛋白資源以滿足人類的膳食需要具有重要的意義。

植物蛋白作為人類重要的蛋白質(zhì)來源之一，除了其具有資源豐富、價格低廉等優(yōu)勢外，還具有獨特的功能特性，例如吸水性、持油性、乳化性、起泡性、成纖維性、凝膠性等性質(zhì)［4］。正因為植物蛋白獨特的功能特性，使其廣泛應用于食品加工領域。尤其是植物蛋白的高水分擠壓技術在食品工業(yè)中應用，不僅改善了植物蛋白的質(zhì)構(gòu)、口感以及營養(yǎng)價值，還成為提高植物蛋白有效利用率的重要方法。例如采用大豆分離蛋白、濃縮蛋白以及谷朊粉作為原料，通過高水分擠壓技術可實現(xiàn)植物類蛋白的重組，使其形成的產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)類似于肉的纖維狀組織［5］。高水分擠壓適用于工業(yè)化、連續(xù)化大生產(chǎn)，擠壓過程是將輸送、捏合、剪切、均質(zhì)、熟化、殺菌、成型等多個單元操作同時完成，其過程具有連續(xù)的高溫、高壓、短時加工處理等特點，經(jīng)此過程得到的擠壓產(chǎn)品清潔衛(wèi)生、品種多樣。

圖1 植物蛋白高水分擠壓仿肉制品

1．2 高水分擠壓加工設備

雙螺桿擠壓機是實現(xiàn)植物蛋白高水分擠壓所必須的主體設備。雙螺桿擠壓機與單螺桿擠壓機相比，不僅其輸送和混合性能較好，而且還具有螺桿組合可變、利用效率較高等優(yōu)點，因此雙螺桿擠壓機的適用范圍更為廣泛［1］。單螺桿擠壓機與雙螺桿擠壓機的輸送原理各不相同，單螺桿擠壓機主要依靠物料熔體與套筒以及螺桿與熔體之間的摩擦力進行物料輸送，因此單螺桿擠壓機套筒要設計成帶螺槽的結(jié)構(gòu)，這樣與螺桿相互捏合，才能更好的達到輸送物料的作用。雙螺桿擠壓機主要依靠兩根螺桿相互捏合進行物料的輸送，可以通過改變螺桿組合實現(xiàn)提高向前輸送物料效率的目的。高水分擠壓其摩擦力以及物料的黏性耗散較低，采用雙螺桿擠壓機調(diào)整螺桿組合可以達到降低壓力、減少漏流的作用，因此雙螺桿比單螺桿更適合加工水分含量高的物料［6］。雙螺桿擠壓機的應用促進了植物蛋白高水分擠壓技術的發(fā)展。國際上一些擠壓機制造商如Clextral、Wenger、PAVAN、布勒、科培隆等多家公司均可提供商業(yè)化的高水分擠壓機，其中法國Clextral公司是第一個將高水分擠壓技術用于商業(yè)化的擠壓機制造商。在國內(nèi)湖南FUMACH、江蘇的牧羊公司也能提供商業(yè)化的高水分擠壓設備。

表1 單螺桿和雙螺桿擠壓機的主要差別［7］

1．3 高水分蛋白擠壓機理及其過程中蛋白特性的變化

在植物蛋白高水分擠壓組織化過程中，物料在擠壓機套筒內(nèi)受到加熱、輸送、混合、剪切、摩擦等作用，導致蛋白變性，使維持蛋白結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵、二硫鍵等被破壞，形成具有可塑性的熔融體。當物料經(jīng)冷卻模頭擠出時，模頭的存在使物料的熔融體沿著擠出方向產(chǎn)生定向流動并將物料進行定型冷卻，使其蛋白分子凝聚，并沿著擠出方向呈線性排列，最終獲得絲狀結(jié)構(gòu)的組織化蛋白［8］。

1．3．1 滯留時間對蛋白特性變化的影響

熔融是形成蛋白質(zhì)交聯(lián)反應的重要條件［9］，而物料在機筒內(nèi)的滯留時間直接影響物料熔融狀態(tài)的形成。Cheftel等［10］通過研究發(fā)現(xiàn)高水分(≥60%)植物蛋白在高溫(140～180℃)、高壓(1．7～6．0 MPa)條件下，要使植物蛋白在擠壓過程中形成可塑性的熔融體，其物料在套筒內(nèi)的滯留時間不應少于150 s。增加物料在套筒內(nèi)的滯留時間，可以采用L/D值(L為套筒長度，D為套筒直徑)較大的套筒;或是降低螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度;再或者采用阻力較大的螺桿結(jié)構(gòu)(增加捏合塊和反向剪切元件)。此外，采用阻力較大的螺桿結(jié)構(gòu)，可以增加熔融體的傳熱速率，從而增強蛋白的塑化程度，有利于蛋白質(zhì)交聯(lián)反應的發(fā)生［10］。

1．3．2 物料成分對蛋白特性變化的影響

一些研究者還針對高水分擠壓過程中，不同類型的蛋白以及所添加的配料對高水分擠壓蛋白組織化纖維結(jié)構(gòu)的影響進行了研究。Cheftel等［10］發(fā)現(xiàn)在相同條件下用濃縮大豆蛋白作為擠壓原料要比用分離蛋白更容易擠出具有組織化纖維結(jié)構(gòu)的蛋白產(chǎn)品。而在大豆分離蛋白中添加谷朊粉(小麥蛋白)也更有利于組織化蛋白形成纖維狀結(jié)構(gòu)。

配料類型對重組蛋白的質(zhì)構(gòu)有著不同的影響(加強或抑制)。例如擠壓的植物蛋白原料中含有油脂不利于組織化纖維的形成。因為油脂有潤滑作用，可以降低剪切效果，減少擠壓物料與螺桿間的摩擦。當添加的油脂含量大于5%時，會降低縱向拉伸的強度，不易形成絲狀結(jié)構(gòu)。如果配方中含有大量的油脂，則需要加長模頭來增加物料和模腔之間的摩擦力，使其植物蛋白形成絲狀結(jié)構(gòu)［2］。植物蛋白與多糖類物質(zhì)混合后進行高水分擠壓，對其重組后的組織化構(gòu)成也有著重要的影響。例如通過添加淀粉，或是加入麥芽糊精能夠提升重組植物蛋白的纖維組織化程度。高水分蛋白擠壓過程中，加入的多糖類物質(zhì)處于游離狀態(tài)，從而使蛋白分子更容易發(fā)生定向再結(jié)合，提高擠出方向的蛋白分子的聚集，使得擠出物更容易形成一定的纖維結(jié)構(gòu)。

1．3．3 擠壓操作參數(shù)對蛋白特性變化的影響

相關文獻綜述針對擠壓組織化蛋白特性的變化與擠壓操作參數(shù)之間的影響關系進行了系統(tǒng)的研究。Hayashi等［11］認為擠壓溫度是影響大豆組織化結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一。在高水分蛋白擠壓過程中，要想使植物蛋白形成組織化結(jié)構(gòu)，需要使其充分變性，因此蛋白變性溫度(熔融體形成溫度)是一個關鍵因素。除擠壓溫度外，其他操作參數(shù)均對植物蛋白的變性程度具有一定的影響。Cheftel等［10］通過研究表明，在物料水分含量相對較低的情況下，套筒溫度(140～180℃)越高，其擠出蛋白的組織化程度越好;當物料的水分含量大于60%時，套筒溫度大于150℃且物料在套筒內(nèi)的停留時間不少于150 s，植物蛋白才能充分變性。Thiebaud等［12］認為螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度也會對植物蛋白的組織化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，其主要通過影響套筒填充度和物料的滯留時間來影響蛋白的變性程度。

1．3．4 高水分組織化蛋白分子間作用力

Ke shun liu等［13］將兩種商業(yè)化的分離蛋白與谷朊粉和小麥淀粉混合后作為原料，進行高水分擠壓，并對其高水分組織化蛋白的化學鍵進行了研究，其得到的結(jié)論為維持高水分組織化蛋白分子間作用力是疏水作用、氫鍵和共價二硫鍵，而疏水作用、氫鍵是影響蛋白分子間作用力的主要因素。陳鋒亮等［14］以分離蛋白為原料也得到了類似的結(jié)論。

1．4 水分在擠壓組織化蛋白過程中的作用

物料水分含量是影響擠壓反應過程的重要因素。國內(nèi)外一些研究者將物料水分含量從擠壓系統(tǒng)參數(shù)中單獨列出來進行研究，足見其在擠壓過程中的重要作用。Sheard等［15］研究認為，擠壓體系中物料的水分含量是影響蛋白變性溫度的重要因素。在物料水分含量較高的情況下，蛋白分子的聚集主要依靠疏水作用;而隨著物料水分含量的降低，二硫鍵形成較多，使其取代疏水作用成為穩(wěn)定蛋白分子聚集的作用力。二硫鍵作用、陽離子為中介的靜電作用以及疏水作用影響著擠壓后蛋白質(zhì)所形成的三維立體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以上三種因素對擠壓組織化蛋白的構(gòu)造有著重要影響［8］。Akdogan［16］采用帶狹縫模頭的雙螺桿擠壓機對高水分擠壓過程的系統(tǒng)參數(shù)進行研究，發(fā)現(xiàn)當各擠壓操作參數(shù)保持不變時，模頭壓力、螺桿扭矩以及單位機械能耗隨著物料水分含量的增加而減小，且變化顯著。Lin等［17］研究了大豆蛋白高水分擠壓組織化工藝中，擠壓操作參數(shù)與擠壓蛋白產(chǎn)品特性之間的相互關系。研究發(fā)現(xiàn)含水量較低(60%～65%)會導致產(chǎn)品溫度以及模頭壓力的升高，擠出的蛋白產(chǎn)品質(zhì)地較硬、具有較強的咀嚼性，且纖維結(jié)構(gòu)較好。

魏益民等［1］對低溫脫脂豆粕的高水分擠壓過程以及擠壓蛋白產(chǎn)品的組織化結(jié)構(gòu)進行研究，提出了高水分擠壓過程中蛋白質(zhì)纖維狀結(jié)構(gòu)形成的“膜狀氣腔”理論假設，其具體內(nèi)容為蛋白質(zhì)分子受熱發(fā)生變性，其內(nèi)部化學鍵發(fā)生復雜反應，改變蛋白質(zhì)分子的天然結(jié)構(gòu)。水分的汽化使蛋白質(zhì)形成了“膜狀氣腔”，機筒“熔融體”內(nèi)的“膜狀氣腔”在螺桿推力和壓力的作用下，沿軸向(擠出方向)呈線性定向排列運動。在模具形狀、壓力和突然冷卻的多重作用下，“膜狀氣腔”被壓縮成斜長形“細胞”狀組織，從而形成具有纖維狀、且具有類似肉類咀嚼感(彈性)的組織化蛋白產(chǎn)品。該理論指出水分在擠壓蛋白產(chǎn)品纖維組織化結(jié)構(gòu)形成的重要作用，揭示了植物蛋白高水分擠壓產(chǎn)品纖維狀組織化結(jié)構(gòu)形成的原因和過程，對其擠壓機理的研究以及該技術的開發(fā)與利用具有重要的指導意義。陳鋒亮等［14］為揭示植物蛋白擠壓加工過程中高水分擠壓技術優(yōu)于中低水分擠壓技術的本質(zhì)原因，對前人所提出的“膜狀氣腔”理論假設中水分對擠壓產(chǎn)品纖維化結(jié)構(gòu)形成的重要性進行驗證，其研究采用雙螺桿擠壓機，以大豆分離蛋白(SPI)為原料，在物料水分為28%～60%、擠壓溫度為140～150℃的試驗范圍內(nèi)，通過在線檢測和理論推導，對擠壓過程中水分的形態(tài)、分布以及高水分引起的擠壓系統(tǒng)和產(chǎn)品特性的變化進行深入分析，論證了水分在擠壓組織化過程中的重要作用。

1．5 模頭在擠壓組織化蛋白過程中的作用

模頭是擠壓機的重要部件，它不僅可以穩(wěn)定擠出物料的流量，還可以通過更改模頭得到相應的產(chǎn)品形態(tài)［19］。因此模頭的設計是影響擠出產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。帶冷卻的模頭可以增加擠出物的黏度，得到彈性、流動性合適的組織化蛋白［2］。Harper［18］提出冷卻模頭使蛋白晶體產(chǎn)生縱向拉伸，拉伸過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成“氣泡”使產(chǎn)品分層，形成類似于肉的結(jié)構(gòu)。?？谔幬锪系臏囟葘D壓蛋白組織化結(jié)構(gòu)的影響起著重要的作用，控制?？谔幬锪系臏囟仁潜ＷC產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。模口處物料溫度主要受擠壓操作參數(shù)影響。

影響蛋白組織結(jié)構(gòu)的另一個重要因素是模孔的大小，它影響著熔融體的流速。?？椎某叽缭酱?，其相應套筒內(nèi)的熔融體的流速以及剪切應力會明顯降低。有研究采用三菱FT－60N雙螺桿擠壓機在60%水分下擠壓脫脂豆粉，分別采用1、3和5 mm的模孔進行試驗。采用5 mm的?？咨a(chǎn)出的組織化蛋白光滑、有韌性，且具有較高的縱向以及橫向拉伸強度，而采用1、3?？咨a(chǎn)出的組織化蛋白韌性較差，且拉伸強度較低［10］。這是由于采用較窄的?？走M行擠壓，物料不易擠出，在機筒內(nèi)受到的剪切力過多，使其產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)被破壞。因此，合適的?？壮叽缡谦@得好產(chǎn)品的重要保證。

2 總結(jié)與展望

植物蛋白的高水分擠壓組織化技術作為一項高新技術，由于其原料在擠壓過程中發(fā)生的復雜理化改變，以及擠壓產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、理化特性等問題，使得各國學者紛紛對其加工工藝以及機理的研究展開了探討。本文簡要闡述了高水分組織化蛋白加工過程中，在原料的選擇、設備的制造、工藝的開發(fā)和高水分擠壓基礎理論的研究等方面所取得的相關進展。在我國隨著生活水平的提高，人們對合理膳食、日常營養(yǎng)攝入的要求越來越高。利用高水分擠壓技術生產(chǎn)的植物蛋白產(chǎn)品必將具有廣闊的市場和發(fā)展前景。

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The Current Situation and Development of Vegetable Protein's High Moisture Extrusion Technology Organization

Gao Yang Xie Tiemin Li Zhebin Hong Bin Zhang Yinglei Lu Shuwen
(Food Processing Institute，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150086)

The paper summarizes researches of high moisture protein extrusion technology combined with related literature at home and abroad．Extruders can be used as bioreactors for processing vegetable protein by high moisture extrusion texturization．In this paper，the phylogeny of high moisture extrusion，equipment，mechanism and technical characteristic are discussed．The research reviews the protein reactions during high moisture extrusion texturization and the extrusion parameter influences that vegetable－based proteins are formed fibrous structures in the extruder for high moisture systems．It also states the research dynamic．a(chǎn)nd developing prospect．

vegetable protein，high moisture extrusion，protein structure，rheological properties

S－1

A

1003－0174(2012)08－0124－05

黑龍江省青年科學基金(QC2010118)，黑龍江省自然科學基金(ZD20080101)，黑龍江省科技計劃(GB09 A509)

2011－11－03

高揚，男，1984年出生，碩士，農(nóng)產(chǎn)品加工

解鐵民，男，1978年出生，副研究員，農(nóng)產(chǎn)品加工