朱秀清，欒濱羽，黃雨洋，王逢秋節(jié)，李 楊*

（ 1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江省谷物食品與谷物資源綜合加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150028；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

動(dòng)物蛋白為人類(lèi)飲食提供了很好的蛋白源，但是畜牧業(yè)的發(fā)展會(huì)帶來(lái)一些環(huán)境污染的問(wèn)題[1-2]。為緩解肉類(lèi)加工產(chǎn)生的污染，一些研究者認(rèn)為組織化植物蛋白和細(xì)胞培養(yǎng)肉等仿肉制品可部分補(bǔ)充肉制品，降低肉制品的消費(fèi)比重。其中組織化植物蛋白由于其相對(duì)較低的成本且與肉相似度較高，而被認(rèn)為是一種可行性較大的未來(lái)食品。

植物蛋白是人類(lèi)膳食中重要的蛋白來(lái)源。與動(dòng)物蛋白相比，植物蛋白廉價(jià)易得，且具有降血糖、預(yù)防心血管疾病等多種生理功能[3]。目前我國(guó)對(duì)花生蛋白、大豆蛋白、豌豆蛋白的研究較為深入。組織化植物蛋白即以大豆、花生、豌豆等富含蛋白的油料或谷物及其衍生物為原料，通過(guò)擠壓能量的輸入使其蛋白發(fā)生充分變性，蛋白原有結(jié)構(gòu)被破壞并在適宜條件下發(fā)生重排，最終形成具有緊致組織結(jié)構(gòu)的制品。組織化植物蛋白成品的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以上，具有動(dòng)物肌肉纖維狀結(jié)構(gòu)和緊致，故也被稱為“植物蛋白肉”[4]、“蛋白素肉”（以下簡(jiǎn)稱“素肉”）等。

作為一種全價(jià)植物蛋白，大豆蛋白富含各種人體必需氨基酸，生物利用率高[5]，因此大豆基素肉制品在我國(guó)市場(chǎng)上較為普遍。大豆基素肉制品采用大豆粉、大豆?jié)饪s蛋白、大豆分離蛋白為主要原料，輔以淀粉、脂肪等[6]。原料組成上的差別使其品質(zhì)多變且不易控制，擠壓過(guò)程中各原料組分的化學(xué)變化過(guò)程尚不明確。此外，不同加工企業(yè)使用的原料不同，生產(chǎn)企業(yè)常為控制成本而對(duì)最佳配方進(jìn)行不合適的改動(dòng)，受工藝、原料的影響，素肉產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定，常出現(xiàn)產(chǎn)品纖維狀結(jié)構(gòu)不明顯、咀嚼性差等問(wèn)題，在生產(chǎn)加工中亟需突破技術(shù)瓶頸以解決這些問(wèn)題。

擠壓技術(shù)是目前生產(chǎn)組織化大豆素肉的主要方式。表1列出了兩種水分條件擠壓的差異。在低水分條件下（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～40%）可以制得具有一定纖維結(jié)構(gòu)的拉絲蛋白，內(nèi)部呈現(xiàn)孔隙不均的海綿狀結(jié)構(gòu)，復(fù)水后口感松軟，且形狀、大小豐富多樣[7]，是目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的素肉產(chǎn)品的主要原料。我國(guó)生產(chǎn)低水分?jǐn)D壓蛋白的食品企業(yè)超過(guò)50 家，其產(chǎn)品作為肉制品添加物已廣泛應(yīng)用于肉制品、冷凍食品、方便食品、肉丸、休閑食品等，這些食品的生產(chǎn)可以降低生產(chǎn)成本、增加食品中蛋白質(zhì)含量、改善膳食結(jié)構(gòu)，其中的代表食品有火腿腸、冷凍餃子、方便面調(diào)料、魚(yú)丸、辣條、豆干等[8]。隨著對(duì)擠壓技術(shù)研究的深入，在20世紀(jì)90年代高水分?jǐn)D壓技術(shù)逐漸興起。與低水分?jǐn)D壓技術(shù)不同的除了高水分條件（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～80%）外，其在擠壓機(jī)末端還需安裝一個(gè)較長(zhǎng)的冷卻?？赱9-10]。這種高水分?jǐn)D壓生產(chǎn)的大豆素肉產(chǎn)品組織化程度高，彈性強(qiáng)，具有類(lèi)似動(dòng)物肌原纖維蛋白組成的纖維狀結(jié)構(gòu)，使擠壓后的植物蛋白素肉的口感、質(zhì)地、表觀形態(tài)都得到了很大的改善[11]。擠壓使大豆蛋白中抗?fàn)I養(yǎng)因子鈍化，隨之提高蛋白消化吸收能力。相較于低水分?jǐn)D壓，高水分?jǐn)D壓素肉賦予大豆蛋白更強(qiáng)的吸水、吸油及風(fēng)味吸附能力[12]。但高水分?jǐn)D壓成本較高，對(duì)原料要求更為嚴(yán)格，目前仍處于不斷發(fā)展階段。

表1 低水分?jǐn)D壓技術(shù)與高水分?jǐn)D壓技術(shù)的基本特征比較[7,13-14]Table 1 Comparison of basic characteristics of low-moisture extrusion and high-moisture extrusion[7,13-14]

本文圍繞擠壓組織化大豆蛋白，對(duì)大豆蛋白組成及功能特性進(jìn)行簡(jiǎn)述，綜述擠壓對(duì)大豆蛋白微觀結(jié)構(gòu)和功能性的影響，重點(diǎn)闡述擠壓大豆蛋白組織化結(jié)構(gòu)形成機(jī)制，并總結(jié)擠壓條件對(duì)素肉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響，旨在為大豆蛋白擠壓組織化的工業(yè)應(yīng)用提供理論支撐。

1 大豆蛋白組成

大豆種子中的蛋白質(zhì)約占干物質(zhì)總質(zhì)量的40%[15]，主要由4 種球蛋白組成，根據(jù)其在離子強(qiáng)度0.5 mol/L下的沉降系數(shù)分為4 種：2S、7S、11S、15S[16]。7S和11S是兩種主要的大豆貯藏蛋白，關(guān)于其蛋白具體組成目前已較為明確[17]。11S球蛋白主要由含硫氨基酸較多的大豆球蛋白組成，分子質(zhì)量在320 kDa左右，其四級(jí)結(jié)構(gòu)是由6 個(gè)亞基環(huán)繞成的空心六聚體，每個(gè)亞基由一條酸性多肽和一條堿性多肽通過(guò)二硫鍵連接構(gòu)成[18]；β-伴球蛋白是7S球蛋白的主要組分，以三聚體形式存在，其四級(jí)結(jié)構(gòu)由α、α’、β3 種亞基構(gòu)成[19]。

大豆分離蛋白在pH值約5.0時(shí)溶解度最低，在pH 6～9其溶解性均強(qiáng)于豌豆蛋白和小麥蛋白，因此中性條件下大豆分離蛋白能顯著降低界面張力并在液滴周?chē)纬蓤?jiān)韌薄膜，表現(xiàn)出較強(qiáng)的起泡穩(wěn)定性、乳化活性和乳化穩(wěn)定性[20-21]。中性條件下大豆球蛋白的熱穩(wěn)定性強(qiáng)于β-大豆伴球蛋白，β-大豆伴球蛋白的變性溫度在68～75 ℃，而大豆球蛋白的變性溫度在85～93 ℃；80 ℃時(shí)β-大豆伴球蛋白完全變性吸熱峰消失，大豆球蛋白部分展開(kāi)露出疏水基團(tuán)，部分解離后重新聚合形成更緊致的聚集體，同時(shí)焓值降低[22]。Mo Xiaoqun等[23]通過(guò)差示掃描量熱分析進(jìn)一步證明大豆球蛋白新聚集體的形成是由于其堿性亞基的存在，即堿性亞基的熱變性后形成熱穩(wěn)定性較高的有序結(jié)構(gòu)，且堿性亞基的強(qiáng)疏水相互作用可促使蛋白質(zhì)酰胺基團(tuán)與羰基之間氫鍵形成，使低聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高。對(duì)于決定凝膠乳化性和溶解性的β-大豆伴球蛋白[21]，其β亞基含疏水性氨基酸較多（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.2%），在pH 5.0時(shí)形成球形團(tuán)簇，熱穩(wěn)定性強(qiáng)于α和α’亞基[24]。

2 擠壓對(duì)大豆蛋白構(gòu)象的影響

伴隨著高溫高壓高剪切力的擠壓過(guò)程中，蛋白逐漸展開(kāi)原有的天然結(jié)構(gòu)進(jìn)而發(fā)生重排，這是擠壓產(chǎn)品宏觀結(jié)構(gòu)改變的契機(jī)，即微尺度蛋白分子中的亞基、多肽等亞單位的變化引起的中尺度蛋白功能性改變對(duì)擠壓產(chǎn)品質(zhì)地形成起決定作用，但尚缺乏充分依據(jù)直接表征擠壓過(guò)程中分子構(gòu)象變化。Renkema等[25-26]發(fā)現(xiàn)中性條件下11S的酸性和堿性多肽之間的二硫鍵在加熱時(shí)易被破壞；大豆蛋白加熱時(shí)的結(jié)合或解離行為和蛋白濃度對(duì)蛋白凝膠流變性質(zhì)均有影響；當(dāng)更多蛋白間互作交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)而非與水互作時(shí)，凝膠性越強(qiáng)；反之凝膠硬度降低。

2.1 擠壓對(duì)大豆蛋白分子結(jié)構(gòu)的影響

熱能與機(jī)械能的共同作用不利于對(duì)擠壓過(guò)程的系統(tǒng)分析。有學(xué)者探討了擠壓溫度對(duì)于大豆蛋白分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化[27]。擠壓溫度決定著蛋白變性的劇烈程度，較低溫度下（＜100 ℃）擠壓使蛋白變性后會(huì)發(fā)生局部的聚集，而溫度過(guò)高（高于150 ℃）則會(huì)造成聚集體重新展開(kāi)，甚至影響如β-折疊等肽鏈間的作用從而改變二級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)含量，具體要根據(jù)蛋白熱穩(wěn)定性確定[28]。Ma Wenjun等[29]探究了60～100 ℃下擠壓對(duì)全脂豆粉微觀結(jié)構(gòu)的影響，表明β-大豆伴球蛋白比大豆球蛋白更易于變性，且β-大豆伴球蛋白的3 種亞基在擠壓過(guò)程會(huì)通過(guò)共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵聚合形成低聚體；二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋含量隨擠壓溫度升高而顯著降低，但β-折疊含量略有增加[28]?？盗嶽30]使用傅里葉變換紅外光譜研究了大豆蛋白在120～160 ℃擠壓過(guò)程中二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明由分子間局部相互作用維持的α-螺旋結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定，會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)變?cè)?40 ℃時(shí)基本完成；β-折疊在140 ℃以下時(shí)保持穩(wěn)定，溫度過(guò)高時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)規(guī)卷曲，而β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)即使在160 ℃也基本保持不變。

2.2 擠壓對(duì)大豆蛋白功能性的影響

將大豆原料應(yīng)用于擠壓的實(shí)例最早可以追溯到20世紀(jì)60年代，Mustakas等[31]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明擠壓是生產(chǎn)全脂大豆粉的優(yōu)良手段，可降低豆粉中原有腐敗微生物數(shù)量，延長(zhǎng)其保質(zhì)期，同時(shí)可去除部分致敏因子，為后續(xù)研究擠壓對(duì)大豆蛋白影響奠定基礎(chǔ)。

擠壓會(huì)改變蛋白在水中的溶解程度，形成不溶性聚集體，改變蛋白中的分子質(zhì)量分布，但不同亞基形成的聚集體其溶解狀態(tài)也不盡相同[32-33]。通常高溫高壓條件可促使蛋白變性和聚集，從而降低蛋白溶解度，但過(guò)高螺桿轉(zhuǎn)速和過(guò)高溫度又會(huì)破壞形成的蛋白聚集體[33-36]。

乳化性也是決定蛋白應(yīng)用廣度的重要界面性質(zhì)，常通過(guò)在均質(zhì)過(guò)程中形成液滴的乳化活性和形成液滴后保持穩(wěn)定不破碎的乳化穩(wěn)定性來(lái)表征其強(qiáng)弱[37]。大豆蛋白作為乳化劑的本質(zhì)是由于肽鏈上氨基酸極性的不同，既有疏水基團(tuán)也存在親水基團(tuán)，乳化性能隨著疏水基團(tuán)暴露出來(lái)而提高[38]。故蛋白質(zhì)變性可使球狀蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呷犴g性、表面活性高的結(jié)構(gòu)，還可提高乳化過(guò)程中油-水界面的吸附量[39]。Ma Wenjun等[40]表明擠壓后大豆蛋白變性致使其乳化活性上升，但小分子多肽之間的靜電相互作用增強(qiáng)和非極性基團(tuán)增多，不利于維持脂肪球膜結(jié)構(gòu)，結(jié)果表現(xiàn)為乳化穩(wěn)定性下降[41]。

3 擠壓對(duì)大豆蛋白分子重組程度的影響

3.1 擠壓參數(shù)對(duì)大豆蛋白擠壓產(chǎn)物形貌特征的影響

素肉制品的質(zhì)地是決定消費(fèi)者接受程度的首要因素。除了采用兩次咀嚼測(cè)試模擬人體口腔咀嚼運(yùn)動(dòng)表征其彈性、硬度和咀嚼性等參數(shù)外，還存在用組織化度來(lái)表示素肉制品形貌特征的感官指標(biāo)。其中硬度被定義為第一次壓縮樣品時(shí)應(yīng)力的峰值；彈性為變性樣品去除壓力后恢復(fù)到變形前的高度的比率；咀嚼性則定義為固體咀嚼成吞咽穩(wěn)定狀態(tài)所需要的能量；組織化度則表示擠壓物纖維化的形成程度，組織化度越大，產(chǎn)品的纖維化程度越大，與動(dòng)物肉質(zhì)地越接近，數(shù)值上表示為沿?cái)D出方向的剪切力和垂直擠出方向的剪切力的比值[42-43]。對(duì)于組織化大豆蛋白，通常探討擠壓溫度、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、螺桿轉(zhuǎn)速以及送料速度4 個(gè)條件參數(shù)與產(chǎn)品品質(zhì)、擠壓響應(yīng)參數(shù)三者之間的關(guān)系[27]。

3.1.1 擠壓溫度

擠壓溫度一般指在擠壓筒內(nèi)物料發(fā)生熔化和蛋白組織化時(shí)所承受的溫度，是物料熱能的主要來(lái)源[44]。作為促進(jìn)蛋白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵因素[45]，能保證大豆蛋白形成穩(wěn)定的纖維結(jié)構(gòu)的擠壓溫度應(yīng)在130～150 ℃[10,46]。當(dāng)溫度升至150～160 ℃時(shí)，組織化程度會(huì)下降，表面會(huì)產(chǎn)生孔洞，且顏色變棕色[47]。此外，冷卻模頭溫度會(huì)影響壓力變化、扭矩、比機(jī)械能，進(jìn)而改變?nèi)垠w黏度，這對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要[48]，低水分?jǐn)D壓需要冷卻溫度在100 ℃以上，高水分?jǐn)D壓應(yīng)控制在75 ℃以下，以保證物料形成黏度梯度從而以層流狀態(tài)運(yùn)動(dòng)[27,49]，最終呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)。

3.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速

擠壓機(jī)內(nèi)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)為物料以剪切力的形式提供機(jī)械能，同時(shí)螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的黏性耗散會(huì)引起物料局部溫度過(guò)高，螺桿轉(zhuǎn)速可改變分散相在連續(xù)相中的分散程度，螺桿構(gòu)型則可影響螺桿填充度和比機(jī)械能輸入[44]。隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加，混合效果增強(qiáng)，螺桿提供阻力延長(zhǎng)了物料在擠壓機(jī)筒中的停留時(shí)間，從而增加了扭矩和比機(jī)械能[27]。Sun等[50]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高水分?jǐn)D壓的大豆蛋白，其組織化度隨螺桿轉(zhuǎn)速增大呈先增加后降低的趨勢(shì)，增大轉(zhuǎn)速促使其混合充分，但轉(zhuǎn)速過(guò)高停留時(shí)間過(guò)短不能使蛋白充分發(fā)生熱變性形成熔融狀態(tài)便于后期形成組織化纖維結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速在300 r/min時(shí)組織化度達(dá)到最大值；但Zhang Jinchuang等認(rèn)為組織化大豆蛋白螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)保持在80～100 r/min之間[27]。如果轉(zhuǎn)速高于120 r/min，纖維結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就會(huì)減弱[51]。

3.1.3 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

水分既是傳遞機(jī)械能和熱能的媒介，同時(shí)也是影響物料黏度的直接因素[27]。魏益民等[52]以低溫脫脂豆粕為原料生產(chǎn)組織化大豆蛋白，結(jié)果表明水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從35%增加到50%會(huì)使其產(chǎn)品的組織化度提高，但會(huì)降低咀嚼性。在相對(duì)較高的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（45%或50%）下，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)-水的相互作用更強(qiáng)烈，暴露更多的疏水基團(tuán)，從而導(dǎo)致氮溶解度指數(shù)降低和高持水能力。Chen Fengliang等[53]研究表明，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從28%增加到60%，蛋白質(zhì)聚集性降低，硬度和咀嚼性顯著降低，纖維結(jié)構(gòu)在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)開(kāi)始形成。Sun等[54]研究表明在大豆分離蛋白含量一定情況下，高水分組織化大豆蛋白組織化度隨水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，當(dāng)擠壓溫度一定時(shí)組織化度隨水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至一定值后呈下降趨勢(shì)。

3.1.4 進(jìn)料速率

進(jìn)料速率主要影響物料在擠壓機(jī)內(nèi)的填充程度、停留時(shí)間分布和模具內(nèi)壓力，進(jìn)而影響物料所受的機(jī)械作用[55]。在低進(jìn)料速率下，物料在擠出機(jī)中的停留時(shí)間較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性增加，擠出物變黑/褐變。進(jìn)料速率過(guò)高蛋白質(zhì)則無(wú)法完全變性[56]。

康立寧的研究表明，進(jìn)料速率對(duì)組織化度、硬度、咀嚼性和色澤有負(fù)影響，而對(duì)持水性有正影響[57]。當(dāng)進(jìn)料速率從10 g/min增加到50 g/min時(shí)，組織化度從1.3降低到1.1，表面質(zhì)地變粗糙，咀嚼性明顯降低[57]。組織化大豆蛋白可在25～30 g/min的進(jìn)料速率內(nèi)形成較好的紋理結(jié)構(gòu)[27]。

3.2 擠壓過(guò)程中其他組分對(duì)大豆蛋白組織化結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 淀粉

碳水化合物可根據(jù)水解程度分為大分子糖類(lèi)和小分子糖類(lèi)兩部分，兩種糖類(lèi)在擠壓中的作用不同。小分子糖類(lèi)是發(fā)生影響素肉外觀的美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)的重要底物。大分子類(lèi)的淀粉和膳食纖維對(duì)素肉質(zhì)地有重要影響，其添加量不應(yīng)超過(guò)混合物的10%[27]。作為常見(jiàn)的擠壓原料，淀粉在高溫和高剪切作用下氫鍵斷裂并發(fā)生糊化，改變物料黏度同時(shí)降解形成小分子糖類(lèi)，從而影響擠壓產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)形成[58]。

Li Shujing等[59]通過(guò)研究大豆分離蛋白和玉米淀粉混合擠壓后熱性能變化，結(jié)果表明淀粉和大豆分離蛋白之間在20～130 ℃加熱過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生互作，但混合狀態(tài)下大豆分離蛋白抑制了淀粉糊化，而淀粉顆粒膨脹會(huì)使包裹它的蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)失水，阻止大豆分離蛋白充分變性，而水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水分遷移對(duì)該混合物的熱性能有較大影響；Zhang Wei等[60]進(jìn)一步分析表明大豆分離蛋白與淀粉共混物的焓變與扭矩、比機(jī)械能和表觀黏度呈正相關(guān)，而與擠壓物的纖維化程度呈負(fù)相關(guān)，共混物的焓變?cè)酱髸?huì)導(dǎo)致更高的比機(jī)械能和更大的壓力變化，從而使擠壓物的硬度和拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)，纖維化程度下降。此外直鏈與支鏈淀粉比例、淀粉的粒徑大小對(duì)擠壓物黏度和膨化度也存在一定影響，一般粒徑越小，擠壓物膨脹率越高[61-62]。

3.2.2 谷朊粉

基于大豆蛋白的擠壓研究為進(jìn)一步探討其他植物蛋白材料的擠壓加工適應(yīng)性奠定了基礎(chǔ)，大豆存在豆腥味和致敏性等不良因素促使人們開(kāi)始研發(fā)其他代替或改良材料，比如工業(yè)中常見(jiàn)輔料谷朊粉。與大豆蛋白相比，谷朊粉的理化性質(zhì)使其更適合作為一種黏合劑，其麥谷蛋白在水和過(guò)程中會(huì)形成具有可逆變形性質(zhì)的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[49]。Zhang Jinchuang等[63]研究表明谷朊粉與花生蛋白混合擠壓會(huì)產(chǎn)生黏度較高的熔融體，導(dǎo)致更大的黏性耗散促使局部溫度更高；但最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較粗糙松散，不如大豆與花生混合的均勻緊致。Chiang等[12]將大豆?jié)饪s蛋白和谷朊粉混合進(jìn)行高水分?jǐn)D壓。結(jié)果表明兩種蛋白的比例會(huì)對(duì)素肉產(chǎn)品有影響，無(wú)谷朊粉和含10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）谷朊粉的擠壓物顯示層狀結(jié)構(gòu)，而含20%和30%谷朊粉的擠壓物在掃描電子顯微鏡下呈現(xiàn)出大纖維與小纖維相互連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故一定范圍內(nèi)更高的谷朊粉含量有助于纖維微結(jié)構(gòu)形成。

但擠壓加工所采用的谷朊粉實(shí)際是由結(jié)構(gòu)不同的麥谷蛋白和醇溶蛋白組成的混合物，其中麥谷蛋白為有二硫鍵相連的聚合物，賦予面團(tuán)強(qiáng)度和彈性，而醇溶蛋白為單體賦予面團(tuán)黏性[64]。Feng Jia等[65]僅對(duì)谷朊粉進(jìn)行擠壓，發(fā)現(xiàn)麥谷蛋白的低分子質(zhì)量亞基在擠壓過(guò)程中會(huì)由于巰基氧化形成二硫鍵從而促使蛋白團(tuán)形成高分子質(zhì)量聚合物，溫度提高可進(jìn)一步促進(jìn)該過(guò)程進(jìn)行。但有關(guān)擠壓谷朊粉各組分蛋白的詳細(xì)變化和互作方式仍留有空白。

此外，谷朊粉還對(duì)擠壓物的風(fēng)味具有一定改善作用[66]。小麥等谷物在高溫下產(chǎn)生的焙烤風(fēng)味和美拉德反應(yīng)可提高擠壓物感官品質(zhì)，通常堿性條件更合適美拉德反應(yīng)所需的游離氨基酸的產(chǎn)生[67]。Guo Zengwang等[68]通過(guò)低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)定了一種大豆分離蛋白和谷朊粉的擠壓物的水分分布情況；表明提高谷朊粉用量可使產(chǎn)品更加致密，從而導(dǎo)致更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)組織間夾持效應(yīng)，進(jìn)而增大風(fēng)味物質(zhì)的保留率。

3.2.3 離子

NaCl等添加劑中的離子主要通過(guò)影響蛋白表面電荷量從而間接影響蛋白間互作。Tian Yan等[69]表明NaCl添加量的增加可通過(guò)產(chǎn)生靜電屏蔽降低7S蛋白吸附的靜電壁壘，但這種效應(yīng)不利于蛋白質(zhì)間互作，反而會(huì)減小7S的黏彈性界面層。此外谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（glutamine transaminase，TG）作為一種新潮的添加劑可通過(guò)催化蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間-谷氨酸和賴氨酸交聯(lián)的形成，改善蛋白質(zhì)功能性[70]。但對(duì)于大豆中球蛋白的天然結(jié)構(gòu)，還需要通過(guò)預(yù)處理使蛋白部分展開(kāi)才能有較好的酶促效果[71]。Zhang Jinchuang等[72]研究了TG對(duì)高水分?jǐn)D壓花生蛋白品質(zhì)的影響，表明在高水分?jǐn)D壓過(guò)程中，TG可以促進(jìn)蛋白質(zhì)分子鏈的展開(kāi)、聚集和交聯(lián)，有助于破壞氫鍵和二硫鍵，增強(qiáng)疏水相互作用。在冷卻模頭中，加入適量TG可通過(guò)促進(jìn)形成新的氫鍵和二硫鍵，從而促進(jìn)分子重排。TG處理后的各蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的相對(duì)含量為β-折疊＞α-螺旋＞β-轉(zhuǎn)角＞無(wú)規(guī)卷曲。但TG添加量不應(yīng)超過(guò)0.2%，否則會(huì)加速交聯(lián)不利于蛋白質(zhì)分子的重排和纖維結(jié)構(gòu)的改善。

4 光譜學(xué)、色譜學(xué)在擠壓大豆蛋白研究中的應(yīng)用

擠壓大豆蛋白的研究中需要對(duì)蛋白結(jié)構(gòu)及擠壓產(chǎn)物的品質(zhì)和組分互作進(jìn)行解析，從而為探討擠壓機(jī)制提供幫助。擠壓大豆蛋白結(jié)構(gòu)可從疏水基團(tuán)位置、蛋白聚集體大小、蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)等微尺度參數(shù)和孔隙大小、蛋白網(wǎng)絡(luò)疏密程度等方面進(jìn)行表征。其中擠壓大豆蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)常用傅里葉變換紅外光譜表征，Guo Zengwang等[68]采用傅里葉變換紅外光譜結(jié)合傅里葉自去卷積法、二階導(dǎo)數(shù)和高斯曲線定量分析大豆分離蛋白、麥谷蛋白和天然香精混合擠壓產(chǎn)物的二級(jí)結(jié)構(gòu)，在1 646～1 662 cm-1處為α-螺旋條帶，在1 608～1 622 cm-1和1 682～1 700 cm-1處為反向平行的β-折疊條帶，1 622～1 639 cm-1處為分子內(nèi)β-折疊條帶，1661～1681 cm-1處為β-轉(zhuǎn)角條帶，1637～1645 cm-1處為無(wú)規(guī)卷曲條帶；圓二色譜常用于表征擠壓過(guò)程中和擠壓后蛋白形成的凝膠和溶液中蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)，根據(jù)電子躍遷能級(jí)能量大小，蛋白的圓二光譜可分成250 nm以下遠(yuǎn)紫外光區(qū)、250～300 nm近紫外光區(qū)和300～700 nm紫外-可見(jiàn)光區(qū)[73-74]。其中遠(yuǎn)紫外光區(qū)可表征大豆分離蛋白肽鏈骨架二級(jí)結(jié)構(gòu)信息，齊寶坤等[75]將大豆分離蛋白樣品溶于pH 7.0、濃度0.01 mol/L的磷酸鹽緩沖液中，在波長(zhǎng)200～250 nm處進(jìn)行圓二色譜掃描。拉曼光譜同樣可獲得蛋白二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)信息，但與紅外光譜相比所需樣品量更少且受水的干擾較小。呂博等[76]測(cè)定了不同均質(zhì)處理?xiàng)l件下大豆分離蛋白溶液的拉曼光譜，其中大豆分離蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要由酰胺I帶（1 630～1 700 cm-1）和酰胺III帶（1 230～1 310 cm-1）的拉曼特征峰確定，但實(shí)際所得酰胺III帶圖形復(fù)雜故該實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)酰胺I帶進(jìn)行分析；色氨酸側(cè)鏈、酪氨酸的環(huán)吸收振動(dòng)和酪氨酸的面彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的特征振動(dòng)頻率則分別出現(xiàn)在760、830、850 cm-1處。

紫外光譜和熒光光譜主要表征蛋白三維結(jié)構(gòu)變化和蛋白微環(huán)境變化，不同在于紫外光譜利用蛋白發(fā)色團(tuán)的吸光性質(zhì)，蛋白構(gòu)象變化導(dǎo)致發(fā)色團(tuán)位置改變和吸光度變化從而影響吸收光譜，而熒光光譜則利用對(duì)溶液極性環(huán)境較敏感的Trp和Tyr殘基的熒光光譜反映蛋白構(gòu)象變化，因此這兩種方法多結(jié)合蛋白表面疏水性和乳化性變化結(jié)果進(jìn)一步推斷蛋白空間構(gòu)象[77]。一般295 nm處激發(fā)的大豆分離蛋白其熒光發(fā)射光譜主要是由色氨酸產(chǎn)生，峰位在325～350 nm之間[78]。朱穎等[79]采用紅外光譜、紫外光譜、熒光光譜分析不同品種大豆蛋白乳液中界面蛋白的柔性結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析不同品種界面蛋白的表面疏水性、二硫鍵含量、溶解性和乳化性等功能性，解析界面蛋白的柔性結(jié)構(gòu)對(duì)功能性的影響機(jī)制；其熒光光譜的測(cè)定條件為：激發(fā)波長(zhǎng)280 nm、掃描波長(zhǎng)300～500 nm。在波長(zhǎng)250～350 nm范圍內(nèi)進(jìn)行紫外掃描；結(jié)果表明柔性較強(qiáng)的蛋白分子結(jié)構(gòu)更易伸展，從而使內(nèi)部疏水性基團(tuán)暴露，更易吸附到水-油界面，使乳液穩(wěn)定性增加。此外X射線衍射法也可通過(guò)衍射圖譜間接構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)模型，但只適用于測(cè)定蛋白晶體結(jié)構(gòu)。

掃描電子顯微鏡、X射線顯微成像可觀察蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中掃描電子顯微鏡在擠壓大豆蛋白中有較多應(yīng)用，可直觀看出樣品的緊實(shí)程度和堆積現(xiàn)象。其原理是采用高能電子束掃描樣品，利用產(chǎn)生的電子信號(hào)成像觀察樣品表面形態(tài)[80]。X射線顯微成像可利用X射線對(duì)樣品進(jìn)行斷層掃描后的重構(gòu)圖像分析樣品三維結(jié)構(gòu)及纖維孔隙率[81]。

隨著近幾年計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，將其與蛋白質(zhì)化學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)結(jié)合使得模擬蛋白質(zhì)互作方式成為可能。Yang Yaxuan等[82]采用多色譜和分子對(duì)接技術(shù)分別分析11S和7S分別與綠茶中一種兒茶素互作的結(jié)構(gòu)變化以及11S/7S與兒茶素的交聯(lián)機(jī)理。Chen Gang等[83]同樣使用圓二色光譜、熒光光譜和分子對(duì)接技術(shù)評(píng)估了多酚和高靜水壓處理的蛋白質(zhì)之間的相互作用。這種方法與以往相比，更加直觀地表明了蛋白質(zhì)互作的結(jié)果，但是軟件模擬的準(zhǔn)確性還有待商榷。

5 擠壓大豆蛋白結(jié)構(gòu)重組機(jī)制

目前工業(yè)上對(duì)擠壓大豆蛋白素肉制品的結(jié)構(gòu)改良仍多憑經(jīng)驗(yàn)摸索，雖然各種技術(shù)和儀器能較系統(tǒng)地表征擠壓前后分子結(jié)構(gòu)和質(zhì)地狀態(tài)，但對(duì)組織化過(guò)程中擠壓機(jī)筒內(nèi)局部細(xì)節(jié)的精準(zhǔn)表征仍不夠完整，致使對(duì)組織化形成機(jī)理的觀點(diǎn)不能統(tǒng)一，且存在一定局限性。

作為原料中的主要功能性成分，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用被認(rèn)為是組織化形成的主要原因之一。如圖1所示，擠壓大豆蛋白結(jié)構(gòu)變化具體是指蛋白質(zhì)在高溫高剪切條件下其二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而肽鏈重新排列，折疊并聚集形成新的分子結(jié)構(gòu)，但分子間何種相互作用主導(dǎo)這一過(guò)程以及各亞基和多肽的具體行為仍不確定，同時(shí)蛋白與水分、糖類(lèi)等物質(zhì)的互作使體系更加復(fù)雜。這與蛋白凝膠的形成機(jī)理較為相似，同樣需要經(jīng)歷蛋白質(zhì)受熱變性球蛋白展開(kāi)重組形成大聚集體的過(guò)程，區(qū)別在于凝膠的實(shí)驗(yàn)條件更為簡(jiǎn)單，不需要考慮高溫和高剪切力的影響，但有關(guān)凝膠的研究可為擠壓中的蛋白互作提供依據(jù)。先前研究人員對(duì)大豆蛋白凝膠開(kāi)展過(guò)深入的研究[84]，天然狀態(tài)下大豆球蛋白比β-大豆伴球蛋白更易于聚集，但β-大豆伴球蛋白發(fā)生有限聚集形成可溶性聚集體，而大豆球蛋白中缺乏與多肽相連的多糖，無(wú)法阻止單體聚集，可迅速形成不溶性聚集體，兩者混合后可使大豆球蛋白聚集體的溶解度上升，此外α和α’亞基比β亞基更能抑制堿性多肽熱聚集[32,84]。目前有關(guān)擠壓過(guò)程中蛋白互作結(jié)論并不統(tǒng)一，且對(duì)亞基、多肽的行為沒(méi)有明確的表征。Liu Keshun等[47]將大豆蛋白、谷朊粉和小麥淀粉作為原料進(jìn)行高水分?jǐn)D壓，采用可選擇性破壞分子間作用力的不同溶液對(duì)擠壓機(jī)5 個(gè)區(qū)段所產(chǎn)生的物料中可溶性蛋白含量進(jìn)行測(cè)定；結(jié)果表明二硫鍵對(duì)于物料纖維結(jié)構(gòu)形成比非共價(jià)鍵更重要。但國(guó)內(nèi)Chen Fengliang等[37]將大豆分離蛋白作為唯一蛋白源進(jìn)行擠壓，結(jié)果表明疏水相互作用、氫鍵、二硫鍵及其相互作用共同決定了擠壓物的結(jié)構(gòu)，且非共價(jià)鍵的作用要大于共價(jià)鍵。

圖1 擠壓過(guò)程中大豆蛋白結(jié)構(gòu)變化機(jī)理[27]Fig.1 Structural changes of soybean proteins during extrusion[27]

黏性熔體的多相體系的形成是組織化形成的另一主要原因[49,85]。實(shí)驗(yàn)表明，在大豆蛋白和面筋蛋白形成水合混合物中由于水分分布不均會(huì)形成獨(dú)立分離的兩相[86-87]。一些學(xué)者認(rèn)為需要多種成分才能獲得兩相體系，例如大豆分離蛋白雖由多種蛋白組成，但在熔化時(shí)通常被認(rèn)為是單相。而一些單組分?jǐn)D壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)的纖維化結(jié)構(gòu)則被認(rèn)為是單組分系統(tǒng)中的不溶性和非熔融性組分充當(dāng)了另一相的作用，例如大豆?jié)饪s蛋白中的多糖等[89-90]。此外，熔體的流動(dòng)行為不同也會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果，比如層流或湍流[49]。

6 結(jié) 語(yǔ)

素肉制品仍是一個(gè)極具發(fā)展前景的未來(lái)健康食品。我國(guó)低水分?jǐn)D壓生產(chǎn)素肉制品已十分普遍，但高水分?jǐn)D壓素肉制品市場(chǎng)規(guī)模與國(guó)外尚有差距，需要加大研發(fā)力度并實(shí)施相關(guān)政策調(diào)控，促進(jìn)素肉制品擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模。當(dāng)前素肉制品仍需突破以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1）擠壓產(chǎn)品的纖維結(jié)構(gòu)形成機(jī)理不明確，具體是各研究在形成機(jī)理上的探究深度不一致，且相關(guān)結(jié)論在不同蛋白間不存在普遍性；2）整合化學(xué)、物理、食品加工等多學(xué)科研究成果，從植物蛋白質(zhì)資源開(kāi)發(fā)、組織化技術(shù)、重組和產(chǎn)品色香味形以及營(yíng)養(yǎng)健康品質(zhì)等多方面進(jìn)行綜合考量，確定最佳產(chǎn)品工藝參數(shù)；3）對(duì)相關(guān)原料和產(chǎn)品屬性的測(cè)定與分析不夠精準(zhǔn)。相信未來(lái)植物基肉制品能憑借健康環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，為廣大消費(fèi)者所接受并喜愛(ài)，成為一種必不可少的餐桌食品。