植物蛋白原料體系影響擠壓組織化研究進展

陳鋒亮 魏益民 張 波 趙曉燕

(山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品研究所1，濟南 250100)(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所2，北京 100193)

植物蛋白原料體系影響擠壓組織化研究進展

陳鋒亮1魏益民2張 波2趙曉燕1

(山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品研究所1，濟南 250100)(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所2，北京 100193)

蛋白原料是擠壓生產(chǎn)組織化產(chǎn)品的基礎，只有適宜的蛋白原料配以合適的擠壓操作工藝，才能生產(chǎn)出滿足要求的組織化蛋白產(chǎn)品。通過歸納國內(nèi)外相關文獻資料，從蛋白原料種類、蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)變性程度、蛋白質(zhì)組分和結(jié)構以及蛋白原料中其他共存成分5大方面，系統(tǒng)分析影響植物蛋白擠壓過程和產(chǎn)品特性的因素;指出不同類別蛋白原料的復配擠壓以及原料制備工藝，蛋白質(zhì)組成、蛋白質(zhì)改性和添加劑等對擠壓產(chǎn)品特性的影響，可能是植物蛋白擠壓組織化領域?qū)淼难芯繜狳c和方向。

植物蛋白 原料體系 食品擠壓 組織化蛋白

擠壓技術集物料的混合、捏煉、成型等多個單元操作于一體，具有功能多樣、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高和能量效益好等特點，已被廣泛應用于食品領域［1］。組織化植物蛋白(Textured Vegetable Protein，TVP)是一種經(jīng)擠壓技術加工而成的具有類肉形纖維狀結(jié)構和口感的蛋白食品，可部分或完全替代動物肉，既能滿足食肉欲望，又有較低的患高血壓、肥胖及心腦血管等“現(xiàn)代文明病”的風險，所以倍受人們關注［2］。

在擠壓生產(chǎn)組織化植物蛋白過程中，蛋白原料與水、添加劑等在機筒內(nèi)溫度、壓力和剪切等因素共同作用下，發(fā)生混合、變性和重組交聯(lián)，從而形成類似動物肉纖維狀結(jié)構的組織化產(chǎn)品［3］。原料體系中的蛋白質(zhì)是形成擠壓組織化產(chǎn)品結(jié)構的骨架物質(zhì)，是擠壓過程中主要的作用對象［4］，了解不同種類植物蛋白、蛋白質(zhì)含量、蛋白變性程度、蛋白質(zhì)組分和結(jié)構以及其中其他共存組分對擠壓組織化產(chǎn)品質(zhì)量和結(jié)構的影響，這對植物蛋白原料的選擇、TVP產(chǎn)品種類的豐富以及不同食品蛋白原料復配擠壓均具有重要的指導意義。

1 蛋白質(zhì)種類

目前，用于生產(chǎn)TVP的植物蛋白原料有大豆蛋白［5－6］、花 生 蛋 白［7－8］、小 麥 蛋 白［9－10］、棉 籽 蛋白［11－12］、油菜籽蛋白［13］、向日葵蛋白［14］等。其中，大豆蛋白是生產(chǎn)組織蛋白最常用的原料，包括脫脂大豆粉或大豆粕(Defatted Soy Flour，DSF)、大豆?jié)饪s蛋白(Soy Protein Concentrate，SPC)和大豆分離蛋白(Soy Protein Isolate，SPI)等。

不同種類的蛋白原料具有不同的理化特性，在機筒內(nèi)溫度、壓力和剪切等混合作用下發(fā)生變性、熱凝聚等反應的種類和程度不同，從而影響擠壓過程的響應和組織化產(chǎn)品的特性。換言之，要想得到具有理想組織化結(jié)構的產(chǎn)品，不同種類蛋白原料所需的擠壓工藝條件也不盡相同。例如，低溫脫脂豆粕、濃縮蛋白和分離蛋白等變性程度相對較低的原料，擠壓組織化溫度約為180℃，而變性程度相對較高的高溫脫脂豆粕需要200℃以上溫度才能形成組織化［3］。孫照勇［15］研究發(fā)現(xiàn)，低溫脫脂大豆粉和花生粉組織化結(jié)構形成所需的擠壓溫度比較接近，兩者可以相互復配擠壓達到共熟化;而小麥蛋白(即谷朊粉)組織化結(jié)構形成所要求的溫度相對較高，所以，當小麥蛋白與大豆蛋白或花生蛋白進行復配擠壓時，很容易出現(xiàn)夾生或焦糊現(xiàn)象。Parmer E L等［16］考察了喂料水分、螺桿轉(zhuǎn)速和機筒溫度對大豆分離蛋白－花生粉混合原料擠壓組織化產(chǎn)品特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩種蛋白原料在含水率22%、螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min和機筒溫度150－155－160℃條件下可以較好地進行復配擠壓。此外，Del Valle F R等［11］將棉籽和全脂大豆粉按不同比例混合(0%～100%)進行擠出，通過棉酚與賴氨酸發(fā)生反應降低棉籽中棉酚的含量，從而提高棉籽蛋白的利用效率。因此，了解不同種類蛋白原料的擠壓特性，不僅可以指導蛋白原料之間的復配擠壓，而且可以改善擠壓組織化產(chǎn)品的營養(yǎng)和口感。

2 蛋白質(zhì)含量

原料中蛋白質(zhì)含量對擠壓組織化程度有著重要影響。蛋白質(zhì)含量越高，擠壓過程中參加變性反應的蛋白質(zhì)分子越多，擠壓產(chǎn)品的組織化程度就越高。所以，向脫脂大豆粉中加入適量的大豆分離蛋白，可以提高產(chǎn)品的組織化程度［17］。張汆等［18］研究發(fā)現(xiàn)，在花生粕蛋白質(zhì)量分數(shù)34.69%～63.48%范圍內(nèi)，增加蛋白質(zhì)含量有利于提高擠壓花生蛋白產(chǎn)品的組織化度;當?shù)鞍踪|(zhì)量分數(shù)在50%～60%范圍時，擠壓產(chǎn)品具有較好的纖維狀組織化結(jié)構。然而，擠壓產(chǎn)品的組織化結(jié)構并非與蛋白質(zhì)含量總呈線性正相關趨勢。Tolstoguzov V B［19］發(fā)現(xiàn)，高純度的單鏈球蛋白(如血清蛋白和卵蛋白)熱塑擠壓并不能形成理想組織化結(jié)構的產(chǎn)品，而當向大豆分離蛋白中添加少量其他種類的蛋白質(zhì)(如凝膠、酪蛋白、血清蛋白和卵蛋白)或淀粉時，擠出產(chǎn)品中各向異性的纖維狀微觀結(jié)構更加明顯，這主要歸因于原料混合體系中不相容相的形成。

3 蛋白質(zhì)變性程度

蛋白質(zhì)的變性程度常用氮溶解指數(shù)(Nitrogen Soluble Index，NSI)或蛋白質(zhì)分散指數(shù)(Protein Disperse Index，PDI)來表征。一般認為，原料的NSI越高，蛋白質(zhì)變性程度越小，結(jié)合水的能力越強，組織化能力就越好。用脫脂大豆粉生產(chǎn)組織化蛋白時要求 NSI在 50%～ 70% 范圍內(nèi)［4，6］。高溫脫脂大豆粉由于已經(jīng)嚴重變性，NSI低于30%，在擠壓時難以呈“膠融”態(tài)，再變性形成纖維的能力差，無法獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品，所以不宜作為制備組織化蛋白產(chǎn)品的原料［20］。

酸堿處理和有機溶劑提取常用于植物蛋白的生產(chǎn)過程，這些操作相應地會大大降低原料的NSI值，因此，了解酸堿處理和有機溶劑提取對植物蛋白擠壓特性的影響，可以為組織化植物蛋白原料的生產(chǎn)提供一定的理論借鑒。Dahl S R等［21］分別添加HCl和NaOH對大豆蛋白進行改性，制得的原料pH由4.5 到11.0(NSI由8.4%到 82.0%)，考察了 pH 對大豆蛋白擠壓組織化特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，酸中和了大豆蛋白質(zhì)氨基酸側(cè)鏈的帶電荷基團，阻止了蛋白質(zhì)與溶劑的相互作用，使得擠壓機內(nèi)的蛋白面團不能混合適量的水分而產(chǎn)生聚結(jié)現(xiàn)象，嚴重阻礙了對水的包埋，結(jié)果造成擠出產(chǎn)品沒有理想的組織化結(jié)構;向大豆蛋白中加入堿，改變或破壞了胱氨酸和賴氨酸的結(jié)構，使蛋白質(zhì)的肽鏈展開，較多的活性氨基酸側(cè)鏈基團曝露出來，更易于與水結(jié)合，從而可以形成較理想的組織化結(jié)構。Dahl SR［22］還研究了經(jīng)不同濃度正丙醇(0%～70%)變性的大豆蛋白粉(原料NSI由85.0%到17.4%)的擠壓組織化特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，醇變性程度高的蛋白質(zhì)擠壓制得的產(chǎn)品膨化度和水合特性均較低。陳瑩等［23］研究發(fā)現(xiàn)，醇法制得的大豆?jié)饪s蛋白(NSI低于10%)在吸濕過程中無溶脹現(xiàn)象，蛋白質(zhì)聚集微粒表面的極性吸附點較少，使得無法獲得有效的塑化作用，蛋白質(zhì)聚集微粒無法解聚，從而導致常規(guī)的擠壓組織化效果很差。所以，必須借助于外界施加的化學力才能實現(xiàn)有效的擠壓組織化。另外，通過調(diào)整醇法大豆?jié)饪s蛋白的pH，增大其熱變性過程中熱效應，有利于蛋白微粒解體、分子內(nèi)次級鍵斷裂，從而促進組織化結(jié)構的形成［24］。這為高變性程度植物蛋白原料的利用提供了理論和方法指導。

4 蛋白質(zhì)組分和結(jié)構

蛋白質(zhì)的組分和結(jié)構是蛋白原料擠壓形成組織化產(chǎn)品特定結(jié)構和特性的基礎。Ning L等［25］從大豆粉中分離出7S和11S蛋白組分，通過雙螺桿擠壓來評價每種組分對大豆蛋白擠壓和組織化行為的影響。結(jié)果表明，7S和11S對大豆蛋白的組織化度均有顯著影響，尤其是11S組分對最終產(chǎn)品的膨化度和持水力有促進作用;當喂料中11S/7S比例為1.5時，可得到在已選擠壓條件下組織化結(jié)構較好的產(chǎn)品。張汆［8］用木瓜蛋白酶對花生粕原料進行降解，以獲得不同分子質(zhì)量范圍的原料，然后以酶解后的原料進行擠壓組織化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擠壓產(chǎn)品的組織化程度大大降低，進而推斷，要想擠壓形成理想的組織化結(jié)構，原料蛋白的分子結(jié)構最好具有高分子質(zhì)量、長線性鏈、高線性對稱性以及側(cè)鏈的比例和極性小等特點。

5 蛋白原料中其他共存組分

5.1 水分

水分在擠壓過程中具有增塑、降黏、產(chǎn)生氣化熱及作為反應溶劑等作用，影響擠壓機機筒內(nèi)的溫度、壓力分布和物料在機腔內(nèi)的停留時間，最終影響擠出產(chǎn)品的質(zhì)構、色澤和營養(yǎng)等特性［19，26］。研究人員探討了水分對大豆蛋白擠壓產(chǎn)品組織化質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，增加物料含水率(28%～60%范圍內(nèi))有利于擠壓產(chǎn)品中二硫鍵與氫鍵、二硫鍵與疏水作用之間協(xié)同作用的形成和蛋白質(zhì)的伸展變性，可大大降低蛋白質(zhì)分子的聚合程度，從而提高擠壓產(chǎn)品的組織化程度［27］。

5.2 碳水化合物

擠壓的食品原料中除蛋白質(zhì)外，碳水化合物是第二大主要組分。一些研究者考察了碳水化合物在擠壓過程中的作用。Sheard P R等［28］比較了脫脂大豆粉和大豆分離蛋白兩種擠出產(chǎn)品在有機溶劑中的溶解度和不同溫度下的水合特性，結(jié)果表明，脫脂大豆粉擠出物中碳水化合物鑲嵌其中，表現(xiàn)出與大豆分離蛋白擠出產(chǎn)品不同的形態(tài)和溶解度。碳水化合物在擠壓蒸煮過程中發(fā)生水解、糊化、凝膠化等復雜的化學反應，可與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，使聚合物熔融體產(chǎn)生相分離，從而影響產(chǎn)品的組織化程度;也可作為膨化劑使產(chǎn)品口感松軟，可作為增稠劑使擠出過程穩(wěn)定［29］。

5.3 油脂

油脂在擠壓過程中有兩個重要作用:(1)作為物料體系的塑化劑和乳化劑［30］;(2)改善產(chǎn)品的口感和風味。擠壓組織化過程中，蛋白質(zhì)與油脂的相互作用，對產(chǎn)品的組織化質(zhì)量有很大影響。王洪武等［4］發(fā)現(xiàn)，當脫脂大豆粉中油脂添加量超過5%時，易使產(chǎn)品結(jié)構發(fā)散;油脂添加量在2%左右時，既可提高產(chǎn)品的組織化度，又可提高產(chǎn)量和改善口味。張汆［8］研究發(fā)現(xiàn)，當脫脂花生粉中油脂含量較低時，擠壓產(chǎn)品具有較致密的微觀結(jié)構，當油脂含量較高時，擠出產(chǎn)品有明顯的層狀結(jié)構，“氣腔”明顯變大。

5.4 添加劑

為了制得纖維化結(jié)構理想的組織化蛋白產(chǎn)品，常向原料蛋白中添加氯化鈣、氯化鈉、大豆卵磷脂，以增加擠出產(chǎn)品的結(jié)構完整性和表面光潔度，添加硫、谷胱甘肽、亞硫酸鈉等以增加原料中巰基(SH—)和二硫鍵(S—S)含量［8，31］，從而改善擠壓組織化產(chǎn)品的口感和品質(zhì)特性。

6 展望

組織化植物蛋白的生產(chǎn)過程具有原料蛋白種類的多樣性、蛋白質(zhì)特性的復雜性，以及擠壓工藝參數(shù)組合的多變性等特點，只有理想的蛋白原料配以合適的擠壓操作工藝，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的組織化蛋白產(chǎn)品。隨著食品擠壓技術的發(fā)展和人們對TVP種類、營養(yǎng)、口感及品質(zhì)穩(wěn)定性等方面要求的提高，植物蛋白擠壓組織化領域今后應重點開展以下3個方面的研究:

研究大豆、花生、小麥等高蛋白含量大宗作物不同品種的擠壓加工適用性，探討植物蛋白擠壓的共性規(guī)律，為蛋白原料和擠壓工藝參數(shù)的選擇以及組織化蛋白產(chǎn)品的設計提供理論依據(jù)。

研究不同來源、同一來源不同類別原料蛋白復配擠壓的工藝和產(chǎn)品營養(yǎng)特性，不僅可以改善產(chǎn)品的感官品質(zhì)和組織化結(jié)構，提高產(chǎn)品的營養(yǎng)平衡和生物效價，而且在滿足營養(yǎng)和口感的同時，還可以大大降低生產(chǎn)成本。

研究植物蛋白原料的制備工藝、蛋白質(zhì)組成、蛋白質(zhì)改性以及添加劑對擠壓組織化產(chǎn)品特性的影響，為生產(chǎn)擠壓組織化產(chǎn)品原料蛋白的制備、改性和輔助手段的選擇提供理論指導。

［1］Harper J M，Clark J P.Food extrusion［J］.Critical Reviews in Food Science and Nutrition，1979，11(2):155 －215

［2］Akdogan H.High moisture food extrusion［J］.International Journal of Food Science and Technology，1999，34(3):195－207

［3］張裕中，王景.食品擠壓加工技術與應用［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2000，24 －63

［4］王洪武，馬榴強，周建國，等.大豆蛋白質(zhì)原料體系對擠壓組織化的影響［J］.中國食品學報，2002，2(1):33 －38

［5］Lin S，Huff H E，Hsieh F.Texture and chemical characteristics of soy protein meat analog extruded at high moisture［J］.Journal of Agriculture and Food Chemistry，2000，65(2):264－269

［6］康立寧.大豆蛋白高水分擠壓組織化技術和機理研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學，2007

［7］Aguilera J M，Rossi F，Hiche E，et al.Development and evaluation of an extrusion of an extrusion－texturized peanut protein［J］.Journal of Food Science，1980，45(2):246 －250

［8］張汆.花生蛋白擠壓組織化技術及機理研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學，2007

［9］Huber C，Longo N.Method of making vital wheat gluten into fibers:US，5593717［P］.1997 －01 －14

［10］張丙虎，張波，魏益民，等.谷朊粉特性與擠壓組織化特性的關系［J］.中國農(nóng)業(yè)科學，2010，43(11):2334 －2339

［11］Del Valle F R，Escobedo M，Ramos P，et al.Evaluation of extrusion cooked cottonseed/soybean blends of different proportions［J］.Journal of Food Processing and Preservation，1985，9(1):35 －41.

［12］Cater C M，Mattil K F，Meinke W W，et al.Cottonseed protein food products［J］.Journal of the American Oil Chemists’Society，1977，54(2):A90 － A93

［13］Barrett J E，Klopfenstein C F，Leipold H W.Detoxification of rapeseed meal by extrusion with an added basic salt［J］.Cereal Chemistry，1997，74(2):168 －170

［14］Sosulski F.Food uses of sunflower proteins［J］.Journal of the American Oil Chemists’Society，1979，56(3):438 －442

［15］孫照勇.植物蛋白復合擠壓組織化特性研究［D］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學院，2009

［16］Parmer JR.E L，Wang B，Aglan H A，et al.Physico － chemical properties of texturized meat analog made from peanut flour and soy protein isolate with a single－screw extruder［J］.JournalofTexture Studies，2004，35(4):371－382

［17］Rareunrom K，Tongta S，Yongsawatdigul J.Effect of soy protein isolate on chemical and physical characteristics of meat analog［J］.Asian Journal of Food and Agro － Industry，2008，1(2):99 －106

［18］張汆，魏益民，張 波，等.蛋白質(zhì)含量對花生粕組織化產(chǎn)品質(zhì)量的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學，2007，40(8):1753－1759

［19］Tolstoguzov V B.Thermoplastic extrusion—the mechanism of the formation of extrudate structure and properties［J］.Journal of the American Oil Chemists'Society，1993，70(4):417－424

［20］劉忠萍，華聘聘，華欲飛.大豆蛋白的擠壓組織化研究［J］.中國油脂，2003，28(5):64 －66

［21］Dahl S R，Villota R.Twin － screw extrusion texturization of acid and alkali denatured soy proteins［J］.Journal of Food Science，1991，56(4):1002 －1007

［22］Dahl S R.Extrusion performance of N －propanol denatured soybean protein［J］.Journal of Food Engineering，1991，15(5):315－330

［23］陳瑩，沈蓓英，劉復光.醇法大豆?jié)饪s蛋白(SPC)擠壓組織化的機理(Ⅰ)——利用反相色譜法研究蛋白質(zhì)的吸濕過程［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，1994，5:1－6

［24］陳瑩，沈蓓英，劉復光.醇法大豆?jié)饪s蛋白(SPC)擠壓組織化的機理(Ⅱ)——蛋白質(zhì)變性熱力學的差示掃描量熱分析法［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，1994，6:10 －15

［25］Ning L，Villota R.Influence of 7S and 11S globulins on the extrusion performance of soy protein concentrates［J］.Journal of Food Processing and Preservation，1994，18(5):421－436

［26］陳鋒亮，魏益民，張波，等.食品擠壓過程中水分的作用及變化研究進展［J］.食品科學，2009，30(21):416－419

［27］陳鋒亮，魏益民，張波.物料含水率對大豆蛋白擠壓產(chǎn)品組織化質(zhì)量的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學，2010，43(4):805－811

［28］Sheard P R，Ledward D A，Mitchell J R.Role of carbohydrates in soya extrusion［J］.Journal of Food Technology，1984，19(4):475 －483

［29］王洪武，林丙鑒.復合組織蛋白擠壓加工工藝的初步研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2004，20(4):216 －219

［30］Ilo S，Schoenlechner R，Berghofe E.Role of lipids in the extrusion cooking processes［J］.Grasasy Aceites，2000，51(1－2):97－110

［31］Kearns J P，Rokey G J，Huber G R.Extrusion of Texturized Proteins.Thomas H.Applewhite edited.Proceedings of the world congress on vegetable protein utilization in human foods and animalfeedstuffs［C］.Singapore，1989，353－362.

Research Advances in Effects of Vegetable Protein Material Systems on Extrusion Texturization

Chen Fengliang1Wei Yimin2Zhang Bo2Zhao Xiaoyan1
(Institute of Agro－Food Science and Technology，Shandong Academic Agricultural Sciences1，Ji'nan 250100)
(Institute of Agro－Food Science and Technology，Chinese Academic Agricultural Sciences2，Beijing 100193)

Raw material protein is the basis for producing textured protein with ideal structure.Only suitable raw material protein combined with optimized extrusion process parameters could be textured protein with ideal struc-ture produced.In this review，the effects of varieties of vegetable protein，protein content，degree of denaturation，protein component and structure，and other components coexisting in raw materials on extrusion process and textured product properties were elucidated systematically.Finally，the possible focus and directions for further research in the field of vegetable protein extrusion texturization were predicted，including the processing applicability of raw material protein from different varieties，co－extrusion of different kinds of protein，and the influence of preparation technology，protein component，protein modification and additives etc.on the properties of textured protein product.

vegetable protein，raw material system，food extrusion，textured protein

TS202.1，TS209.2

A

1003－0174(2012)04－0110－05

國家自然科學基金(31101389)

2011－08－02

陳鋒亮，男，1981年出生，博士，植物蛋白利用與食品擠壓技術

魏益民，男，1957年出生，博士，教授，博士生導師，農(nóng)產(chǎn)品加工與食品安全