擠壓加工對植物組織蛋白功能性影響的研究進(jìn)展

付曉航，李赫*，曹金諾，張?zhí)煺Z，劉新旗

（1.北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院，國家大豆加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100048；2.植物肉（杭州）健康科技有限公司，浙江 杭州 310000；3.山東谷霖食品科技有限公司，山東 煙臺 264010）

擠壓技術(shù)是指物料經(jīng)過粉碎、調(diào)濕、混合等預(yù)處理后，經(jīng)過高溫高壓作用使其處于指定形狀的模具中，形成特定形狀及組織狀態(tài)的產(chǎn)品[1]。擠壓技術(shù)具有操作簡便、生產(chǎn)效率高、應(yīng)用范圍廣、耗能低、無污染、營養(yǎng)損失少、物料浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，在輸送、捏合、剪切、均質(zhì)、熟化、殺菌、成型等操作完成的同時，得到清潔衛(wèi)生、多種多樣、利于人體消化吸收的產(chǎn)品[2-3]，具有良好的研究及利用價值。

近年來對蛋白質(zhì)營養(yǎng)需求的增加使食品中植物蛋白的消費(fèi)持續(xù)提高，豆類和油料種子的蛋白質(zhì)在功能性食品生產(chǎn)中的重要性越來越高。在擠壓過程中，溫度與剪切力的共同作用下，維持蛋白質(zhì)三級和四級結(jié)構(gòu)的作用力受到破壞，表面電荷趨向均勻化，分子間氫鍵、二硫鍵、離子鍵等部分?jǐn)嗔眩纬煽伤芑娜廴隗w，再經(jīng)過分子鏈團(tuán)聚、聚集、交聯(lián)過程形成纖維結(jié)構(gòu)，在高溫驟降至低溫的過程中，形成纖維狀且具有肉類組織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。擠壓蛋白組織化程度與蛋白質(zhì)的種類、含量以及擠壓溫度顯著相關(guān)。蛋白質(zhì)的種類和含量影響組織化過程中熱凝膠纖維化結(jié)構(gòu)的作用；擠壓溫度越高，蛋白質(zhì)變性程度越大，其組織化程度越高，水溶性降低。植物組織蛋白是指以植物性蛋白或植物性成分為原料，通過擠壓技術(shù)將植物蛋白加工形成具有類似肉類的纖維結(jié)構(gòu)。擠壓植物組織蛋白具有良好的動物蛋白纖維狀結(jié)構(gòu)和咀嚼感、低過敏源、低抗?fàn)I養(yǎng)因子、高消化利用率、降低不良?xì)馕丁⒋庑詢r比高等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

擠壓過程對擠出物的生物活性、理化性質(zhì)和營養(yǎng)價值等會產(chǎn)生一定影響。蛋白質(zhì)在擠壓過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化，有利于活性肽的釋放[10-11]。組織化蛋白體內(nèi)酶解產(chǎn)物與活性肽在機(jī)體內(nèi)具有一定的生理活性，如抗氧化、降血壓、降膽固醇、降血糖、提高免疫力及抗癌等活性[12-14]。蛋白的還原性較強(qiáng)會影響腸道消化吸收及引發(fā)過敏等反應(yīng)，通過擠壓加工，降低蛋白還原性可以提高免疫功能[15]。功能性的增強(qiáng)使植物組織蛋白產(chǎn)品在食品、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)闡述擠壓對蛋白的功能活性的影響，為植物組織化蛋白食品的開發(fā)及利用提供理論參考。

1 擠壓對植物蛋白功能活性的影響

1.1 擠壓對植物蛋白的消化吸收率的影響

蛋白質(zhì)的消化率是評價蛋白質(zhì)營養(yǎng)水平的重要因素，它反映出蛋白質(zhì)在人體內(nèi)吸收利用程度[16]。擠壓過程使蛋白質(zhì)發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，降低豆類中抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量，加快蛋白質(zhì)的水解速度，提高蛋白質(zhì)的消化吸收率。EL-HADY等[17]研究發(fā)現(xiàn)擠壓加工會使豆類擠出物的體外蛋白質(zhì)消化率提高，顯著降低植酸、單寧、α-淀粉酶和胰蛋白酶抑制劑等抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量。在螺桿轉(zhuǎn)速250 r/min，擠壓溫度140℃，水分含量18%時，經(jīng)擠壓加工的蕓豆的體外蛋白消化率從未擠壓時的70.59%上升到79.26%;蠶豆的體外蛋白消化率由原始的75.40%提高至80.40%，鷹嘴豆的體外蛋白消化率由74.00%上升到80.39%;豌豆的體外蛋白消化率由74.47%上升至78.05%。左進(jìn)華[18]研究結(jié)果表明擠壓加工可以顯著降低脲酶和胰蛋白酶抑制因子的活性，保持大豆蛋白的營養(yǎng)特性。在螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min，擠壓溫度155℃，物料含水量35%的最佳條件下，大豆蛋白的體外消化率達(dá)到了95.83%。

食物轉(zhuǎn)化指數(shù)是實(shí)驗期內(nèi)動物食物攝入量與體重增加的比值，蛋白質(zhì)的功效比值是指實(shí)驗期內(nèi)動物平均每攝入1 g蛋白質(zhì)所增加的體重，可以用來反映蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值。ALONSO等[19]通過對比喂養(yǎng)15d擠壓豌豆與生豌豆飼料的大鼠，發(fā)現(xiàn)喂養(yǎng)擠壓豌豆飼料的大鼠體重的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于喂養(yǎng)生豌豆的大鼠。擠壓處理后蛋白酶抑制劑和凝集素等抗?fàn)I養(yǎng)因子水平的降低，改善了蛋白質(zhì)的消化吸收率，使食物轉(zhuǎn)化指數(shù)和蛋白質(zhì)的功效比值增加。大豆蛋白中的許多抗?fàn)I養(yǎng)因子 （如β-伴大豆球蛋白）會影響腸道的消化吸收功能。YIN等[15]發(fā)現(xiàn)通過控制擠壓的溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度，可以顯著降低β-伴大豆球蛋白抗原性。傅里葉紅外光譜分析結(jié)果表明，擠壓改變了β-伴大豆球蛋白的二級結(jié)構(gòu)，降低了致敏性結(jié)構(gòu)的含量，使其鈍化失活，抗?fàn)I養(yǎng)因子的鈍化失活提高腸道對大豆蛋白的消化吸收。MARZO等[20]通過擠壓蕓豆對大鼠的消化特性研究發(fā)現(xiàn)，擠壓后蕓豆的凝集素、單寧、肌醇六磷酸抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量顯著降低，減少對大鼠腸道生理反應(yīng)及生長速度的負(fù)面影響，改善了豆類的消化吸收。大豆肽是大豆蛋白的蛋白酶酶解產(chǎn)物，其較大豆蛋白有更好的吸收轉(zhuǎn)化速率[21]。經(jīng)過擠壓處理的大豆蛋白更容易被酶解，其酶解率及肽的得率顯著提高[22]。

1.2 擠壓對植物蛋白抗氧化活性的影響

在抗氧化活性研究中，酚類化合物和肽是具有潛力的生物活性物質(zhì)[23]。經(jīng)過擠壓處理的蛋白更有利于提高其酶解率和肽的得率[22]，且低分子質(zhì)量的肽段比高分子質(zhì)量的肽段表征出更強(qiáng)的抗氧化活性[24]。齊寶坤等[25]通過豆粕蛋白擠壓技術(shù)提高多肽得率至35.00%左右，多肽對 O2-·、ROO·、·OH 清除能力顯著提高，電子自旋共振（electron spin resonance，ESR）測定表明·OH清除率與豆粕多肽分子質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，低分子質(zhì)量肽具有更好的抗氧化活性。蛋白擠壓工藝參數(shù)會影響酶解率，并進(jìn)一步增強(qiáng)酶解產(chǎn)物的抗氧化性。自由基產(chǎn)生和消除的平衡受到破壞時會對人體造成危害，防止自由基對細(xì)胞和組織的損傷是預(yù)防各疾病的有效措施之一。VALDEZ等[26]通過優(yōu)化蛋白擠壓工藝，使麻瘋樹蛋白水解物的氧化自由基吸收能力（oxygen radical absorbance capacity，ORAC）增強(qiáng)，其抗氧化系數(shù)（trolox equivalents antioxidant coefficients，TEAC） 從擠壓前的98.7 mmol TEAC/mg提高至173.8 mmol TEAC/mg，擠出溫度與螺桿轉(zhuǎn)速對其水解物抗氧化活性均有顯著性影響。

1.3 擠壓對植物蛋白降糖活性的影響

近年來，代謝紊亂Ⅱ型糖尿?。╰ype2 diabetes mellitus，T2DM）的發(fā)病率持續(xù)上升。一些豆類及其擠壓食品可以作為糖尿病的主食。經(jīng)擠壓后的豆類食品的蛋白消化產(chǎn)物對α-葡萄糖苷酶的活性具有抑制作用，能夠延遲碳水化合物在體內(nèi)的消化吸收，起到抑制高血糖的作用。擠壓紅小豆蛋白（10 mg/mL）在體外對α-葡萄糖苷酶具有的抑制作用，是未經(jīng)過擠壓處理的紅小豆蛋白抑制率的36.4倍[27]。對比正常和鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病模型大鼠，攝入擠壓小豆提取物（300mg/kg）可分別顯著降低餐后血糖15.60%和30.90%[27]。在Ⅱ型糖尿病KK-Ay大鼠的飼料中分別添加1%和2%的擠壓紅小豆蛋白，食用2%的擠壓小豆蛋白組空腹血糖明顯降低，腸道α-葡萄糖苷酶的活性抑制增強(qiáng)[28]。

1.4 擠壓對植物蛋白抗高血壓活性的影響

擠壓蛋白及其酶解產(chǎn)物，可通過緊密結(jié)合血管緊張素 I轉(zhuǎn)化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）的活性位點(diǎn)，與血管緊張素I競爭占據(jù)，導(dǎo)致ACE不能將血管緊張素I轉(zhuǎn)化為血管緊張素Ⅱ，從而降低血壓[29-30]。VALDEZ等[26]研究發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化擠壓工藝可以提高麻瘋樹蛋白水解物的抗高血壓活性。擠壓后的麻瘋樹蛋白酶解物對ACE的IC50的活性值從1.57 μg/mL 下降至 0.080×10-2μg/mL，響應(yīng)面分析表明只有擠出溫度會顯著影響ACE活性，當(dāng)擠壓溫度為160℃時，ACE抑制率最高。在擠壓過程中，蛋白質(zhì)變性延展出更多的酶解位點(diǎn)，促進(jìn)了蛋白質(zhì)水解，水解后產(chǎn)生了更多的低分子量肽，顯示了更強(qiáng)的抗高血壓效果。

1.5 擠壓對植物蛋白抗炎活性的影響

炎癥是指生物組織受到如外傷、感染等損傷因子的某種刺激，自身發(fā)生的一種以防御為主的機(jī)體反應(yīng)，但過度的炎癥會破壞機(jī)體在防御體系中的抗氧化能力，呈現(xiàn)出氧化應(yīng)激狀態(tài)[31]。擠壓蛋白消化產(chǎn)物是通過誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，INOS）表達(dá)的下降，降低一氧化氮（NO）的含量和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF-α）水平，從而有效控制炎癥[32]。MONTOYA等[33]通過研究發(fā)現(xiàn)，擠壓莧菜蛋白的水解物使脂多糖誘導(dǎo)后的人體單核巨噬細(xì)胞（human monocytic-leukemia cells，THP-1）及小鼠RAW264.7巨噬細(xì)胞的TNF-α水平分別顯著降低了36.50%和33.50%，擠壓后的莧菜蛋白水解物會更有效地抑制NO含量，增強(qiáng)抗炎活性。擠壓紅小豆食品對T2DM患者的炎癥反應(yīng)有顯著的抑制作用。LIU等[34]將120例T2DM患者隨機(jī)分為對照飲食組（傳統(tǒng)糖尿病低血糖指數(shù)飲食）和干預(yù)組（擠壓紅小豆方便食品）。干預(yù)4周后干預(yù)組的血液樣本中白細(xì)胞介素6（interleukin-6，IL-6）、TNF-α水平降低且顯著低于對照組。

1.6 擠壓對植物蛋白抗動脈粥樣硬化活性的影響

動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）是一種心血管疾病，影響血液從冠狀動脈到達(dá)心臟、頸動脈到達(dá)大腦及下端各動脈的過程。MONTOYA等[35]在水分28%、擠壓溫度125℃、螺桿轉(zhuǎn)速130 r/min的條件下對莧菜蛋白擠壓處理，并對擠壓蛋白進(jìn)行了體外胃蛋白酶和胰蛋白酶水解，與未經(jīng)擠壓的水解物相比，擠壓后的莧菜蛋白水解物（extruded amaranth hydrolysate，EAH）抑制了人體THP-1的白細(xì)胞介素4（interleukin-4，IL-4）和IL-6的表達(dá)及TNF-α的產(chǎn)生，EAH可以使動脈粥樣硬化標(biāo)志物凝集素樣氧化型低密度脂蛋白受體-1、細(xì)胞內(nèi)黏附分子-1、基質(zhì)金屬蛋白酶-9的表達(dá)分別降低58%、52%和79%，表明通過擠壓的莧菜蛋白具有抗動脈粥樣硬化活性。

1.7 擠壓對植物蛋白免疫活性的影響

通過擠壓加工降低蛋白的抗原性可以提高免疫功能。張智宇等[36]采用胰蛋白酶酶解擠壓后的大豆粕所得的酶解液對ConA誘導(dǎo)的小鼠淋巴細(xì)胞增殖指數(shù)有顯著提高。大豆蛋白中抗原性強(qiáng)的抗原蛋白不僅會影響腸道消化和營養(yǎng)吸收，而且會引起過敏反應(yīng)，降低免疫功能。擠壓處理可顯著降低β-伴大豆球蛋白的抗原性。YIN等[15]采用單因素和正交試驗研究了工藝參數(shù)對伴大豆球蛋白擠壓后的抗原性影響。β-伴大豆球蛋白的抗原性隨著擠出溫度的升高而降低;隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而降低；隨著進(jìn)料速度的減小而降低。在擠出溫度130℃，螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min，進(jìn)料速度為35 r/min的條件下，β-伴大豆球蛋白的抗原性僅為20.06%。此外，經(jīng)過擠壓處理的蛋白更容易被酶解，提高了肽的含量和得率[22]。免疫活性肽的含量提高能夠增強(qiáng)機(jī)體淋巴細(xì)胞增殖及巨噬細(xì)胞的吞噬功能，提高機(jī)體免疫力及抵御外界病原體感染的能力，降低機(jī)體發(fā)病率，抗腫瘤等功能[37]。

2 小結(jié)與展望

隨著肉類消費(fèi)水平的提高，許多國家動物膳食蛋白供應(yīng)已逐漸跟不上需求，因此找到一種新型的可代替肉類的可持續(xù)的蛋白供應(yīng)方案十分重要。目前國外植物組織蛋白市場已初有規(guī)模，并逐漸擴(kuò)大。自2019年，中國傳統(tǒng)素肉企業(yè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型期，合作創(chuàng)新人造肉產(chǎn)品，引起國內(nèi)消費(fèi)者關(guān)注，涌現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。已有多項研究表明，蛋白經(jīng)擠壓后可表征出更強(qiáng)的功能活性,但仍存在以下幾點(diǎn)問題，一是關(guān)于植物蛋白的功能性在國內(nèi)外的研究深度不夠，缺少系統(tǒng)的闡述與歸納；二是不同來源的蛋白質(zhì)、不同的擠壓條件下蛋白質(zhì)及其酶解產(chǎn)物的功能活性形成或增效的規(guī)律尚需要系統(tǒng)的分析；三是擠壓植物組織蛋白生產(chǎn)成本較高尚未達(dá)到大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)條件。針對這些問題，在未來的研究中：1）應(yīng)深入探討擠壓后產(chǎn)品的纖維結(jié)構(gòu)機(jī)理，對原料的選擇及對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，擴(kuò)展產(chǎn)品多樣性，達(dá)到最佳擠壓蛋白營養(yǎng)特性及多種潛在功能活性的開發(fā)；2）需要整合國內(nèi)外科研力量，從植物組織化蛋白的開發(fā)、擠壓技術(shù)、營養(yǎng)特性到功能活性的研究等多方面進(jìn)行綜合考量和總結(jié)歸納，以更全面地探究擠壓加工技術(shù)的應(yīng)用；3）擴(kuò)展植物蛋白來源，優(yōu)化蛋白品質(zhì)及生產(chǎn)設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，推進(jìn)植物肉產(chǎn)品商業(yè)化。通過對植物組織蛋白的功能活性研究和產(chǎn)品優(yōu)化，可以提高消費(fèi)者對植物組織蛋白產(chǎn)品的接受度與喜愛度，節(jié)約動物蛋白資源、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)人體健康，使其具有可替代動物肉的良好發(fā)展前景，成為必不可少的家庭食品。