高水分擠壓過程中大分子相互作用研究進展

陳瓊玲，張金闖，劉 麗，王 強

（中國農業(yè)科學院農產品加工研究所/農業(yè)農村部農產品加工綜合性重點實驗室 北京 100193）

2019年6月，聯合國經濟和社會事務部發(fā)布報告稱，預計到2050年世界人口將達到97 億[1]，食品需求量將增加70%，肉類需求量將達到4.7億t，畜牧養(yǎng)殖業(yè)的肉類供應將難以滿足人類的需求[2-3]。同時動物養(yǎng)殖過程中存在的環(huán)境污染、抗生素和激素殘留、病毒感染、生產轉化率低等問題已引起世界各國的廣泛關注[4]。以植物蛋白為原料生產肉類部分替代品即人造肉，降低肉類消費量，已成為大勢所趨。2019年5月，“人造肉第一股”Beyond Meat 公司股價在上市首日暴漲163%，使植物基人造肉的開發(fā)成為全球食品行業(yè)關注的焦點[5]。國外Impossible Foods、Beyond Meat、Gardein、Field Roast、Memphis Meats 等企業(yè)紛紛推出人造肉產品，同時國內珍肉、金字火腿、百草味、齊善、春發(fā)等企業(yè)也在不斷加大植物基食品的研發(fā)力度。

作為未來食品的標志性產品，人造肉目前在國際上多稱為模擬肉（Meat analogue）、肉類替代物（Meat substitute/alternatives）[6]，荷蘭瓦赫寧根大學還提出新蛋白食品（Novel protein foods）的概念，包括植物蛋白和微生物來源的所有肉類替代產品[7]，該說法涵蓋范圍太廣，未突出標識植物蛋白組分。國內早期稱為人造肉、素肉，后將纖維紡絲法及低水分擠壓制得的產品統(tǒng)稱為組織蛋白或拉絲蛋白。組織/拉絲蛋白產品呈多孔海綿狀，使用前需經復水、乳化、斬拌等工藝進行后續(xù)加工，制得的產品存在纖維結構松散、有豆腥味、模擬程度低、營養(yǎng)損失大等缺點。20世紀90年代興起的高水分擠壓技術用于制備新型植物基肉制品，不僅具有生產過程一次成型、能耗低、無污染等優(yōu)點，而且產品纖維結構豐富，口感和質地與動物肉十分接近，具有即食性，是比較理想的動物蛋白替代品[8]。目前國內已實現了由纖維結構形成機理的研究到關鍵技術裝備與產品開發(fā)的突破，可在線一次性完成熟化、拉絲、成型、調色、調味等諸多工序，無需復水、油炸等繁瑣的后續(xù)加工，產品具有豐富的動物肉纖維結構，質地與雞肉接近[8-9]。然而，目前植物基肉制品仍存在諸多問題，如汁水感較差、風味不足等，不能完全滿足消費者的品質需求。

植物基肉制品的制備過程中蛋白質、碳水化合物、脂質等生物大分子及分子間相互作用是形成產品外觀、質構、風味等品質的分子基礎[10]。其中，蛋白質發(fā)生變性、交聯、聚合等反應，形成的網絡結構構成植物基肉制品產品的“骨架”；脂質可作為塑化劑或潤滑劑，并發(fā)生順反異構化、氧化反應，改善產品的質地和口感；碳水化合物發(fā)生美拉德反應、淀粉糊化、纖維素降解、多糖接枝反應，增強蛋白纖維結構的形成[11-12]。此外，氧化還原劑、酸堿調節(jié)劑、乳化劑、鹽離子等可影響這些生物大分子間的相互作用方式，從而影響產品的結構、風味、顏色、滋味等感官品質。然而，目前植物基肉制品制備過程中生物大分子間的相互作用機制及其對產品品質的影響仍不明晰。

本文在參考國內外文獻的基礎上，總結制備植物基肉制品常用的蛋白質種類及其結構變化特點，梳理蛋白質結構表征及植物基肉制品品質評價方法，分析植物基肉制品制備過程中生物大分子間的相互作用及其對產品品質的影響，提出植物基肉制品發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及未來重點研究方向，旨在為植物基肉制品品質控制和改善提供參考。

1 制備植物基肉制品的蛋白質種類及其結構變化特點

擠壓法制備植物基肉制品最重要的原料組分為蛋白質，擠壓過程中涉及的植物蛋白質資源主要包括：①油料類蛋白：如大豆[13]、花生[14]、油菜籽[15]、亞麻籽[16]；②谷物類蛋白：如小麥[17]、大米[15]、大麥[15]等；③雜糧類蛋白：如玉米[18]、小米[19]、豌豆[20]、羽扇豆[21]、鷹嘴豆[22]、馬嘴豆[23]等；④其它來源蛋白：食用菌類（如雙孢菇[24]）、果蔬類（如馬鈴薯[15]、豇豆[24]、面包果種子、班巴拉果[25]）等。植物蛋白根據其溶解度可分為球蛋白、清蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白[26]，其中谷物類蛋白以谷蛋白和醇溶蛋白為主，富含脯氨酸與谷氨酸；而油料類蛋白及雜糧類蛋白以球蛋白為主，富含賴氨酸、色氨酸和甲硫氨酸[27]。不同氨基酸組成和蛋白組分差異導致各種植物蛋白的分子質量、溶解度、變性溫度、黏度、凝膠能力等性質不同，蛋白質分子間相互作用方式和程度也隨之變化，進而影響最終產品的硬度、彈性、咀嚼度、組織化程度等品質。郭蓮東[19]研究發(fā)現，擠壓過程中，球蛋白最易變性發(fā)生聚集和交聯，并轉變?yōu)橛行蚪Y構；清蛋白間發(fā)生不同程度的融合與拉伸；谷蛋白發(fā)生一定程度的聚集和融合，并以分布狀態(tài)存在；醇溶蛋白結構最穩(wěn)定，分子變化程度最小。Osen[20]和Zhang 等[14]研究豌豆分離蛋白和花生蛋白高水分擠壓過程中的變化，也發(fā)現擠壓后球蛋白交聯程度增加，其對纖維結構的形成起更關鍵的作用。

擠壓過程中，在高溫、高壓和高剪切等綜合作用下，蛋白質分子內或分子間原有的化學鍵被破壞，分子鏈伸展，埋藏在內部的疏水基團和巰基暴露，分子內和分子間發(fā)生締合、聚集、交聯、分解、氧化、還原等反應，蛋白質分子重新排列、聚合，形成新的有序的網絡結構[11，28]（見圖1）。在此過程中，水分參與蛋白質伸展和定向，增加蛋白質鏈的柔性和移動性，降低蛋白質玻璃化轉變溫度，促進蛋白質變性[29]。一般而言，原料蛋白質含量（＞50%）和氮溶指數（＞70%）都比較高時，制得產品的組織化程度較高，即纖維感較好[30]。同時，分子質量較大的長鏈狀、具有線性對稱結構的蛋白質原料易于獲得較好的纖維結構[12]。擠壓過程中蛋白質分子間相互作用力主要包括肽鍵、二硫鍵、氫鍵、離子鍵等，而不同作用力在穩(wěn)定擠出物結構中的貢獻率目前尚不確定[31]。一般認為大豆蛋白、豌豆蛋白和小麥蛋白三維網絡結構的形成與穩(wěn)定主要靠二硫鍵[17，20，32-33]，而花生蛋白是靠氫鍵與二硫鍵交互作用[14]。

圖1 蛋白質分子在擠壓過程中的構象變化Fig.1 The conformational changes of protein during high moisture extrusion process

2 蛋白質結構表征方法及產品品質評價

蛋白質結構變化及分子間相互作用是植物基肉制品纖維結構形成的基礎，常通過分析蛋白質分子質量、氨基酸組成、分子構象、相互作用力、熱特性、流變學性質等信息表征蛋白質的結構變化（見表1）。由于不同方法的表征角度和反映信息不同，可結合多種分析手段多尺度表征擠壓過程中蛋白質構象變化過程，用于揭示產品纖維結構及品質形成機理。Selling[18]、Zhou 等[34]、Beck 等[35]結合傅里葉紅外、圓二色譜、核磁共振、拉曼光譜等手段解析擠壓過程中蛋白質構象變化，結果發(fā)現，在擠壓機筒內受溫度、壓力和剪切力等作用，蛋白質分子內氫鍵、二硫鍵等作用力被破壞或減弱，分子去折疊化，α-螺旋、β-折疊比例下降，β-轉角、無規(guī)則卷曲比例增加；而在冷卻成型過程中，蛋白質分子沿流出方向重新排列或聚集，形成新的有序結構，α-螺旋比例又有所增加[8，19]。Zhang 等[14]結合X-射線顯微成像技術、納米紅外技術等先進的手段，揭示擠壓過程中花生蛋白纖維結構形成的分子機制，發(fā)現產品纖維結構主要靠氫鍵和二硫鍵交互作用維持，且球蛋白尤其是分子質量42，39，22 ku 的球蛋白亞基對纖維結構的形成發(fā)揮更重要的作用。

表1 蛋白質構象變化表征方法Table 1 Methods for characterization of protein conformational changes

植物基肉制品品質評價主要包括：①感官評價：色澤、質地、風味、口感等[9]；②物理特性：組織化度、抗拉伸力、楊氏模量、蒸煮得率等[8，17，21]；③營養(yǎng)安全性：體外消化率、菌落總數、大腸菌群等[9，15，23]。其中纖維結構作為植物基肉制品產品的重要品質特征，可通過測定其力學指標、觀察微觀形態(tài)、分析光學特性等手段進行表征，具體方法包括質構分析[8-9]、掃描電鏡[14，41]、激光共聚焦顯微鏡[42]、X-射線顯微成像[14，41]、熒光偏振法[43]、光子遷移法[44]、自旋回波小角中子散射法[45]等。目前應用最廣泛的仍為采用質構儀測定纖維結構的力學特性，植物基肉制品纖維結構及整體品質評價缺乏統(tǒng)一、科學的行業(yè)標準[9]。

表2 植物基肉制品纖維結構表征方法Table 2 Characterization methods for the fiber structure of plant-based meat substitutes

3 蛋白質-脂質相互作用及其對產品品質的影響

擠壓過程中脂質可發(fā)生氧化和分解反應，生成的氫過氧化物及分解產物可與蛋白質共價結合，形成復合物；同時過氧化反應產生的自由基可以誘導蛋白質-蛋白質分子間聚合和交聯，提高蛋白質凝膠性，從而促進纖維結構的形成，并改善產品的質地和口感[46-47]。黃友如等[47]研究脂質氧化誘導大豆蛋白聚集的機理，結果發(fā)現大豆蛋白7S 和11S 亞基均受到脂質氧化產物過氧化亞油酸的攻擊，形成蛋白-脂質共價復合物，同時自由基中間體促進蛋白質分子重新折疊和組裝，形成較大的聚集體。

蛋白質和脂質間還可以通過靜電作用力、氫鍵、疏水相互作用、范德華力等非共價鍵發(fā)生相互作用，作用的飽和程度由蛋白質在擠壓過程中獲得或暴露的疏水位點所決定[10，46]。王洪武等[30]研究發(fā)現，適量的油脂可與蛋白質發(fā)生水合作用，當脫脂大豆粉中油脂添加量在2%左右時，既可提高產品的組織化度，又可提高產量和改善口感；當油脂添加量大于5%時，產品纖維結構變得松散。

脂質在擠壓過程中還可作為潤滑劑和塑化劑，以液滴形式分散在蛋白質基質中，或覆蓋在蛋白質分子表面，阻礙其伸展與聚合，從而影響纖維結構的形成[8，30]。De Pilli 等[48]研究發(fā)現，擠壓過程中添加的油酸具有塑化作用，可降低小麥粉的玻璃化轉變溫度，增加熔融物的黏度，降低擠壓產品膨脹度。Zhang 等[14]以低溫脫脂花生蛋白粉為原料進行高水分擠壓，結果發(fā)現在?？趨^(qū)由于熱不兼容性，蛋白質與脂質形成相分離，脂質覆蓋在蛋白質聚集體表面，阻礙蛋白質分子交聯；在冷卻模具中脂質分散在蛋白質聚集體形成的多層結構中；在擠出物中脂質進一步融合到蛋白質網狀結構中。

4 蛋白質-碳水化合物相互作用及其對產品品質的影響

植物基肉制品制備過程中，小分子糖類或多糖分解產物可與蛋白質發(fā)生美拉德反應，形成共聚接枝物，改變產品顏色、風味及營養(yǎng)價值[49]。Guerrero 等[50]研究發(fā)現擠壓過程中大豆蛋白與乳糖、蔗糖形成接枝物，導致產物高度褐變。Koch等[51]研究擠壓過程中蛋白質與柑橘果膠的作用，結果發(fā)現在螺桿帶有反向元件和機筒溫度140 ℃條件下形成的蛋白質-果膠共聚物量最大，且擠壓溫度、螺桿構型等工藝參數對接枝物的形成、蛋白質的聚合與降解產生重要影響。

蛋白質還可與多糖類物質形成復合物，影響最終產品的品質。Allen 等[52]研究發(fā)現，在溫度158～170 ℃范圍，玉米直鏈淀粉分子與乳清蛋白發(fā)生共價相互作用，產生不溶性聚合物，聚合物的相互作用增加會降低蛋白質和淀粉的持水力，增加產品彈性并降低其膨脹度。

植物基肉制品制備過程中多糖的存在可影響物料流變特性[53]，在冷卻模具中流體排列過程中蛋白質和碳水化合物發(fā)生相分離，阻止蛋白質橫向聚集，從而促進蛋白質各向異性纖維結構的形成[54]。最終產品的纖維結構受蛋白質與多糖兩相各自的黏度、表面張力、形成凝膠的速度等因素影響[53]。Palanisamy 等[55]以大豆?jié)饪s蛋白為原料，研究高水分擠壓過程中添加卡拉膠對產品品質的影響，結果表明添加卡拉膠會影響蛋白質凝膠過程，導致產品網狀結構更致密，擠出物纖維結構更豐富，可顯著提高產品總體感官接受度。Zhang 等[56]研究在花生蛋白高水分擠壓過程中添加卡拉膠、海藻酸鈉、小麥淀粉等多糖對產品纖維結構的影響，結果表明：添加0.1%卡拉膠、0.1%海藻酸鈉、2%小麥淀粉可提高花生蛋白熱轉變溫度，破壞蛋白分子內二硫鍵，增加疏水相互作用和物料表觀黏度，促進蛋白質分子間發(fā)生聚合作用，有利于產品在擠壓過程中形成纖維結構。

5 食品添加劑對生物大分子相互作用及產品品質的影響

在植物基肉制品的原料中添加氧化還原劑、酸堿調節(jié)劑、鹽離子、乳化劑等，均可影響蛋白質等生物大分子相互作用方式和程度，進而影響產品纖維結構的形成[28]。

擠壓過程中添加氧化還原劑，可改變-SH 基團的濃度，影響加熱過程中蛋白質-蛋白質通過巰基/二硫鍵交換反應締合的能力，從而影響蛋白分子鏈的靈活性及聚合反應程度[10]。Barone 等[57]研究發(fā)現，添加還原劑亞硫酸鈉可降低擠壓過程中的二硫鍵，增加蛋白質分子的移動性和重排、定向與結晶。劉艷香等[58]研究半胱氨酸對小麥蛋白高水分擠壓產品品質的影響，結果發(fā)現適量（0.03%～0.09%）添加半胱氨酸有利于促進蛋白質之間的交聯作用，產品具有明顯的纖維結構，且半胱氨酸參與美拉德反應，導致色澤變深。

堿性條件下擠壓可促進蛋白質分子間聚合作用，形成纖維結構更豐富的產品[36]；而酸性條件則降低聚合作用及交聯密度[59]。Li 等[36]研究添加NaHCO3、Na2CO3、NaOH 等堿性物質對小麥蛋白擠壓過程中的聚合作用和產品質構特性的影響，結果發(fā)現堿性物質有利于促進二硫鍵的形成和脫氫丙氨酸誘導的交聯作用，提高產品的彈性、咀嚼度等質構特性，有利于擠出物形成纖維結構和規(guī)則表面。

鹽離子一方面可以改變蛋白質所處的微環(huán)境，影響蛋白質溶解度和變性程度；另一方面通過靜電相互作用與水合作用改變蛋白質-蛋白質之間相互作用，從而影響蛋白質凝膠強度及纖維結構的形成[60]。陸毅[60]研究鹽離子對熱誘導小麥面筋蛋白凝膠性質的影響，結果發(fā)現添加適當濃度的Na+和Ca2+可減弱蛋白質分子間的靜電排斥作用，有利于面筋蛋白分子間的交聯，促進其形成結構緊密、均勻的熱誘導凝膠。劉艷香等[58]研究NaCl對高水分擠壓小麥蛋白產品特性的改善效果，結果發(fā)現添加0.5% NaCl 時，可改善組織化蛋白的纖維結構，加大添加量時色澤差異較小，組織化度、硬度及咀嚼度呈下降趨勢，不利于蛋白網絡狀纖維結構的形成。這是因為過量NaCl 使蛋白質周圍離子濃度過高，溶解度下降，阻礙蛋白質結構伸展及基團暴露，不利于蛋白質分子間發(fā)生交聯作用，影響纖維結構的形成。

適量添加乳化劑可加強蛋白質與脂質間的相互作用，參與蛋白質-脂質-淀粉復合物的形成，改善植物基肉制品的纖維結構。Vaz 等[61]研究發(fā)現，擠壓過程中一定量磷脂（3.8%）使擠出過程更穩(wěn)定，促進更多的蛋白通過非共價鍵（疏水相互作用和靜電作用力）和二硫鍵形成纖維結構，在蛋白形成纖維結構過程中，添加磷脂比擠壓溫度和水分含量起更大的作用。

6 結論與展望

植物基肉制品制備過程中蛋白質分子伸展、締合、聚集、重排，并與原料中的脂質、碳水化合物等生物大分子通過二硫鍵、氫鍵、離子鍵、疏水鍵等作用力發(fā)生相互作用，最終決定產品的色澤、風味、口感和纖維結構。其中，蛋白質分子質量大小、分子鏈長度和對稱性、分子鏈柔性與移動性影響蛋白質分子間相互作用的程度及方式，且在擠壓過程中蛋白質分子伸展后重新聚集與交聯，形成纖維結構的“骨架”；脂質可通過共價鍵與蛋白質形成復合物，過氧化自由基可誘導蛋白質聚集和交聯，影響纖維結構的形成，并改善產品的質地和口感；碳水化合物與蛋白質發(fā)生美拉德反應，并形成相分離，促進纖維結構與色澤的形成；氧化還原劑可影響蛋白分子鏈的靈活性及聚合反應程度，堿性條件及適度鹽離子、乳化劑有利于促進蛋白質分子間交聯及蛋白-脂質相互作用，使產品感官質量提高，纖維結構更明顯。

常結合多種表征手段分析蛋白質構象變化對產品品質的影響。然而，蛋白質原料的多樣性、加工過程的復雜性、評價方法的局限性使植物基肉制品的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)：

1）不同來源、不同種類蛋白原料的氨基酸組成、空間構象、分子鏈柔性、溶解性、凝膠性等千差萬別，制得產品的硬度、彈性、咀嚼度、口感、風味等品質也大相徑庭。同時，現有植物基肉制品多以單一的大豆蛋白為原料，仍存在汁水感差、纖維結構松散、豆腥味濃等問題，產品品質有待升級與突破。

2）加工過程能量輸入的多樣性、食品組分的復雜性使生物大分子間相互作用機制、關鍵結構域的形成過程與產品品質間關系仍不明晰，且現有研究多集中于探究蛋白質-蛋白質、蛋白質-其它組分間相互作用，而對擠壓過程中蛋白質-脂質-碳水化合物三元生物大分子間復合作用尚無報道。

3）現有纖維結構及品質評價手段存在表征信息單一、分析過程繁瑣、微觀形態(tài)難以定量、結果易受主客觀因素影響等局限性，導致植物基肉制品的品質評價缺乏系統(tǒng)、科學、統(tǒng)一的標準，行業(yè)監(jiān)管尚無規(guī)范的科學依據。

在今后的研究中應重點探討以下幾個方面：

1）在原料蛋白的選擇中，開發(fā)利用更多雜糧資源、真菌類資源和海洋資源的蛋白質，如黑豆蛋白、亞麻籽蛋白、葉蛋白、菌類蛋白、藻類蛋白等，分析不同來源蛋白質的氨基酸組成及空間構象差異，明確不同種類蛋白質分子在加工過程中的構象變化規(guī)律及其形成的產品品質特征，構建原料加工適宜性評價體系。研究不同來源蛋白質在復合加工過程中的協同作用，實現對不同肉類的模擬，開發(fā)營養(yǎng)全面均衡的新型植物基肉制品。

2）探究擠壓過程不同區(qū)段，尤其是高水分擠壓冷卻模具中，物料的溫度梯度和黏度梯度對其流動狀態(tài)及相轉變的影響，借助仿真計算流體力學軟件模擬物料在擠壓過程中的流動狀態(tài)，闡明關鍵結構域形成的動態(tài)過程，揭示植物基肉制品纖維結構形成機理，實現產品品質可定制化生產。

3）與力學、材料學、流體學、生物學等學科相融合，采用更先進、精密的研究手段如小角X-射線散射、冷凍透射電鏡等多尺度表征分子構象變化過程，分析蛋白質-脂質-碳水化合物三元組分在擠壓過程中的締合、組裝、轉化等作用機制，從而實現對產品品質的精準高效調控。

4）將食品感知科學與儀器分析相結合，采用色差計、電子鼻、電子舌、咀嚼模擬機、肌電儀等擬人化智能感官技術定量分析植物基肉制品的色澤、風味、口感、纖維結構等品質，建立快速、無損、智能、精確的品質評價方法，推動植物基肉制品行業(yè)健康穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。