擠出對淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)與質(zhì)構(gòu)特性影響的研究進(jìn)展

李 琳，李曉璽，陳 旭，何忠超，朱 杰，閆景坤，袁建軍，王寶貝

（1 泉州師范學(xué)院海洋與食品學(xué)院 福建泉州 362000 2 華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 淀粉與植物蛋白深加工教育部工程研究中心廣東省天然產(chǎn)物綠色加工與產(chǎn)品安全重點實驗室 廣州 510640 3 東莞理工學(xué)院生命健康技術(shù)學(xué)院 食品營養(yǎng)健康工程與智能化加工研究中心 東莞市特色食品精準(zhǔn)設(shè)計重點實驗室 中國輕工業(yè)健康食品開發(fā)與營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室 廣東東莞 523808）

1 營養(yǎng)健康食品體系的跨尺度結(jié)構(gòu)特征

隨著社會的發(fā)展和國民生活水平的不斷提高，人們對食品營養(yǎng)與健康的關(guān)注程度與日俱增。通過調(diào)控食品中碳水化合物、 蛋白質(zhì)與脂質(zhì)等主要組分的種類與組成及強化營養(yǎng)活性物質(zhì)，可以達(dá)到提供優(yōu)質(zhì)碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和增加營養(yǎng)健康功能的目的，從而更好地對由膳食結(jié)構(gòu)不合理引起的代謝性慢性疾病進(jìn)行膳食干預(yù)。因此，創(chuàng)制美味可口、 營養(yǎng)健康的食品已經(jīng)成為現(xiàn)代食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展“新常態(tài)”下的迫切需求[1-2]。

從軟物質(zhì)科學(xué)的視角來看，食品體系實質(zhì)上是由多種營養(yǎng)組分基于分子相互作用形成的，具有從微觀尺度（分子、分子聚集體等）、介觀尺度（顆粒、乳液、膠粒、泡沫等分子團(tuán)簇）到宏觀尺度（固態(tài)、液態(tài)食品等織態(tài)結(jié)構(gòu)）等跨尺度結(jié)構(gòu)的軟物質(zhì)。根據(jù)物質(zhì)材料結(jié)構(gòu)與功能的構(gòu)效關(guān)系，營養(yǎng)健康食品的功能特性主要取決于多種物質(zhì)組分在加工過程中形成復(fù)合物的跨尺度結(jié)構(gòu)，因此，要靶向創(chuàng)制具有優(yōu)良功能特性的營養(yǎng)健康食品，就必須基于不同尺度上的分子相互作用規(guī)律來精準(zhǔn)誘導(dǎo)營養(yǎng)健康食品組分形成特定的跨尺度結(jié)構(gòu)，從而保持和提升營養(yǎng)健康食品的品質(zhì)功能，進(jìn)而解決營養(yǎng)健康食品加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸與關(guān)鍵問題，并實現(xiàn)食品科學(xué)領(lǐng)域營養(yǎng)健康食品的新突破。

2 植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的創(chuàng)制與質(zhì)構(gòu)特性調(diào)控

2.1 植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品組分跨尺度的相互作用

植物基營養(yǎng)健康食品因其具有良好的營養(yǎng)健康調(diào)節(jié)功能、可持續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)勢而蓬勃發(fā)展[3-5]，其中，具有不同營養(yǎng)健康功能的植物基仿生谷物食品和植物基仿生肉制品更加備受關(guān)注[6-7]。 由于自然界中大米、小麥、玉米、馬鈴薯和豆類等谷物胚乳和動物肌肉組織均是以分子為組成單元，逐步組裝形成聚合物，構(gòu)建并分隔成不同尺度的細(xì)胞和組織，直至宏觀尺度上形成谷粒和肌肉，并同步構(gòu)造成能實現(xiàn)預(yù)期功能特性的植物和動物組織體系，該體系包含了從微觀尺度（分子、分子聚集體等）、介觀尺度（細(xì)胞、組織等）到宏觀尺度（器官等）的跨尺度結(jié)構(gòu)（圖1），因此，通過仿生模擬谷物胚乳薄壁細(xì)胞中密集堆積的淀粉顆粒鑲嵌在蛋白質(zhì)基質(zhì)中的特殊結(jié)構(gòu)[8-9]、肌肉中肌原纖維蛋白形成的各向異性纖維或?qū)訝罾w維結(jié)構(gòu)，可以利用大米、小麥、玉米、馬鈴薯和豆類等谷物淀粉、非淀粉多糖等碳水化合物與豆類、大米、小麥和玉米等植物蛋白的跨尺度相互作用及其跨尺度結(jié)構(gòu)的演變，來延緩或者抑制淀粉消化性能及改變其凝膠質(zhì)構(gòu)特征[6，8-9]，創(chuàng)制出具有特定功能特性的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品。

圖1 肌肉及谷物（玉米）胚乳跨尺度結(jié)構(gòu)[10-11]Fig.1 Cross-scale structure of muscle and endosperm of grain （maize）[10-11]

眾所周知，淀粉等碳水化合物與植物蛋白是植物基營養(yǎng)健康食品中的重要組分。 通過調(diào)控淀粉與植物蛋白有關(guān)組分的跨尺度相互作用及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，可仿生設(shè)計具有特定功能特性的植物基營養(yǎng)健康仿生谷物食品和植物基營養(yǎng)健康仿生肉制品[6，10-11]。研究表明，牛奶中的脂肪球和酪蛋白的膠體性質(zhì)，在產(chǎn)生其理想的質(zhì)量屬性方面，起著至關(guān)重要的作用，穩(wěn)定的乳液體系有助于其乳白色外觀和奶油質(zhì)地。然而，當(dāng)以藜麥蛋白和不同水解程度的淀粉降解產(chǎn)物糊精為模擬脂質(zhì)來設(shè)計植物奶時，糊精會嚴(yán)重影響其乳化穩(wěn)定性，且在沒有鹽離子存在時，二者的相分離更明顯，致使絮凝現(xiàn)象出現(xiàn)[12]。 此外，由于植物蛋白相對于動物蛋白不易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且形成的蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較弱，使得植物基雞蛋的強度、彈性和抗壓縮性能降低。而淀粉可通過氫鍵和離子鍵與植物蛋白的跨尺度結(jié)構(gòu)相互作用，促進(jìn)形成更緊湊和高強度的結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)出與雞蛋烹飪后類似的質(zhì)構(gòu)特性，同時也延緩了淀粉的消化速度[13]。 另外，對于植物基肉制品而言，蛋白的纖維結(jié)構(gòu)是肉制品獨特質(zhì)構(gòu)的關(guān)鍵，而支鏈淀粉會促進(jìn)植物蛋白的展開，直鏈淀粉則導(dǎo)致相分離，促進(jìn)植物蛋白的自聚集和重新折疊，有利于分層結(jié)構(gòu)形成[14]，因此，通過調(diào)控二者的結(jié)構(gòu)與分子間跨尺度結(jié)構(gòu)的相互作用可形成豐富的肌肉纖維結(jié)構(gòu)。

由此可見，植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的創(chuàng)制仍需不斷提升其感官品質(zhì)，才能推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并提高消費者的接受程度。解決這一問題的核心策略是科學(xué)設(shè)計和有效調(diào)控碳水化合物與植物蛋白及其它食品組分的跨尺度結(jié)構(gòu)相互作用，以誘導(dǎo)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)化，從而賦予其所需的特定感官特性。 因此，隨著對自然界中植物、動物食品原料組成及不同尺度結(jié)構(gòu)與功能特性之間相互關(guān)系及作用機(jī)制的不斷探究，通過控制淀粉等碳水化合物與植物蛋白等蛋白質(zhì)兩種重要組分的相互作用及其復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)，在切實提升植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品感官特性和營養(yǎng)功能特性的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建并研發(fā)出能夠滿足不同人群需求的美味可口的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品，較好地促進(jìn)植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 食品質(zhì)構(gòu)特性的本質(zhì)與調(diào)控關(guān)鍵

質(zhì)構(gòu)特性是營養(yǎng)健康食品特別是固態(tài)和半固態(tài)食品重要的感官品質(zhì)，它既是由食品成分和組織結(jié)構(gòu)決定的物理性能，也是在口腔咀嚼過程中食品對人體機(jī)械感覺受體的刺激而生產(chǎn)的多種感覺特性[15-18]。 當(dāng)食品進(jìn)入人體口腔后，食品與口腔接觸并發(fā)生相互作用，在牙齒和/或舌頭施加的力和唾液潤滑作用下，經(jīng)咀嚼引起食品宏觀上發(fā)生形變、破裂、微?；⑺橛^上溶膠、凝膠、聚集、聚團(tuán)及微觀上分子降解與重排、聚集體解體與重組等，繼而觸發(fā)人體機(jī)械感覺受體的刺激響應(yīng)而產(chǎn)生的多種感覺特性，因此，從本質(zhì)上說，食品的質(zhì)構(gòu)特性是復(fù)雜的物理、 化學(xué)與生理過程的宏觀表征。

顯然，就生理過程而言，質(zhì)構(gòu)特性主要取決于食品在牙齒和/或舌頭施加的力和唾液潤滑作用下力學(xué)性能、流變性能和表面性能的變化。而大量的研究表明[18]，不論是物化過程還是生理過程，其力學(xué)性能、流變性能和表面性能在外界環(huán)境溫度、力和介質(zhì)作用下的變化均受控于食品的跨尺度結(jié)構(gòu)及其在（口腔）加工中的動態(tài)變化。同樣地，對于植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品來說，其最終的跨尺度結(jié)構(gòu)是由主要組分淀粉與植物蛋白分子在（口腔） 加工過程中基于分子間共價鍵和非共價鍵相互作用重組而成的。 也就是說，在食品加工過程中，通過控制食品加工條件，誘導(dǎo)和強化淀粉分子與植物蛋白分子的相互作用，在淀粉與植物蛋白及其復(fù)合體系中形成特定的跨尺度結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)植物基營養(yǎng)健康（仿生） 食品質(zhì)構(gòu)特性調(diào)控的關(guān)鍵。

3 擠出加工對淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)與質(zhì)構(gòu)的影響

事實上，學(xué)者們已通過各種加工技術(shù)誘導(dǎo)淀粉與植物蛋白相互作用，設(shè)計出具備理想性質(zhì)的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品。 包括通過高壓均質(zhì)處理以形成適宜的植物蛋白顆粒或乳滴，這有利于匹配牛奶的流變特性。此外，高靜壓處理能夠促進(jìn)淀粉和蛋白凝膠體系形成，而淀粉在體系中并未糊化且充當(dāng)填充劑的作用，這就提高了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)強度，二者都有利于低血糖指數(shù)凝膠食品的制備[19]。 此外，還有通過物理、化學(xué)或生物改性技術(shù)預(yù)處理淀粉或植物蛋白，以更好地誘導(dǎo)二者的結(jié)合與相互作用，從而獲得優(yōu)異的膠凝性、消化性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械特性、營養(yǎng)特性和質(zhì)構(gòu)特性等的淀粉與蛋白的復(fù)合物； 或是后處理淀粉與植物蛋白復(fù)合物，以穩(wěn)定或加強二者的多尺度相互作用，更好地服務(wù)于植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的生產(chǎn)。雖然不同的加工技術(shù)在制備淀粉-植物蛋白復(fù)合物中都展現(xiàn)出各自獨特的工藝優(yōu)勢，但是，擠出加工技術(shù)在淀粉和植物蛋白質(zhì)重構(gòu)肌肉纖維結(jié)構(gòu)、重組米凝膠結(jié)構(gòu)植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品設(shè)計中，都扮演著重要且無法替代的角色。 因此，有必要明確擠出加工過程創(chuàng)制植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品中，對淀粉與植物蛋白在不同尺度下的相互作用及其質(zhì)構(gòu)特性的影響。

3.1 食品擠出加工技術(shù)原理與應(yīng)用

食品擠出加工過程主要是利用流體的拖拽流原理，在熱、剪切力和壓力的作用下，強迫碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、水分及其微量營養(yǎng)物質(zhì)等食品原料在有限空間內(nèi)進(jìn)行混合、揉制、均質(zhì)、剪切、蒸煮、熔融、脫水、成型等連續(xù)流動的食品加工過程[20-21]。 在本質(zhì)上，該過程就是通過螺桿與料筒之間形成的生物反應(yīng)器，使物料在熱機(jī)械效應(yīng)作用下短時間內(nèi)發(fā)生物理與化學(xué)變化，繼而通過多樣的模具，來生產(chǎn)不同尺度結(jié)構(gòu)特征且具有改變、強化或賦予特定功能特性的各類食品的過程[20]。 由于該技術(shù)是通過擠出機(jī)螺桿結(jié)構(gòu)與出口模具結(jié)構(gòu)的多元化設(shè)計，利用熱、剪切力、壓力等多種物理場耦合作用來控制食品組分由固態(tài)向高黏態(tài)或塑性體系轉(zhuǎn)變，通過改變食品組分的相互作用，在特定的流動方向及空間內(nèi)進(jìn)行食品組織結(jié)構(gòu)化，并在最終擠出后迅速重排、凝膠、結(jié)晶、膨化和成型的加工方式，故而特別適合從分子、分子間復(fù)合組裝、分子團(tuán)簇、團(tuán)簇聚集體等微觀取向及聚團(tuán)、凝膠、結(jié)晶、纖維化等介觀聚集和宏觀織態(tài)化等跨尺度角度對食品的組織結(jié)構(gòu)、 品質(zhì)特性進(jìn)行重構(gòu)與設(shè)計，從而達(dá)到滿足不同功能特性需求的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的創(chuàng)制。

食品擠出加工技術(shù)是一種重要的高效清潔生產(chǎn)技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高，能源效率高，成本低，無廢水等獨特優(yōu)勢； 其高溫高壓高剪切力的加工環(huán)境條件及靈活可控的操作參數(shù)，賦予其良好的生產(chǎn)效率及能源效率； 而從進(jìn)料口到模口一體化的生產(chǎn)工藝流程有效避免廢水的產(chǎn)生，并顯著降低了生產(chǎn)成本。此外，其個性化設(shè)計的擠出螺桿和模具可使其創(chuàng)制出多樣化的營養(yǎng)健康食品。因此，食品擠出加工技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于膨化食品、 即食谷物、糖果制品、組織化植物蛋白、面食、早餐麥片、餅干、嬰兒食品、休閑食品、變性淀粉、固體飲料等相關(guān)食品的生產(chǎn)[21-22]。 近年來，食品的擠出技術(shù)因在獲得高品質(zhì)清潔標(biāo)簽的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品生產(chǎn)中發(fā)揮的作用日益凸顯而備受關(guān)注[23]。

3.2 擠出加工對淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)的影響

淀粉與蛋白質(zhì)均具有復(fù)雜的跨尺度結(jié)構(gòu)。 淀粉根據(jù)尺寸可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)、短程有序結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、聚集體結(jié)構(gòu)等[24]。 蛋白質(zhì)的跨尺度主要結(jié)構(gòu)包括一、二、三、四級結(jié)構(gòu)等。 在復(fù)雜的擠出加工過程中，由于高溫、剪切、壓力和水分的存在，淀粉與蛋白質(zhì)的各尺度結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的改變（見表1），對于淀粉，包括淀粉分子鏈的降解，有序化結(jié)構(gòu)與無序化結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生多孔網(wǎng)絡(luò)的宏觀結(jié)構(gòu)等[25-26]；而對于植物蛋白，包括蛋白質(zhì)肽鏈的解體與展開，共價鍵和次級鍵的斷裂與重連，空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的坍塌與重構(gòu)，產(chǎn)生纖維的宏觀構(gòu)象等[27-29]。

表1 淀粉和蛋白質(zhì)在擠出加工過程中跨尺度結(jié)構(gòu)的變化Table 1 The evolution in cross-scale structure of starch and protein during extrusion

在淀粉與植物蛋白共同存在時，擠出加工不僅導(dǎo)致淀粉-淀粉或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的相互作用，還會使得淀粉與蛋白質(zhì)在不同尺度上發(fā)生相互作用，最終形成具有跨尺度結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合物。研究表明，淀粉和蛋白質(zhì)之間主要發(fā)生3 種類型的相互作用[48]：一是蛋白質(zhì)在淀粉顆粒表面的滲透和吸附[49]，這不僅影響淀粉的糊化及其顆粒結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步膨化，還影響蛋白質(zhì)肽鏈的展開與三維網(wǎng)絡(luò)的形成； 二是蛋白質(zhì)分子之間自聚集形成連續(xù)相，從而使得擠出復(fù)合物之間發(fā)生分相現(xiàn)象；三是淀粉分子和蛋白質(zhì)之間會形成共價和/或非共價鍵鍵合[50-51]，形成半互穿、互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或弱凝膠結(jié)構(gòu)等。在這些分子間相互作用的基礎(chǔ)上，淀粉與植物蛋白發(fā)生從微觀至介觀再到宏觀尺度上的跨尺度結(jié)構(gòu)演變，最終形成新的跨尺度結(jié)構(gòu)。Chen 等[14]將直鏈/支鏈淀粉與大豆分離蛋白共擠出時發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)主鏈上的氨基和側(cè)鏈上的供電子基團(tuán)會與直鏈淀粉上的羥基形成分子間氫鍵，而支鏈淀粉較強的水結(jié)合能力則會促進(jìn)蛋白質(zhì)分子之間形成氫鍵并形成各向異性纖維結(jié)構(gòu)； 在介觀尺度上，直鏈淀粉填充在蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，而支鏈淀粉則與蛋白質(zhì)相分離，聚集在蛋白質(zhì)基質(zhì)的部分區(qū)域中。 最終，直鏈淀粉/大豆分離蛋白共擠物呈現(xiàn)分層纖維狀態(tài)，而支鏈淀粉/大豆分離蛋白則呈現(xiàn)致密的分層纖維結(jié)構(gòu)。 Wang 等[52]在不同比機(jī)械能下擠出谷蛋白和大米淀粉混合物，發(fā)現(xiàn)淀粉和蛋白質(zhì)之間形成氫鍵，并且是在谷蛋白中酪氨酸C1 上形成。 此外，谷蛋白與淀粉擠出降解形成的小分子糖發(fā)生了美拉德反應(yīng)，發(fā)生了氨基和羥基的交聯(lián)。最終，由于谷蛋白的破壞、變性、融合及其與大米淀粉的交聯(lián)，產(chǎn)生了致密且均勻的宏觀尺度結(jié)構(gòu)。值得注意的是，擠出操作參數(shù)是調(diào)控淀粉與植物蛋白多尺度結(jié)構(gòu)變化和跨尺度結(jié)構(gòu)重構(gòu)的關(guān)鍵[20，22，53]，控制二者發(fā)生的糊化、交聯(lián)、復(fù)合、降解、美拉德反應(yīng)、凝沉、凝膠、聚集等反應(yīng)類型、速率和程度[54-55]，從而改變淀粉與植物蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。

3.3 擠出加工對淀粉與植物蛋白復(fù)合物質(zhì)構(gòu)特性的影響

食品的質(zhì)構(gòu)特性與感官屬性有關(guān)，并取決于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征[56]。 目前，研究學(xué)者主要聚焦在高水分?jǐn)D出過程形成仿生肉結(jié)構(gòu)，即在機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)作用下賦予的纖維結(jié)構(gòu)，其具有與肉類組織相似的嫩度、咀嚼度、硬度等質(zhì)構(gòu)特性[57-58]，同時，還關(guān)注低水分下擠出過程形成仿生谷物結(jié)構(gòu)，包括蓬松多孔結(jié)構(gòu)和凝膠結(jié)構(gòu)，其具有與谷物相似的硬度、脆度、黏性等質(zhì)構(gòu)特性[59-61]。

在高水分?jǐn)D出的情況下，植物蛋白在高溫與剪切的作用下通過進(jìn)料區(qū)、混合區(qū)、熔融區(qū)和冷卻區(qū)形成具有各向異性的纖維結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生與肉制品相似的咀嚼度、嫩度、彈性、硬度等質(zhì)構(gòu)特性[62]。 而在擠出過程中，蛋白質(zhì)和淀粉分子之間的相互作用在制備具有豐富肉樣纖維結(jié)構(gòu)的植物蛋白基肉類替代品和改善其質(zhì)構(gòu)特性中發(fā)揮了重要作用[63-64]。如前所述，擠出過程淀粉與植物蛋白之間發(fā)生相互作用，從而影響蛋白質(zhì)擠出纖維結(jié)構(gòu)的形成、排列、緊密程度，導(dǎo)致最終產(chǎn)品所產(chǎn)生的質(zhì)構(gòu)特性迥異。 Chen 等[14，65]發(fā)現(xiàn)，支鏈淀粉顯著提高了豌豆蛋白纖維化程度，從而降低了擠出復(fù)合物的硬度、彈性、耐嚼性和抗拉力。這歸咎于支鏈淀粉有利于纖維結(jié)構(gòu)沿擠出方向的形成，致使形成仿生肉制品的柔軟質(zhì)地。而直鏈淀粉的加入，使得其與伸展的植物蛋白分子在擠出過程中線性排列，并形成直鏈淀粉/植物蛋白復(fù)合物，阻礙蛋白質(zhì)分子之間的結(jié)合和聚合，從而導(dǎo)致更高的表面張力，致使纖維結(jié)構(gòu)難以形成，進(jìn)而降低擠出復(fù)合物的硬度、彈性和咀嚼度。此外，淀粉能促進(jìn)植物蛋白之間疏水相互作用強度[66]，而疏水相互作用和二硫鍵交互作用是形成蛋白纖維狀結(jié)構(gòu)的主要作用力，并且，二者之間的相互作用促使三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成，促進(jìn)了小分子量蛋白亞基轉(zhuǎn)化為大分子量蛋白亞基，從而提高了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的有序程度，改善了擠出復(fù)合物的硬度和咀嚼度。

在低水分?jǐn)D出情況下，氣泡成核和生長、聚結(jié)、 收縮過程是形成擠出復(fù)合物膨化結(jié)構(gòu)的重要科學(xué)基礎(chǔ)[67]，并在溫度和壓力的劇變下，產(chǎn)生多孔蜂窩結(jié)構(gòu)，最后形成特定硬度、酥脆性、顆粒度、摩擦感、潤濕性等質(zhì)構(gòu)特性的擠出膨化谷物產(chǎn)品[33，68]。膨脹率、堆積密度、孔壁大小及多少等物理性能，與其表現(xiàn)的質(zhì)構(gòu)特性息息相關(guān)[18]，并受擠出過程操作參數(shù)、 原料的性質(zhì)和原料之間的相互作用影響[69-70]。 相比于單一成分?jǐn)D出，淀粉和植物蛋白混合物的熱性能發(fā)生顯著變化，而擠出復(fù)合物的玻璃化轉(zhuǎn)變行為在最終產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性上起著重要作用。當(dāng)?shù)矸蹎为殧D出時，其在熔融后形成的黏彈性質(zhì)會在冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)階段，此時，氣泡停止生長，從而形成特定的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的脆性[26]。 然而當(dāng)有蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)形成時，其可以阻礙無定形淀粉顆粒的水合，并防止它們在擠出前過度膨脹。然而，在熱機(jī)械作用下，植物蛋白分子會自聚集從而導(dǎo)致淀粉和蛋白質(zhì)之間的相分離或/和淀粉植物蛋白出現(xiàn)復(fù)合形態(tài)，這將導(dǎo)致擠出復(fù)合物的脆性增加，硬度減小[71]。

4 擠出加工過程中淀粉與植物蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的剖析

由于淀粉與植物蛋白擠出加工創(chuàng)制植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品涉及到淀粉與植物蛋白種類組成與多尺度結(jié)構(gòu)、擠出加工條件（包括擠出溫度、組分水分與比例、螺桿結(jié)構(gòu)、模具幾何形狀、螺桿轉(zhuǎn)速等）等多種因素的影響，且淀粉與植物蛋白在擠出加工過程中還涉及復(fù)雜的分子之間跨尺度相互作用，因此，如何有效調(diào)控擠出加工過程來構(gòu)建具有合適跨尺度結(jié)構(gòu)，并獲得具有一定質(zhì)構(gòu)特性的擠出加工食品仍面臨極大挑戰(zhàn)[72-73]。

應(yīng)該注意到，自然界中植物基食品存在的跨尺度結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬年，它們在外界環(huán)境條件下已實現(xiàn)了最優(yōu)化的功能特性。然而，由于自然界的能量有限，分子間的相互作用在構(gòu)建（大）超分子等跨尺度結(jié)構(gòu)中只是起著明顯的基礎(chǔ)性作用[74]，而外界條件引發(fā)的分子自組裝形成過程才是構(gòu)建這些復(fù)雜體系跨尺度結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。因此，要獲得具有良好質(zhì)構(gòu)特性的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品，就必須選擇合適的淀粉與植物蛋白，通過控制擠出加工條件，誘導(dǎo)與調(diào)控兩種分子之間的跨尺度相互作用，以構(gòu)建可以賦予淀粉與植物蛋白復(fù)合物不同功能特性的跨尺度結(jié)構(gòu)。

實質(zhì)上，擠出加工創(chuàng)制植物基營養(yǎng)健康（仿生） 食品的過程是淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜物理、化學(xué)過程。 就是說，通過施加合適的擠出加工條件，誘導(dǎo)淀粉與植物蛋白分子間跨尺度相互作用，繼而控制組分分子內(nèi)降解、重排及分子間締合、組裝、結(jié)晶、聚集等分子運動行為，以構(gòu)建相應(yīng)的跨尺度結(jié)構(gòu)，創(chuàng)制具有特定功能特性的淀粉與植物蛋白復(fù)合物，實現(xiàn)對植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品功能特性的精準(zhǔn)調(diào)控。 在此過程中，特定功能特性主要取決于淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變，同時，淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)的形成與演變受控于擠出加工過程條件、 淀粉與植物蛋白的結(jié)構(gòu)及淀粉與植物蛋白跨尺度相互作用，并遵循復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)動態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制。

然而，值得注意的是，當(dāng)前對食品擠出加工過程淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)與功能特性關(guān)系的研究還存在一些問題：首先，要建立起淀粉與植物蛋白結(jié)構(gòu)、擠出加工條件、復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)與其擠出加工食品質(zhì)構(gòu)等功能特性之間的有效關(guān)聯(lián)；其次，要從食品跨尺度結(jié)構(gòu)在擠出加工過程中熱機(jī)械力場作用下的動態(tài)變化與匹配性出發(fā)，來明晰擠出加工過程中，淀粉與植物蛋白分子相互作用及復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)形成的影響；再者，要更好地了解復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)在擠出加工過程中發(fā)生相應(yīng)的力學(xué)、 流變學(xué)和表面特性的響應(yīng)變化規(guī)律。因此，針對最終呈現(xiàn)特定質(zhì)構(gòu)等功能特性的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品，必須以淀粉與植物蛋白多尺度結(jié)構(gòu)與跨尺度相互作用行為、 復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)演變?yōu)橥黄瓶?，融入機(jī)械力學(xué)、流體力學(xué)、高分子化學(xué)與物理、有機(jī)化學(xué)、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析等多學(xué)科知識，同時有機(jī)結(jié)合食品質(zhì)構(gòu)特性動態(tài)分析和生理感官評價理論與技術(shù)等進(jìn)行深入剖析，才能探明擠出加工過程對淀粉與植物蛋白復(fù)合物的質(zhì)構(gòu)等功能特性的影響規(guī)律，建立相應(yīng)的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品特定質(zhì)構(gòu)等功能特性靶向創(chuàng)制方法與調(diào)控機(jī)制。

5 淀粉與植物蛋白擠出加工過程的基礎(chǔ)科學(xué)問題

5.1 淀粉與植物蛋白擠出加工過程中跨尺度相互作用的動態(tài)演變規(guī)律問題

實現(xiàn)植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品特定功能特性靶向創(chuàng)制的關(guān)鍵之一，就是在擠出加工過程中，調(diào)控其不同尺度的主要成分（淀粉與植物蛋白）之間的相互作用，從而構(gòu)建具有特定功能特性的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的跨尺度結(jié)構(gòu)。實際上，在擠出加工過程中，由于一定熱機(jī)械物理場的作用，不同尺度結(jié)構(gòu)的淀粉與植物蛋白會發(fā)生物理相變、交聯(lián)反應(yīng)、美拉德反應(yīng)等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，導(dǎo)致不同尺度結(jié)構(gòu)的淀粉與植物蛋白分子之間發(fā)生多尺度結(jié)構(gòu)的相互作用，包括解聚、構(gòu)象轉(zhuǎn)變、共價鍵合、結(jié)構(gòu)重組、限域空間織態(tài)化等，從而引起從微觀至介觀再到宏觀尺度等跨尺度相互作用的動態(tài)演變，并最終形成新的跨尺度結(jié)構(gòu)。因此，若要獲得植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的功能特性靶向創(chuàng)制技術(shù)，就必須深入探討并系統(tǒng)掌握在不同擠出加工熱機(jī)械物理場作用下，具有不同尺度結(jié)構(gòu)的淀粉、 植物蛋白以及淀粉與植物蛋白復(fù)合物在跨尺度水平上相互作用的動態(tài)演變規(guī)律，進(jìn)而以此調(diào)節(jié)不同尺度組分（淀粉與植物蛋白） 分子內(nèi)以及分子之間的跨尺度相互作用行為，最終控制分子鏈、聚集態(tài)、織態(tài)結(jié)構(gòu)等跨尺度結(jié)構(gòu)的形成。

5.2 淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)與質(zhì)構(gòu)特性之間的關(guān)系問題

淀粉與植物蛋白復(fù)合物的質(zhì)構(gòu)特性是由其不同尺度結(jié)構(gòu)的化學(xué)組分內(nèi)部、 組分之間相互作用以及跨尺度組織結(jié)構(gòu)所決定的物理性質(zhì)，也是通過口腔等人體部位接觸而觸發(fā)人體機(jī)械感覺受體的刺激響應(yīng)，這是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)與生理過程，是體現(xiàn)這類復(fù)合物感官性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，因而是食品科技領(lǐng)域的研究重點。 對于從擠壓加工過程獲得的淀粉與植物蛋白復(fù)合物來說，體現(xiàn)對其質(zhì)構(gòu)特性影響的通常包括兩個方面：其一，是擠出加工過程由于不同尺度結(jié)構(gòu)組分內(nèi)部和之間相互作用所形成復(fù)合物的跨尺度結(jié)構(gòu)動態(tài)演變的影響；其二，是口腔咀嚼過程由于唾液浸潤、剪切攪拌、酶降解等作用，導(dǎo)致跨尺度結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的影響，雖然這兩者在作用力的數(shù)量級上有明顯的差異，但是，它們都是決定淀粉與植物蛋白復(fù)合物發(fā)生力學(xué)、流變、表面性質(zhì)等質(zhì)構(gòu)特性變化的核心因素。因此，要有效調(diào)控淀粉與植物蛋白復(fù)合物的質(zhì)構(gòu)特性，并闡明其調(diào)控機(jī)制，就必須系統(tǒng)分析具有不同跨尺度結(jié)構(gòu)特征的淀粉與植物蛋白復(fù)合物在擠壓加工過程和/或口腔咀嚼過程中，由于熱機(jī)械物理場施加和/或剪切力、唾液、酶等的作用導(dǎo)致的跨尺度結(jié)構(gòu)和質(zhì)構(gòu)特性的變化，建立淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)演變與質(zhì)構(gòu)特性之間的關(guān)系。

5.3 淀粉與植物蛋白復(fù)合物擠出加工條件-跨尺度結(jié)構(gòu)-功能特性之間的關(guān)聯(lián)性問題

因為植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的功能特性主要取決于淀粉與植物蛋白相互作用形成的特定跨尺度結(jié)構(gòu)，在擠出加工過程中，淀粉與植物蛋白不同尺度結(jié)構(gòu)組分之間和跨尺度的相互作用與組裝，以及跨尺度結(jié)構(gòu)的形成等，都受制于擠出加工過程條件，所以，要真正有效靶向調(diào)控植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的功能特性，就必須利用包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在內(nèi)的數(shù)學(xué)手段來建立擠出加工條件、 淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)及其功能特性之間的關(guān)系模型，并以此作為獲得植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品功能特性靶向創(chuàng)制的分子設(shè)計依據(jù)。 也就是說，從食品軟物質(zhì)材料的角度看，當(dāng)確定了食品的預(yù)期功能特性后，通過分子設(shè)計就能確定其所需的淀粉與植物蛋白復(fù)合物跨尺度結(jié)構(gòu)，從而準(zhǔn)確地選擇擠出加工條件、淀粉與植物蛋白種類和數(shù)量等，并進(jìn)一步誘導(dǎo)這兩類分子不同尺度之間及其跨尺度的相互作用與組裝，達(dá)到該復(fù)合物的跨尺度結(jié)構(gòu)重構(gòu)，以期真正實現(xiàn)食品預(yù)期功能特性的靶向調(diào)控。

6 展望

通過對上述基礎(chǔ)科學(xué)問題的分析可知，為了提升擠出加工獲得的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的質(zhì)構(gòu)特性，未來的科學(xué)研究應(yīng)從擠出加工過程中，淀粉與植物蛋白跨尺度相互作用及跨尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控等層面入手，明晰擠出加工條件、淀粉與植物蛋白跨尺度相互作用、 跨尺度結(jié)構(gòu)及質(zhì)構(gòu)特性之間的關(guān)系和相互影響機(jī)制，充分認(rèn)識植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品擠出加工過程的復(fù)雜物理、化學(xué)過程本質(zhì)，從跨尺度相互作用層面揭示擠出加工過程中與復(fù)合物質(zhì)構(gòu)特性相關(guān)的跨尺度結(jié)構(gòu)的形成途徑，建立可行的優(yōu)良質(zhì)構(gòu)特性的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品的創(chuàng)制方法，為植物基營養(yǎng)健康（仿生） 食品靶向創(chuàng)制提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

兼顧感官品質(zhì)與營養(yǎng)健康功能的美味可口的植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品已經(jīng)成為人類的重要需求，也是未來食品產(chǎn)業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，從制約植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品重要感官品質(zhì)（質(zhì)構(gòu)等）功能特性提升，及其食品跨尺度結(jié)構(gòu)在擠出加工過程中的動態(tài)形成與變化這一關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題出發(fā)，以植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品主要組分（淀粉與植物蛋白）跨尺度結(jié)構(gòu)在擠出加工過程中的形成與調(diào)控為切入點，深入探討擠出加工調(diào)控植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品質(zhì)構(gòu)等功能特性的科學(xué)與技術(shù)問題，將具有重要的研究價值和實際指導(dǎo)意義，其研究結(jié)果可促進(jìn)新型植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品質(zhì)構(gòu)等功能特性的分子設(shè)計和靶向創(chuàng)制，尤其為擠出加工創(chuàng)制優(yōu)良感官質(zhì)構(gòu)等功能特性的新型植物基營養(yǎng)健康（仿生）食品提供理論依據(jù)，對促進(jìn)食品科學(xué)的發(fā)展和營養(yǎng)健康食品產(chǎn)業(yè)國際競爭力的提升具有十分重要的意義。