谷朊粉對豌豆植物蛋白肉產(chǎn)品特性的影響

趙玉茹，楊進(jìn)潔，邊文潔，趙祥忠*，王晨瑩

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250353；2.煙臺雙塔食品股份有限公司，山東招遠(yuǎn) 265404；3.山東真諾智能設(shè)備有限公司，山東濟(jì)南 251400）

近年來，旨在模擬動物肉纖維結(jié)構(gòu)和口感的植物蛋白肉制品被相繼開發(fā)出來，擠壓技術(shù)是目前最適合商業(yè)化的植物蛋白肉加工技術(shù)之一，主要包括低水分?jǐn)D壓（含水量＜40%）和高水分?jǐn)D壓（含水量為60%～80%）[1]，低水分?jǐn)D壓形成的產(chǎn)品不具備真肉的纖維狀結(jié)構(gòu)，通常要經(jīng)復(fù)水后才能加工和食用，而高水分?jǐn)D壓具有無需復(fù)水和與真肉類似度高等優(yōu)勢[2]。目前，用于生產(chǎn)植物蛋白肉的原料主要有大豆蛋白、豌豆蛋白和花生蛋白等[3]，豌豆蛋白因其低致敏性、生物利用度高、無轉(zhuǎn)基因問題、氨基酸比例平衡和營養(yǎng)價值高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注[4]，但單一的豌豆蛋白生產(chǎn)的植物蛋白肉成型性較差、纖維結(jié)構(gòu)較差、與真肉的類似度低[5]。小麥蛋白，又稱谷朊粉（wheat gluten，WG），因其獨(dú)特的黏彈特性，與其他植物蛋白混合擠壓，能夠有效增強(qiáng)植物基肉制品的纖維結(jié)構(gòu)和組織化度等[6]，從而提高與真肉的類似度。Chiang 等[7]將大豆蛋白與谷朊粉混合后進(jìn)行高水分?jǐn)D壓，發(fā)現(xiàn)含有30%谷朊粉的擠壓樣品具有最高的組織化度、硬度和咀嚼性，并具有明顯的纖維結(jié)構(gòu)，其在結(jié)構(gòu)特性方面接近于煮熟的雞胸肉。

本文將豌豆蛋白與谷朊粉以不同的比例混合，在相同的工藝條件下進(jìn)行高水分?jǐn)D壓，測定并分析谷朊粉含量對植物蛋白肉的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響，包括質(zhì)構(gòu)特性、色澤、復(fù)水性、微觀結(jié)構(gòu)、紅外光譜和流變特性，以期為優(yōu)化植物蛋白配方提供參考，并初步探討谷朊粉對植物蛋白肉纖維結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豌豆蛋白粉：煙臺雙塔食品股份有限公司；谷朊粉：封丘縣華豐粉業(yè)有限公司；溴化鉀（分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；復(fù)合磷酸鹽：廣州天佳生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓試驗機(jī)（HT36）：山東真諾智能設(shè)備有限公司；物性測試儀（TA.XT.plus）：廈門超技儀器設(shè)備有限公司；色差儀（NR10QC+）：深圳市三恩時科技有限公司；真空冷凍干燥機(jī)（Scientz-18N）：寧波新芝生物科技股份有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet iS 10）：美國Thermo 公司；掃描電子顯微鏡（Hitachi S4800）：日本日立公司；流變儀（RH-20）：上海保圣實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豌豆蛋白的高水分?jǐn)D壓

向豌豆蛋白粉中添加谷朊粉，使得谷朊粉占蛋白總質(zhì)量的0%、20%、40%、60%，加入1%復(fù)合磷酸鹽后充分混勻，置于雙螺桿擠壓試驗機(jī)中進(jìn)行高水分?jǐn)D壓試驗。擠壓參數(shù)：進(jìn)水流速15 L/h、喂料速度10 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速800 r/min，擠壓機(jī)1、2、3、4、5、6 區(qū)溫度設(shè)置為40、60、80、120、160、150 ℃，冷卻溫度為50 ℃。

將擠壓出的植物蛋白肉冷卻后真空包裝密封，放入4 ℃冰箱中保存。每個比例各取一部分冷凍干燥，研磨成粉后過80 目篩，于-20 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 植物蛋白肉的質(zhì)構(gòu)特性測定

將新鮮擠壓的植物蛋白肉裁剪為20 mm×20 mm×10 mm 的長方體置于儀器測試臺中央，選用P50 探頭，測定樣品的硬度、彈性、咀嚼性的數(shù)值，設(shè)置儀器測試條件：全質(zhì)構(gòu)分析（texture profile analysis，TPA）模式，測試前速度1.0 mm/s，測試中速度1.0 mm/s，測試后速度5.0 mm/s，測定壓縮比50%，下壓兩次，間隔時間5 s，觸發(fā)力5 g。每個樣品做3 次平行測定，取平均值[8]。

1.3.3 植物蛋白肉的色澤測定

采用色差儀對植物蛋白肉的色澤進(jìn)行測定，隨機(jī)測定同一樣品的9 個不同部位，取平均值，記錄特征值L*值、a*值和b*值。標(biāo)準(zhǔn)白板的L0*值、a0*值和b0*值分別為97.02、-0.015 和1.45。ΔE表示樣品與白板的色差，數(shù)值越大，差別越大，計算公式如下[9]。

1.3.4 植物蛋白肉的復(fù)水率測定

將5 g 新鮮的植物蛋白肉在60 ℃下干燥，直到達(dá)到恒定質(zhì)量。干燥完成后放入60 ℃的蒸餾水中浸泡5 h，進(jìn)行復(fù)水測試。擦拭掉表面的水分后記錄其質(zhì)量的變化，復(fù)水率（R，%）的計算公式如下[10]。

R=W1/W2× 100

式中：W1為復(fù)水后的植物蛋白肉的質(zhì)量，g；W2為新鮮植物蛋白肉的初始質(zhì)量，g。

1.3.5 植物蛋白肉的微觀結(jié)構(gòu)觀察

將植物蛋白肉切成15 mm×10 mm×5 mm 的小塊并冷凍干燥，使用導(dǎo)電膠將樣品固定在樣品臺上并進(jìn)行噴金處理，然后放在掃描電子顯微鏡下掃描并觀察樣品橫截面的微觀結(jié)構(gòu)，放大100 倍和300 倍觀察并拍照。

1.3.6 植物蛋白肉的傅里葉紅外光譜測定

將1 mg 冷凍干燥過篩后的植物蛋白肉粉末與100 mg 溴化鉀混合后在研缽中充分研磨并壓片，在4 000～400 cm-1的范圍內(nèi)進(jìn)行傅里葉紅外光譜掃描，以單獨(dú)的溴化鉀掃描光譜作為背景，掃描次數(shù)為64，分辨率為4 cm-1，每個樣品測3 次，取平均值。最終結(jié)果采用OMNIC 8.2 軟件對紅外圖譜進(jìn)行基線校正、歸一化和傅里葉去卷積處理。使用Peakfit 4.12 軟件對1 700～1 600 cm-1（酰胺Ⅰ區(qū)）進(jìn)行擬合分析[11]。

1.3.7 植物蛋白肉的流變特性測定

將0.6 g 冷凍干燥過篩后的植物蛋白肉粉末分散在3 mL 蒸餾水中，攪拌1 h 后在4 ℃冰箱中放置過夜。將分散液裝入流變儀平行板（直徑50 mm）正下方，在25 ℃下進(jìn)行剪切試驗[12]。剪切速率為1～100 s-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26.0 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，P＜0.05 表示差異顯著。采用Origin 2018 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷朊粉含量對植物蛋白肉質(zhì)構(gòu)特性的影響

谷朊粉含量對植物蛋白肉質(zhì)構(gòu)特性的影響見圖1。

圖1 谷朊粉含量對植物蛋白肉質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.1 Effect of wheat gluten addition on texture of plant proteinbased meat alternative

如圖1所示，WG 含量對植物蛋白肉的硬度、彈性和咀嚼性均有顯著影響。由圖1A 可知，隨著WG 含量的增加，樣品的硬度先升高后降低，WG 含量為20%時，硬度達(dá)到最大值（16 101 g），WG 含量為60%時，硬度達(dá)到最小值（11 737 g）。由圖1B 可知，植物蛋白肉的彈性隨著WG 含量的增加顯著升高（P＜0.05）。咀嚼性被定義為硬度×內(nèi)聚性×彈性，由圖1C 可知，隨著WG 含量的增加，樣品的咀嚼性先升高后降低，同硬度變化趨勢一致。WG 含量為20%時，咀嚼性達(dá)到最大值，繼而顯著下降（P＜0.05）。WG 主要由麥谷蛋白和麥膠蛋白組成，這兩種蛋白質(zhì)與水混合時會形成面團(tuán)中常見的黏彈性基質(zhì)，從而增加面團(tuán)的彈性[13]，這也是本研究中WG 含量增加后植物蛋白肉彈性提高的原因。WG 含量較低時（20%），WG 的添加會提高原料中半胱氨酸的含量，影響巰基-二硫鍵的轉(zhuǎn)化反應(yīng)[14]，從而促進(jìn)二硫鍵的形成，使植物蛋白肉的硬度增大。但較高的WG 含量（40%和60%）會增強(qiáng)熔融體在擠壓過程中的水合能力[8]，使植物蛋白肉變得柔軟硬度降低。硬度和咀嚼性的結(jié)果與張金闖[15]的研究結(jié)果一致，當(dāng)花生蛋白與谷朊粉質(zhì)量比為6∶4 時，植物蛋白肉的硬度和咀嚼性達(dá)到最大值。劉明等[16]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小麥蛋白、花生蛋白和豌豆蛋白以0.655∶0.135∶0.210 的質(zhì)量比混合擠壓后，產(chǎn)品具有較高的彈性，與本研究中谷朊粉含量為60%時植物蛋白肉彈性最大的結(jié)果相似。

2.2 谷朊粉含量對植物蛋白肉色澤的影響

谷朊粉含量對植物蛋白肉色澤的影響見表1。

表1 谷朊粉含量對植物蛋白肉色澤的影響Table 1 Effect of wheat gluten addition on color of plant proteinbased meat alternative

色澤是植物蛋白肉產(chǎn)品的一個重要特性，它影響著產(chǎn)品的質(zhì)量以及消費(fèi)者對產(chǎn)品的接受度[12，17]。由表1 可知，WG 含量對植物蛋白肉的色澤有顯著影響（P＜0.05）。WG 含量為0%～60% 時，L*值顯著增大（P＜0.05），這說明WG 使植物蛋白肉的顏色變淺，但a*值和b*值顯著減?。≒＜0.05），△E值也顯著下降（P＜0.05），說明植物蛋白肉的顏色更接近于標(biāo)準(zhǔn)白板的顏色。與肖志剛等[18]的研究結(jié)果一致，隨著豌豆蛋白含量的增加、谷朊粉含量的減少，產(chǎn)品的L*值逐漸降低；a*值和b*值逐漸升高，產(chǎn)品的色澤加深。主要是因為與豌豆蛋白相比，WG 本身顏色較淺。一般來說，植物蛋白肉的色澤較深不能被食用染料覆蓋和著色，會降低消費(fèi)者的接受度[10]。因此，WG 可以提高植物蛋白肉的亮度和白度，有利于產(chǎn)品的進(jìn)一步著色處理。

2.3 谷朊粉含量對植物蛋白肉復(fù)水率的影響

復(fù)水率是與食品持水能力有關(guān)的重要參數(shù)，它影響著產(chǎn)品的質(zhì)地。不同WG 含量的植物蛋白肉的復(fù)水率如圖2所示。

圖2 谷朊粉含量對植物蛋白肉復(fù)水率的影響Fig.2 Rehydration rates of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten

由圖2 可知，當(dāng)WG 含量為20%和40%時，植物蛋白肉的復(fù)水率較高，可能是植物蛋白肉的孔隙率增加導(dǎo)致的，當(dāng)干的植物蛋白肉浸泡在水中時，水通過表面的孔隙進(jìn)入內(nèi)部，填充在內(nèi)部空隙中，并與原材料的羥基形成氫鍵，內(nèi)部孔隙就像蓄水池一樣儲存吸收的水分。因此，孔隙越多，能吸收的水分就越多[19]。但當(dāng)WG 含量增加到60%時，由于豌豆蛋白中疏水性氨基酸含量較低、極性氨基酸含量較高，而谷朊粉中疏水性氨基酸含量較高，進(jìn)而降低了樣品的持水性，使其在復(fù)水時吸收的水分減少，從而降低了植物蛋白肉的復(fù)水率。

2.4 谷朊粉含量對植物蛋白肉的微觀結(jié)構(gòu)和拉絲效果的影響

谷朊粉含量對植物蛋白肉微觀結(jié)構(gòu)的影響見圖3，20%谷朊粉對植物蛋白肉拉絲效果的影響見圖4。

圖3 谷朊粉含量對植物蛋白肉微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Microstructures of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten

圖4 20%谷朊粉對植物蛋白肉拉絲效果的影響Fig.4 Drawing effect of plant protein-based meat alternative prepared with 20%wheat gluten

由圖3 可知，不加WG 的植物蛋白肉表面的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)較致密，很難發(fā)現(xiàn)纖維結(jié)構(gòu)。隨著WG 含量的升高，孔隙數(shù)量明顯增加且分布變得均勻，結(jié)構(gòu)變得疏松。當(dāng)谷朊粉含量較高（40%、60%）時，因WG 含有大量通過分子間二硫鍵連接的多肽，使得植物蛋白肉內(nèi)部形成了多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從宏觀上看，添加20% WG 對植物蛋白肉的纖維結(jié)構(gòu)有很明顯的改善作用。由圖4 可知，不含WG 的植物蛋白肉撕開后為片層狀，基本沒有拉絲狀，而添加20%WG 的植物蛋白肉撕開后具有纖維結(jié)構(gòu)，拉絲效果明顯。可能是因為豌豆蛋白與谷朊粉混合，在擠壓過程中形成了兩個不相容的獨(dú)立相，阻止了蛋白質(zhì)橫向聚集，有利于縱向排列形成纖維[20]，因而出現(xiàn)了圖中的拉絲效果，這與Zhang 等[21]的研究結(jié)果一致，單獨(dú)的大豆?jié)饪s蛋白的擠出物沒有清晰的纖維結(jié)構(gòu)，而添加谷朊粉后會產(chǎn)生高度纖維結(jié)構(gòu)。

2.5 谷朊粉含量對植物蛋白肉紅外圖譜、二級結(jié)構(gòu)的影響

不同WG 含量的植物蛋白肉的紅外圖譜如圖5所示。

圖5 谷朊粉添加量對植物蛋白肉紅外圖譜的影響Fig.5 FTIR spectra of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten

由圖5 可知，在3 300、2 924、1 630、1 520、1 050 cm-1附近分別觀察到5 個主要特征吸收峰。約3 300 cm-1處的峰是一個寬峰，主要是由于—OH、—NH 和—CH的伸縮振動[22]；在2 924 cm-1處出現(xiàn)一個尖峰，主要是由飽和C 上的—CH 伸縮振動引起[23]。

通過二階導(dǎo)數(shù)擬合對酰胺I 帶（1 700～1 600 cm-1）進(jìn)行反卷積獲得植物蛋白肉二級結(jié)構(gòu)，變化如表2所示。其中，有序結(jié)構(gòu)為β-折疊和α-螺旋含量之和。

表2 谷朊粉含量對植物蛋白肉二級結(jié)構(gòu)的影響Table 2 Secondary structures of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten%

由表2 可知，植物蛋白肉中β-折疊和β-轉(zhuǎn)角的含量均高于α-螺旋和無規(guī)則卷曲的含量，這表明豌豆蛋白和谷朊粉的植物蛋白肉主要以β 型結(jié)構(gòu)存在[24]。此外，隨著WG 含量的升高，β-折疊含量先增加后降低，無規(guī)則卷曲先降低后升高，在WG 含量為20%時分別達(dá)到最高、最低值，說明無規(guī)則卷曲向β-折疊轉(zhuǎn)化，而β-折疊被認(rèn)為是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[25]。β-折疊和α-螺旋是有序結(jié)構(gòu)，而β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲是無序結(jié)構(gòu)，隨著WG 含量的升高，有序結(jié)構(gòu)的含量先增加后降低，在WG 含量為20% 時，有序結(jié)構(gòu)的含量最高，這與擠出物硬度的變化趨勢一致（圖1A）。結(jié)果表明，WG 增加了有序結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植物蛋白肉中纖維結(jié)構(gòu)的形成。

2.6 谷朊粉含量對植物蛋白肉流變特性的影響

谷朊粉含量對植物蛋白肉表觀黏度的影響見圖6。

圖6 谷朊粉含量對植物蛋白肉表觀黏度的影響Fig.6 Apparent viscosity of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten

由圖6 可知，隨著剪切速率的升高（1～100 s-1），溶液的表觀黏度呈逐漸降低的趨勢，當(dāng)剪切速率較低時，表觀黏度急劇下降，但隨著剪切速率的不斷升高，表觀黏度降低的速率變慢，并逐漸趨于平緩，這是典型的剪切稀化行為，這與Xia 等[26]研究的豌豆蛋白肉類似物溶液的曲線一致，可能與在剪切作用下分子內(nèi)或分子間相互作用的破壞有關(guān)。在相同的剪切速率下，溶液表觀黏度隨WG 含量的增加而增加。同樣是兩種蛋白質(zhì)混合進(jìn)行高水分?jǐn)D壓，Xia 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，酵母蛋白含量的增加反而會導(dǎo)致豌豆蛋白肉類似物溶液黏度減小，可能是因為蛋白質(zhì)聚集體的形成，如小球體，發(fā)揮潤滑作用從而導(dǎo)致黏度下降。而本研究結(jié)果出現(xiàn)的原因可能是WG 含量增加后，分子間氫鍵數(shù)量增加，從而增加了剪切時的阻力，使得加入WG 的樣品的表觀黏度較大[27]。

3 結(jié)論

本研究將豌豆蛋白和谷朊粉進(jìn)行復(fù)合高水分?jǐn)D壓，系統(tǒng)研究了原料復(fù)配比例對植物蛋白肉品質(zhì)特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最佳谷朊粉含量為20%，在此含量下得到的復(fù)合植物蛋白肉結(jié)構(gòu)緊密，成型性較好，有光澤，有較高的硬度和咀嚼性，有序結(jié)構(gòu)含量最高，有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且相比于不加谷朊粉的豌豆植物蛋白肉，樣品的彈性、復(fù)水率以及溶液的黏度均有所提高，并對拉絲效果有顯著的改善作用。由此可見，在豌豆蛋白高水分?jǐn)D壓中加入適量的谷朊粉可以有效改善產(chǎn)品特性，提高與真肉的類似度，提高豌豆蛋白在植物蛋白肉生產(chǎn)中的應(yīng)用價值。