高濕擠壓技術制備持香型仿肉制品工藝

尋崇榮，薛洪飛，劉寶華，江連洲，謝鳳英,3，李 楊，隋曉楠，王中江,*

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.濟南真諾機械有限公司，山東 濟南 250000；3.哈爾濱市食品產業研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

肉類含有人體所需的高質量蛋白，具有良好的風味及適口性，受到廣泛青睞[1]。1961年以來，由于人口的增加、城市化、工業化、教育和收入的提高，發展中國家人均肉類消費量增長迅速，預期到2030年，肉類需求量將增加72%[2-4]。近年來，肉制品不斷出現的道德倫理問題，過度食用引起的公共衛生問題，生產加工過程的土地資源、水資源消耗及CO2排放等環境問題一直是人們關注的焦點，利用植物資源生產高蛋白仿肉制品的研究引起了人們的廣泛關注[5-6]。

仿肉制品與某些肉類的美學性質和化學特性相似，由非動物蛋白制成，其口感、外觀及風味類似肉類[7]。由于植物蛋白仿肉制品的高營養特性及其生產成本較低、價格穩定、不易受季節性供應波動影響、保質期長、易儲存等加工儲藏特性，仿肉制品可作為昂貴動物源蛋白的替代品應用于食品加工工業中[8-10]。目前常用的仿肉制品原料為大豆分離蛋白、大豆濃縮蛋白、脫脂豆粉、谷朊粉等，其中大豆分離蛋白及谷朊粉成分單一，常用于學術研究。谷朊粉是一種具有黏性、黏彈性的復合物，是從小麥面粉中分離出來的面筋蛋白，其主要組分是麥谷蛋白和醇溶蛋白，由于其低廉的生產成本及良好的功能特性（如溶解性、黏度、膨脹性、營養品質），廣泛用于仿肉制品的生產加工[11]。楊聳[12]和Kumar等[13]的研究結果表明向大豆分離蛋白中混入適量的谷朊粉可提高仿肉制品的纖維化程度，改善產品的口感及風味，增加產品亮度及白度。

目前制備仿肉制品主要用擠壓法、凍結法、紡絲粘結法和水蒸氣膨化法等，其中擠壓法應用廣泛，可大規模連續化生產，操作便利，不產生廢料，產品質地均勻，較為經濟流行[14-17]。高濕擠壓技術（物料含水率≥40%）是國際上新興的植物蛋白重組技術，得到的產品質地與肉類相似，不需復水即可直接食用，營養成分和生理活性成分損失少，但得到的產品風味較差，豆腥味嚴重，需對擠壓物料進行調味，以改善產品的感官可接受度[15,18]。Palkert等[19]直接將揮發性風味化合物添加到脫脂大豆粉中，混合后靜置反應45 min，然后進行低水分擠壓（物料含水量30%），結果發現揮發性風味物質平均回收率不到10%，風味損失嚴重。Milani等[20]在擠壓大豆分離蛋白物料中加入風味增強劑（肌苷酸二鈉和味精），發現得到低水分擠壓樣品，其揮發性風味物質的保留率不僅受風味增強劑影響，也與擠壓溫度及物料水分含量有關，其最高風味保留率為27%左右。Yuliani等[21-22]分別利用酪蛋白酸鈉和β-環糊精微膠囊技術包埋風味物質檸檬烯，以玉米淀粉為擠壓原料進行低水分擠壓，結果發現檸檬烯保留率受擠壓條件的影響較大，平均保留率分別為65%和92.2%。上述研究表明擠壓產品的揮發性風味物質保留率隨擠壓物料、擠壓參數、揮發性風味物質處理方式的不同有較大差異。

目前對低水分擠壓產品風味物質保留率的研究較多，對高濕擠壓產品揮發性風味物質保留率的研究尚鮮見報道。本實驗利用高濕擠壓技術制備植物蛋白仿肉制品，以大豆分離蛋白為主要擠壓物料，天然呈味粉末油脂為香氣調味料，確定擠壓參數對揮發性風味物質保留率的影響，為持香型仿肉制品的生產加工提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白（蛋白質量分數98%） 山東禹王生態食業有限公司；谷朊粉（蛋白質量分數85.92%）鄭州天龍生物科技有限公司；天然呈味粉末（成分：香辛料風味提取物、β-環狀糊精，油脂質量分數11%）廣州市晨益貿易有限公司；實驗所需基礎試劑（均為分析純） 北京化學試劑公司。

1.2 儀器與設備

拌粉機 濟南德倫機械設備有限公司；FT-36型雙螺桿擠壓機 濟南真諾機械有限公司；DZ型真空包裝機 萬昌隆包裝機電有限公司；7890A-5975C氣相色譜-質譜聯用儀 美國安捷倫公司；203182Hamilton-CTC頂空進樣針（5 mL） 深圳市諾亞迪化學科技有限公司；TA.XT Plus型物性測試儀 英國Stable Micro System公司；AL204型分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 持香型仿肉制品的制備

拌料→參數調節→喂料→高濕擠壓→真空密封→冷藏

準確稱取1 kg大豆分離蛋白和一定量的谷朊粉于拌粉機中，添加1%（占大豆分離蛋白和谷朊粉總質量的百分比）天然呈味粉末，在拌粉機中混合20 min，混合的同時于注水口添加一定量的去離子水；擠壓機喂料速率為30 g/min；擠壓筒各加熱區段溫度：1區（喂料區）20 ℃，2～4區（2～4區為固定加熱區，其溫度隨5區擠壓溫度的變化有輕微浮動，浮動溫度范圍5 ℃左右）分別為60、80、100 ℃，5區稱為擠壓溫度區，6區和7區為冷卻段（冷卻段溫度受擠壓溫度的影響，其監控溫度為50～70 ℃）；調節螺桿轉速和擠壓溫度，將拌好的物料加入喂料桶，進行擠壓，擠出樣品立即密封并于4 ℃冰箱儲存備用[23]。

1.3.2 頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用分析

參照葉韜等[24]的研究方法，萃取頭于氣相色譜進樣口活化1 h（270 ℃），稱取2.0 g切割為2 mm左右的樣品于螺口瓶中，加入1 μL 2,4,6-三甲基吡啶作為定量內標物，密封，插入手動固相微萃取進樣器，推出纖維頭，調整萃取頭位置于樣品上方且不接觸樣品，萃取40 min（60 ℃恒溫水浴），推入纖維頭，拔出固相微萃取管放入氣相色譜進樣口，推出纖維頭，解析3 min。色譜條件：色譜柱DB-5MS（30 m×0.25 mm，0.25 μm），柱流量1 mL/min，進口溫度250 ℃，調節起始溫度40 ℃停留2 min，升至120 ℃（升溫速率6 ℃/min，停留5 min），升至200 ℃（升溫速率8 ℃/min，停留2 min），升至250 ℃（升溫速率10 ℃/min，停留8 min）。質譜條件：接口溫度250℃，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，電子電離源，電子能量70 eV，質量掃描范圍45～450 amu/s。以匹配度大于800的化合物進行質譜定性，以各揮發性物質的峰面積與內標物峰面積的比值進行定量，擠壓樣品中各揮發性物質保留率計算見下式：

1.3.3 高濕擠壓工藝的單因素試驗

以谷朊粉質量分數20%、水分質量分數60%、擠壓溫度150 ℃、螺桿轉速300 r/min為固定擠壓工藝，分別選取谷朊粉質量分數（以原料大豆分離蛋白質量計）0%、10%、20%、30%、40%，擠壓溫度120、130、140、150、160 ℃，螺桿轉速200、250、300、350、400 r/min進行單因素試驗。通過揮發性風味物質保留率分析確定高濕擠壓工藝單因素最優條件。

1.3.4 高濕擠壓工藝的響應面優化試驗

在單因素試驗結果基礎上，進一步利用Design-Expert軟件對試驗進行響應面優化設計，選取谷朊粉質量分數、擠壓溫度、螺桿轉速3 個因素為自變量，以總揮發性風味物質保留率為響應值，設置3因素3水平試驗，因素與水平如表1所示。

表1 單因素試驗因素與水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for one-factor-at-a-time design

1.4 數據處理

每組都進行3 次平行，并將實驗數據進行誤差分析。采用統計學軟件SPSS 18對數據進行方差分析、相關性和差異顯著性分析；采用Origin 8.5軟件進行作圖；數據及方差分析利用Design-Expert軟件進行。

2 結果與分析

2.1 高濕擠壓工藝的單因素試驗結果

2.1.1 谷朊粉質量分數對仿肉制品各揮發性風味物質保留率的影響

表2 谷朊粉質量分數對仿肉制品揮發性風味物質保留率的影響Table 2 Effect of wheat gluten content on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues%

由表2可知，仿肉制品中各揮發性風味物質的保留率隨原料谷朊粉含量的變化有部分差異。仿肉制品中烯類、酚類、醇類、烷類及酯類總保留率隨谷朊粉質量分數的增加均有先增大后減小的變化趨勢，且谷朊粉質量分數為20%時，總揮發性風味物質保留率最高。原因可能是一定程度上增加谷朊粉含量，可改善原料在機筒中的黏度，增強蛋白對揮發性風味物質的吸附，導致保留率增大；而繼續增加谷朊粉，原料在擠出瞬間，仿肉制品有輕度膨化現象，擠出物硬度降低，膨化引起擠出物表面破裂，部分揮發性物質隨破裂表面揮發除去，導致保留率減小[12]。其中3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯和桉樹醇的保留率均為0%，石竹烯保留率隨谷朊粉質量分數的增加先增大后減小（P＜0.05），當谷朊粉質量分數為0%、10%、40%時，保留率為0%，原因可能是原料中這3 種揮發性風味物質含量較少，且在擠壓過程中損失較大，導致剩余含量較少難以檢測到。而隨谷朊粉的增多，草蒿腦保留率變化不規律、茴香腦有先減小后增大的變化趨勢、醛類有減小趨勢，該保留率變化可能與風味物質的物理化學特性及擠壓過程中蛋白結構變化（如蛋白疏水基團暴露、表面疏水性變化等）有關[19,25]，導致擠壓過程中蛋白對揮發性風味物質的吸附能力及結合能力不同，繼而出現不同的風味物質保留率變化。綜上所述，選擇20%原料谷朊粉質量分數為最優值。

2.1.2 原料水分質量分數對仿肉制品各揮發性風味物質保留率的影響

表3 原料水分含量對仿肉制品揮發性風味物質保留率的影響Table 3 Effect of raw material moisture content on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues%

由表3可知，仿肉制品中各揮發性風味物質保留率及烯類、酚類、醛類、醇類、酯類及烷烴類總保留率隨原料水分質量分數的增加均有減小趨勢，且原料水分質量分數由60%增加到80%時，總揮發性風味物質保留率顯著減小（P＜0.05），原因可能是部分揮發性風味物質在仿肉制品擠出時隨水分的蒸發而揮發出去，且隨著原料水分質量分數的增加，仿肉制品中水分蒸發量增多，繼而帶出更多的揮發性風味物質，導致其保留率降低。而部分揮發性風味物質（β-月桂烯、麥芽酚、對異丙基苯甲醛及1-甲基-4-異丙基-環己烷等）保留率隨原料水分質量分數的增加有先增大后減小的趨勢，原因可能是增加原料水分含量，導致原料體系黏度增大，增加蛋白對部分揮發性風味物質的吸附作用，在仿肉制品擠出時，受水分蒸發影響較小，保留率較大[26-27]。由于水分含量較低影響仿肉制品的咀嚼性，故選擇60%水分質量分數為最優值[14]，且不對該指標進行優化。

2.1.3 擠壓溫度對仿肉制品各揮發性風味物質保留率的影響

表4 擠壓溫度對仿肉制品揮發性風味物質保留率的影響Table 4 Effect of extrusion temperature on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues%

由表4可知，仿肉制品中各揮發性風味物質保留率及烯類、酚類、醇類、酯類及烷烴類的揮發性風味物質總保留率隨擠壓溫度的升高均有先增大后減小的變化趨勢，且在150 ℃擠壓溫度時最大。而醛類物質保留率隨擠壓溫度的升高逐漸增大，不同揮發性風味物質的保留率有較大差異，最高達到94.60%（3-蒈烯），最低為0%（3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯、石竹烯、桉樹醇），而與其他類型相比，醇類及醛類的保留率相對較小。上述保留率變化的原因可能與風味物質的物理化學特性及擠壓過程中蛋白結構變化有關，一定程度上升高擠壓溫度，仿肉制品結構更加緊密，蛋白對醛類等部分揮發性風味物質的吸附力較強，在仿肉制品擠出時，受水分蒸發影響較小，導致保留率較大[28-29]，而隨著擠壓溫度繼續升高，破壞β-環狀糊精膠囊，更多的風味物質流出，且溫度升高，增加仿肉制品中的水分蒸發量，繼而帶出更多的揮發性風味物質，導致總保留率降低[22]。故選擇150 ℃的擠壓溫度為最優值。

2.1.4 螺桿轉速對仿肉制品各揮發性風味物質保留率的影響

表5 螺桿轉速對仿肉制品揮發性風味物質保留率的影響Table 5 Effect of screw speed on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues%

由表5可知，仿肉制品中各揮發性風味物質保留率及烯類、酚類、醛類、醇類、酯類及烷烴類的揮發性風味物質總保留率隨螺桿轉速的增加均有先增多后減少的變化趨勢，且在300 r/min時最大。上述保留率變化的原因可能與擠壓過程中蛋白結構變化有關，一定程度上增加螺桿轉速，導致擠壓過程中蛋白對部分揮發性風味物質的吸附能力增強，在仿肉制品擠出時，受水分蒸發影響較小，導致保留率較大[29-30]；而隨著螺桿轉速的繼續增加，物料在機筒的滯留時間縮短，縮短與蛋白的吸附時間，且較高的轉速也可能破壞β-環狀糊精膠囊，導致更多的風味物質流出，在物料擠出時，隨擠出物中部分水分的蒸發而損失，導致其保留率較低[22]。故選擇300 r/min螺桿轉速為最優值。

2.2 高濕擠壓工藝制備持香型仿肉制品的響應面優化試驗結果

本試驗利用統計軟件Design-Expert進行響應面法過程優化，以谷朊粉質量分數、擠壓溫度、螺桿轉速為自變量，以總揮發性風味物質保留率為響應值，根據中心組合設計原理，具體試驗方案與結果如表6所示。

表6 響應面試驗設計及結果Table 6 Experimental design and results for response surface analysis

仿肉制品中總揮發性風味物質保留率通過Design-Expert軟件對數據進行分析，得到二次回歸模型方程：R＝43.87＋0.38A＋0.46B－2.35C＋2.07AB－1.91AC＋2.33BC－8.98A2－12.57B2－9.45C2。

該二次回歸模型的回歸與方差分析結果如表7所示。

表7 回歸與方差分析結果Table 7 Analysis of variance of regression model

圖1 兩因素交互作用對仿肉制品總揮發性風味物質保留率影響的響應面圖Fig. 1 Response surface plots showing the interactive effect of various variables on the retention rate of volatile fl avor compounds in meat analogues

由表6、7可知，擬合方程線性關系顯著，模型回歸項為顯著（P＜0.000 1），失擬項為不顯著（P＞0.05），模型擬合度R2為98.93%，R2Adj為97.56%，表明該模型可有效模擬試驗數據，故可利用該模型對響應值最優值進行理論推測。通過F檢驗可比較得知各因素貢獻率依次為：C＞B＞A，即螺桿轉速＞擠壓溫度＞谷朊粉質量分數。各因素交互作用響應面見圖1，基于響應面尋優分析確定的最優工藝參數為谷朊粉質量分數20.32%、擠壓溫度149.72 ℃、螺桿轉速293.43 r/min，響應值總揮發性風味物質保留率有最優值，為44.04%。為適應生產將制備條件優化為原料谷朊粉質量分數20%、擠壓溫度150 ℃、螺桿轉速300 r/min，此條件下仿肉制品總揮發性風味物質保留率為44.07%，說明試驗值與回歸方程預測值吻合良好。

3 結 論

本實驗對高濕擠壓技術制備持香型仿肉制品工藝進行研究，實驗結果表明谷朊粉質量分數、水分質量分數、擠壓溫度及螺桿轉速對仿肉制品的各揮發性風味物質保留率均有影響，總揮發性風味物質保留率隨谷朊粉質量分數的增加、擠壓溫度的升高及螺桿轉速的加快均有先增多后減少的變化趨勢，但隨原料水分質量分數的增加而減小。由響應面分析結果可知，持香型仿肉制品的最優工藝參數為谷朊粉質量分數20%、擠壓溫度150 ℃、螺桿轉速300 r/min，響應值總揮發性風味物質保留率有最優值，為44.07%。根據上述結論可知持香型仿肉生產過程中的風味損失較嚴重，風味保留率不到一半，故可在優化的擠壓工藝基礎上，進一步研究風味增強劑對仿肉擠壓過程中風味損失的影響。