擠壓加工對植物組織蛋白功能性影響的研究進展

付曉航，李赫*，曹金諾，張天語，劉新旗

（1.北京工商大學食品與健康學院，國家大豆加工產業技術創新中心，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）

擠壓技術是指物料經過粉碎、調濕、混合等預處理后，經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的產品[1]。擠壓技術具有操作簡便、生產效率高、應用范圍廣、耗能低、無污染、營養損失少、物料浪費少等優點，在輸送、捏合、剪切、均質、熟化、殺菌、成型等操作完成的同時，得到清潔衛生、多種多樣、利于人體消化吸收的產品[2-3]，具有良好的研究及利用價值。

近年來對蛋白質營養需求的增加使食品中植物蛋白的消費持續提高，豆類和油料種子的蛋白質在功能性食品生產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，維持蛋白質三級和四級結構的作用力受到破壞，表面電荷趨向均勻化，分子間氫鍵、二硫鍵、離子鍵等部分斷裂，形成可塑化的熔融體，再經過分子鏈團聚、聚集、交聯過程形成纖維結構，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構的產品。擠壓蛋白組織化程度與蛋白質的種類、含量以及擠壓溫度顯著相關。蛋白質的種類和含量影響組織化過程中熱凝膠纖維化結構的作用；擠壓溫度越高，蛋白質變性程度越大，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，通過擠壓技術將植物蛋白加工形成具有類似肉類的纖維結構。擠壓植物組織蛋白具有良好的動物蛋白纖維狀結構和咀嚼感、低過敏源、低抗營養因子、高消化利用率、降低不良氣味、代肉性價比高等優點[8-9]。

擠壓過程對擠出物的生物活性、理化性質和營養價值等會產生一定影響。蛋白質在擠壓過程中發生的結構變化，有利于活性肽的釋放[10-11]。組織化蛋白體內酶解產物與活性肽在機體內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]。蛋白的還原性較強會影響腸道消化吸收及引發過敏等反應，通過擠壓加工，降低蛋白還原性可以提高免疫功能[15]。功能性的增強使植物組織蛋白產品在食品、醫藥保健等領域具有廣闊的開發應用前景。本文重點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

蛋白質的消化率是評價蛋白質營養水平的重要因素，它反映出蛋白質在人體內吸收利用程度[16]。擠壓過程使蛋白質發生結構改變，降低豆類中抗營養因子的含量，加快蛋白質的水解速度，提高蛋白質的消化吸收率。EL-HADY等[17]研究發現擠壓加工會使豆類擠出物的體外蛋白質消化率提高，顯著降低植酸、單寧、α-淀粉酶和胰蛋白酶抑制劑等抗營養因子的含量。在螺桿轉速250 r/min，擠壓溫度140℃，水分含量18%時，經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%。左進華[18]研究結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特性。在螺桿轉速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到了95.83%。

食物轉化指數是實驗期內動物食物攝入量與體重增加的比值，蛋白質的功效比值是指實驗期內動物平均每攝入1 g蛋白質所增加的體重，可以用來反映蛋白質的營養價值。ALONSO等[19]通過對比喂養15d擠壓豌豆與生豌豆飼料的大鼠，發現喂養擠壓豌豆飼料的大鼠體重的增加遠遠大于喂養生豌豆的大鼠。擠壓處理后蛋白酶抑制劑和凝集素等抗營養因子水平的降低，改善了蛋白質的消化吸收率，使食物轉化指數和蛋白質的功效比值增加。大豆蛋白中的許多抗營養因子 （如β-伴大豆球蛋白）會影響腸道的消化吸收功能。YIN等[15]發現通過控制擠壓的溫度、螺桿轉速、進料速度，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果表明，擠壓改變了β-伴大豆球蛋白的二級結構，降低了致敏性結構的含量，使其鈍化失活，抗營養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現，擠壓后蕓豆的凝集素、單寧、肌醇六磷酸抗營養因子的含量顯著降低，減少對大鼠腸道生理反應及生長速度的負面影響，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物，其較大豆蛋白有更好的吸收轉化速率[21]。經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[23]。經過擠壓處理的蛋白更有利于提高其酶解率和肽的得率[22]，且低分子質量的肽段比高分子質量的肽段表征出更強的抗氧化活性[24]。齊寶坤等[25]通過豆粕蛋白擠壓技術提高多肽得率至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量呈負相關，低分子質量肽具有更好的抗氧化活性。蛋白擠壓工藝參數會影響酶解率，并進一步增強酶解產物的抗氧化性。自由基產生和消除的平衡受到破壞時會對人體造成危害，防止自由基對細胞和組織的損傷是預防各疾病的有效措施之一。VALDEZ等[26]通過優化蛋白擠壓工藝，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，其抗氧化系數（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型糖尿病（type2 diabetes mellitus，T2DM）的發病率持續上升。一些豆類及其擠壓食品可以作為糖尿病的主食。經擠壓后的豆類食品的蛋白消化產物對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[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物，可通過緊密結合血管緊張素 I轉化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）的活性位點，與血管緊張素I競爭占據，導致ACE不能將血管緊張素I轉化為血管緊張素Ⅱ，從而降低血壓[29-30]。VALDEZ等[26]研究發現通過優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，響應面分析表明只有擠出溫度會顯著影響ACE活性，當擠壓溫度為160℃時，ACE抑制率最高。在擠壓過程中，蛋白質變性延展出更多的酶解位點，促進了蛋白質水解，水解后產生了更多的低分子量肽，顯示了更強的抗高血壓效果。

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，自身發生的一種以防御為主的機體反應，但過度的炎癥會破壞機體在防御體系中的抗氧化能力，呈現出氧化應激狀態[31]。擠壓蛋白消化產物是通過誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，INOS）表達的下降，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]通過研究發現，擠壓莧菜蛋白的水解物使脂多糖誘導后的人體單核巨噬細胞（human monocytic-leukemia cells，THP-1）及小鼠RAW264.7巨噬細胞的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，增強抗炎活性。擠壓紅小豆食品對T2DM患者的炎癥反應有顯著的抑制作用。LIU等[34]將120例T2DM患者隨機分為對照飲食組（傳統糖尿病低血糖指數飲食）和干預組（擠壓紅小豆方便食品）。干預4周后干預組的血液樣本中白細胞介素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心臟、頸動脈到達大腦及下端各動脈的過程。MONTOYA等[35]在水分28%、擠壓溫度125℃、螺桿轉速130 r/min的條件下對莧菜蛋白擠壓處理，并對擠壓蛋白進行了體外胃蛋白酶和胰蛋白酶水解，與未經擠壓的水解物相比，擠壓后的莧菜蛋白水解物（extruded amaranth hydrolysate，EAH）抑制了人體THP-1的白細胞介素4（interleukin-4，IL-4）和IL-6的表達及TNF-α的產生，EAH可以使動脈粥樣硬化標志物凝集素樣氧化型低密度脂蛋白受體-1、細胞內黏附分子-1、基質金屬蛋白酶-9的表達分別降低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誘導的小鼠淋巴細胞增殖指數有顯著提高。大豆蛋白中抗原性強的抗原蛋白不僅會影響腸道消化和營養吸收，而且會引起過敏反應，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;隨著螺桿轉速的增加而降低；隨著進料速度的減小而降低。在擠出溫度130℃，螺桿轉速140 r/min，進料速度為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機體淋巴細胞增殖及巨噬細胞的吞噬功能，提高機體免疫力及抵御外界病原體感染的能力，降低機體發病率，抗腫瘤等功能[37]。

2 小結與展望

隨著肉類消費水平的提高，許多國家動物膳食蛋白供應已逐漸跟不上需求，因此找到一種新型的可代替肉類的可持續的蛋白供應方案十分重要。目前國外植物組織蛋白市場已初有規模，并逐漸擴大。自2019年，中國傳統素肉企業進入轉型期，合作創新人造肉產品，引起國內消費者關注，涌現出良好的發展態勢。已有多項研究表明，蛋白經擠壓后可表征出更強的功能活性,但仍存在以下幾點問題，一是關于植物蛋白的功能性在國內外的研究深度不夠，缺少系統的闡述與歸納；二是不同來源的蛋白質、不同的擠壓條件下蛋白質及其酶解產物的功能活性形成或增效的規律尚需要系統的分析；三是擠壓植物組織蛋白生產成本較高尚未達到大規模的工業化生產條件。針對這些問題，在未來的研究中：1）應深入探討擠壓后產品的纖維結構機理，對原料的選擇及對工藝條件進行優化，擴展產品多樣性，達到最佳擠壓蛋白營養特性及多種潛在功能活性的開發；2）需要整合國內外科研力量，從植物組織化蛋白的開發、擠壓技術、營養特性到功能活性的研究等多方面進行綜合考量和總結歸納，以更全面地探究擠壓加工技術的應用；3）擴展植物蛋白來源，優化蛋白品質及生產設備，降低生產成本，推進植物肉產品商業化。通過對植物組織蛋白的功能活性研究和產品優化，可以提高消費者對植物組織蛋白產品的接受度與喜愛度，節約動物蛋白資源、保護環境、促進人體健康，使其具有可替代動物肉的良好發展前景，成為必不可少的家庭食品。