螺桿轉速對素肉餅質構特性和結構特性的影響

肖志剛， 霍金杰， 江睿生， 李 航， 蘇 爽，高育哲

(沈陽師范大學糧食學院，沈陽 110034)

隨著人口的增長和可支配收入的提高，導致了全球肉類消費的增加[1]。然而與高水平肉類消費相關的健康、社會和環境問題引發了減少肉類攝入量的呼吁[2,3]，因而以植物蛋白為主的肉類類似物受到越來越多的關注[4]。肉類類似物指具有豐富纖維結構不含動物源性蛋白質但是融入肉類特征的食品[5]。最常用生產肉類類似物方法是雙螺桿擠壓法，對由植物蛋白為主的原料進行高溫剪切連續加熱，打破分子結構重新聚集，再經過冷卻端模頭冷凝成型。肉類類似物緩解了生態、倫理、社會福利等方面的問題，因而越來越多的人更傾向于減少肉類衍生物的攝入[6]。

目前制備肉類類似物常用的原料有大豆分離蛋白、豌豆蛋白、花生蛋白、小麥面筋蛋白，這些蛋白因為良好的功能性質廣泛地用于工業生產中。大豆分離蛋白是最為常用的原料[7]，其在水合和溶解度、界面性質、風味結合、黏度、凝膠化、結構和肉類類似物形成等方面具有重要的結構-功能關系[8，9]，食用大豆分離蛋白改善脂質代謝和心血管健康等方面問題[10]。考慮到營養和功能的全面性，在選用大豆分離蛋白作原料的同時加入其他類蛋白質[11]。小麥面筋蛋白含有能促進組織化蛋白纖維取向的兩類蛋白，即谷蛋白和麥醇溶蛋白，因而常用做組織化大豆分離蛋白的添加成分[12-14]。

Pietsch等[15]研究了工藝參數對產生的小麥面筋聚合的影響，擠壓機螺桿段蛋白分子結構的變化對后續所有機制起著決定性作用，而不同螺桿轉速對素肉餅的質構特性和結構特性的影響鮮有人報道。螺桿轉速對蛋白質分子產生強烈的剪切、拉伸和擠壓作用，使蛋白質顆粒破裂，分子質量降低[16]。經過機筒內反應，通過冷卻模具，蛋白質分子和小的聚集物排列并凝固成一個具有層狀和纖維狀的紋理三維的交聯網絡[17]。本研究通過調節不同的螺桿轉速，改善素肉餅的質構特性，并探究不同的螺桿轉速對素肉餅的質構特性及結構特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(蛋白質質量分數92.80%)、小麥面筋蛋白(蛋白質質量分數70.88%)、ANS、PBS。

1.2 儀器與設備

DS 56-Ⅲ型雙螺桿擠壓膨化機，CR-400色彩色差計，CT3質構儀，Q200差示掃描量熱儀，Nicolet is10傅里葉紅外光譜儀，S4800 掃描電子顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 素肉餅的制備

按3∶7的質量百分比配置谷朊粉和大豆分離蛋白，調節螺桿轉速分別為200、240、280、320、360r/min，進料區喂料速度設定6 kg/h，溫度20 ℃，加熱區段溫度分別設定為60、80、120、140、150、150 ℃；冷卻端模頭設定45 ℃，注水口設定喂水速度13 kg/h；擠壓蒸煮制備的植物蛋白肉基料先標記放入冰箱冷凍。以1 kg的水為基準，加入7 g肉蔻，9 g大料，1.5 g香葉，11 g桂皮，6 g食用鹽，3 g雞精，2 g五香粉，8 g糖，16 g醬油，5 g牛肉香膏，煮沸，加入直徑5 cm的圓形基料，鹵煮15 min，浸泡2 h。

1.3.2 質構特性的測定

樣品切成長20 mm，寬20 mm，高5 mm的長方體小塊，設置質構儀操作參數：TPA 模式，探頭選用 TA-5，測試前速度 1.0 mm/s，測試速度 1.0 mm/s，測試后速度 1.0 mm/s，下壓程度 10%。記錄素肉餅的硬度、內聚性、彈性指數、膠著性、咀嚼性的數值。

1.3.3 感官評價

感官評價小組在進行評價以前經過嚴格的培訓。素肉餅冷卻到室溫，標上1個3位數的隨機碼，大家將隨機碼寫在打分量表上，然后用9分快樂量表(1～9分從非常不喜歡到非常喜歡)對顏色、口感、質地和整體可接受性方面進行評價，間隔休息期間提供無鹽咸餅干和雙蒸餾去離子水清潔口腔，為了公平公正均保持沉默[18]。

1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察

用鋒利刀片切取1 mm厚片狀素肉餅樣品，經冷凍干燥，放在樣品臺上，樣品噴金粉30 s，通過S-4800 型掃描電鏡觀察并照相(2 kV)。

1.3.5 二級結構的測定

取經冷凍干燥處理的素肉餅，研磨粉碎過100目篩，少量樣品放入傅里葉變換紅外光譜儀中掃描。掃描條件：光譜掃描范圍400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，信號掃描累加64 次。利用分峰軟件PeakFit 4.12進行圖譜處理。

1.3.6 熱特性的測定

取經冷凍干燥處理的素肉餅，研磨粉碎過100目篩，稱取5 mg的樣品于鋁盒中，密封壓蓋后用差式掃描量熱儀掃描。以空鋁盒為對照，設置氮氣流速40 mL/min，掃描溫度30～200 ℃，以10 ℃/min的速率進行升溫。利用Universal配套軟件(V3.83)分析處理數據。

1.3.7 表面疏水性的測定

采用ANS探針法測定素肉餅的表面疏水性，參考Kato[19]的方法加以改進，1.6 g的素肉餅粉末加入15 mL磷酸鹽緩沖溶液(0.01 mol/L，pH 7.2)，10 000r/min均質1 min，室溫25 ℃磁力攪拌2 h，10 000 r/min高速離心20 min，取上清液依次配置5個不同濃度梯度的蛋白質溶液，分別加入40 μL ANS溶液，避光靜置15 min，激發波長390 nm，發射波長470 nm，掃描夾縫10 nm，掃描速率10 nm/s，記錄470 nm處素肉餅粉末溶液的光度值，通過Excel軟件進行線性回歸分析，計算表面疏水性。

2 結果與分析

2.1 不同螺桿轉速制備的素肉餅質構特性分析

螺桿轉速對素肉餅質構特性的影響結果如表1，可以看出，隨著螺桿轉速的增加，硬度呈現出先增加后降低的趨勢，在螺桿為280 r/min的時候，硬度達到了1 413.33 g，在此條件下制作的素肉餅纖維結構明顯，這可能是因為螺桿轉速280 r/min的條件下，擠壓輸入的能量，使得物料混合蒸煮達到最理想的狀態；而逐漸增加的螺桿轉速可能破壞了蛋白分子間的結構，分子基團打開發生熔融現象，使分子聚集呈現出松散狀態，因而素肉餅的硬度越來越小。與此同時，膠著性和咀嚼性也表現出同樣的變化趨勢。彈性指數和內聚性隨著螺桿轉速的逐漸增加，發生了不為明顯的變化。

表1 不同螺桿轉速素肉餅的質構特性

2.2 不同螺桿轉速制備的素肉餅感官評價

圖1是素肉餅的感官評價圖，可以看出，口感和外觀的得分值相對較低，感官評價人員認為素肉餅與肉的咀嚼性存在一定的差異性，這可能是因為素肉餅中缺乏動物脂肪，難以比擬肉的口感，也缺乏肉的質感；外觀的評分普遍也不高，可能是因為素肉餅的表觀沒有肉類所固有的自然芳香的感覺，素肉餅偏深褐色，當螺桿轉速為200 r/min時，外觀略微粗糙，螺桿轉速低，纖維狀結構也不明顯，可能是擠壓機筒的能量攝入不夠，無法達到高壓狀態以形成致密的纖維絲結構；當螺桿轉速為280 r/min時，感官評分人員認為素肉餅嚼勁好，咸度適中；與螺桿轉速較低制備的素肉餅對比，纖維結構明顯；當螺桿轉速過高時，纖維絲致密，調味料不易滲入，纖維結構致密，含有略微的豆腥味，可以考慮在擠壓加工基料的過程中，加入氯化鈉、碳酸氫鈉等調節味道的物質，劉艷香等[22]已經做了類似的實驗，并且表明氯化鈉、碳酸氫鈉的添加有助于改善素肉的品質特性等。

圖1 不同螺桿轉速下素肉餅的感官評分

2.3 不同螺桿轉速制備的素肉餅微觀形貌圖

圖2是不同螺桿轉速素肉餅的橫截面微觀形貌圖，當螺桿轉速為200 r/min的時候，素肉餅的橫截面較為平整，結構緊湊，無凸起結構；當螺桿轉速達到280 r/min的時候，素肉餅的表面呈不規則形態，出現層狀結構；小麥面筋蛋白在機筒內發生熔融，經過模頭冷卻形成更為凝聚的纖維結構，表現出更類似肉的纖維結構；隨著螺桿轉速的增加，機筒里的能量越來越高，快速的螺桿轉動對蛋白分子的破壞能力更強，因而當螺桿轉速達到360r/min的時候，橫截面出現斷裂溝壑現象，高強度的螺桿轉速使得分子內部高速運轉，形成分子量較大的聚合物[23]。

圖2 不同螺桿轉速素肉餅橫截面的微觀形貌圖

表2 不同螺桿轉速素肉餅的二級結構

2.4 不同螺桿轉速制備的素肉餅二級結構分析

對不同螺桿轉速素肉餅紅外光譜進行去卷積、二階導數求導，結果見表2。可以看出，當螺桿轉速為240 r/min，α螺旋含量少，這表明在此條件下，素肉餅主要依賴于分子內的氫鍵相互作用，相對比螺桿轉速為200 r/min的時候，α螺旋發生解鏈，原子密堆積結構減少，β折疊部分發生了以氫鍵相連的平行排布，使得代表反向折疊片層的β1含量增加，無規則卷曲的含量增加了1.22%，分子向更為松散的結構轉變[24]；當螺桿轉速為280 r/min的時候，β1的含量降低了1.87%，α螺旋的含量增加了3.30%，當螺桿轉速達到了320 r/min的時候，β1的含量多，無規則卷曲的含量略微的下降，這可能是因為隨著螺桿轉速的增加，β1和無規則卷曲不穩定，因而會發生相互轉化。

2.5 不同螺桿轉速制備的素肉餅熱特性分析

螺桿轉速對素肉餅熱特性的影響結果如表3所示，可以看出，素肉餅的變性溫度在117.78～36.11 ℃之間，變性熱焓值在13.81～23.29 J/g之間。當螺桿轉速為200 r/min時，素肉餅的變性溫度在124.48 ℃，隨著螺桿轉速的增加，素肉餅的變性溫度先變大后減小，當螺桿轉速240 r/min的時候，素肉餅的變性溫度達到了最大為136.11 ℃，較螺桿轉速360r/min的時候提高了15.56%，這表明，在螺桿轉速為240 r/min的時候，素肉餅的熱穩定性最好；當螺桿轉速為240 r/min的時候，熱焓值ΔH也較大為20.11J/g，此條件下蛋白分子天然構象穩定，氫鍵數量多，焓值的作用力強[25,26]；而當螺桿轉速為280 r/min的時候，焓值表現出了最小的值，說明在這個條件下，部分氫鍵發生斷裂，表面疏水作用增強，素肉餅從有序構向無序結構發生轉變[27,28]，而當螺桿轉速增加到360 r/min的時候，熱焓值較280r/min的時候提高了68.64%，此時的變性溫度較280 r/min的時候降低了10.8 ℃，說明螺桿轉速較高的條件下，素肉餅的穩定性差，因而在117.78 ℃發生熱變性；而熱焓卻表現出了最大值為23.29 J/g，說明在螺桿轉速為360 r/min的時候，素肉餅的分子間氫鍵作用力較大，受熱過程中氫鍵斷裂產生的吸熱反應劇烈，可能是過高的螺桿轉速使得素肉餅的分子聚集程度大，因而分子具有較高的焓值。

表3 不同螺桿轉速素肉餅的熱特性參數

2.6 不同螺桿轉速制備的素肉餅表面疏水性分析

表面疏水性用于測定蛋白構象的變化，表征蛋白內部疏水基團的變化[29]，由圖3可以看出，隨著螺桿轉速的增加，表面疏水性先減小后變大，螺桿轉速為200 r/min的時候，疏水基團暴露，疏水相互作用減弱，表面疏水性表現出較大的數值；而隨著螺桿轉速的增加，在240～320 r/min的這個區間范圍內，素肉餅內部的疏水相互作用增加，表面疏水性較低，這個時候素肉餅主要靠疏水相互作用維持；而當螺桿轉速達到360 r/min的時候，表面疏水性最大，此時有利于蛋白質無定形或纖維狀聚集體的形成[30]，蛋白分子聚集程度較大，主要依賴氫鍵相互作用。

圖3 不同螺桿轉速下素肉餅的表面疏水性

3 結論

螺桿轉速對素肉餅的質構特性和結構特性有著很大的影響，隨著螺桿轉速逐漸增加，硬度和咀嚼性表現出先增大后降低的趨勢。經感官評定，螺桿轉速為280 r/min的條件制備的素肉餅整體可接受程性最大，硬度為1 413.33 g，咀嚼性為12.95 mJ；從結構特性來看，因氫鍵發生斷裂，表面疏水作用增強，素肉餅從有序結構向無序結構發生轉變，此條件下素肉餅的纖維結構最為明顯。