植物蛋白高濕擠壓組織化綜述

許淼杰， 張瑩瑩， 欒廣忠

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院；糧油功能化加工陜西省高校工程研究中心，楊凌 712100)

目前，全球糧食生產(chǎn)和消費(fèi)方式正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人口激增、土地、糧食和水資源的短缺導(dǎo)致糧食問題不斷加劇。聯(lián)合國世界糧食計(jì)劃署(WFP)指出，“2020年全球至少將有約2%的人口陷入危機(jī)級(jí)別或重度糧食不安全狀況。在新冠疫情的陰霾下，全球糧食體系暴露出更多缺陷，只有建立一個(gè)更加公平、更加可持續(xù)和更有韌性的糧食體系，才能在2030年前保障全球約85億人的健康糧食需求[1]”。根據(jù)世界糧農(nóng)組織(FAO)預(yù)測，2030年肉類需求量將提升約七成；2050年，全球人口將突破90億，屆時(shí)要求糧食產(chǎn)量至少提升七成，尤其是蛋白制品[2]。

目前，以經(jīng)濟(jì)、健康且環(huán)境友好型的方式滿足人們對蛋白質(zhì)的需求是全球糧食安全面臨的最大挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)不僅嚴(yán)重依賴環(huán)境，且產(chǎn)生的大量溫室氣體進(jìn)一步危害生態(tài)環(huán)境，并非可持續(xù)的蛋白質(zhì)來源。此外，人們對動(dòng)物福利保護(hù)和自然資源稀缺的意識(shí)日益增強(qiáng)，加之人們對植物蛋白健康功能的認(rèn)識(shí)逐漸加深，素食已成為一種生活理念和發(fā)展趨勢[3]。

因此，為適應(yīng)市場需求，以植物蛋白為基礎(chǔ)的肉類替代產(chǎn)品應(yīng)用而生，其中，組織化植物蛋白(TVP)因其優(yōu)于傳統(tǒng)動(dòng)物蛋白的營養(yǎng)優(yōu)勢而備受關(guān)注。

1 組織化植物蛋白技術(shù)

組織化植物蛋白即“植物肉”，是人造肉的一種。蛋白質(zhì)的組織化是指通過擠壓等技術(shù)手段使蛋白質(zhì)發(fā)生變性使其獲得質(zhì)構(gòu)特性的過程[4]。目前大豆分離蛋白、大豆?jié)饪s蛋白、脫脂豆粉以及谷朊粉等是較為常用的組織化植物蛋白原料[5]。組織化植物蛋白加工形成的人造肉類產(chǎn)品，具有與動(dòng)物肉類相似的肌肉纖維結(jié)構(gòu)、高吸水能力和高持水能力。其口感、外觀及風(fēng)味類似肉類，但擁有低脂肪、低熱量和零固醇等特點(diǎn)，是改善飲食結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀平價(jià)食物資源[6-9]。

隨著人們對組織化植物蛋白的需求持續(xù)增加，加工生產(chǎn)組織化植物蛋白的技術(shù)手段也在不斷升級(jí)和改進(jìn)。目前主要的加工方法有熱凝固、擠壓和纖維紡絲等[10]，其中擠壓技術(shù)用于生產(chǎn)組織化植物蛋白已有50多年的歷史，近些年高濕擠壓技術(shù)(HME)因其能生產(chǎn)出高質(zhì)量的組織化植物蛋白成為了人們關(guān)注及研究的焦點(diǎn)。

2 食品高濕擠壓技術(shù)

2.1 食品擠壓技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

食品擠壓技術(shù)大致可分為幾個(gè)發(fā)展階段：在1940年以前，人們主要通過單螺桿擠出機(jī)制造擠壓產(chǎn)品，例如生產(chǎn)灌腸和意大利面(pasta)。第二階段即擠壓膨化階段，在1940-1980年，單螺桿的高溫短時(shí)(HTST)擠壓技術(shù)成為熱門的食品加工技術(shù)，生產(chǎn)出了方便食品、零食和營養(yǎng)食品。20世紀(jì)80年代，在日本和法國研究人員合作研發(fā)下，開發(fā)了具有特殊冷卻模頭的雙螺桿擠壓機(jī)，并以大豆分離蛋白為原料，在物料含水量高于45%的條件下進(jìn)行了擠壓組織化試驗(yàn)，這是擠壓技術(shù)新階段的開始。由于雙螺桿擠壓機(jī)可以處理單螺桿擠壓機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的高水分物料的擠壓操作，至此雙螺桿擠出機(jī)開始逐步取代單螺桿擠出機(jī)。20世紀(jì)90年代，新的擠出技術(shù)，例如超臨界流體擠出(SCFX)，開始應(yīng)用于生產(chǎn)植物蛋白肉類類似物或淀粉基材料。擠壓和3D打印的結(jié)合也大大提高了擠壓技術(shù)的自動(dòng)化程度，目前制藥領(lǐng)域已有應(yīng)用[11]。此外，利用擠壓技術(shù)開發(fā)天然可降解包裝材料也成為研究熱點(diǎn)[12]。在組織化植物蛋白的生產(chǎn)加工中，高濕擠壓是現(xiàn)階段最佳工藝技術(shù)。

2.2 高濕擠壓技術(shù)優(yōu)勢

高濕擠壓技術(shù)最大特點(diǎn)是物料水分含量較高，雖然國際上對“高濕”尚無明確標(biāo)準(zhǔn)，但一般認(rèn)為物料濕度大于40%。高濕擠壓與低濕擠壓主要技術(shù)特征的對比見表1。

表1 高濕擠壓與低濕擠壓技術(shù)特征比較

在高濕擠壓過程中，原料填入雙螺桿擠壓機(jī)與加入的水混合。混合物通過螺桿的熱機(jī)械運(yùn)動(dòng)被剪切、軟化，擠壓機(jī)尾部的冷卻模組，使蛋白質(zhì)重排、層化并趨于堅(jiān)固，形成纖維化組織，最終得到類似于肉制品的人造肉產(chǎn)品。由于高濕擠壓系統(tǒng)具有冷卻模具，可在相對較低的溫度下使蛋白形成纖維結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致產(chǎn)品營養(yǎng)成分損失少。其最大優(yōu)勢是加工生產(chǎn)的組織化蛋白產(chǎn)品例如蛋白面、素雞、素肉等具有豐富的纖維和致密的結(jié)構(gòu)、富有彈性和韌性，且含水量較高，不需二次復(fù)水就可直接食用，質(zhì)地均勻一致與肉的質(zhì)感相近。

圖1 高濕擠壓技術(shù)功能分區(qū)示意圖

2.3 高濕擠壓設(shè)備——雙螺桿擠壓機(jī)

在物料水分含量較高的條件下，單螺桿擠壓機(jī)不再適用。雙螺桿擠壓機(jī)具有更高效的加工能力，更低的能耗，淀粉糊化更完全，且可以在更寬泛的濕度條件下(5%～95%)完成擠壓[13]。相較于單螺桿，雙螺桿擠壓機(jī)與物料接觸更充分，輸送效率更高。且在高濕條件下，由于物料黏性小，摩擦低，雙螺桿擠壓機(jī)輸送能力更優(yōu)越。此外，雙螺桿擠壓機(jī)應(yīng)用場景更廣泛，不僅可以處理黏性、油滑物料，還可以處理不同顆粒范圍的物料，且具備自潔能力，清機(jī)更加便捷。

用于高濕擠壓的雙螺桿擠壓機(jī)一般可分為五個(gè)主要功能區(qū)：進(jìn)料區(qū)、混合區(qū)、熔融區(qū)、模口和較長的冷卻區(qū)，繪制示意圖見圖1。進(jìn)料區(qū)始終處于室溫，螺桿由輸送元件組成，作用是將物料輸送至下一個(gè)區(qū)域，此區(qū)域物料功能性質(zhì)基本沒有改變。在混合區(qū)，螺桿通常配有捏合元件，注入的液體與物料混合后，通過螺桿的攪拌形成均質(zhì)“面團(tuán)”，注入液體的溫度一般低于80 ℃[8]。在熔融區(qū)，螺桿上含有更多捏合元件，此區(qū)域是核心功能區(qū)，是產(chǎn)品獲得合適紋理必需的過程，溫度通常高于130 ℃。模頭部分是控制熔體流動(dòng)行為的關(guān)鍵，模口的形狀、大小都對產(chǎn)品最終形態(tài)產(chǎn)生影響。物料通過模具時(shí)，由于壓力的驟降，水分的蒸發(fā)以及模口的剪切應(yīng)力等的共同作用下，形成特定的形狀。模具可以提供垂直于擠出方向的剪切應(yīng)力，促進(jìn)大分子的分離，便于形成纖維結(jié)構(gòu)[14]。冷卻區(qū)是產(chǎn)品成型的關(guān)鍵區(qū)域，一般冷卻區(qū)域溫度略低于75 ℃，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的冷卻區(qū)可在物料擠出前增加其黏度，提供組織化所需的黏彈性。冷卻模具使接觸金屬表面的物料擠出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)部的流動(dòng)速度，導(dǎo)致熔體層流，產(chǎn)生了類似于肉類的分層特征。蛋白質(zhì)分子重排和交聯(lián)，形成類似動(dòng)物肉的纖維結(jié)構(gòu)[15]。

2.4 基于分子結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)組織化機(jī)理研究

食品擠壓技術(shù)是一門藝術(shù)，可以將擠壓機(jī)比作“盲盒”。原料組分的復(fù)雜性、發(fā)生物理化學(xué)變化的不確定性都導(dǎo)致擠壓過程的控制、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)大多仍基于經(jīng)驗(yàn)[16]。通常認(rèn)為擠壓使蛋白質(zhì)重新排列形成具有同方向均勻的纖維狀結(jié)構(gòu)，在高溫、剪切力等條件下使蛋白重新組合形成纖維蛋白體系。從分子角度，蛋白質(zhì)在高濕擠壓過程中，分子鏈展開、結(jié)合、聚集和交聯(lián)，也可能會(huì)出現(xiàn)降解或氧化[17]。圖2表示擠壓過程中蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化，參考Zhang等[8]并有改動(dòng)。

圖2 擠壓過程中蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化

2.4.1 物料在不同功能區(qū)內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)變化

在混合區(qū)，原料中蛋白質(zhì)分子鏈順著螺桿推進(jìn)方向展開，暴露出疏水性氨基酸。進(jìn)入熔融區(qū)后，物料受到剪切、高壓及高溫等的綜合作用形成連續(xù)的、塑化狀態(tài)的“熔融體”并不斷熔合，分離。此時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生變性，剪切力與高溫促進(jìn)了蛋白質(zhì)間的相互作用和蛋白質(zhì)與水的相互作用，同時(shí)一部分蛋白質(zhì)分子鏈由于強(qiáng)剪切力而降解[18]。除了蛋白變性，物料中的淀粉在此階段開始糊化，導(dǎo)致物料黏度上升，由于氫鍵的作用，新的分子聚合物結(jié)構(gòu)形成。當(dāng)溫度持續(xù)升高，剪切作用繼續(xù)增強(qiáng)，熔融體的黏度開始降低。當(dāng)熔融狀態(tài)的物料被傳送到冷卻模中，突然釋放的熱量和壓力使得蛋白質(zhì)分子發(fā)生重排和交聯(lián)，最終使物料形成類似肌肉質(zhì)地的各向異性纖維結(jié)構(gòu)[2]，充分的冷卻過程確保了熔體在冷卻區(qū)內(nèi)的層流[15]。

2.4.2 分子相互作用

在擠壓過程中，維持蛋白質(zhì)初始構(gòu)象的相互作用例如二硫鍵、靜電作用、疏水鍵及氫鍵等均發(fā)生了變化，但主要化學(xué)鍵如肽鍵沒有發(fā)生變化[19-21]。二硫鍵對組織化蛋白形成、產(chǎn)品性質(zhì)影響最大，疏水相互作用、靜電作用和氫鍵也對纖維形成有重要貢獻(xiàn)。然而對花生蛋白組織化的研究發(fā)現(xiàn)，促使形成組織化結(jié)構(gòu)的主要作用力為非共價(jià)鍵，二硫鍵次之[22]。其他大分子間的相互作用也對產(chǎn)品起到不同效果的影響，例如脂類在擠壓過程中形成過氧化物等分解產(chǎn)物，一方面與蛋白形成共價(jià)化合物聚集體，另一方面可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)分子間聚合及交聯(lián)。再如水分子在擠壓過程中，影響了球蛋白定向伸展，改變了二硫鍵與氫鍵、二硫鍵與疏水作用之間協(xié)同作用等，最終影響了蛋白質(zhì)分子的聚合程度[23]。總之，擠壓過程中化學(xué)變化復(fù)雜且各不相同，仍需更多研究闡明擠壓過程中分子構(gòu)象的變化。

3 加工原料

3.1 蛋白質(zhì)

在組織化植物蛋白生產(chǎn)過程中，蛋白的選擇至關(guān)重要[9]。不同類型的植物蛋白以及原料間的配比都直接影響到最終產(chǎn)品的性能。大豆蛋白、小麥蛋白、花生蛋白、豌豆蛋白以及玉米蛋白等都能應(yīng)用于高濕擠壓制造組織化蛋白中。整體而言，為了形成纖維結(jié)構(gòu)，通常需要蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%～70%之間。選擇原料的原則主要包括資源可獲得性、感官、營養(yǎng)及致敏性等因素。

最常見的植物蛋白原料是大豆蛋白，大量研究使用大豆蛋白作為擠壓原料，魏益民，張波等[5, 7]先后研究了高水分大豆蛋白組織化生產(chǎn)工藝和機(jī)理并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)?shù)鞍缀吭礁撸M織化纖維化程度越高，產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度、抗剪切力越強(qiáng)，但潤滑程度有所下降。提高大豆11S球蛋白的含量，在一定程度上可以提高擠壓纖維化產(chǎn)品的品質(zhì)。高氮溶解指數(shù)的原料蛋白，其產(chǎn)品纖維結(jié)構(gòu)更加明顯；此外大豆蛋白的粒度也對產(chǎn)品質(zhì)地有影響。

谷朊粉具有良好的黏彈性，在熱及壓力下表現(xiàn)出熱固性，且蛋白質(zhì)交聯(lián)能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在組織化植物蛋白中應(yīng)用廣泛。大豆分離蛋白、谷朊粉混合物在剪切變形和加熱條件下(95 ℃)即可生成纖維結(jié)構(gòu)[24]。研究表明熱處理對小麥面筋聚合有顯著影響，在溫度高于75℃下發(fā)生且隨著熱機(jī)械處理的增加而增加，壓力、單位機(jī)械能耗(SME)影響不顯著[25]。添加一定比例(20%～40%)的谷朊粉，產(chǎn)品在質(zhì)構(gòu)、持香、感官評價(jià)等方面都有提升[6, 9, 24]。

近年來，出于風(fēng)味、纖維結(jié)構(gòu)及致敏性等方面的考慮，更多種類的植物蛋白用于高濕擠壓加工組織化蛋白。高濕擠壓技術(shù)適用于羽扇豆這種高蛋白、高膳食纖維及低糖的豆類[26]。豌豆蛋白在擠壓作用下，蛋白質(zhì)分子間作用力發(fā)生改變，穩(wěn)定性、凝膠強(qiáng)度都有增強(qiáng)。且豌豆蛋白能吸收更多脂肪，可提高產(chǎn)品品質(zhì)[27]。豌豆蛋白與小麥面筋蛋白混合擠壓后產(chǎn)生明顯的纖維形態(tài)，且強(qiáng)度類似于煮熟的雞肉[28,29]。花生蛋白具有獨(dú)特風(fēng)味，其可溶性蛋白質(zhì)和氮溶解指數(shù)高，被認(rèn)為是新型的人造肉原料蛋白，也有更多研究關(guān)注[30-32]。玉米蛋白與淀粉可形成類似小麥面筋的結(jié)構(gòu)，也具有加工潛力。研究表明，擠壓工藝可使玉米醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變，物性得以改善，持水力、吸油性和黏度均有不同程度的增加[33]，即玉米醇溶蛋白制作肉類似產(chǎn)品亦有可能。

3.2 碳水化合物

碳水化合物在高濕擠壓過程中也發(fā)揮重大作用。小分子碳水化合物如葡萄糖可以與游離氨基酸參與美拉德反應(yīng)，影響產(chǎn)品的顏色和味道[34]。大分子碳水化合物例如淀粉和粗纖維對產(chǎn)品纖維結(jié)構(gòu)的形成起主要作用。淀粉在熱機(jī)械加工下，發(fā)生降解和糊化，此過程破壞了分子內(nèi)二硫鍵、增強(qiáng)疏水相互作用和增加表觀黏度從而穩(wěn)定了新構(gòu)象，促進(jìn)蛋白質(zhì)分子的聚集。但隨著淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大(0%～8%)，產(chǎn)品纖維度降低，硬度和咀嚼性都顯著降低[31]。楊勇等[9]以大豆分離蛋白、谷朊粉為原料，以產(chǎn)品的持水性和持油性最優(yōu)為目標(biāo)，確定了直鏈玉米淀粉的最優(yōu)添加量為3%。在擠壓過程中，適量添加碳水化合物和外源多糖可以改善蛋白質(zhì)的纖維結(jié)構(gòu)，以達(dá)到理想效果，但添加量不宜過多。

3.3 脂肪

脂肪的添加，可以降低摩擦，使物料更容易擠出，使產(chǎn)品表面更光滑且提升產(chǎn)品的風(fēng)味。有研究表明，脂質(zhì)在擠壓過程中通過與淀粉或蛋白質(zhì)形成復(fù)合物而起到增塑劑的作用，蛋白質(zhì)-脂質(zhì)相互作用使得纖維結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。Vaz等[35]認(rèn)為，脂肪添加量為2%～10%時(shí)最適宜。脂肪在形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程中，發(fā)揮的作用比溫度和濕度更大，產(chǎn)品隨著油脂含量的增加逐漸變軟，咀嚼度下降，但當(dāng)脂肪含量過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致物料發(fā)生滑動(dòng)，不利于充分剪切，甚至發(fā)生噴射現(xiàn)象。

4 加工條件及模型建立

在高濕擠壓過程中機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、包括模頭、螺桿配置等都是控制組織化蛋白質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)[36]。

4.1 溫度

研究認(rèn)為影響大豆組織蛋白組織化度的最主要因素是溫度。雙螺桿擠壓機(jī)擁有多個(gè)功能區(qū)，不同分區(qū)的溫度對產(chǎn)品品質(zhì)均有影響。例如模頭的溫度可以影響扭矩、壓力和比機(jī)械能等，從而改變產(chǎn)品質(zhì)地[2]，一般不低于100 ℃；再如冷卻區(qū)的溫度直接影響擠出物的流速分布，從而影響產(chǎn)品纖維結(jié)構(gòu)[37]，一般應(yīng)低于75 ℃。熔融區(qū)的溫度是改變蛋白質(zhì)構(gòu)象的關(guān)鍵因素，直接影響擠出產(chǎn)品最終質(zhì)量。

熔融區(qū)溫度對不同植物蛋白的影響也不同，就大豆分離蛋白而言，只有在熔融溫度高于130 ℃時(shí)才能形成纖維狀結(jié)構(gòu)[38]，當(dāng)溫度從130 ℃上升至160 ℃，組織化程度先增加后下降，這與形成的二硫鍵連接先增加后減少有關(guān)[39]。眾多研究表明，當(dāng)溫度為150 ℃時(shí)，擠出產(chǎn)品綜合品質(zhì)最優(yōu)[5-7, 9, 11, 19]。

對于花生蛋白，有研究指出當(dāng)溫度高于140 ℃時(shí)，能形成明顯的纖維結(jié)構(gòu)，150 ℃時(shí)，其組織化蛋白硬度和彈性增加；繼續(xù)升高溫度時(shí)，其硬度和彈性開始下降[30]。但羽扇豆蛋白在溫度130 ℃至180 ℃的區(qū)間內(nèi)，擠出物沒有顯著變化[27]。小麥面筋蛋白，在130 ℃以下不能完全變性形成纖維結(jié)構(gòu)[4]。當(dāng)不同植物蛋白混合時(shí)，例如豌豆、小麥蛋白的混合原料，在120 ℃擠壓時(shí)，產(chǎn)生明顯纖維形態(tài)，當(dāng)140 ℃時(shí)，有良好性質(zhì)[28]，其他眾多研究溫度設(shè)定在150 ℃左右時(shí)，產(chǎn)品擁有最佳性質(zhì)。整體而言，高濕擠壓物料水分較高，其溫度較低水分?jǐn)D壓低，熔融區(qū)溫度可參考控制在150 ℃左右。

4.2 水分含量

水分在擠壓過程中起多種作用，一方面可降低物料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，改善物料流動(dòng)性，便于后續(xù)加工；另一方面能減少摩擦，降低黏度，同時(shí)還可在高溫高壓下氣化，快速熟化食品。總之，水既是聚合物塑化劑又是潤滑劑、導(dǎo)熱劑[40]。水分在擠壓過程中與蛋白發(fā)生水合、變性、交聯(lián)、聚合，影響組織化蛋白的纖維結(jié)構(gòu)。水分也影響溫度、壓力等參數(shù)，影響物料流變學(xué)特性進(jìn)而影響產(chǎn)品性質(zhì)[4]。

在一定范圍內(nèi)，水分含量增加，將使得更多疏水基團(tuán)暴露，導(dǎo)致NSI降低。同時(shí)，水分促進(jìn)了蛋白的伸展變性，有利于組織化的形成，使得產(chǎn)品組織化程度、黏附性、持水能力增強(qiáng)[41]。含水量的增加將導(dǎo)致蛋白質(zhì)的反應(yīng)率顯著增加，二硫鍵、氫鍵和疏水相互作用將促進(jìn)高度纖維結(jié)構(gòu)的形成。陳鋒亮等[40]研究，大豆分離蛋白物料含水率 28%～60%時(shí)，隨著水分含量的升高纖維狀和多孔狀結(jié)構(gòu)越明顯，組織化度越大。但當(dāng)水分含量過高，則導(dǎo)致體系內(nèi)蛋白原料所受剪切減弱，減弱蛋白聚集體之間的交聯(lián)作用，影響最終產(chǎn)品的品質(zhì)。同時(shí)較高的水分含量也會(huì)導(dǎo)致水-蛋白體系不均，在模口出現(xiàn)“噴射”現(xiàn)象，不利于穩(wěn)定加工。由于使用原料、設(shè)備以及具體參數(shù)條件有所差別，水分含量對最終產(chǎn)品品質(zhì)影響結(jié)果也不盡相同。同時(shí)水分與其他工藝條件的協(xié)同作用研究還不夠深入，在高、低水分含量的界定上，盡管有學(xué)者測定擠壓組織化蛋白自由水含量試圖對水分臨界值進(jìn)行劃分，但有待進(jìn)一步研究。

4.3 喂料速度與螺桿轉(zhuǎn)速

喂料速度與螺桿轉(zhuǎn)速相輔相成，它們決定了物料在螺桿的分布與在每個(gè)功能區(qū)的作用時(shí)間。康立寧等[42]在研究中指出，進(jìn)料速度對產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)化程度、硬度、咀嚼性、顏色、吸水能力均有影響，但喂料速度取決于機(jī)械設(shè)備，不同設(shè)備應(yīng)選擇不同進(jìn)料速度。螺桿的旋轉(zhuǎn)提供系統(tǒng)的剪切力，并將物料向前推進(jìn)。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速提高時(shí)，物料混合效果提高，分散相可以更好的分散于連續(xù)相，且形成更薄的纖維結(jié)構(gòu)，且蛋白分子進(jìn)一步變性，黏度降低，模頭壓力降低。不同螺桿轉(zhuǎn)速對最終產(chǎn)品的影響不同；原料組分不同，最佳螺桿轉(zhuǎn)速選擇也不同。有研究將螺桿的轉(zhuǎn)速從60 r/min提升至180 r/min時(shí)，產(chǎn)品的硬度和咀嚼性都提升，但是組織化程度卻有下降[7]。楊勇等[9]以直鏈玉米淀粉、大豆分離蛋白、谷朊粉為原料確定螺桿轉(zhuǎn)速120 r/min時(shí)，產(chǎn)品持水性持油性最佳；尋崇榮等[6]以大豆分離蛋白，谷朊粉為原料，螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)，產(chǎn)品性能達(dá)到最佳。

除了這些參數(shù)外，改變模頭的孔徑、形狀，調(diào)整螺桿構(gòu)型、嚙合元件的長度、間距、角度等都可以改變剪切力從而影響纖維結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。加工條件對組織化蛋白的影響是綜合的、復(fù)雜的、協(xié)同的。如今，越來越多的研究希望明確系統(tǒng)參數(shù)包括扭矩、壓力、單位機(jī)械能等與過程參數(shù)、目標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系，構(gòu)建新的分析模型，這對高濕擠壓技術(shù)生產(chǎn)組織化蛋白具有積極意義。

注：“O”“R”“C”和“P”分別表示操作參數(shù)、響應(yīng)參數(shù)、構(gòu)象變化和產(chǎn)品質(zhì)量，“F”是指功能關(guān)系。圖3 一種新的擠壓過程系統(tǒng)分析模型

4.4 系統(tǒng)分析模型

擠壓參數(shù)可以分為3類，包括過程參數(shù)(輸入?yún)?shù))即原料的特性與組成，添加物料順序，水分含量與溫度，螺桿轉(zhuǎn)速與進(jìn)料速度，機(jī)筒溫度與螺桿結(jié)構(gòu)和模頭形狀等；系統(tǒng)參數(shù)(中間參數(shù))即壓力、扭矩、SME和停留時(shí)間分布等；以及產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)品特性、色澤、風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值等的目標(biāo)參數(shù)(輸出參數(shù))。過程參數(shù)直接決定了系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)影響目標(biāo)參數(shù)，三者存在著數(shù)學(xué)關(guān)系[22, 43]。康立寧等[42]研究了大豆蛋白高水分?jǐn)D壓組織化過程中工藝參數(shù)對系統(tǒng)壓力和扭矩的影響，Zhang等[30]研究了花生蛋白在高濕擠壓下系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)與擠出物的質(zhì)量間的聯(lián)系。Valerie等[4, 33]討論了機(jī)械能輸入、擠出機(jī)壓力與機(jī)筒溫度的關(guān)系影響，而后建立了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢⑿←湹鞍自跀D壓過程中聚合反應(yīng)描述為時(shí)間、溫度和剪切速率的函數(shù)，為擠出工藝設(shè)計(jì)提供建議。Zhang等[8]提出了一個(gè)新的系統(tǒng)分析模型，如圖3所示。肖志剛等[44]建立模型，利用模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法優(yōu)化素肉餅工藝及其品質(zhì)研究。

5 品質(zhì)特性與評價(jià)

5.1 質(zhì)構(gòu)變化

高濕擠壓工藝生產(chǎn)出的組織化蛋白擁有良好的質(zhì)地與類肉的感官。通過掃描電子顯微鏡觀察其切片表面較為平整，有明顯的片層狀、纖維拉伸與多層纖維結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)較為緊密，空隙較少。這種結(jié)構(gòu)便于水分和油的保持[2, 9]。通過激光共聚焦掃描顯微鏡同樣發(fā)現(xiàn)沿著剪切流方向拉長的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域，在產(chǎn)品中表現(xiàn)出纖維排列[38]。對比擠壓纖維狀組織蛋白與普通組織蛋白，擠出的纖維狀組織蛋白條紋更清晰、質(zhì)地更細(xì)膩、表面更光滑，紋理按擠出方向呈條狀分布，從橫切面觀察內(nèi)部氣孔更細(xì)密。彈性、回復(fù)性等指標(biāo)更為均勻，豆腥味低，質(zhì)感更接近肉類。此外異性指數(shù)表示材料的各向異性結(jié)構(gòu)和纖維化程度，可以量化肉類替代品的質(zhì)地和感官特征[2]。

不同參數(shù)條件對產(chǎn)品品質(zhì)亦有顯著影響。純SPI擠出物擁有均勻且較硬質(zhì)地結(jié)構(gòu)，而在SPI中添加其他成分(如淀粉或纖維)會(huì)產(chǎn)生更細(xì)纖維，形成各向異性結(jié)構(gòu)，且當(dāng)溫度于140～160 ℃時(shí)，在平行方向，擠出物拉伸強(qiáng)度增加。如圖4所示，使用豌豆蛋白、大豆分離蛋白與小麥蛋白混合，在不同溫度下擠壓形成的組織結(jié)構(gòu)也不相同。Palanisamy等[26]研究表明過少(40%)或過多(68%)的含水量都不適合纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。在較低的水分含量下，蛋白質(zhì)沒有完全水合以參與蛋白質(zhì)交聯(lián)反應(yīng)，且擠出物質(zhì)地較硬。在較高的水分含量下，蛋白質(zhì)變性減少，黏度降低可能也會(huì)減少蛋白質(zhì)相互作用和交聯(lián)，導(dǎo)致無法形成理想結(jié)構(gòu)。如圖5所示，不同含水量和溫度的條件下，通過SEM觀察到組織結(jié)構(gòu)存明顯的差異[45]。螺桿轉(zhuǎn)速影響組織蛋白的斷裂模式，如圖6所示[25]。故在一定范圍內(nèi)提高螺桿轉(zhuǎn)速可以加強(qiáng)蛋白質(zhì)的組織化，從而形成致密的層狀結(jié)構(gòu)。

圖4 豌豆、大豆分離蛋白與小麥蛋白不同溫度下擠壓結(jié)構(gòu)[28]

圖5 在不同進(jìn)料含水量和擠壓溫度 下的TSP的掃描電子顯微鏡圖像

圖6 不同溫度、螺桿速度下產(chǎn)生的大豆?jié)饪s蛋白的斷裂模式

5.2 營養(yǎng)品質(zhì)

除了質(zhì)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)等物理方面發(fā)生了變化，擠壓過程還對產(chǎn)品在營養(yǎng)功能上有所改善。研究指出通過高濕擠壓技術(shù)可以改變膳食纖維含量和纖維溶解度，可溶性纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加211%，不溶性纖維減少7.8%[46]。擠壓后的淀粉發(fā)生糊化，總鏈、直鏈淀粉含量都有所下降，淀粉消化率顯著提升。高溫和剪切作用的也使得蛋白質(zhì)消化率提高。但由于非酶促褐變反應(yīng)和熱交聯(lián)，溫度過高也會(huì)降低蛋白質(zhì)的消化率[26]。肖志剛等[47]研究了擠壓過程對不同谷物蛋白功能性質(zhì)的影響，對于小米蛋白、玉米醇溶蛋白在一定條件下溶解度降低[48]，而花生蛋白溶解度有所上升。

擠壓過程對豆類、谷物中的抗?fàn)I養(yǎng)因子如肌醇六磷酸、單寧等起到有效的減少作用[49]。物料濕度、螺桿轉(zhuǎn)速和溫度等不同條件對抗?fàn)I養(yǎng)因子的降解效果不同。總體而言，較高的濕度、較慢的轉(zhuǎn)速和較低的機(jī)桶溫度有助于抗?fàn)I養(yǎng)因子的降解。總之，高濕擠壓這種較為溫和的擠壓方式使得一些營養(yǎng)物質(zhì)更好的保留、提高蛋白質(zhì)和淀粉消化率、增加可溶性膳食纖維、降低脂質(zhì)氧化、提升維生素、礦物質(zhì)的保留率[50]。

6 總結(jié)與展望

6.1 前景與挑戰(zhàn)

世界眾多著名企業(yè)家、投資機(jī)構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)巨頭等涌入人造肉市場，在短短幾年內(nèi)諸多人造肉企業(yè)迅速發(fā)展并吸金頗多，其產(chǎn)品市場份額也在迅猛提升。我國《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》和《中國居民膳食指南(2021)》的先后出臺(tái)，將居民健康提升至國家戰(zhàn)略地位，指南還指出我國居民大豆等植物蛋白攝入不足，提倡以植物性食物為主，減少脂肪膽固醇攝入。進(jìn)一步加深利用植物蛋白生產(chǎn)替代動(dòng)物蛋白制品已在社會(huì)各界達(dá)成共識(shí)。隨著人們對植物基食品的關(guān)注與了解，以及高濕擠壓加工技術(shù)的進(jìn)步，植物蛋白生產(chǎn)人造肉產(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿τl(fā)巨大。

目前在產(chǎn)品品質(zhì)、設(shè)備開發(fā)、加工工藝、系統(tǒng)研究等方面存在問題亟待解決。在產(chǎn)品品質(zhì)方面，盡管植物基人造肉已具備類似動(dòng)物肉的纖維與質(zhì)地，但在彈性、咀嚼性方面仍有區(qū)別，特別是在汁水、鮮嫩口感等方面。其次，人造肉的風(fēng)味與動(dòng)物肉仍存差距，一方面豆腥味的處理技術(shù)仍需改善，另一方面，動(dòng)物肉特有的芳香物質(zhì)還不能很好復(fù)刻。除產(chǎn)品本身，設(shè)備的升級(jí)與開發(fā)也成為必然的趨勢。雖然當(dāng)下設(shè)備已具備了加工出優(yōu)良品質(zhì)組織化蛋白的能力，但一些設(shè)備缺乏穩(wěn)定、精準(zhǔn)的控制，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定，同時(shí)缺乏數(shù)據(jù)的監(jiān)控體系對擠壓過程機(jī)理的研究也帶來不便。設(shè)備的升級(jí)將進(jìn)一步促進(jìn)擠壓機(jī)理的研究，當(dāng)下關(guān)于擠壓過程的理論研究還較為淺顯，只有少量研究關(guān)注參數(shù)間的關(guān)系，模型的建立等。除此之外，高濕度產(chǎn)品的保存、產(chǎn)品評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立等都是當(dāng)前亟待解決的問題。

6.2 未來發(fā)展趨勢

面對未來食品的發(fā)展趨勢，利用合成生物學(xué)、人工智能，增材制造等技術(shù)，為人類提供更健康、更安全、更營養(yǎng)、更美味的食品，是當(dāng)下食品從業(yè)人員的更高追求。人造肉技術(shù)作為其中最具代表性的食品加工技術(shù)，正迅猛發(fā)展。未來高濕擠壓組織化技術(shù)研究應(yīng)主要集中在幾個(gè)方面：

一是優(yōu)化現(xiàn)有原料配比，開發(fā)新型植物擠壓原料。目前除大豆蛋白外的其他植物蛋白，例如花生蛋白、豌豆蛋白、大米蛋白、蠶豆蛋白、玉米蛋白等利用不夠充分。其添加可豐富產(chǎn)品的營養(yǎng)組成，優(yōu)化產(chǎn)品的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)。同時(shí)，優(yōu)化原料配比，探究開發(fā)提高產(chǎn)品組織化的天然添加劑如多糖、纖維素、天然酶類物質(zhì)等。

二是擠壓設(shè)備的升級(jí)與提升裝備控制性。目前已有越來越多新型擠壓設(shè)備，但仍存在例如參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、系統(tǒng)參數(shù)的可視化等技術(shù)難題需要攻克。特別是螺桿、嚙合元件等眾多設(shè)備器件的設(shè)計(jì)也有優(yōu)化的必要。總之設(shè)備的優(yōu)化可以進(jìn)一步提高擠出過程中控制的精準(zhǔn)性，對最終產(chǎn)品的優(yōu)化起決定性作用。

三是進(jìn)一步探究擠壓過程機(jī)理與研究構(gòu)建科學(xué)的模型。擠壓過程伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)變化，其中機(jī)理分析仍具有巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)由于擠出過程是在動(dòng)態(tài)平衡下連續(xù)進(jìn)行的，過程參數(shù)之間也相互影響，找到工藝優(yōu)化的規(guī)律也極具挑戰(zhàn)，探索物料在螺桿機(jī)內(nèi)的變化機(jī)理，以及建立系統(tǒng)的分析模型分析各參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系與數(shù)學(xué)函數(shù)，開發(fā)軟件模擬擠壓工作，對原材料性能、擠壓參數(shù)、部件的構(gòu)象變化以及擠出物的質(zhì)量評估等，是構(gòu)建和完善高濕擠壓基礎(chǔ)理論及工程體系的基礎(chǔ)，更是該技術(shù)研究的核心。