谷朊粉對豌豆植物蛋白肉產品特性的影響

趙玉茹，楊進潔，邊文潔，趙祥忠*，王晨瑩

（1.齊魯工業大學（山東省科學院）食品科學與工程學院，山東濟南 250353；2.煙臺雙塔食品股份有限公司，山東招遠 265404；3.山東真諾智能設備有限公司，山東濟南 251400）

近年來，旨在模擬動物肉纖維結構和口感的植物蛋白肉制品被相繼開發出來，擠壓技術是目前最適合商業化的植物蛋白肉加工技術之一，主要包括低水分擠壓（含水量＜40%）和高水分擠壓（含水量為60%～80%）[1]，低水分擠壓形成的產品不具備真肉的纖維狀結構，通常要經復水后才能加工和食用，而高水分擠壓具有無需復水和與真肉類似度高等優勢[2]。目前，用于生產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、無轉基因問題、氨基酸比例平衡和營養價值高等優點得到廣泛關注[4]，但單一的豌豆蛋白生產的植物蛋白肉成型性較差、纖維結構較差、與真肉的類似度低[5]。小麥蛋白，又稱谷朊粉（wheat gluten，WG），因其獨特的黏彈特性，與其他植物蛋白混合擠壓，能夠有效增強植物基肉制品的纖維結構和組織化度等[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行高水分擠壓，發現含有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構，其在結構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行高水分擠壓，測定并分析谷朊粉含量對植物蛋白肉的理化性質和結構特性的影響，包括質構特性、色澤、復水性、微觀結構、紅外光譜和流變特性，以期為優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構的影響機理。

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：封丘縣華豐粉業有限公司；溴化鉀（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；復合磷酸鹽：廣州天佳生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

雙螺桿擠壓試驗機（HT36）：山東真諾智能設備有限公司；物性測試儀（TA.XT.plus）：廈門超技儀器設備有限公司；色差儀（NR10QC+）：深圳市三恩時科技有限公司；真空冷凍干燥機（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）：上海保圣實業發展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豌豆蛋白的高水分擠壓

向豌豆蛋白粉中添加谷朊粉，使得谷朊粉占蛋白總質量的0%、20%、40%、60%，加入1%復合磷酸鹽后充分混勻，置于雙螺桿擠壓試驗機中進行高水分擠壓試驗。擠壓參數：進水流速15 L/h、喂料速度10 kg/h、螺桿轉速800 r/min，擠壓機1、2、3、4、5、6 區溫度設置為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 ℃冰箱中保存備用。

1.3.2 植物蛋白肉的質構特性測定

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、咀嚼性的數值，設置儀器測試條件：全質構分析（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行測定，隨機測定同一樣品的9 個不同部位，取平均值，記錄特征值L*值、a*值和b*值。標準白板的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，數值越大，差別越大，計算公式如下[9]。

1.3.4 植物蛋白肉的復水率測定

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

R=W1/W2× 100

式中：W1為復水后的植物蛋白肉的質量，g；W2為新鮮植物蛋白肉的初始質量，g。

1.3.5 植物蛋白肉的微觀結構觀察

將植物蛋白肉切成15 mm×10 mm×5 mm 的小塊并冷凍干燥，使用導電膠將樣品固定在樣品臺上并進行噴金處理，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構，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的范圍內進行傅里葉紅外光譜掃描，以單獨的溴化鉀掃描光譜作為背景，掃描次數為64，分辨率為4 cm-1，每個樣品測3 次，取平均值。最終結果采用OMNIC 8.2 軟件對紅外圖譜進行基線校正、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）進行擬合分析[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 ℃下進行剪切試驗[12]。剪切速率為1～100 s-1。

1.4 數據處理

采用SPSS 26.0 對試驗數據進行顯著性分析，數據以平均值±標準差的形式表示，P＜0.05 表示差異顯著。采用Origin 2018 軟件進行數據繪圖。

2 結果與分析

2.1 谷朊粉含量對植物蛋白肉質構特性的影響

谷朊粉含量對植物蛋白肉質構特性的影響見圖1。

圖1 谷朊粉含量對植物蛋白肉質構特性的影響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，硬度達到最大值（16 101 g），WG 含量為60%時，硬度達到最小值（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，這兩種蛋白質與水混合時會形成面團中常見的黏彈性基質，從而增加面團的彈性[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-二硫鍵的轉化反應[14]，從而促進二硫鍵的形成，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。硬度和咀嚼性的結果與張金闖[15]的研究結果一致，當花生蛋白與谷朊粉質量比為6∶4 時，植物蛋白肉的硬度和咀嚼性達到最大值。劉明等[16]研究發現，當小麥蛋白、花生蛋白和豌豆蛋白以0.655∶0.135∶0.210 的質量比混合擠壓后，產品具有較高的彈性，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品的一個重要特性，它影響著產品的質量以及消費者對產品的接受度[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*值顯著減小（P＜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準白板的顏色。與肖志剛等[18]的研究結果一致，隨著豌豆蛋白含量的增加、谷朊粉含量的減少，產品的L*值逐漸降低；a*值和b*值逐漸升高，產品的色澤加深。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，有利于產品的進一步著色處理。

2.3 谷朊粉含量對植物蛋白肉復水率的影響

復水率是與食品持水能力有關的重要參數，它影響著產品的質地。不同WG 含量的植物蛋白肉的復水率如圖2所示。

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

由圖2 可知，當WG 含量為20%和40%時，植物蛋白肉的復水率較高，可能是植物蛋白肉的孔隙率增加導致的，當干的植物蛋白肉浸泡在水中時，水通過表面的孔隙進入內部，填充在內部空隙中，并與原材料的羥基形成氫鍵，內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，進而降低了樣品的持水性，使其在復水時吸收的水分減少，從而降低了植物蛋白肉的復水率。

2.4 谷朊粉含量對植物蛋白肉的微觀結構和拉絲效果的影響

谷朊粉含量對植物蛋白肉微觀結構的影響見圖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構的影響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構數量較少，結構較致密，很難發現纖維結構。隨著WG 含量的升高，孔隙數量明顯增加且分布變得均勻，結構變得疏松。當谷朊粉含量較高（40%、60%）時，因WG 含有大量通過分子間二硫鍵連接的多肽，使得植物蛋白肉內部形成了多孔的網絡結構。從宏觀上看，添加20% WG 對植物蛋白肉的纖維結構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構，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立相，阻止了蛋白質橫向聚集，有利于縱向排列形成纖維[20]，因而出現了圖中的拉絲效果，這與Zhang 等[21]的研究結果一致，單獨的大豆濃縮蛋白的擠出物沒有清晰的纖維結構，而添加谷朊粉后會產生高度纖維結構。

2.5 谷朊粉含量對植物蛋白肉紅外圖譜、二級結構的影響

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]。

通過二階導數擬合對酰胺I 帶（1 700～1 600 cm-1）進行反卷積獲得植物蛋白肉二級結構，變化如表2所示。其中，有序結構為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構的影響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-轉角的含量均高于α-螺旋和無規則卷曲的含量，這表明豌豆蛋白和谷朊粉的植物蛋白肉主要以β 型結構存在[24]。此外，隨著WG 含量的升高，β-折疊含量先增加后降低，無規則卷曲先降低后升高，在WG 含量為20%時分別達到最高、最低值，說明無規則卷曲向β-折疊轉化，而β-折疊被認為是最穩定的結構[25]。β-折疊和α-螺旋是有序結構，而β-轉角和無規則卷曲是無序結構，隨著WG 含量的升高，有序結構的含量先增加后降低，在WG 含量為20% 時，有序結構的含量最高，這與擠出物硬度的變化趨勢一致（圖1A）。結果表明，WG 增加了有序結構，促進植物蛋白肉中纖維結構的形成。

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或分子間相互作用的破壞有關。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。同樣是兩種蛋白質混合進行高水分擠壓，Xia 等[12]研究發現，酵母蛋白含量的增加反而會導致豌豆蛋白肉類似物溶液黏度減小，可能是因為蛋白質聚集體的形成，如小球體，發揮潤滑作用從而導致黏度下降。而本研究結果出現的原因可能是WG 含量增加后，分子間氫鍵數量增加，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 結論

本研究將豌豆蛋白和谷朊粉進行復合高水分擠壓，系統研究了原料復配比例對植物蛋白肉品質特性的影響。結果發現，最佳谷朊粉含量為20%，在此含量下得到的復合植物蛋白肉結構緊密，成型性較好，有光澤，有較高的硬度和咀嚼性，有序結構含量最高，有較強的結構穩定性，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，在豌豆蛋白高水分擠壓中加入適量的谷朊粉可以有效改善產品特性，提高與真肉的類似度，提高豌豆蛋白在植物蛋白肉生產中的應用價值。