挤压加工对植物组织蛋白功能性影响的研究进展

付晓航，李赫*，曹金诺，张天语，刘新旗

（1.北京工商大学食品与健康学院，国家大豆加工产业技术创新中心，北京 100048；2.植物肉（杭州）健康科技有限公司，浙江 杭州 310000；3.山东谷霖食品科技有限公司，山东 烟台 264010）

挤压技术是指物料经过粉碎、调湿、混合等预处理后，经过高温高压作用使其处于指定形状的模具中，形成特定形状及组织状态的产品[1]。挤压技术具有操作简便、生产效率高、应用范围广、耗能低、无污染、营养损失少、物料浪费少等优点，在输送、捏合、剪切、均质、熟化、杀菌、成型等操作完成的同时，得到清洁卫生、多种多样、利于人体消化吸收的产品[2-3]，具有良好的研究及利用价值。

近年来对蛋白质营养需求的增加使食品中植物蛋白的消费持续提高，豆类和油料种子的蛋白质在功能性食品生产中的重要性越来越高。在挤压过程中，温度与剪切力的共同作用下，维持蛋白质三级和四级结构的作用力受到破坏，表面电荷趋向均匀化，分子间氢键、二硫键、离子键等部分断裂，形成可塑化的熔融体，再经过分子链团聚、聚集、交联过程形成纤维结构，在高温骤降至低温的过程中，形成纤维状且具有肉类组织结构的产品。挤压蛋白组织化程度与蛋白质的种类、含量以及挤压温度显著相关。蛋白质的种类和含量影响组织化过程中热凝胶纤维化结构的作用；挤压温度越高，蛋白质变性程度越大，其组织化程度越高，水溶性降低。植物组织蛋白是指以植物性蛋白或植物性成分为原料，通过挤压技术将植物蛋白加工形成具有类似肉类的纤维结构。挤压植物组织蛋白具有良好的动物蛋白纤维状结构和咀嚼感、低过敏源、低抗营养因子、高消化利用率、降低不良气味、代肉性价比高等优点[8-9]。

挤压过程对挤出物的生物活性、理化性质和营养价值等会产生一定影响。蛋白质在挤压过程中发生的结构变化，有利于活性肽的释放[10-11]。组织化蛋白体内酶解产物与活性肽在机体内具有一定的生理活性，如抗氧化、降血压、降胆固醇、降血糖、提高免疫力及抗癌等活性[12-14]。蛋白的还原性较强会影响肠道消化吸收及引发过敏等反应，通过挤压加工，降低蛋白还原性可以提高免疫功能[15]。功能性的增强使植物组织蛋白产品在食品、医药保健等领域具有广阔的开发应用前景。本文重点阐述挤压对蛋白的功能活性的影响，为植物组织化蛋白食品的开发及利用提供理论参考。

1 挤压对植物蛋白功能活性的影响

1.1 挤压对植物蛋白的消化吸收率的影响

蛋白质的消化率是评价蛋白质营养水平的重要因素，它反映出蛋白质在人体内吸收利用程度[16]。挤压过程使蛋白质发生结构改变，降低豆类中抗营养因子的含量，加快蛋白质的水解速度，提高蛋白质的消化吸收率。EL-HADY等[17]研究发现挤压加工会使豆类挤出物的体外蛋白质消化率提高，显著降低植酸、单宁、α-淀粉酶和胰蛋白酶抑制剂等抗营养因子的含量。在螺杆转速250 r/min，挤压温度140℃，水分含量18%时，经挤压加工的芸豆的体外蛋白消化率从未挤压时的70.59%上升到79.26%;蚕豆的体外蛋白消化率由原始的75.40%提高至80.40%，鹰嘴豆的体外蛋白消化率由74.00%上升到80.39%;豌豆的体外蛋白消化率由74.47%上升至78.05%。左进华[18]研究结果表明挤压加工可以显著降低脲酶和胰蛋白酶抑制因子的活性，保持大豆蛋白的营养特性。在螺杆转速150 r/min，挤压温度155℃，物料含水量35%的最佳条件下，大豆蛋白的体外消化率达到了95.83%。

食物转化指数是实验期内动物食物摄入量与体重增加的比值，蛋白质的功效比值是指实验期内动物平均每摄入1 g蛋白质所增加的体重，可以用来反映蛋白质的营养价值。ALONSO等[19]通过对比喂养15d挤压豌豆与生豌豆饲料的大鼠，发现喂养挤压豌豆饲料的大鼠体重的增加远远大于喂养生豌豆的大鼠。挤压处理后蛋白酶抑制剂和凝集素等抗营养因子水平的降低，改善了蛋白质的消化吸收率，使食物转化指数和蛋白质的功效比值增加。大豆蛋白中的许多抗营养因子 （如β-伴大豆球蛋白）会影响肠道的消化吸收功能。YIN等[15]发现通过控制挤压的温度、螺杆转速、进料速度，可以显著降低β-伴大豆球蛋白抗原性。傅里叶红外光谱分析结果表明，挤压改变了β-伴大豆球蛋白的二级结构，降低了致敏性结构的含量，使其钝化失活，抗营养因子的钝化失活提高肠道对大豆蛋白的消化吸收。MARZO等[20]通过挤压芸豆对大鼠的消化特性研究发现，挤压后芸豆的凝集素、单宁、肌醇六磷酸抗营养因子的含量显著降低，减少对大鼠肠道生理反应及生长速度的负面影响，改善了豆类的消化吸收。大豆肽是大豆蛋白的蛋白酶酶解产物，其较大豆蛋白有更好的吸收转化速率[21]。经过挤压处理的大豆蛋白更容易被酶解，其酶解率及肽的得率显著提高[22]。

1.2 挤压对植物蛋白抗氧化活性的影响

在抗氧化活性研究中，酚类化合物和肽是具有潜力的生物活性物质[23]。经过挤压处理的蛋白更有利于提高其酶解率和肽的得率[22]，且低分子质量的肽段比高分子质量的肽段表征出更强的抗氧化活性[24]。齐宝坤等[25]通过豆粕蛋白挤压技术提高多肽得率至35.00%左右，多肽对 O2-·、ROO·、·OH 清除能力显著提高，电子自旋共振（electron spin resonance，ESR）测定表明·OH清除率与豆粕多肽分子质量呈负相关，低分子质量肽具有更好的抗氧化活性。蛋白挤压工艺参数会影响酶解率，并进一步增强酶解产物的抗氧化性。自由基产生和消除的平衡受到破坏时会对人体造成危害，防止自由基对细胞和组织的损伤是预防各疾病的有效措施之一。VALDEZ等[26]通过优化蛋白挤压工艺，使麻疯树蛋白水解物的氧化自由基吸收能力（oxygen radical absorbance capacity，ORAC）增强，其抗氧化系数（trolox equivalents antioxidant coefficients，TEAC） 从挤压前的98.7 mmol TEAC/mg提高至173.8 mmol TEAC/mg，挤出温度与螺杆转速对其水解物抗氧化活性均有显著性影响。

1.3 挤压对植物蛋白降糖活性的影响

近年来，代谢紊乱Ⅱ型糖尿病（type2 diabetes mellitus，T2DM）的发病率持续上升。一些豆类及其挤压食品可以作为糖尿病的主食。经挤压后的豆类食品的蛋白消化产物对α-葡萄糖苷酶的活性具有抑制作用，能够延迟碳水化合物在体内的消化吸收，起到抑制高血糖的作用。挤压红小豆蛋白（10 mg/mL）在体外对α-葡萄糖苷酶具有的抑制作用，是未经过挤压处理的红小豆蛋白抑制率的36.4倍[27]。对比正常和链脲佐菌素诱导的糖尿病模型大鼠，摄入挤压小豆提取物（300mg/kg）可分别显著降低餐后血糖15.60%和30.90%[27]。在Ⅱ型糖尿病KK-Ay大鼠的饲料中分别添加1%和2%的挤压红小豆蛋白，食用2%的挤压小豆蛋白组空腹血糖明显降低，肠道α-葡萄糖苷酶的活性抑制增强[28]。

1.4 挤压对植物蛋白抗高血压活性的影响

挤压蛋白及其酶解产物，可通过紧密结合血管紧张素 I转化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）的活性位点，与血管紧张素I竞争占据，导致ACE不能将血管紧张素I转化为血管紧张素Ⅱ，从而降低血压[29-30]。VALDEZ等[26]研究发现通过优化挤压工艺可以提高麻疯树蛋白水解物的抗高血压活性。挤压后的麻疯树蛋白酶解物对ACE的IC50的活性值从1.57 μg/mL 下降至 0.080×10-2μg/mL，响应面分析表明只有挤出温度会显著影响ACE活性，当挤压温度为160℃时，ACE抑制率最高。在挤压过程中，蛋白质变性延展出更多的酶解位点，促进了蛋白质水解，水解后产生了更多的低分子量肽，显示了更强的抗高血压效果。

1.5 挤压对植物蛋白抗炎活性的影响

炎症是指生物组织受到如外伤、感染等损伤因子的某种刺激，自身发生的一种以防御为主的机体反应，但过度的炎症会破坏机体在防御体系中的抗氧化能力，呈现出氧化应激状态[31]。挤压蛋白消化产物是通过诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，INOS）表达的下降，降低一氧化氮（NO）的含量和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF-α）水平，从而有效控制炎症[32]。MONTOYA等[33]通过研究发现，挤压苋菜蛋白的水解物使脂多糖诱导后的人体单核巨噬细胞（human monocytic-leukemia cells，THP-1）及小鼠RAW264.7巨噬细胞的TNF-α水平分别显著降低了36.50%和33.50%，挤压后的苋菜蛋白水解物会更有效地抑制NO含量，增强抗炎活性。挤压红小豆食品对T2DM患者的炎症反应有显著的抑制作用。LIU等[34]将120例T2DM患者随机分为对照饮食组（传统糖尿病低血糖指数饮食）和干预组（挤压红小豆方便食品）。干预4周后干预组的血液样本中白细胞介素6（interleukin-6，IL-6）、TNF-α水平降低且显著低于对照组。

1.6 挤压对植物蛋白抗动脉粥样硬化活性的影响

动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）是一种心血管疾病，影响血液从冠状动脉到达心脏、颈动脉到达大脑及下端各动脉的过程。MONTOYA等[35]在水分28%、挤压温度125℃、螺杆转速130 r/min的条件下对苋菜蛋白挤压处理，并对挤压蛋白进行了体外胃蛋白酶和胰蛋白酶水解，与未经挤压的水解物相比，挤压后的苋菜蛋白水解物（extruded amaranth hydrolysate，EAH）抑制了人体THP-1的白细胞介素4（interleukin-4，IL-4）和IL-6的表达及TNF-α的产生，EAH可以使动脉粥样硬化标志物凝集素样氧化型低密度脂蛋白受体-1、细胞内黏附分子-1、基质金属蛋白酶-9的表达分别降低58%、52%和79%，表明通过挤压的苋菜蛋白具有抗动脉粥样硬化活性。

1.7 挤压对植物蛋白免疫活性的影响

通过挤压加工降低蛋白的抗原性可以提高免疫功能。张智宇等[36]采用胰蛋白酶酶解挤压后的大豆粕所得的酶解液对ConA诱导的小鼠淋巴细胞增殖指数有显著提高。大豆蛋白中抗原性强的抗原蛋白不仅会影响肠道消化和营养吸收，而且会引起过敏反应，降低免疫功能。挤压处理可显著降低β-伴大豆球蛋白的抗原性。YIN等[15]采用单因素和正交试验研究了工艺参数对伴大豆球蛋白挤压后的抗原性影响。β-伴大豆球蛋白的抗原性随着挤出温度的升高而降低;随着螺杆转速的增加而降低；随着进料速度的减小而降低。在挤出温度130℃，螺杆转速140 r/min，进料速度为35 r/min的条件下，β-伴大豆球蛋白的抗原性仅为20.06%。此外，经过挤压处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够增强机体淋巴细胞增殖及巨噬细胞的吞噬功能，提高机体免疫力及抵御外界病原体感染的能力，降低机体发病率，抗肿瘤等功能[37]。

2 小结与展望

随着肉类消费水平的提高，许多国家动物膳食蛋白供应已逐渐跟不上需求，因此找到一种新型的可代替肉类的可持续的蛋白供应方案十分重要。目前国外植物组织蛋白市场已初有规模，并逐渐扩大。自2019年，中国传统素肉企业进入转型期，合作创新人造肉产品，引起国内消费者关注，涌现出良好的发展态势。已有多项研究表明，蛋白经挤压后可表征出更强的功能活性,但仍存在以下几点问题，一是关于植物蛋白的功能性在国内外的研究深度不够，缺少系统的阐述与归纳；二是不同来源的蛋白质、不同的挤压条件下蛋白质及其酶解产物的功能活性形成或增效的规律尚需要系统的分析；三是挤压植物组织蛋白生产成本较高尚未达到大规模的工业化生产条件。针对这些问题，在未来的研究中：1）应深入探讨挤压后产品的纤维结构机理，对原料的选择及对工艺条件进行优化，扩展产品多样性，达到最佳挤压蛋白营养特性及多种潜在功能活性的开发；2）需要整合国内外科研力量，从植物组织化蛋白的开发、挤压技术、营养特性到功能活性的研究等多方面进行综合考量和总结归纳，以更全面地探究挤压加工技术的应用；3）扩展植物蛋白来源，优化蛋白品质及生产设备，降低生产成本，推进植物肉产品商业化。通过对植物组织蛋白的功能活性研究和产品优化，可以提高消费者对植物组织蛋白产品的接受度与喜爱度，节约动物蛋白资源、保护环境、促进人体健康，使其具有可替代动物肉的良好发展前景，成为必不可少的家庭食品。