高水分挤压过程中大分子相互作用研究进展

陈琼玲，张金闯，刘 丽，王 强

（中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品加工综合性重点实验室 北京 100193）

2019年6月，联合国经济和社会事务部发布报告称，预计到2050年世界人口将达到97 亿[1]，食品需求量将增加70%，肉类需求量将达到4.7亿t，畜牧养殖业的肉类供应将难以满足人类的需求[2-3]。同时动物养殖过程中存在的环境污染、抗生素和激素残留、病毒感染、生产转化率低等问题已引起世界各国的广泛关注[4]。以植物蛋白为原料生产肉类部分替代品即人造肉，降低肉类消费量，已成为大势所趋。2019年5月，“人造肉第一股”Beyond Meat 公司股价在上市首日暴涨163%，使植物基人造肉的开发成为全球食品行业关注的焦点[5]。国外Impossible Foods、Beyond Meat、Gardein、Field Roast、Memphis Meats 等企业纷纷推出人造肉产品，同时国内珍肉、金字火腿、百草味、齐善、春发等企业也在不断加大植物基食品的研发力度。

作为未来食品的标志性产品，人造肉目前在国际上多称为模拟肉（Meat analogue）、肉类替代物（Meat substitute/alternatives）[6]，荷兰瓦赫宁根大学还提出新蛋白食品（Novel protein foods）的概念，包括植物蛋白和微生物来源的所有肉类替代产品[7]，该说法涵盖范围太广，未突出标识植物蛋白组分。国内早期称为人造肉、素肉，后将纤维纺丝法及低水分挤压制得的产品统称为组织蛋白或拉丝蛋白。组织/拉丝蛋白产品呈多孔海绵状，使用前需经复水、乳化、斩拌等工艺进行后续加工，制得的产品存在纤维结构松散、有豆腥味、模拟程度低、营养损失大等缺点。20世纪90年代兴起的高水分挤压技术用于制备新型植物基肉制品，不仅具有生产过程一次成型、能耗低、无污染等优点，而且产品纤维结构丰富，口感和质地与动物肉十分接近，具有即食性，是比较理想的动物蛋白替代品[8]。目前国内已实现了由纤维结构形成机理的研究到关键技术装备与产品开发的突破，可在线一次性完成熟化、拉丝、成型、调色、调味等诸多工序，无需复水、油炸等繁琐的后续加工，产品具有丰富的动物肉纤维结构，质地与鸡肉接近[8-9]。然而，目前植物基肉制品仍存在诸多问题，如汁水感较差、风味不足等，不能完全满足消费者的品质需求。

植物基肉制品的制备过程中蛋白质、碳水化合物、脂质等生物大分子及分子间相互作用是形成产品外观、质构、风味等品质的分子基础[10]。其中，蛋白质发生变性、交联、聚合等反应，形成的网络结构构成植物基肉制品产品的“骨架”；脂质可作为塑化剂或润滑剂，并发生顺反异构化、氧化反应，改善产品的质地和口感；碳水化合物发生美拉德反应、淀粉糊化、纤维素降解、多糖接枝反应，增强蛋白纤维结构的形成[11-12]。此外，氧化还原剂、酸碱调节剂、乳化剂、盐离子等可影响这些生物大分子间的相互作用方式，从而影响产品的结构、风味、颜色、滋味等感官品质。然而，目前植物基肉制品制备过程中生物大分子间的相互作用机制及其对产品品质的影响仍不明晰。

本文在参考国内外文献的基础上，总结制备植物基肉制品常用的蛋白质种类及其结构变化特点，梳理蛋白质结构表征及植物基肉制品品质评价方法，分析植物基肉制品制备过程中生物大分子间的相互作用及其对产品品质的影响，提出植物基肉制品发展面临的挑战及未来重点研究方向，旨在为植物基肉制品品质控制和改善提供参考。

1 制备植物基肉制品的蛋白质种类及其结构变化特点

挤压法制备植物基肉制品最重要的原料组分为蛋白质，挤压过程中涉及的植物蛋白质资源主要包括：①油料类蛋白：如大豆[13]、花生[14]、油菜籽[15]、亚麻籽[16]；②谷物类蛋白：如小麦[17]、大米[15]、大麦[15]等；③杂粮类蛋白：如玉米[18]、小米[19]、豌豆[20]、羽扇豆[21]、鹰嘴豆[22]、马嘴豆[23]等；④其它来源蛋白：食用菌类（如双孢菇[24]）、果蔬类（如马铃薯[15]、豇豆[24]、面包果种子、班巴拉果[25]）等。植物蛋白根据其溶解度可分为球蛋白、清蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白[26]，其中谷物类蛋白以谷蛋白和醇溶蛋白为主，富含脯氨酸与谷氨酸；而油料类蛋白及杂粮类蛋白以球蛋白为主，富含赖氨酸、色氨酸和甲硫氨酸[27]。不同氨基酸组成和蛋白组分差异导致各种植物蛋白的分子质量、溶解度、变性温度、黏度、凝胶能力等性质不同，蛋白质分子间相互作用方式和程度也随之变化，进而影响最终产品的硬度、弹性、咀嚼度、组织化程度等品质。郭莲东[19]研究发现，挤压过程中，球蛋白最易变性发生聚集和交联，并转变为有序结构；清蛋白间发生不同程度的融合与拉伸；谷蛋白发生一定程度的聚集和融合，并以分布状态存在；醇溶蛋白结构最稳定，分子变化程度最小。Osen[20]和Zhang 等[14]研究豌豆分离蛋白和花生蛋白高水分挤压过程中的变化，也发现挤压后球蛋白交联程度增加，其对纤维结构的形成起更关键的作用。

挤压过程中，在高温、高压和高剪切等综合作用下，蛋白质分子内或分子间原有的化学键被破坏，分子链伸展，埋藏在内部的疏水基团和巯基暴露，分子内和分子间发生缔合、聚集、交联、分解、氧化、还原等反应，蛋白质分子重新排列、聚合，形成新的有序的网络结构[11，28]（见图1）。在此过程中，水分参与蛋白质伸展和定向，增加蛋白质链的柔性和移动性，降低蛋白质玻璃化转变温度，促进蛋白质变性[29]。一般而言，原料蛋白质含量（＞50%）和氮溶指数（＞70%）都比较高时，制得产品的组织化程度较高，即纤维感较好[30]。同时，分子质量较大的长链状、具有线性对称结构的蛋白质原料易于获得较好的纤维结构[12]。挤压过程中蛋白质分子间相互作用力主要包括肽键、二硫键、氢键、离子键等，而不同作用力在稳定挤出物结构中的贡献率目前尚不确定[31]。一般认为大豆蛋白、豌豆蛋白和小麦蛋白三维网络结构的形成与稳定主要靠二硫键[17，20，32-33]，而花生蛋白是靠氢键与二硫键交互作用[14]。

图1 蛋白质分子在挤压过程中的构象变化Fig.1 The conformational changes of protein during high moisture extrusion process

2 蛋白质结构表征方法及产品品质评价

蛋白质结构变化及分子间相互作用是植物基肉制品纤维结构形成的基础，常通过分析蛋白质分子质量、氨基酸组成、分子构象、相互作用力、热特性、流变学性质等信息表征蛋白质的结构变化（见表1）。由于不同方法的表征角度和反映信息不同，可结合多种分析手段多尺度表征挤压过程中蛋白质构象变化过程，用于揭示产品纤维结构及品质形成机理。Selling[18]、Zhou 等[34]、Beck 等[35]结合傅里叶红外、圆二色谱、核磁共振、拉曼光谱等手段解析挤压过程中蛋白质构象变化，结果发现，在挤压机筒内受温度、压力和剪切力等作用，蛋白质分子内氢键、二硫键等作用力被破坏或减弱，分子去折叠化，α-螺旋、β-折叠比例下降，β-转角、无规则卷曲比例增加；而在冷却成型过程中，蛋白质分子沿流出方向重新排列或聚集，形成新的有序结构，α-螺旋比例又有所增加[8，19]。Zhang 等[14]结合X-射线显微成像技术、纳米红外技术等先进的手段，揭示挤压过程中花生蛋白纤维结构形成的分子机制，发现产品纤维结构主要靠氢键和二硫键交互作用维持，且球蛋白尤其是分子质量42，39，22 ku 的球蛋白亚基对纤维结构的形成发挥更重要的作用。

表1 蛋白质构象变化表征方法Table 1 Methods for characterization of protein conformational changes

植物基肉制品品质评价主要包括：①感官评价：色泽、质地、风味、口感等[9]；②物理特性：组织化度、抗拉伸力、杨氏模量、蒸煮得率等[8，17，21]；③营养安全性：体外消化率、菌落总数、大肠菌群等[9，15，23]。其中纤维结构作为植物基肉制品产品的重要品质特征，可通过测定其力学指标、观察微观形态、分析光学特性等手段进行表征，具体方法包括质构分析[8-9]、扫描电镜[14，41]、激光共聚焦显微镜[42]、X-射线显微成像[14，41]、荧光偏振法[43]、光子迁移法[44]、自旋回波小角中子散射法[45]等。目前应用最广泛的仍为采用质构仪测定纤维结构的力学特性，植物基肉制品纤维结构及整体品质评价缺乏统一、科学的行业标准[9]。

表2 植物基肉制品纤维结构表征方法Table 2 Characterization methods for the fiber structure of plant-based meat substitutes

3 蛋白质-脂质相互作用及其对产品品质的影响

挤压过程中脂质可发生氧化和分解反应，生成的氢过氧化物及分解产物可与蛋白质共价结合，形成复合物；同时过氧化反应产生的自由基可以诱导蛋白质-蛋白质分子间聚合和交联，提高蛋白质凝胶性，从而促进纤维结构的形成，并改善产品的质地和口感[46-47]。黄友如等[47]研究脂质氧化诱导大豆蛋白聚集的机理，结果发现大豆蛋白7S 和11S 亚基均受到脂质氧化产物过氧化亚油酸的攻击，形成蛋白-脂质共价复合物，同时自由基中间体促进蛋白质分子重新折叠和组装，形成较大的聚集体。

蛋白质和脂质间还可以通过静电作用力、氢键、疏水相互作用、范德华力等非共价键发生相互作用，作用的饱和程度由蛋白质在挤压过程中获得或暴露的疏水位点所决定[10，46]。王洪武等[30]研究发现，适量的油脂可与蛋白质发生水合作用，当脱脂大豆粉中油脂添加量在2%左右时，既可提高产品的组织化度，又可提高产量和改善口感；当油脂添加量大于5%时，产品纤维结构变得松散。

脂质在挤压过程中还可作为润滑剂和塑化剂，以液滴形式分散在蛋白质基质中，或覆盖在蛋白质分子表面，阻碍其伸展与聚合，从而影响纤维结构的形成[8，30]。De Pilli 等[48]研究发现，挤压过程中添加的油酸具有塑化作用，可降低小麦粉的玻璃化转变温度，增加熔融物的黏度，降低挤压产品膨胀度。Zhang 等[14]以低温脱脂花生蛋白粉为原料进行高水分挤压，结果发现在模口区由于热不兼容性，蛋白质与脂质形成相分离，脂质覆盖在蛋白质聚集体表面，阻碍蛋白质分子交联；在冷却模具中脂质分散在蛋白质聚集体形成的多层结构中；在挤出物中脂质进一步融合到蛋白质网状结构中。

4 蛋白质-碳水化合物相互作用及其对产品品质的影响

植物基肉制品制备过程中，小分子糖类或多糖分解产物可与蛋白质发生美拉德反应，形成共聚接枝物，改变产品颜色、风味及营养价值[49]。Guerrero 等[50]研究发现挤压过程中大豆蛋白与乳糖、蔗糖形成接枝物，导致产物高度褐变。Koch等[51]研究挤压过程中蛋白质与柑橘果胶的作用，结果发现在螺杆带有反向元件和机筒温度140 ℃条件下形成的蛋白质-果胶共聚物量最大，且挤压温度、螺杆构型等工艺参数对接枝物的形成、蛋白质的聚合与降解产生重要影响。

蛋白质还可与多糖类物质形成复合物，影响最终产品的品质。Allen 等[52]研究发现，在温度158～170 ℃范围，玉米直链淀粉分子与乳清蛋白发生共价相互作用，产生不溶性聚合物，聚合物的相互作用增加会降低蛋白质和淀粉的持水力，增加产品弹性并降低其膨胀度。

植物基肉制品制备过程中多糖的存在可影响物料流变特性[53]，在冷却模具中流体排列过程中蛋白质和碳水化合物发生相分离，阻止蛋白质横向聚集，从而促进蛋白质各向异性纤维结构的形成[54]。最终产品的纤维结构受蛋白质与多糖两相各自的黏度、表面张力、形成凝胶的速度等因素影响[53]。Palanisamy 等[55]以大豆浓缩蛋白为原料，研究高水分挤压过程中添加卡拉胶对产品品质的影响，结果表明添加卡拉胶会影响蛋白质凝胶过程，导致产品网状结构更致密，挤出物纤维结构更丰富，可显著提高产品总体感官接受度。Zhang 等[56]研究在花生蛋白高水分挤压过程中添加卡拉胶、海藻酸钠、小麦淀粉等多糖对产品纤维结构的影响，结果表明：添加0.1%卡拉胶、0.1%海藻酸钠、2%小麦淀粉可提高花生蛋白热转变温度，破坏蛋白分子内二硫键，增加疏水相互作用和物料表观黏度，促进蛋白质分子间发生聚合作用，有利于产品在挤压过程中形成纤维结构。

5 食品添加剂对生物大分子相互作用及产品品质的影响

在植物基肉制品的原料中添加氧化还原剂、酸碱调节剂、盐离子、乳化剂等，均可影响蛋白质等生物大分子相互作用方式和程度，进而影响产品纤维结构的形成[28]。

挤压过程中添加氧化还原剂，可改变-SH 基团的浓度，影响加热过程中蛋白质-蛋白质通过巯基/二硫键交换反应缔合的能力，从而影响蛋白分子链的灵活性及聚合反应程度[10]。Barone 等[57]研究发现，添加还原剂亚硫酸钠可降低挤压过程中的二硫键，增加蛋白质分子的移动性和重排、定向与结晶。刘艳香等[58]研究半胱氨酸对小麦蛋白高水分挤压产品品质的影响，结果发现适量（0.03%～0.09%）添加半胱氨酸有利于促进蛋白质之间的交联作用，产品具有明显的纤维结构，且半胱氨酸参与美拉德反应，导致色泽变深。

碱性条件下挤压可促进蛋白质分子间聚合作用，形成纤维结构更丰富的产品[36]；而酸性条件则降低聚合作用及交联密度[59]。Li 等[36]研究添加NaHCO3、Na2CO3、NaOH 等碱性物质对小麦蛋白挤压过程中的聚合作用和产品质构特性的影响，结果发现碱性物质有利于促进二硫键的形成和脱氢丙氨酸诱导的交联作用，提高产品的弹性、咀嚼度等质构特性，有利于挤出物形成纤维结构和规则表面。

盐离子一方面可以改变蛋白质所处的微环境，影响蛋白质溶解度和变性程度；另一方面通过静电相互作用与水合作用改变蛋白质-蛋白质之间相互作用，从而影响蛋白质凝胶强度及纤维结构的形成[60]。陆毅[60]研究盐离子对热诱导小麦面筋蛋白凝胶性质的影响，结果发现添加适当浓度的Na+和Ca2+可减弱蛋白质分子间的静电排斥作用，有利于面筋蛋白分子间的交联，促进其形成结构紧密、均匀的热诱导凝胶。刘艳香等[58]研究NaCl对高水分挤压小麦蛋白产品特性的改善效果，结果发现添加0.5% NaCl 时，可改善组织化蛋白的纤维结构，加大添加量时色泽差异较小，组织化度、硬度及咀嚼度呈下降趋势，不利于蛋白网络状纤维结构的形成。这是因为过量NaCl 使蛋白质周围离子浓度过高，溶解度下降，阻碍蛋白质结构伸展及基团暴露，不利于蛋白质分子间发生交联作用，影响纤维结构的形成。

适量添加乳化剂可加强蛋白质与脂质间的相互作用，参与蛋白质-脂质-淀粉复合物的形成，改善植物基肉制品的纤维结构。Vaz 等[61]研究发现，挤压过程中一定量磷脂（3.8%）使挤出过程更稳定，促进更多的蛋白通过非共价键（疏水相互作用和静电作用力）和二硫键形成纤维结构，在蛋白形成纤维结构过程中，添加磷脂比挤压温度和水分含量起更大的作用。

6 结论与展望

植物基肉制品制备过程中蛋白质分子伸展、缔合、聚集、重排，并与原料中的脂质、碳水化合物等生物大分子通过二硫键、氢键、离子键、疏水键等作用力发生相互作用，最终决定产品的色泽、风味、口感和纤维结构。其中，蛋白质分子质量大小、分子链长度和对称性、分子链柔性与移动性影响蛋白质分子间相互作用的程度及方式，且在挤压过程中蛋白质分子伸展后重新聚集与交联，形成纤维结构的“骨架”；脂质可通过共价键与蛋白质形成复合物，过氧化自由基可诱导蛋白质聚集和交联，影响纤维结构的形成，并改善产品的质地和口感；碳水化合物与蛋白质发生美拉德反应，并形成相分离，促进纤维结构与色泽的形成；氧化还原剂可影响蛋白分子链的灵活性及聚合反应程度，碱性条件及适度盐离子、乳化剂有利于促进蛋白质分子间交联及蛋白-脂质相互作用，使产品感官质量提高，纤维结构更明显。

常结合多种表征手段分析蛋白质构象变化对产品品质的影响。然而，蛋白质原料的多样性、加工过程的复杂性、评价方法的局限性使植物基肉制品的发展仍面临诸多挑战：

1）不同来源、不同种类蛋白原料的氨基酸组成、空间构象、分子链柔性、溶解性、凝胶性等千差万别，制得产品的硬度、弹性、咀嚼度、口感、风味等品质也大相径庭。同时，现有植物基肉制品多以单一的大豆蛋白为原料，仍存在汁水感差、纤维结构松散、豆腥味浓等问题，产品品质有待升级与突破。

2）加工过程能量输入的多样性、食品组分的复杂性使生物大分子间相互作用机制、关键结构域的形成过程与产品品质间关系仍不明晰，且现有研究多集中于探究蛋白质-蛋白质、蛋白质-其它组分间相互作用，而对挤压过程中蛋白质-脂质-碳水化合物三元生物大分子间复合作用尚无报道。

3）现有纤维结构及品质评价手段存在表征信息单一、分析过程繁琐、微观形态难以定量、结果易受主客观因素影响等局限性，导致植物基肉制品的品质评价缺乏系统、科学、统一的标准，行业监管尚无规范的科学依据。

在今后的研究中应重点探讨以下几个方面：

1）在原料蛋白的选择中，开发利用更多杂粮资源、真菌类资源和海洋资源的蛋白质，如黑豆蛋白、亚麻籽蛋白、叶蛋白、菌类蛋白、藻类蛋白等，分析不同来源蛋白质的氨基酸组成及空间构象差异，明确不同种类蛋白质分子在加工过程中的构象变化规律及其形成的产品品质特征，构建原料加工适宜性评价体系。研究不同来源蛋白质在复合加工过程中的协同作用，实现对不同肉类的模拟，开发营养全面均衡的新型植物基肉制品。

2）探究挤压过程不同区段，尤其是高水分挤压冷却模具中，物料的温度梯度和黏度梯度对其流动状态及相转变的影响，借助仿真计算流体力学软件模拟物料在挤压过程中的流动状态，阐明关键结构域形成的动态过程，揭示植物基肉制品纤维结构形成机理，实现产品品质可定制化生产。

3）与力学、材料学、流体学、生物学等学科相融合，采用更先进、精密的研究手段如小角X-射线散射、冷冻透射电镜等多尺度表征分子构象变化过程，分析蛋白质-脂质-碳水化合物三元组分在挤压过程中的缔合、组装、转化等作用机制，从而实现对产品品质的精准高效调控。

4）将食品感知科学与仪器分析相结合，采用色差计、电子鼻、电子舌、咀嚼模拟机、肌电仪等拟人化智能感官技术定量分析植物基肉制品的色泽、风味、口感、纤维结构等品质，建立快速、无损、智能、精确的品质评价方法，推动植物基肉制品行业健康稳定可持续发展。