在挤出过程中，扰流板几何形状对纤维排列及组织化植物蛋白（TPP）的纹理特性所产生的影响

《LWT》：Influence of disruptor plate geometry on fiber alignment and textural properties of texturized plant proteins (TPP) during extrusion

本研究探究了挤压过程中disruptor plate几何对植物蛋白结构及功能特性的影响。通过三组不同孔径和数量的不锈钢disruptor plate，发现随着plates紧凑性增加，纤维对齐指数（FAI）从0.60提升至0.78，硬度降低18%，β-折叠含量增至31.59%，同时二硫键形成量增加，氢键和疏水相互作用减弱。微观结构分析显示，紧凑plates促进轴向纤维排列，形成连续纤维网络，文本ural指数（TI）提高至1.40。FT-IR和化学溶度分析证实，上游流场干扰促使蛋白质解卷和定向重排，增强纤维结构。该研究为优化挤压参数以提升植物基肉制品质地提供了新方法。

　　在当今社会，随着对可持续和伦理食品选择的关注度不断提高，植物基蛋白材料的研发与应用正成为食品科学领域的重要方向。这类材料不仅能够满足消费者对健康饮食的需求，还能减少对传统动物蛋白资源的依赖，从而缓解环境压力和资源消耗。高水分挤压（High-Moisture Extrusion, HME）技术因其在模拟肉类口感和结构方面的潜力，被广泛用于植物基蛋白的加工过程中。然而，如何在不改变配方的前提下，通过优化工艺参数来进一步提升植物基蛋白的结构与功能特性，仍然是一个值得深入研究的问题。

本研究围绕高水分挤压过程中，位于冷却模头前的**干扰板（Disruptor Plate）**的几何形状对植物基蛋白（Texturized Plant Protein, TPP）结构与功能特性的影响展开。通过安装三种不同几何形状的不锈钢干扰板，研究团队试图揭示干扰板如何通过局部剪切应力和延伸流来影响蛋白质的重新排列，从而改善TPP的纤维结构、分子排列及最终的口感特性。研究结果表明，干扰板的几何设计在提升TPP纤维取向性、增强其结构的各向异性方面具有重要作用，同时也对蛋白质之间的相互作用产生显著影响。

### 干扰板的结构与功能特性

干扰板是一种在高水分挤压过程中常用的机械装置，通常由多孔不锈钢板制成。它的主要作用是通过限制材料流动来产生局部的剪切和延伸应力，从而促进蛋白质的解聚和重新排列。在本研究中，三种干扰板分别设计为具有不同数量和尺寸的圆形孔洞：**Plate 1**（4个直径为9毫米的孔洞）、**Plate 2**（6个直径为6毫米的孔洞）和**Plate 3**（8个直径为5毫米的孔洞）。随着孔洞尺寸的减小和数量的增加，干扰板的紧凑性也随之提高，这种变化直接影响了材料在进入冷却模头时的流动行为。

通过实验观察可以发现，随着干扰板紧凑性的增强，TPP内部的纤维排列变得更加有序，纤维取向性显著提高。这一现象在扫描电子显微镜（SEM）和微CT成像中得到了验证。在SEM图像中，不同几何形状的干扰板对纤维排列和孔隙结构产生了明显的影响，Plate 3的样品表现出最连续且垂直取向的纤维形态。而微CT图像则进一步揭示了TPP内部结构的各向异性变化，Plate 3的样品展现出更高的纤维对齐指数（Fiber Alignment Index, FAI），表明其纤维排列更加均匀和定向。

### 纤维取向性与结构变化的关联

纤维取向性指数（FAI）是评估TPP各向异性结构的重要指标，其数值越高，说明纤维排列越有序。实验结果显示，当干扰板的紧凑性增加时，FAI也随之提高。例如，Plate 3的FAI达到了0.78，而对照组（无干扰板）仅为0.60。这一变化可以归因于干扰板在材料流动过程中产生的剪切和延伸应力，这些应力促使蛋白质从无序状态向有序的纤维结构转变。在微CT图像中，Plate 3的样品呈现出高度连续的纤维层，这表明其在冷却过程中形成了稳定的、定向的纤维网络。

此外，纤维取向性的增强还伴随着TPP微观结构的显著变化。在SEM图像中，Plate 3的样品显示出更清晰的纤维束，而对照组则呈现出较为松散的蛋白质网络。这种结构上的差异在进一步的力学测试中得到了验证，Plate 3的样品表现出更低的硬度和粘聚性，但更高的纤维化指数（Texturization Index, TI）。TI是衡量TPP纤维化程度的指标，其数值越高，说明纤维结构越明显。因此，干扰板的几何设计不仅影响了纤维的排列方向，还直接决定了TPP的质地特性。

### 蛋白质二级结构的变化

蛋白质的二级结构是影响其物理特性的关键因素之一。本研究通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了TPP的蛋白质二级结构变化。结果显示，随着干扰板紧凑性的增加，β-折叠结构的比例显著上升，而α-螺旋结构的比例则下降。例如，Plate 3的β-折叠含量从对照组的27.30%增加到31.59%，而α-螺旋含量则从42.60%下降至33.64%。这一变化表明，干扰板的机械作用促使蛋白质从原本的有序结构向更稳定的β-折叠结构转变。

β-折叠结构通常与蛋白质的强相互作用有关，它能够增强蛋白质之间的结合力，从而形成更紧密的纤维网络。而α-螺旋结构则倾向于维持蛋白质的原始构象，因此其减少可能意味着蛋白质在剪切和延伸应力的作用下发生了部分展开。这种结构上的变化不仅影响了TPP的机械性能，还与纤维取向性的增强密切相关。微CT和SEM图像中观察到的纤维结构的改善，与FT-IR分析结果一致，进一步支持了干扰板对蛋白质二级结构的调控作用。

### 化学相互作用的改变

为了更深入地理解干扰板如何影响TPP的分子结构，研究团队还对蛋白质的化学相互作用进行了分析。通过使用不同的提取缓冲液，研究人员能够分别检测氢键、二硫键和疏水相互作用的变化。实验结果表明，随着干扰板紧凑性的增加，氢键和疏水相互作用的强度显著下降，而二硫键的比例则明显上升。

氢键和疏水相互作用是维持蛋白质网络稳定性的主要因素之一，它们的减少可能导致蛋白质网络的松散化，从而降低TPP的硬度和粘聚性。相比之下，二硫键的增加则有助于蛋白质之间的交联，增强纤维结构的稳定性。这种化学相互作用的变化与TPP的质地变化相吻合，进一步说明了干扰板的几何设计对蛋白质排列和网络形成的重要影响。

### 纤维化与质地特性的关系

在高水分挤压过程中，TPP的质地特性受到多种因素的影响，包括蛋白质浓度、粘度、螺杆转速以及冷却模头的设计。本研究中，干扰板的引入显著改变了这些参数的综合效果。具体而言，随着干扰板紧凑性的增加，TPP的硬度和粘聚性下降，而纤维化指数（TI）和纤维取向性（FAI）则上升。这种质地变化的原因在于，干扰板的机械作用削弱了蛋白质之间的强相互作用，同时促进了其在流动过程中的重新排列。

TI的增加表明，TPP的纤维结构更加明显，而FAI的提高则反映了纤维排列的均匀性和方向性。这两种指标的变化趋势一致，说明干扰板的几何设计在提升纤维化程度方面具有重要作用。值得注意的是，虽然硬度和粘聚性下降可能会影响TPP的口感，但这种变化并不意味着质地的劣化，而是为TPP提供了更接近真实肉类的纤维化结构。因此，干扰板的使用不仅改善了TPP的微观结构，还使其在宏观上表现出更接近动物肉的质感。

### 机制分析与实际应用

从机制角度来看，干扰板的机械作用在高水分挤压过程中起到了关键作用。它通过限制材料流动，产生局部的剪切和延伸应力，这些应力促使蛋白质发生部分展开和重新排列。在冷却模头的收敛入口处，这些应力进一步放大，导致蛋白质纤维沿着挤出轴方向形成有序的结构。同时，冷却过程中快速的热量提取限制了分子的松弛，使得纤维的取向被“冻结”在固化的矩阵中。

这一过程涉及多个层次的相互作用：在分子层面，蛋白质的二级结构发生改变，β-折叠比例上升，α-螺旋比例下降；在微观层面，纤维的排列更加有序，形成了连续的纤维束；而在宏观层面，TPP表现出更柔软的质地和更高的纤维化程度。这种多尺度的结构变化表明，干扰板的几何设计不仅影响了蛋白质的物理排列，还通过调控化学相互作用改变了其网络的稳定性。

### 实际应用与未来展望

从实际应用的角度来看，干扰板的设计为TPP的加工提供了一种简单而有效的手段。通过在冷却模头前插入不同几何形状的干扰板，可以实现对TPP纤维化程度的精准控制，而无需改变配方或加工条件。这一方法具有较高的可操作性和可扩展性，能够适用于现有的双螺杆挤出设备，从而提升植物基肉制品的生产效率和产品质量。

此外，干扰板的使用还可能带来更广泛的工业应用前景。例如，在大规模生产中，通过优化干扰板的几何设计，可以实现对TPP纤维结构的精细调控，从而生产出具有更理想口感和质地的产品。这不仅有助于提升植物基肉制品的市场竞争力，还可能推动其在更广泛的食品应用中的普及。

综上所述，干扰板的几何设计对TPP的结构与功能特性具有深远的影响。通过调控剪切和延伸应力，干扰板能够促进蛋白质的重新排列，增强纤维化程度，同时改善其质地特性。这些发现为植物基肉制品的开发提供了新的思路，也为食品工业中的高水分挤压技术优化奠定了理论基础。未来的研究可以进一步探索干扰板与其他加工参数的协同作用，以及其在不同原料组合中的适用性，从而推动植物基蛋白材料向更高质量和更广泛应用方向发展。