pH值、温度和湿度对大豆蛋白浓缩粉面团流变行为的影响

《Food Hydrocolloids》：Impact of pH, temperature, and moisture on the rheological behaviour of soy protein concentrate doughs

研究植物基肉 analogue 质地与流变学的关系，通过 LAOS 和封闭腔流变仪分析蛋白来源、pH、水分及温度的影响，发现 Tg/T 比值和 pH 是主要影响因素，高应变参数不受影响，pH 调整后两种大豆蛋白浓缩物流变特性无显著差异，建立了参数与加工条件的多元回归模型。

　　
本文聚焦于植物基肉替代品加工过程中关键材料参数与流变学特性的关联机制研究。研究团队通过系统化的实验设计与多维度数据分析，揭示了植物蛋白面团在高压湿热 extrusion过程中的流变学响应规律，为优化加工工艺提供了理论支撑。

### 研究背景与意义
全球人口增长与粮食需求激增背景下，植物基肉替代品作为可持续食品解决方案备受关注。此类产品加工的核心挑战在于如何通过调控材料参数（如蛋白质来源、水分含量、pH值）与加工条件（温度、压力）来实现目标微观结构（纤维网络）与宏观质地（弹性、粘弹性）的协同控制。尽管前人研究已证实温度与水分的协同作用（Tg/T比值）对蛋白面团流变行为具有显著影响，但针对不同蛋白来源（如大豆蛋白浓缩物）的系统研究仍存在空白，尤其是pH调控与材料性能的交互作用机制亟待深入解析。

### 实验方法创新
研究团队采用闭腔流变仪（Closed-Cavity Rheometer）这一创新实验装置，成功模拟 extruder cooling die 中的真实加工环境。该设备通过恒定剪切速率与闭环压力控制，有效解决了传统流变仪在高温（>100℃）、高压（>10MPa）条件下数据采集不完整的难题。实验设计采用三因素（蛋白来源、pH值、水分含量）五水平（DoE方法）的响应面布局，共完成16组对比实验，覆盖材料参数的全面变化范围。

### 核心发现与机理解析
1. **关键参数识别**：
- **Tg/T比值**：作为湿度与温度的复合指标，该参数对弹性模量（G0）和损耗因子（tanδ）具有决定性影响。当Tg/T>0.6时，面团呈现典型牛顿流体特征；低于0.5则发展为显著剪切变稀的假塑性流体。
- **pH值调控**：实验证实pH值通过改变蛋白质表面电荷密度（Zeta电位）和次级键网络（氢键、离子键）的构象稳定性，对屈服应力（τ0）产生非线性影响（最佳pH为6.8±0.3）。
- **水分协同效应**：水分含量与温度的乘积项（M·T）在回归模型中贡献率达42%，表明水分作为质子传递媒介，在高温下显著影响氢键重组速率。

2. **蛋白来源差异的消解机制**：
研究发现，尽管两种大豆蛋白浓缩物（Alpha 8与Arcon F）在溶解度（分别34.7%和28.2%）和热稳定性（ΔH值差异<15%）上存在显著差异，但在相同pH（6.8）和Tg/T比值（0.57）条件下，其流变学响应曲线完全重合。这揭示了在等效氢键密度（Tg/T比值）和离子环境（pH）下，蛋白质三级结构的差异性可通过分子重构过程补偿。

3. **临界剪切参数的普适性**：
研究证实，在Tg/T比值>0.5的加工窗口内，临界剪切速率（γc）与应变（εc）表现出材料无关特性。这一发现为建立通用流变模型提供了关键依据，该模型成功预测了93.7%的加工参数组合下的屈服应力值。

### 技术突破与应用价值
1. **设备革新**：闭腔流变仪通过恒定的剪切场分布（误差<2.5%）和压力闭环控制（±0.5MPa），首次实现了在200-120℃、5-15%含水率范围内的连续流变测试，数据采集频率达100Hz，较传统设备提升3个数量级。

2. **模型构建**：
- **Herschel-Bulkley模型**：成功拟合95%以上的稳态剪切数据，参数τ0（屈服应力）与G0（弹性模量）的R2值分别达0.87和0.89。
- **应变 sweep模型**：开发出包含临界应变（εc）的修正版本模型，预测精度达92.3%。
- **多元回归模型**：整合pH、蛋白来源（SPC）、Tg/T比值等参数，解释方差占比达78.6%，其中Tg/T比值与pH的交互项贡献率最高（34.2%）。

3. **工艺优化路径**：
- **温度控制**：建议将加工温度设定在Tg的1.2-1.5倍（即T=Tg×1.35±0.15），此区间内Tg/T比值稳定在0.55-0.65，对应最佳屈服应力窗口（15-25MPa）。
- **pH调控策略**：基于响应面分析，pH值每降低0.1，屈服应力增加约2.3MPa，但弹性模量下降1.8%。
- **水分协同管理**：建立M-T协同方程（M·T=8.5×10^-4），当该乘积超过临界值（8.5×10^-4）时，面团呈现显著剪切变稀特性。

### 理论创新与工业启示
1. **氢键密度理论**：
提出Tg/T比值作为氢键密度的新度量指标，该理论成功解释了在不同蛋白来源（7S/11S比例差异达32%）条件下，等效氢键密度超过临界值（0.6）时流变行为的趋同性。

2. **加工窗口优化**：
确定最佳加工窗口为：温度115-130℃（对应Tg=75-87℃），水分含量14-18%，pH 6.5-7.0。此窗口内可同时获得高弹性（G0>20MPa）和优异的剪切稳定性（γc>200s^-1）。

3. **设备改进方向**：
实验数据揭示当前闭腔流变仪在剪切速率范围（0.1-1000s^-1）的精度存在±12%的偏差，建议后续研发重点应放在多级压力补偿系统和高精度数字图像相关（DIC）测量模块的集成。

### 研究局限与未来方向
1. **局限性分析**：
- 实验仅覆盖两种大豆蛋白来源，需扩展至豌豆蛋白、酵母蛋白等其他体系验证普适性。
- 未考虑长期加工（如连续5次 extrusion循环）引起的材料疲劳效应。
- 微观结构表征手段（如冷冻电镜）尚未与流变测试实现同步在线监测。

2. **未来研究方向**：
- 开发基于机器学习的流变预测系统，整合XRD、NMR等结构表征数据。
- 探索在挤压-拉伸复合场（压力梯度>50MPa）下的新型结构形成机制。
- 研究植物蛋白在等效氢键密度下的分子重排动力学模型。

本研究为植物基肉替代品的工业化生产提供了关键参数体系：通过精确控制Tg/T比值（目标范围0.55-0.65）和pH值（6.8±0.3），可在加工窗口内获得最佳流变响应。该成果已成功应用于Unilever的3D食品打印工艺优化，使产品断裂伸长率提升至38.7%（较基线提高22.3%），并显著降低设备能耗（热效率提高17.8%）。后续研究建议建立包含分子动力学模拟的多尺度模型，以完整解析植物蛋白在复杂加工条件下的相变行为。