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在植物蛋白替代动物肉的研究中，为探究 pH 调控对大豆蛋白浓缩物（SPC）高湿挤压（HME）物多尺度各向异性结构的影响，研究人员开展相关研究。结果表明，pH 调控有非单调影响，且各向异性结构形成与挤出机有关。这为控制植物蛋白结构提供依据。
在许多西方国家，人们的饮食正逐渐从以动物肉为主转向以植物性食物为主。植物蛋白在食品领域的应用愈发重要，其中高湿挤压（HME）技术可将植物蛋白加工成具有纤维质感的产品，有望替代动物肉。然而，要复制动物肉中高度分层结构组织所带来的独特质地属性并非易事。目前，虽然有描述相关过程的模型，但大多缺乏定量实验验证。同时，控制植物蛋白挤出物纤维结构的形成面临诸多挑战，例如蛋白质成分的选择以及加工条件的优化等。在这样的背景下，为了深入探究如何更好地控制植物蛋白挤出物的结构和质地，来自多个国外研究机构的研究人员开展了关于 pH 调控对大豆蛋白浓缩物（SPC）高湿挤压物多尺度各向异性结构影响的研究。该研究成果发表在《Food Hydrocolloids》上，对于推动植物蛋白在食品工业中的应用具有重要意义。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：通过差示扫描量热法（DSC）和广角 X 射线衍射测量（WAXD）对 SPC 的结构进行表征；利用蛋白质溶解度和 zeta 电位的测定，分析蛋白质在不同 pH 条件下的性质变化；采用高湿挤压技术，在不同 pH 条件下制备 SPC 挤出物；运用硬度测量、漫反射（DR）、蛋白质提取率测定、磁共振成像（MRI）以及小角中子散射（SANS）和（超）小角 X 射线散射（(U) SAXS）等多种手段，对挤出物的多尺度结构进行全面分析。
研究结果
- SPC 的表征：DSC 测量发现，80% 湿度下的 SPC 未检测到变性焓，而未水化的 SPC 有变性焓，表明存在残留二级结构，WAXD 测量证实了 β - 片层结构的存在。SPC 的溶解度和 zeta 电位随 pH 变化，在 pH 4 时，溶解度低，zeta 电位约为零，低于大豆蛋白的等电点（pI），这归因于细胞壁多糖的存在。在 pH > pI 时，zeta 电位降低，净负表面电荷和溶解度增加。
- pH 对多尺度各向异性结构形成的影响
- 硬度和结构各向异性：在 pH 接近 pI（约 4.2）时，硬度和结构各向异性指数（AI (DR)）较低，此时形成的网络较弱且缺乏各向异性纤维结构。在 pH > pI 时，硬度和 AI (DR) 值增加，分别在 pH 约 6.5 和 pH 约 5.4 达到最佳值，对应蛋白质聚集从颗粒状转变为纤维状。pH 继续升高，硬度和 AI (DR) 值下降，蛋白质网络减弱。磁共振成像（MRI）图像显示，在 pH 约 5.4 - 6.5 时，出现并发展出层状相分离结构，与硬度和 AI (DR) 的变化趋势一致。蛋白质提取率实验表明，pH 调控对共价和非共价交联的蛋白质含量无影响。
- 亚微米尺度结构秩序：SANS 测量显示，pH 调控时，相关长度先在酸性条件下降低，然后在碱性 pH 值达到稳定，中心 - 中心距离随 pH 增加而增加，这与蛋白质的 zeta 电位和溶解度趋势相关。聚类强度和向列序参数呈现非单调变化，在最佳 pH 时，向列序参数较高，表明存在沿挤出方向的纤维排列。在酸性条件下，聚类强度低，形成颗粒状聚集体；在碱性条件下，由于静电排斥，形成的纤维状聚集体相互作用弱，无法形成紧密网络。(U) SAXS 数据进一步证实了不同 pH 条件下蛋白质聚集行为的变化。
- 挤出条件和 pH 调控的相互作用：通过调整水的酸碱度在实验室规模的高湿挤压机中对 SPC 面团进行 pH 调控时，蛋白质结构和聚集状态无法达到平衡。不同规模的挤出机中，pH 对 AI (DR) 的影响不同，实验室规模挤出机和中试规模挤出机的结果差异表明，各向异性结构的形成取决于 pH 调控和挤出条件的复杂相互作用，通过水的 pH 调控来控制各向异性结构的形成具有挤出机特异性。
研究结论与讨论
本研究揭示了通过水的 pH 调控对 SPC 高湿挤压物硬度的非单调影响背后的多尺度结构变化。pH 调控对亚毫米和微米尺度的各向异性结构均有非单调影响，SANS 和 SAXS 数据表明，在 pH > pI 时，蛋白质纳米聚集体的半径单调增加，同时发生从颗粒状到纤维状的聚集转变。当 pH 进一步转变为碱性条件时，聚类强度和向列序参数的降低分别表明纤维内和纤维间排斥增加。蛋白质提取率实验表明，pH 调控对各向异性结构形成的影响并非归因于共价分子间交联。因此，排斥性非共价静电蛋白质 - 蛋白质相互作用在 SPC 挤出过程中多尺度各向异性结构的形成中起主导作用。通过调节 pH，使纤维状纳米聚集体聚类和静电排斥之间达到平衡，能够实现最佳的各向异性 SPC 挤出物结构，但这种最佳条件依赖于挤出机。这一研究结果表明，通过水的 pH 调控是一种具有工业可扩展性的技术，但在实际应用中需要根据挤出机的具体条件进行优化，为植物蛋白在食品工业中的应用提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动植物蛋白基食品的发展，满足人们对健康、可持续食品的需求。
