文丘里插入件可增强小麦蛋白在低水分挤出加工过程中的质地化效果

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Venturi insert enhances the texturization of wheat protein during low-moisture extrusion processing

　　

摘要

纤维化是将富含蛋白质的粉末转化为一种坚实、有嚼劲、略带弹性的产品，即纤维化植物蛋白（TVP）。本研究采用了一种定制的文丘里插入件（50.5 × 3.75 mm）（长度 × 收口直径），用于增强植物蛋白的纤维化效果，以开发更优质的TVP。将小麦蛋白分离物和淀粉以70:30的比例混合，在27%的水分含量下，通过改变模具、螺杆转速和进料速率进行挤压。结果表明，使用文丘里插入件显著地（p ≤ 0.05）提高了熔融压力（2倍）和比机械能。TVP的宏观形态显示，在较高螺杆转速（400 rpm）下使用文丘里插入件时出现了熔体破裂。膨胀率、粒度和孔隙率分别在1.9至3.0、0.21至0.44 g/cm³和39%至69%之间。二硫键显著减少（p ≤ 0.05），从36.41降至25.9 μM/g（使用文丘里插入件），从33.7降至26.2 μM/g（不使用文丘里插入件），当螺杆转速在75 g/min进料速率下从200增加到400 rpm时。复水比在239%至335%之间，总可溶物低于6.7%。此外，使用文丘里插入件模具生产的TVP展现出增强的质地特性，硬度显著更高（p ≤ 0.05）。扫描电子显微镜显示文丘里TVP中存在微观结构排列。文丘里插入件改善了熔融状态下蛋白链的排列，从而增强了质地特性。本文提出了一种新模型，以更好地理解有/无文丘里插入件时模具中蛋白熔体流动与链排列之间的差异。

引言

植物蛋白的纤维化是一个复杂的过程。它将富含蛋白质的粉末转化为一种坚实、有嚼劲、略带弹性的质地，称为纤维化植物蛋白（TVP）。低水分挤压（LME）技术（通常水分含量低于40%）通过将富含蛋白质的粉末（至少60-70%蛋白）进行挤压来生产TVP（Ek & Ganjyal, 2020; Riaz, 2011）。挤压技术将各种单元操作，包括混合、揉捏、剪切和压缩，结合为一个过程（Ganjyal, 2020）。挤压过程中的高剪切力、高温和高压使球状植物蛋白通过蛋白质构象变化转化为纤维结构。在挤压过程中，首先植物蛋白的球状结构展开，从而暴露出隐藏的疏水位点。随后，蛋白分子由于疏水相互作用、氢键和二硫键的变化而发生缔合、聚集或降解，当它们通过挤出机筒体移动时。这种高温高压熔体离开模具后，通过闪蒸水分蒸发膨胀，并得到蛋白质交联的支撑（Chen, Wei, & Zhang, 2011; Zhang et al., 2019; Richter, Smith, Saunders, Finnie, & Ganjyal, 2024; Richter et al., 2024）。从富含蛋白质的粉末到纤维化产品的这一转化过程被称为纤维化。

通常，TVP用于生产各种植物基肉类模拟品，如饼、肉丸、香肠和鸡块（Baune, Terjung, Tülbek, & Boukid, 2022）。它们需要在水中复水或腌制以开发更浓郁的肉味，然后才能用于上述食品产品。复水后的TVP与其他功能性成分，如粘合剂、色素和调味料混合形成面团，然后烹饪、包衣并成型为上述产品（Kinney, Weston, & Bauman, 2019）。此外，制造商经常使用TVP作为肉类延伸剂，以部分替代高价值的肉类，而不影响质地和感官特性（Broucke et al., 2022; Yeater, Casco, Miller, & Alvarado, 2017）。另外，为了改善低价值机械脱骨肉质的纤维质地，通常将TVP混合其中（McMindes, Mueller, Orcutt, Altemueller, & Godinez, 2014）。

将蛋白熔体沿挤压方向排列是开发类似肉类纤维结构的前提。在高水分挤压（HME）中，这是通过使用连接在挤出机筒体末端的长冷却模具来实现的。热的蛋白熔体沿流动方向缓慢冷却，使蛋白纤维得以排列（Wagner et al., 2024）。因此，高水分肉类模拟品（HMMA）的纤维结构更类似于动物肉。然而，这些高水分（约50-60%）HMMA产品在运输和储存过程中需要冷藏或冷冻以防止细菌腐败。相比之下，LME过程由于模具较短而缺乏这种熔体蛋白排列。因此，要开发更纤维化的产品，需要LME过程的创新。

以往关于TVP的研究只集中于将不同原料组合的方法，如绿豆蛋白和小麦面筋（Guo et al., 2024）；菜籽蛋白和大豆蛋白（Zhang et al., 2024）；米蛋白和大豆蛋白（Lee, Oh, Choi, Yoon, & Han, 2022），对熔体流动排列没有显著的了解。Dinali et al. (2026) 使用未充分利用的豆科面粉，包括绿豆、黑眼豆和大豆，来生产TVP用于未来的植物基肉类应用。Pennells, Trigona, Patel, and Ying (2024) 研究了干热预处理对大豆、鹰嘴豆和豌豆蛋白原料功能性的影响，用于TVP生产。do Carmo et al. (2023) 报告称，进料速率和水分含量对由蚕豆蛋白浓缩物和燕麦β-葡聚糖富集组分生产的TVP影响最大。此外，Yang et al. (2023) 表明，在LME过程中生产大豆蛋白TVP时的机械能输入影响其气室腔结构和豆腥味化合物的去除。在LME加工过程中使用文丘里插入件可能是使蛋白熔体流动沿较短模具方向排列的一种策略。文丘里的概念在塑料挤压中广泛使用（Rungruangsuparat, Patcharaphun, & Sombatsompop, 2017）。然而，在食品挤压中，特别是LME中，其使用和应用在文献中的报告有限。Ikuse, Marchus, Schiele, and Ganjyal (2024) 报告使用文丘里对植物蛋白进行纤维化处理，并使用TVP作为细胞培养的支架。然而，他们并没有关注纤维化过程的机制和文丘里插入件的作用。同样，Webb, Dogan, Li, and Alavi (2023) 的研究提到了在挤压加工过程中使用文丘里插入件。但作者们没有讨论其效果，也没有提供任何使用它的具体原因。

因此，在本研究中，我们使用了定制设计的文丘里插入件安装在模具内，以排列熔体流动。实验中监测了挤压系统的参数。对挤出物进行了理化性质和宏观形态的表征。还分析了挤出物的水合特性和质地属性。根据结果，我们提出了一个模型来描述LME过程中蛋白熔体流动排列，以增强TVP的质地特性。

章节摘要

材料与混合料制备

小麦蛋白分离物（Arise? 8000）和小麦淀粉（MIDSOL? 50）由美国堪萨斯州阿奇森市的MGP Ingredients Inc.提供。小麦蛋白分离物的蛋白质含量为82%，使用Elementar Rapid Max N exceed仪器（Elementar Analysensysteme GmbH, Langenselbold, 德国）以5.8 N₂转换因子进行测定。

对于挤压加工，将小麦蛋白和小麦淀粉以70:30的比例混合，并在桨式混合器（型号A-200, The）中将初始水分含量调节至10%。

挤压系统参数

图2 (a)和(b)分别显示了受不同加工变量影响的挤压系统参数，即熔融压力（MP）和比机械能（SME）。如图2 (a)所示，使用文丘里插入件的挤出物的MP显著（p ≤ 0.05）高于不使用文丘里插入件的挤出物。使用文丘里插入件的挤出物的MP约为不使用文丘里插入件的挤出物的两倍。这种更高的熔融压力是由于模具中文丘里插入件对熔体流动提供的增加阻力所致。在

结论

证明了使用文丘里插入件进行蛋白熔体流动排列对TVP的物理、结构和质地特性的重要性。文丘里插入件影响挤压系统参数，如熔融压力和SME值。挤压过程中生物聚合物的熔体流动决定了TVP的宏观结构。在较高的转速下，在TVP中观察到熔体破裂等有趣的流动现象，表明使用文丘里插入件时操作窗口较窄。一些

资金与致谢

本研究得到了美国农业部国家食品与农业研究所资助，Grant #2022-67017-36596，Hatch项目编号1016366，以及好食品研究所（GFI）资助，Grant #23-PB-US-FC-1-644_Ganjyal。感谢MGP Ingredients Inc.提供小麦蛋白和小麦淀粉。作者感谢Joshua Bernin、Steven Verver和Aniket Kamboj对挤压试验提供的协助。作者感谢Franceschi显微成像中心（FMIC）的

CRediT作者贡献声明

Sahil Nain：撰写 – 原稿，可视化，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Girish M. Ganjyal：撰写 – 审阅与编辑，可视化，监督，资源，项目管理，方法学，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的相互冲突的经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文中报告的工作。

Sahil Nain|Girish M. Ganjyal

华盛顿州立大学食品科学学院，美国华盛顿州普尔曼市，99164