蚕豆蛋白浓缩物与黄粉虫蛋白粉共挤压高水分挤出物的工艺优化及其理化与加工功能特性研究

《Future Foods》：High moisture extrudates of faba bean and mealworm ( Tenebrio molitor) protein blends: effects of processing conditions on physicochemical and techno-functional properties

　　

昆虫源蛋白作为一种新兴且可持续的解决方案，正被用于改善植物基肉类替代品的质地和营养特性。本研究旨在评估高水分挤压加工（high moisture extrusion processing, HMEP）条件——即昆虫蛋白粉浓度、加水量和进料速率——对由蚕豆蛋白浓缩物（faba bean protein concentrate, FBPC）和黄粉虫（Tenebrio molitor）蛋白粉混合物制得的高水分挤出物（high moisture extrudates, HMEs）理化特性和加工功能特性的影响。研究人员采用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）实验设计，考察了配方（即昆虫蛋白粉与FBPC的不同比例及加水量）和HMEP条件（即进料速率）对所获HMEs理化特性（组成、颜色、外观及微观结构）和加工功能特性（质地、流变学、蒸煮损失及持水性）的影响。少量昆虫蛋白（3.35%–15%）与低加水量（47%–48.2%）的组合改善了基于FBPC的HMEs的质地和营养特性。相反，较高的昆虫蛋白添加量（>15%）会导致产品颜色加深并削弱纤维排列，形成较弱的组织结构。此外，较高的加水量（56%–58%）会产生更多孔洞的微观结构，导致质地更软和各向异性降低，从而使其更不像肉。这些发现为昆虫源成分的加工功能特性提供了新的见解，阐明了HMEP和配方如何影响肉类替代品。总体而言，这些结果突显了蚕豆与黄粉虫蛋白混合物作为可持续替代原料以满足对高蛋白食品日益增长需求的潜力。

研究背景与目的

随着全球人口快速增长，预计到2050年，对肉类和蛋白质的需求将增加50%至70%，这对传统畜牧业带来了巨大的环境压力，包括温室气体排放、水资源消耗和土地退化等问题。因此，寻找资源效率更高的替代蛋白来源成为研究热点，包括油籽、豆类、谷物、真菌、细菌、昆虫和藻类等。其中，高水分挤压加工（HMEP）是将替代蛋白转化为具有纤维状类肉结构的肉类似物的关键技术之一。蚕豆蛋白浓缩物（FBPC）因其优良的加工功能特性而被广泛关注，但其氨基酸组成缺乏组氨酸和色氨酸。相比之下，昆虫蛋白如黄粉虫（Tenebrio molitor）具有更全面的氨基酸谱，甚至可与肉类媲美，但在西方社会因文化接受度问题尚未普及。此前已有研究探索了HMEP条件对纯FBPC挤出物特性的影响，但尚无研究将FBPC与黄粉虫粉结合进行HME的开发。因此，本研究旨在系统评估HMEP条件（昆虫蛋白含量、加水量和进料速率）对FBPC和黄粉虫蛋白粉混合所得HMEs理化特性和加工功能特性的影响，为开发可持续、高蛋白的肉类替代品提供理论依据。

研究方法概述

研究人员采用响应面法（RSM）中的中心复合设计（Central Composite Design, CCD），设置了16种不同的工艺条件组合（每种重复三次，共48次实验）。变量包括昆虫蛋白（IP）占总蛋白的比例（0%–30%）、加水量（47%–58%）和进料速率（12–20 g/min）。挤压过程使用Process 11双螺杆挤出机，螺杆转速固定为400 rpm，机筒温度从40°C升至155°C，冷却模具温度为40°C。对获得的HMEs进行了系统的理化特性和加工功能特性表征，包括水分含量、颜色参数（CIE Lab*）、质地剖面分析（Warner-Bratzler剪切测试，计算各向异性指数AI）、蒸煮损失（CL）和持水性（WHC）、流变学特性（振幅扫描测定储能模量G'和损耗模量G''）以及宏观和微观结构观察（放大镜和扫描电子显微镜SEM）。数据通过标准最小二乘法进行线性回归建模，并使用主成分分析（PCA）进行多变量模式分析。

研究结果

3.1 原材料的理化特性

原材料分析显示，FBPC呈中性米色，亮度高（L=92.24），而昆虫蛋白粉（IPF）呈深棕色，亮度显著较低（L=44.10）。两者水分活度均低于0.6，pH值接近中性。IPF的蛋白质（58.45%）和脂肪（9.10%）含量高于FBPC（分别为54.43%和3.55%），而FBPC的碳水化合物含量（28.29%）高于IPF（20.20%）。灰分方面，FBPC略高（5.64% vs. 4.02%）。

3.2 HMEs的理化特性

水分含量随加水量增加而显著升高（从52.68%升至62.13%），加水量是最显著的影响因素（P<0.0001），进料速率也有一定影响（P=0.0041），而IP含量无显著影响。颜色方面，IP含量的增加导致HMEs亮度（L）几乎线性下降（从58.7降至42.13），红色分量（a）增加，黄色分量（b*）减少。IP含量和加水量均对颜色参数有极显著影响（P<0.0001），而进料速率无显著影响。预测模型解释了超过90%的颜色变化。

3.3 HMEs的加工功能特性

质地特性方面，低加水量（47.0%–48.2%）的样品（如HME2、HME3、HME6、HME12、HME13）表现出最高的剪切力值（F_T和F_L）和咀嚼性（A_T和A_L），而高加水量（56.8%–58.0%）的样品则数值最低。低IP含量（3.35%–15%）与低加水量组合提高了切割力，而高IP和高水含量则降低了硬度和纤维结构质量。各向异性指数（AI）范围在0.70至1.47之间，低加水量样品具有更高的AI值（表明更好的纤维取向），而高加水量样品AI值较低（<1），结构更均匀。IP含量和加水量对质地参数有显著影响，而进料速率不显著。蒸煮损失（CL）模型不显著。持水性（WHC）范围为84.3%–88.8%，模型显著（P<0.0001），进料速率及其与IP和加水量的交互作用对WHC有显著影响。

3.4 HMEs的流变学特性

所有HMEs均表现出典型的粘弹性行为，储能模量（G'）始终大于损耗模量（G''）。加水量是影响流变参数的最主要因素：高加水量（58%）的样品（HME11）G'和G''值最低（85.59 kPa和15.37 kPa），但达到交叉点（G'=G''）所需的应变（γ）最高（6.59%）；低加水量样品则G'值更高（高达244.97 kPa），所需应变更低（<2%）。IP含量对流变参数无显著影响，但对达到tan δ=1的应变有显著影响（P<0.05）。

总结与讨论

研究表明，少量昆虫蛋白（3.35%–15%）与低加水量（47%–48.2%）的组合能够同时改善基于蚕豆蛋白浓缩物的高水分挤出物的质地和营养特性，获得更高的各向异性和硬度，更接近肉类的纤维结构。然而，过高的昆虫蛋白添加量（>15%）会导致颜色加深、纤维排列受损和结构弱化，这可能归因于昆虫外骨骼中几丁质的存在阻碍了蛋白质分子的解折叠和定向排列。同样，过高的加水量（56%–58%）会形成多孔微观结构，导致质地柔软和各向异性降低，从而偏离理想的类肉质感。流变学结果进一步证实了加水量对挤出物刚性和弹性的主导作用。研究结论指出，蚕豆蛋白与黄粉虫蛋白的混合物具有作为可持续高蛋白食品原料的潜力，通过优化HMEP条件可以实现兼具良好质地和营养价值的肉类替代品。