结构调控与理化性质调节：Coprinus comatus副产物调控大豆分离蛋白在高水分挤压中结构-功能关系的研究

《Food Chemistry: X》：Structure modulation and physicochemical regulation: study on the structure-function relationship of soy protein isolate regulated by Coprinus comatus by-products in high-moisture extrusion

　　

高水分挤压（high-moisture extrusion）是将植物蛋白组织化为纤维状肉类替代品的有效技术。本研究探讨了Coprinus comatus副产物对高水分挤压过程中大豆分离蛋白（soy protein isolate, SPI）构象重排和理化性质的调控机制。在添加量≤20%时，副产物引导SPI分子排列和有序聚集，促进β-折叠（β-sheet）形成，增强挤出物中的纤维形成，并改善弹性和咀嚼性。相比之下，添加量≥30%则诱导过度相分离和空间位阻，破坏蛋白质基质连续性，导致纤维结构断裂、质地变硬和变色。机理分析表明，副产物通过调节系统流变行为、抑制随机蛋白质聚集、引导多肽链沿剪切方向组装以及优化水分分布，促进了有序、稳定纤维结构的形成。该工作为Coprinus comatus副产物的高值化利用以及植物基蛋白产品中纤维结构的调控提供了理论依据。

**研究背景与问题**
随着全球肉类消费持续增长，联合国粮食及农业组织（FAO）预测，到2050年全球肉类供应将面临约1亿吨的缺口。以植物蛋白为主要原料开发具有与动物肉类似感官特性的替代产品，成为缓解传统肉类过度消费的重要策略。大豆分离蛋白（soy protein isolate, SPI）是一种含量超过90%的完全蛋白，其氨基酸组成与人体接近，但其主要组分7S和11S球蛋白的紧密球状构象限制了功能表现和应用。因此，需要采用加工技术诱导天然球状SPI展开、重排和交联，构建类似动物肉的纤维结构，改善质构和功能性质。高水分挤压（high-moisture extrusion, HME）技术是工业化生产植物基肉的重要技术途径，能促进蛋白质分子重组并实现充分交联，高效构建类肉纤维结构。然而，仅由植物蛋白制备的HME挤出物在质构和结构上仍远逊于真实动物肉。尽管工艺参数可调控结构形成，但研究结果常受限于特定设备设计，阻碍从实验室向工业规模的转化。因此，引入外源添加剂以调控蛋白质聚集模式、增强持水能力、改善脂肪分布和促进风味释放，成为优化植物基肉制品质量的关键突破口。近年来，食用菌因其高蛋白含量、膳食纤维和天然类肉纤维质地，在植物基肉类似物开发中受到越来越多的研究关注。目前，商业蘑菇品种如平菇（Pleurotus ostreatus）、香菇（Lentinula edodes）、双孢蘑菇（Agaricus bisporus）和杏鲍菇（Pleurotus eryngii）已被广泛用于植物基香肠、鸡块和肉饼中，以实现动物肉的完全或部分替代。在HME条件下，食用菌改性植物蛋白系统的研究已有报道，例如Gao等人（2025）发现，在SPI基HME中，猴头菇（Hericium erinaceus）粉末适度添加（20%）可增强纤维生成，过量添加则导致品质劣化；Wang等人（2026）显示，银耳纤维促进有序大豆蛋白结构并改善挤出物弹性和各向异性。这些研究证实了食用菌组分对SPI在挤出过程中纤维结构形成的正向调节作用。然而，现有研究大多集中于完整的商品子实体（如猴头菇）或特定副产物的单一膳食纤维组分（如银耳茎），而对食用菌加工副产物本身的直接利用关注较少。事实上，这些副产物是低成本原料，其直接利用具有降低植物基肉生产成本的潜力。鸡腿菇（Coprinus comatus）富含蛋白质、多糖、必需氨基酸及多种生物活性成分，其细胞壁中的几丁质赋予最终产品天然类肉咀嚼质地。在加工过程中，不符合商业外观标准的鸡腿菇子实体常被作为副产物丢弃，但其营养价值与正常子实体相近。据统计，丢弃的食用菌副产物约占食用菌总产量的20%，造成重大经济损失。目前此类副产物主要用作栽培基质或饲料，其高值化利用研究有限。研究表明，HME原料中的多糖成分可在微观尺度上改善蛋白质纤维网络。此外，已有研究提出利用鸡腿菇蛋白组分开发食品添加剂或素食替代品。鉴于鸡腿菇副产物中生物活性成分的丰富性，其与SPI共挤出有望协同改善高水分挤出物的质量和营养价值，同时为鸡腿菇副产物的高值化高效利用提供重要方向。

**研究内容、结论与意义**
基于上述背景，研究人员通过高水分挤压技术制备了鸡腿菇副产物（Coprinus comatus by-products, CC）-大豆分离蛋白（SPI）挤出物。预期CC中富含的膳食纤维、多糖等生物活性成分可在挤出过程中与SPI相互作用，引导蛋白质分子有序排列，从而改善挤出物的纤维结构和质构特性。为验证这一假设，研究人员系统研究了CC添加量对SPI结构重排规律的影响，并分析了其对挤出物理化性质的调控作用。结果表明，在添加量≤20%时，CC中的多糖和膳食纤维与SPI相互作用，引导有序蛋白质网络组装，改善纤维结构，显著增强产品硬度和咀嚼性。流变分析显示，CC降低了表观粘度和模量，削弱了蛋白质凝胶网络，促进了分子链在剪切场中的拉伸和取向。分子分析证实，β-折叠（β-sheet）含量增加，蛋白质二级结构有序性增强，分子间疏水相互作用占主导地位。此外，CC通过将自由水转化为不易流动水（immobile water）优化了水分分布，从而提升多汁性和质构稳定性。然而，过量CC（≥30%）产生空间位阻，破坏SPI基质连续性，导致纤维结构断裂、硬度增加、弹性降低，并加剧美拉德反应（Maillard reaction），使颜色变暗，可能损害高温结构稳定性。该研究为CC的高值化利用和植物基蛋白产品中纤维结构的调控提供了理论依据，论文发表在《Food Chemistry: X》。

**主要技术方法**
研究人员采用高水分挤压技术（HME）制备样品，SPI（蛋白含量≥90 wt%）购自山东禹王生态食品有限公司，CC由古田富佳食用菌专业合作社（福建宁德）提供，其干基含可溶性膳食纤维13.90±0.26 g/100g、不溶性膳食纤维58.47±1.46 g/100g等。主要关键技术包括：流变学测试（稳态剪切、动态频率扫描和温度扫描）表征粘弹性行为；宏观结构观察（数码相机拍照）和微观结构观察（扫描电子显微镜，SEM）分析纤维形貌；颜色分析（CIE L^*a^*b^*）评估色泽；质构剖面分析（TPA）测定硬度、弹性、咀嚼性和纤维化程度（质地取向指数）；傅里叶变换红外光谱（FTIR）对酰胺I带（1600-1700 cm^-1）进行高斯去卷积和二阶导数处理，计算蛋白质二级结构含量；X射线衍射（XRD）分析结晶度；分子间作用力测定（通过不同溶剂提取计算离子键、氢键、疏水相互作用和二硫键含量）；热重分析（TGA）评价热稳定性；低场核磁共振（LF-NMR）及磁共振成像（MRI）分析水分分布状态。

**研究结果**
**3.1 挤出工艺参数**：随着CC添加量从0%增至40%，模头压力、扭矩和比机械能（specific mechanical energy, SME）均逐渐降低。CC添加降低熔体粘度并润滑物料，减少了摩擦和内部耗散，降低能耗，但添加量≥30%时SME显著下降，提示机械能输入不足可能导致蛋白质展开和交联不充分，影响挤出物质量。

**3.2 流变学**：所有样品呈现剪切变稀行为。CC添加降低表观粘度，归因于可溶性膳食纤维竞争水分和分散的多糖组分促进分子链相对滑动。动态频率扫描显示，储能模量（G^′）始终大于损耗模量（G^″）（tanδ<1），呈类固体弹性行为；CC添加使G^′和G^″系统性降低，30%添加时降幅最显著，说明不溶性膳食纤维的物理填充破坏了SPI凝胶网络，削弱了交联能力，但凝胶能力降低有利于蛋白质分子在挤出过程中展开和排列。温度扫描表明，CC组分使蛋白质颗粒内部结构更致密，阻碍热诱导展开和交联，但冷却阶段CC组模量下降较缓，表明网络稳定性更好。

**3.3 挤出物结构观察**：宏观结构显示，纯SPI挤出物纤维弱而短；10%-20%CC添加时形成沿挤出方向有序的长条状纤维，分层结构清晰致密，归因于CC作为第二相形成不相容两相体系抑制横向聚集，以及多糖和膳食纤维通过氢键和疏水相互作用引导分子取向。30%-40%CC添加时，不溶性膳食纤维的显著空间位阻破坏蛋白质网络连续性，纤维形态变细、结构连续性下降。微观结构（SEM）与宏观结果一致：10%CC出现沿挤出方向的细纹和孔洞，20%CC呈现明显纤维取向，30%-40%CC纤维连续性显著降低，表面粗糙度增加。

**3.4 颜色分析**：10%CC添加时，亮度L^*、红绿值a^*和蓝黄值b^*显著升高，色差ΔE^*显著降低，因多孔结构增强光散射及弱化美拉德反应；20%CC时亮度仍高于对照组。30%-40%CC时，L^*、a^*、b^*显著降低，ΔE^*显著升高，因CC本身灰白色素及过量的还原糖和氨基酸促进美拉德反应和焦糖化反应，生成暗色聚合物。

**3.5 质构剖面分析（TPA）**：CC添加量增至30%时，硬度、咀嚼性、胶粘性和纤维化程度均上升，归因于不溶性膳食纤维的物理填充和竞争性吸水增强网络强度，同时诱导热力学不相容相分离促进各向异性纤维结构。40%添加时，硬度和咀嚼性继续增加，但纤维化程度和弹性下降，因过量不溶性膳食纤维的空间位阻破坏蛋白质基质连续性，阻碍纤维取向和网络弹性。

**3.6 傅里叶变换红外光谱（FTIR）**：CC添加后，3300 cm^-1（OH和NH伸缩振动）和2930 cm^-1（CH伸缩）强度增强，酰胺I和酰胺II带蓝移，表明氢键和疏水相互作用主导CC-SPI相互作用。二级结构定量分析显示，有序结构（β-折叠和α-螺旋）比例先升后降，10%CC添加时有序结构比例达55.04%，β-折叠含量从29.64%升至35.45%，反映蛋白质网络稳定性和刚性增强。

**3.7 X射线衍射（XRD）**：所有样品在2θ≈13.5°和19.5°处有衍射峰。CC添加使衍射峰宽化，相对结晶度从18.35%降至12.51%（P<0.05），表明CC中无定形成分与SPI分子间相互作用扰乱蛋白质链有序排列，降低结晶度，增强分子链柔性，有利于沿剪切方向取向。

**3.8 分子间作用力**：CC添加持续增强疏水相互作用，逐渐降低二硫键含量，氢键先增后减（30%CC时最大）。疏水相互作用主导蛋白质聚集和纤维取向，氢键增强网络稳定性和质构特性，多种分子间作用力共同促进纤维结构形成。

**3.9 热重分析（TGA）**：低温阶段（50-200°C），CC添加降低失重率，最大失重率温度向高温偏移（10%CC最显著），改善低温热稳定性；高温阶段（200-800°C），最大失重率温度随CC比例升高而提前，表明不溶性膳食纤维干扰网络均匀性，多糖组分易热降解，降低高温热稳定性。

**3.10 低场核磁共振（LF-NMR）**：挤出物水分以不易流动水（immobile water）为主。10%CC添加时，结合水比例A₂₁降低，不易流动水比例A₂₂增加，因多糖和膳食纤维填充网络微隙，增强物理持水能力；20%CC时，蛋白质-多糖相互作用进一步形成氢键，将自由水转化为不易流动水和结合水；超过20%CC时，过多多糖破坏网络连续性，自由水比例略有回升。MRI显示10%-20%CC添加时红色区域（高H质子密度）更亮，表明水分保留更多，与水分分布定量分析一致。

**总结与讨论**
本研究系统揭示了鸡腿菇副产物（CC）对高水分挤压条件下大豆分离蛋白（SPI）挤出物结构和理化性质的调控机制。研究表明，适量CC（≤20%）作为结构促进剂，其多糖和膳食纤维通过引导蛋白质有序排列和网络重组，优化水分分布，显著改善纤维结构、质构和色泽；而过量CC（≥30%）因空间位阻破坏蛋白质基质连续性，导致纤维断裂、质地变硬和颜色变暗。研究结论部分翻译如下：
**结论**
本研究系统探讨了鸡腿菇副产物（CC）对高水分挤压条件下大豆分离蛋白（SPI）挤出物结构和理化性质的调控效应。在适量水平（CC≤20%），CC多糖和膳食纤维与SPI相互作用，引导有序蛋白质网络组装，改善纤维结构（宏观和微观排列更规则），并显著增强产品硬度和咀嚼性。流变分析显示，CC降低了表观粘度和模量，削弱了蛋白质凝胶网络，促进了分子链在剪切场中的拉伸和取向。分子分析证实，β-折叠含量增加，蛋白质二级结构有序性增强，分子间疏水相互作用占主导地位。此外，CC通过将自由水转化为不易流动水优化了水分分布，从而提升多汁性和质构稳定性。然而，过量CC（≥30%）产生空间位阻，破坏SPI基质连续性，导致纤维结构断裂、硬度增加、弹性降低，加剧美拉德反应，使颜色变暗，并可能损害高温结构稳定性。需注意，本研究中最佳CC添加量20%是在固定挤出参数下确定的。这些结果表明，适量CC作为结构促进剂，其多糖和膳食纤维促进蛋白质有序化和网络重组；而过量CC引入空间位阻，破坏SPI基质连续性，导致纤维结构断裂。未来研究应进一步阐明CC组分（如可溶性/不溶性膳食纤维、多糖、多酚和蛋白质）与SPI的相互作用机制，评估其对营养和功能性质的影响，并探索其在复合植物蛋白系统和新工艺中的适用性，从而推动食用菌副产物在可持续食品开发中的高值化利用。