高水分挤压植物基肉类似物：挑战与机遇

《Foods》：High-Moisture Extrusion of Plant-Based Meat Analogues: Challenges and Opportunities

　　

传统肉类生产对环境、伦理和公共健康的影响日益受到关注，这推动了植物基肉类似物（PBMAs）的开发。在现有的植物蛋白结构化技术中，高水分挤压（HME）是最具规模化潜力的结构化技术之一，能够生产出模拟动物肌肉组织结构的纤维状、各向异性质地。然而，由于植物蛋白与动物肌肉蛋白之间存在固有差异，加之决定最终产品结构的配方与加工条件之间的复杂相互作用，实现类肉特性仍然充满挑战。因此，本综述通过整合当前对挤压过程中蛋白质转化的理解，包括水分含量、温度曲线、螺杆构型、螺杆转速和冷却模头设计等关键加工参数，对基于挤压的PBMA开发进行了评估。本文批判性地讨论了限制PBMA更广泛采用的关键挑战，如结构、感官、营养和加工方面的挑战。此外，还强调了PBMA开发的新兴机遇，如先进配方、混合加工，或使用肽组学（peptidomics）等分析工具。总体而言，本叙述性综述总结了基于挤压的PBMA开发的现状，并指出了在保持经济和环境可持续性的同时，开发更接近动物肉结构、感官和营养品质的植物基产品所需的关键科学技术进展。

主体内容总结

2. 用于挤压的植物蛋白原料

2.1. 主要蛋白质来源

2.1.1. 大豆蛋白

大豆蛋白是生产PBMAs最常用的植物蛋白来源，主要得益于其完善的氨基酸谱、良好的功能特性以及成熟的全球供应链。商业化大豆分离蛋白主要由两种球蛋白组分构成：大豆球蛋白（glycinin，11S球蛋白，占总蛋白的30–40%），分子量约320–360 kDa，由二硫键连接的酸性和碱性多肽亚基组成；β-伴大豆球蛋白（β-conglycinin，7S球蛋白，占30–50%），分子量约150–200 kDa。在高水分挤压过程中，大豆球蛋白可通过聚合形成二硫键网络，促进结构完整性和凝胶强度；而β-伴大豆球蛋白则增强脂质乳化能力，并有助于形成更柔软、更具弹性的凝胶质地。大豆蛋白氨基酸组成相对均衡，但可能缺乏蛋氨酸等含硫氨基酸（SAAs）。尽管如此，大豆分离蛋白的消化必需氨基酸评分（DIAAS）为0.92，表明其蛋白质品质相对较高。

2.1.2. 豌豆蛋白

豌豆蛋白因其独特的加工特性而广受欢迎，包括有助于蛋白质网络形成和稳定的乳化与起泡能力、增强水分保持的高持水性，以及相对温和的风味特征。然而，豌豆蛋白的结构通常弱于大豆基替代品，往往需要水胶体来改善质地和稳定性，这主要归因于豌豆蛋白较低的凝胶能力及其组成差异。豌豆蛋白主要包含两种球蛋白组分：豆球蛋白（legumin，11S），占总蛋白的8–21%，分子量约360–400 kDa；豌豆球蛋白（vicilin，7S），占总蛋白的21–55%，分子量约150 kDa。

2.1.3. 小麦面筋

小麦面筋因其粘弹性而区别于其他植物蛋白，这源于两种主要蛋白组分：麦醇溶蛋白（gliadin）和麦谷蛋白（glutenin），按干重计约占蛋白质的80–85%。麦醇溶蛋白赋予粘性和延伸性，而麦谷蛋白提供弹性和强度。在类似挤压的条件下，面筋蛋白通过二硫键、氢键和疏水相互作用形成三维凝胶结构。小麦面筋因其拉伸时形成纤维状蛋白膜的能力以及作为粘合和结构化剂的功能性，可广泛用于PBMAs；然而，它可能带来麸质不耐受和过敏等潜在风险。

2.2. 新兴蛋白质来源：蚕豆和扁豆蛋白

蚕豆蛋白（FBP）因其高蛋白质含量（干基25–35%）、成本效益以及乳化、起泡和凝胶化等功能特性，成为开发PBMAs的 promising 植物蛋白来源。其主要由球蛋白（69.5–78.1%）组成，其次是谷蛋白（12.0–18.4%）、醇溶蛋白（1.83–3.57%）和白蛋白（1.41–3.01%）。近期研究已探索蚕豆蛋白在PBMA开发中的应用，证明其具有形成类肉结构并改善质地和理化性质的潜力。然而，仍需进一步研究以优化加工策略和配方方法，特别是解决豆腥味和不良挥发性化合物相关的挑战。

扁豆是一种新兴的植物蛋白来源，蛋白质含量约24–30%，其蛋白部分主要由球蛋白（70%）组成，其次是白蛋白（16%）、谷蛋白（11%）和醇溶蛋白（3%）。其球蛋白部分主要由类豌豆球蛋白（51%）、类豆球蛋白（35%）和2S球蛋白（14%）组成。扁豆蛋白具有有利的氨基酸谱，但含硫氨基酸（半胱氨酸和蛋氨酸）和色氨酸相对有限。将扁豆蛋白与互补的谷物蛋白结合可以改善其整体氨基酸平衡。

3. 挤压技术：机理与加工参数

3.1. 低水分挤压

低水分挤压（LME）过程在相对较低的水分含量（通常低于35%）下运行，蛋白质在高温（120–180 °C）和剪切作用下变性并部分交联，产生多孔的组织化植物蛋白（TVP）。LME可生产致密成型产品或高度膨胀的多孔、膨化、海绵状和坚硬的结构，这些产品在食用前通常需要复水。此外，LME在模拟整块肉方面存在一定局限性，它降低了蛋白质的塑性和分子迁移率，限制了结构排列，产生的各向异性纹理较少，更适合用于碎肉类似物等粗糙产品。

3.2. 高水分挤压（HME）

HME是一种热机械过程，通过热、剪切和水分（>40%）的联合作用转化蛋白质，涉及混合、蒸煮、捏合和成型，导致蛋白质的质地、尺寸和流动特性发生变化。在加工过程中，蛋白质经历变性、展开和排列，形成粘弹性蛋白质熔体。氢键、二硫键和疏水相互作用等分子间作用力有助于结构化蛋白质网络的形成和稳定。当挤出物通过冷却模头时，受控的温度梯度和剪切促进蛋白质分子沿流动方向排列，改善质地一致性和机械完整性。与LME不同，HME在更高的水分含量（40–80%）下运行，能够形成致密、纤维状和各向异性的结构，紧密模仿动物肉的质地和组织。

3.2.1. HME过程中的关键加工参数

水分含量

样品的水分含量通过影响蛋白质-水相互作用、相分离和热塑性蛋白质基质的形成，在高水分挤压中起着关键作用。较高的水分会降低材料粘度和挤压阻力，导致摩擦减少、形态改变以及最终挤出物中形成更大的孔隙结构。水在蛋白质体系中充当强增塑剂，其与蛋白质分子的氢键作用对蛋白质构象、网络形成和质地至关重要。研究表明，水分含量的增加通常会降低挤出物的硬度、咀嚼性和切割强度等质构特性，但过高的水分（66–70%）会降低纤维清晰度并导致不规则片状结构。文献中报道的最佳水分含量范围（35%至60%）存在不一致，因为水分与其他加工变量（如机筒温度、螺杆转速、冷却条件、原料组成、螺杆构型和挤压机设计）相互作用。

温度曲线

挤压系统由独立控制的机筒区段组成，允许物料依次转化。在PBMA开发中，采用多区温度曲线，通常从进料区的20–25 °C升至熔融区的140–160 °C，超过大多数植物蛋白的变性温度。机筒温度在结构化高水分肉类似物中起着至关重要的作用。研究表明，随着加工温度升高，挤出物形成纤维状宏观结构，硬度和咀嚼性增加，这归因于更高程度的蛋白质展开、聚集和更多的分子间相互作用。然而，过高的温度可能导致过度聚集，对肉类似物的感官属性产生负面影响。最佳温度因蛋白质来源而异，因为蛋白质结构、聚集行为以及对热和剪切诱导分解的抵抗力存在差异。

螺杆转速

螺杆转速（SS）是控制剪切速率和物料停留时间的关键挤压参数，较高的螺杆转速促进蛋白质变形、熔体发展、模头压力和纤维形成。研究表明，将螺杆转速从100增加到140 rpm时，由于蛋白质熔融和结构形成的改善，挤出物的硬度增加；然而，在160 rpm时硬度下降，因为减少的停留时间限制了良好纤维结构的形成。在较低的螺杆转速下，较长的停留时间促进了过度的蛋白质聚集，导致形成更多聚集体、颜色更深和表面更粗糙的挤出物。相反，也有研究报告称增加螺杆转速会降低组织化程度，因为更高的剪切力增强了蛋白质变性和分子重排，降低了熔体粘度和模头压力，从而在较高SS条件下产生质地更柔软的肉类似物。因此，螺杆转速与产品质量之间的关系受剪切强度、停留时间和机械能输入之间平衡的影响。

螺杆构型

螺杆构型影响挤压过程中的物料转化、混合效率、填充水平和能量输入。同向啮合双螺杆挤压机因其高效的混合、输送能力和剪切分布而常用于高水分挤压，促进纤维结构的发展。限流元件，如反向螺旋螺杆、错列元件和窄捏合盘，会增加螺杆填充度，从而增加机械能输入。例如，这些元件可使螺杆填充度增加高达379%，导致比机械能（SME）增加约154%。将反向捏合元件移近模头（从150 mm移至50 mm）可使SME增加高达131%。在配方中加入反向元件和捏合块可改善挤出物的硬度、咀嚼性和纤维结构，后置反向元件显示出增强的纤维形成。然而，过度捏合并不总是有利的，减少捏合盘数量可降低剪切和机械能输入，同时改善结构完整性并减少含油配方中的漏油。

冷却模头

双螺杆挤压中的冷却模头对于通过控制温度、形态和挤出物的定向排列来发展纤维状和各向异性结构至关重要。研究表明，将冷却模头温度从较低值升高至约80 °C可增强硬度、各向异性和纤维结构形成，这主要通过二硫键介导的蛋白质聚集实现。最佳冷却温度（30–40 °C）可促进各向异性、富含纤维的结构，在40 °C时观察到明显的纤维排列。这归因于多孔模头诱导的拉伸流动，在蛋白质熔体内产生分离和定向的纤维结构。相反，过高的冷却温度会延迟固化，导致纤维重新聚集，而过低的温度会改变蛋白质流变行为并增加分子聚集，导致纤维取向度降低。除了冷却温度，模头几何形状也是影响挤压性能、蛋白质重构和质地发展的另一个重要因素。平板模头通过增加模头压力和质量流量来降低比机械能，同时促进致密排列的纤维结构和改善的机械强度。模头尺寸，特别是模头高度和长度，是决定大豆浓缩蛋白高水分挤压过程中纤维形成的关键因素。较长的模头通过延长模头内的冷却和排列阶段，逐步改善纤维取向。

3.3. 挤压过程中的一般分子转化

3.3.1. 变性与展开

热、化学和机械处理可以改变蛋白质分子结构，从而影响其功能特性。挤压加工通过热、剪切和压力在连续流动系统中的联合作用实现这些结构修饰。这些联合效应破坏弱非共价相互作用，包括氢键、静电相互作用和疏水缔合，导致蛋白质结构的变性和展开。挤压机的熔融区温度常达140–160 °C，促进蛋白质变性。蛋白质变性通过暴露反应性官能团，促进分子间键合和蛋白质聚集，最终促进PBMAs中的纤维形成。

3.3.2. 蛋白质排列与网络形成

在挤压过程中，蛋白质经历变性和液化，实现分子迁移率和流动诱导的结构重组。高水分含量作为增塑剂，促进蛋白质重排，而升高的挤压温度（120–150 °C）削弱非共价分子间相互作用，使蛋白质熔体在剪切作用下变形。在剪切流下，蛋白质沿流动方向排列，促进部分展开和β-折叠形成，从而促进由氢键、二硫键和疏水相互作用稳定的蛋白质聚集体的形成。这些聚集体作为PBMAs纤维形成的结构前体。当排列的蛋白质熔体进入冷却模头时，温度梯度促进逐渐固化，非共价相互作用增强，二硫键稳定，增加粘度并固定排列的蛋白质网络。冷却还抑制模头出口处的膨胀，形成稳定的交联凝胶结构，保留了PBMAs的各向异性纤维形态。

4. 基于挤压的肉类似物当前面临的挑战

4.1. 质构和结构局限性

消费者对PBMAs的接受度在很大程度上取决于其复制动物肉分级结构和质地的能力，特别是其特有的纤维结构。与通过肌肉纤维和结缔组织在多个分级尺度上组织的动物肌肉不同，PBMAs主要通过加工诱导的蛋白质重构（包括变性、凝胶化和纤维形成）发展类肉纤维特性。当前PBMAs有限的纤维结构导致其质构特性较差，包括与常规肉相比拉伸强度较低、弹性降低和硬度欠佳。此外，PBMAs缺乏肌间脂肪，这有助于嫩度、多汁性、润滑性、结构完整性、风味释放和理想的烹饪行为。尽管PBMAs通常表现出比牛肉更高的持水能力和更低的收缩率，从而改善烹饪得率，但它们在烹饪后通常会形成更柔软、凝聚力更差的质地。仅模仿烹饪得率不足以再现常规肉的机械和感官特性。

4.2. 感官挑战

肉的感官特性难以复制，仍然是PBMA发展中最重大的挑战之一。除了质地，消费者的接受度还受到风味、香气、视觉外观和整体口感的影响。主要的感官挑战是植物蛋白固有的异味和肉香复制。豆类产品通常表现出不良的感官属性，包括豆腥味、青草味、绿色、米糠样和酸味，主要由己醛和2-戊基呋喃引起。高温挤压促进蛋白质-rich成分之间的化学反应，如美拉德反应和氧化，这些是PBMAs颜色、质地和风味的主要贡献者。然而，过度加工可能通过酶促氧化产生异味化合物。此外，复制红肉从生鲜红色到烹饪时褐变的特征性颜色转变是一个特别困难的挑战，因为植物成分中缺乏肌红蛋白和血红蛋白。各种着色剂如胭脂树橙、姜黄、胡萝卜素、小茴香、大豆血红蛋白、甜菜汁、甜菜粉和胡萝卜提取物常用于复制肌红蛋白的存在。然而，天然着色剂的应用存在技术局限性，如与合成染料相比颜色强度和稳定性较低。

4.3. 营养局限性

尽管PBMA加工取得了显著进展，但仍面临重要的营养挑战，限制其复制动物肉营养谱的能力。这些局限性主要与蛋白质品质、微量营养素可用性以及营养素消化率和生物利用度有关。植物蛋白含有一种或多种限制性必需氨基酸。谷物蛋白通常缺乏赖氨酸；豆类蛋白的蛋氨酸和半胱氨酸含量较低。这些氨基酸组成差异也反映在DIAAS值上，大豆分离蛋白为0.92，豌豆分离蛋白为0.66，小麦蛋白为0.39。挤压可能通过美拉德反应进一步降低赖氨酸可用性。此外，增加植物基产品的消费可能增加动物源性食品中常见营养素摄入不足的风险，如维生素B₁₂、维生素D、铁和锌。因此，通常需要强化来弥补营养差距。挤压加工还会降低维生素稳定性和保留率，只有44–62%的B族维生素得以保留。此外，挤压还可以通过促进蛋白质变性和水解以及减少抗营养因子来改善植物蛋白消化率；然而，过热可能导致热敏性氨基酸的损失，并通过氧化、聚集和美拉德反应降低蛋白质品质。

4.4. 加工相关问题

挤压加热可以改善蛋白质可用性、消化率和微生物安全性，并通过展开大分子和灭活有害化合物来减少抗营养因子。然而，强烈的热机械条件可能产生热诱导化合物，促进蛋白质交联、美拉德反应产物、晚期糖基化终产物（AGEs）、淀粉-蛋白质相互作用和聚集，可能降低消化率和反应性赖氨酸含量，并改变致敏性和毒理学特性。此外，含有高水平天冬酰胺的大豆分离蛋白可能在120 °C以上与还原糖反应形成丙烯酰胺。PBMA生产的环境影响通常低于动物肉；然而，这些益处的程度在很大程度上取决于原料选择和加工要求。大多数PBMAs使用多种成分，如亲水胶体、淀粉、风味剂、着色剂、香料等，这些成分共同削弱了许多消费者期望PBMAs具备的“最少加工”形象。此外，与常规肉相比，PBMAs价格昂贵，溢价主要归因于植物基产品的加工和配方复杂性。

5. 机遇与新兴解决方案

5.1. 先进配方策略

近期研究越来越关注先进的配方策略，以克服与PBMAs质地、风味和营养组成相关的挑战。其中，基于水凝胶和脂质的PBMAs结构化系统因其模拟动物肉关键特性的能力而迅速增加。源自天然聚合物（如蛋白质和多糖）的水凝胶因其可用性、低毒性、生物相容性和可生物降解性而广泛用于食品工业。通过适当设计，这些水凝胶可以实现理想的溶胀行为和机械性能，用于改善PBMAs的质地、持水能力和脂肪复制。虽然水凝胶在复制肉的结构特性方面起着关键作用，但它们单独无法完全再现与动物脂肪相关的多汁性、嫩度和风味释放。脂质系统的掺入是改善PBMAs多汁性、风味释放和嫩度最有效的策略之一。已提出结构化脂质系统，如油凝胶、乳液凝胶、Pickering乳剂和大双相凝胶，作为 promising 的替代方案，以更好地复制动物脂肪，同时改善感官质量、营养价值和可持续性。血红素蛋白已成为改善PBMAs感官特性和营养谱的有前途的成分，例如，掺入大豆血红蛋白或肌红蛋白可使产品呈现粉红色、类肉外观。

5.2. 混合与集成加工技术

肉类似物的生产正超越传统挤压，转向集成数字和混合结构化技术，包括3D食品打印、人工智能（AI）和机器学习（ML），以实现可定制和可持续的生产。挤压本身无法复制肌肉的多尺度分级结构。因此，将多种技术的工作原理与挤压相结合可能是一种改善PBMAs结构和质地的有前途的方法。3D打印可以通过多材料打印实现不同蛋白质组成的交替层、脂肪层的掺入以及特定产品类型的定制几何形状。精密发酵可以与现有技术集成以模仿真肉，通过生产难以通过常规植物基方法获得的特定蛋白质和功能性成分，如动物相同蛋白质、血红素蛋白和靶向风味前体。

5.3. 新型蛋白质来源与成分创新

肉类似物开发的成功未来还将取决于识别大豆、豌豆和小麦面筋之外的新型蛋白质来源。蚕豆、扁豆、鹰嘴豆、绿豆和油籽蛋白是生产肉类似物最可行的替代选择，但可能需要进一步加工以去除抗营养因子、改善颜色和纠正风味。干法分级的豌豆浓缩蛋白可以提供可比的纤维结构形成，同时减少对能源和水密集型分离过程的需求，而大麻浓缩蛋白已证明可替代高达60%的大豆分离蛋白，同时保持可比的质构特性。除了新型蛋白质来源，挤压前蛋白质修饰策略，包括热处理、压力处理、超声波、pH偏移、酶处理、微波和发酵处理，可以改善功能性、减少抗营养因子并增强风味。例如，使用转谷氨酰胺酶（TGase）对豌豆分离蛋白（PPI）和低浓度胶原蛋白进行酶交联可显著增强凝胶强度，并促进通过分子间交联形成更强的蛋白质网络。TGase改善了某些蛋白质（特别是SPI和PPI）的纤维结构和弹性，但软化了花生蛋白粉挤出物。此外，pH显著影响高水分挤压过程中的蛋白质修饰，中性pH促进更大的蛋白质展开和交联，产生纤维状、各向异性结构，而酸性pH导致更各向同性的质地。

5.4. 先进分析与表征方法

肽组学（peptidomics）是一种基于质谱的肽分析方法，可以表征挤压过程中形成的美拉德产物、氧化氨基酸和交联肽；通过消化研究评估蛋白质消化率；鉴定生物活性肽；并检测蛋白质降解或质量问题。然而，其在PBMAs中的应用仍受限于复杂食品基质中样品制备、数据采集和数据解释方面的挑战。将肽组学研究整合到PBMAs中可以在分子水平上提供连接蛋白质结构、消化率和营养功能的发现。由于高水分挤压中热、流动、相分离和蛋白质重构之间的复杂相互作用，理解加工-结构-功能关系仍然具有挑战性。AI驱动的预测建模可以帮助阐明植物蛋白中的糖化-结构-功能关系。然而，AI驱动的食品加工建模受到有限数据集、过拟合风险、数据采集困难和模型可解释性有限的制约。未来的AI建模应优先开发大型、多样化和高质量的数据集，并进行实验验证。未来的研究还应扩展到鸡肉和牛肉之外，开发羊肉、猪肉和海鲜的高水分挤压类似物。

6. 结论

高水分挤压仍然是利用植物蛋白生产纤维状、类肉结构的最成熟和可扩展的技术，使其成为PBMA发展的核心。尽管取得了相当大的进展，但当前的PBMAs在复制常规肉的质地、感官属性、营养品质和可负担性方面仍面临挑战。这些局限性主要源于植物蛋白的固有特性，以及HME加工参数之间控制蛋白质转化、纤维结构形成和最终质构特性的复杂相互作用。因此，深入理解HME过程中的加工-结构-功能关系对于确定挤压参数如何影响蛋白质功能性和结构发展以及设计高品质PBMAs至关重要。为了克服这些挑战，需要采用多学科方法，结合原料选择、蛋白质混合和修饰以及创新配方方法的进步。新兴分析技术，如肽组学，加上AI驱动的建模，可以为改善机理理解和优化HME过程提供有前途的机会。通过整合成分功能性、加工技术和分析工具的创新，下一代基于挤压的PBMAs将能够提供更接近常规肉结构、感官质量和营养性能的产品，同时支持向更可持续食品系统的过渡。