高水分挤压过程中花生蛋白构象变化及品质调控

发布时间：2020-04-14 02:54

【摘要】：高水分挤压技术是制备植物蛋白肉的最具前景的技术之一。然而,高水分挤压过程是一个多输入和多输出的过程,仍是一个“黑箱”,纤维结构形成过程的分子机制尚不明确,纤维结构等品质无法有效调控,缺乏受消费者欢迎的产品设计。为此,本研究以花生蛋白高水分挤压过程为切入点,明确挤压过程中挤压温度-物料水分、挤压温度-剪切方式以及物料水分-剪切方式构成的能量输入方式及大小对高水分花生拉丝蛋白品质调控作用;从多个尺度呈现高水分花生拉丝蛋白纤维结构形成过程,揭示高水分挤压过程中花生蛋白纤维结构形成过程分子机制,确定关键挤压区段;通过TG酶诱导和多糖改性等手段,阐明高水分花生拉丝蛋白纤维结构等品质提升机制;探究花生/复合植物蛋白共混体系高水分挤压组织化特性,明晰物料蛋白种类及含量、系统响应参数及挤出物品质的构效关系;采用分层增广主成分分析法,建立高水分花生拉丝蛋白品质形成过程数学模型,为高水分挤压过程中花生蛋白构象变化预测与品质控制提供理论依据;改进挤压机及其配套设备,设计和开发符合中国人消费习惯的高水分花生拉丝蛋白系列新产品。主要结论如下:1.挤压能量输入对系统响应参数具有显著影响,尤其是模口压力和单位机械能耗(SME),变幅分别为1.20~4.80 Mpa和557.24~1135.67 kJ/kg。对于模口压力和模口温度,剪切方式具有决定性作用,其次是挤压温度,最后是物料水分。SME主要取决于物料水分和能量输入的剧烈程度。通过调节剪切方式可以显著改善纤维结构(组织化度可达1.20以上),其中,同步剪切更有利于高水分花生拉丝蛋白的拉伸特性增强。挤压温度是拉伸特性和弹性的决定性因素。物料水分对色泽和硬度起着更重要的作用。挤压能量输入来源改变时,还将影响系统响应参数与高水分花生拉丝蛋白品质指标之间的相关关系。2.以低温脱脂花生蛋白粉(PPP)为原料,在高水分条件下(55%)制备的高水分花生拉丝蛋白具有明显的沿着挤出方向形成的网络状纤维结构,组织化度大于1,并具有一定的韧性。高水分花生拉丝蛋白的纤维结构主要靠非共价键作用维持,以氢键和二硫键交互作用为主,4种蛋白二级结构均存在,且α-螺旋β-折叠β-转角无规则卷曲。将花生蛋白高水分挤压过程分为六个功能区段研究,结果表明:高水分挤压促使花生蛋白形成网络状纤维结构的过程,就是打乱原始蛋白分子构象,而又重新有序排列的过程,其中,模口区和成型区以及它们的连接部分是纤维结构形成的关键区段。在此过程中,球蛋白发挥着更为重要的作用,尤其是相对分子量为42kDa,39 kDa和22 kDa的球蛋白亚基。3.将PPP经过不同量的TG酶诱导后,在高水分条件下挤压,结果表明:TG酶影响花生蛋白凝胶形成的快慢,从而显著影响纤维结构等品质的形成,当TG酶添加量超过0.2%时,凝胶在挤压机机筒中形成速度过快,不利于后期蛋白分子重排和形成纤维结构。挤压过程中,TG酶可促进蛋白分子链(主要指花生球蛋白)在挤压机机筒中的展开、聚集和交联,氢键和二硫键断裂,疏水相互作用增强。当蛋白分子发生重排时,0.1%或0.2%TG酶还可促进新的氢键和二硫键形成,大分子量蛋白亚基(66 kDa)生成,构象更为稳定。最终维持纤维结构的主要作用力由氢键和二硫键交互作用转变为氢键和疏水相互作用,4种蛋白二级结构均存在,且β-折叠α-螺旋β-转角无规则卷曲。4.将PPP与卡拉胶、海藻酸钠和小麦淀粉分别共混,在高水分条件下挤压,结果表明:0.1%的卡拉胶会显著提高抗拉伸力(1.92 kg左右),但不利于纤维取向;0.1%的海藻酸钠,会显著提高组织化度和弹性,有利于纤维取向,组织化度可达1.24左右,同时也将提高其抗拉伸力,但硬度和咀嚼度会显著增大;小麦淀粉添加量越大(0~8%),组织化度越小,硬度和咀嚼度显著减小。挤压过程中,三种多糖,尤其是2%的小麦淀粉,对花生伴球蛋白的分子结构具有保护作用,通过提高热转变温度T_p或者增大热焓值△H,减缓了花生伴球蛋白在挤压过程中的热转变速率,促进蛋白分子内二硫键等断裂和蛋白分子聚集,增强疏水相互作用和蛋白-脂质相互作用,稳定新形成的蛋白构象,最终维持纤维结构的主要作用力由氢键和二硫键交互作用转变为氢键和疏水相互作用。三种多糖对相对分子量为22 kDa的蛋白亚基影响较大,促进相对分子量为42 kDa和39 kDa的蛋白亚基降解,而2%的小麦淀粉还将促进大分子量蛋白亚基(66 kDa)生成。三种多糖可促使α-螺旋结构发生解螺旋,逐渐转化为β-转角结构和无规则卷曲结构,PPP与0.1%的卡拉胶共混时,挤出物中β-折叠α-螺旋β-转角无规则卷曲,而PPP与0.1%的海藻酸钠或2%的小麦淀粉共混时,挤出物中β-折叠β-转角α-螺旋无规则卷曲。5.将PPP与大豆分离蛋白(SPI)和或谷朊粉(WG)共混,设计10种花生/复合植物蛋白共混体系,在高水分条件下挤压,结果表明:物料中蛋白类型和比例对系统响应参数(如SME、模口温度、模口压力等)具有显著影响,这与物料中总蛋白含量和物料在热剪切条件下的流动行为有关。当PPP与SPI共混时,通过提高物料中总蛋白含量,增强熔融体的凝胶能力,致使挤出物表面光滑,结构致密,但色泽加深。当PPP与WG共混时,增强了物料吸水能力,促进形成具有高粘度的熔融体,致使挤出物表面粗糙,结构疏松,色泽变浅。当PPP与SPI和WG共混时,与WG相比,SPI对挤出物的纤维结构特征、质构特性和色泽起主要作用。当PPP/SPI/WG的混合比例为80%-10%-10%时,挤出物具有丰富的纤维结构,较低的硬度和较高的弹性。在所有系统响应参数中,模口温度和扭矩与挤出物的品质均具有显著或极显著关系,且受SPI的影响最大。6.高水分花生拉丝蛋白品质特性直接预测模型可实现对色泽的准确预测,拟合度在0.838以上,对抗拉伸力、硬度和咀嚼度的拟合度均在0.905以上。系统响应参数预测模型可实现对系统响应参数的准确预测,拟合度在0.900左右。系统响应参数间接预测品质特性模型,对品质特性指标的拟合度均有所提高,有利于提高预测准确性。每个挤压区段的花生蛋白结构变化预测模型相互关联,可对高水分挤压过程中花生蛋白构象梯次变化进行预测,对高水分花生拉丝蛋白品质改进和控制具有重要作用。7.开发了花生蛋白手撕肠和Q弹花生蛋白干2个高水分花生拉丝蛋白系列新产品。花生蛋白手撕肠具有丰富的纤维结构,色泽鲜亮(色泽亮度值L50),富有嚼劲(咀嚼度在3~8 kg之间、垂直切力0.6 kg),弹性强(弹性0.9)、质地柔软(硬度10 kg),可与市售的肉类火腿肠和素肠比拟。Q弹花生蛋白干口味独特,软硬适中,富有弹性,咀嚼感强,其中咀嚼度为1.5~4.0kg,弹性为0.85~0.90,硬度为3.2~6.5 kg,可供中央厨房或休闲食品使用。产品制备工艺均实现了在线一次性完成熟化、成型、调色调味等过程,自动化程度高、效率高、无污染、无排放,有利于环保和可持续发展。
【图文】：

示意图,挤压技术,高水分,低水分

如图 1-1 所示，挤压过程主要分为挤压机机筒内和机筒外两个部分，根据不同区段的压机机筒又可以被分解为喂料区、混合区和蒸煮区三个区段。机筒外区段主要是指连接具，区别于低水分挤压技术，高水分挤压技术的模具又可细分为模口区和成型区两hang et al., 2018a)。喂料区段是挤压过程的起始阶段，主要功能为推动干粉物料流动，弱的剪切力。该区段的机筒温度一般为室温，螺杆主要由输送元件组成，故不会对蛋白显著的影响(Zhang et al., 2015)。混合区段主要功能为将粉状物料与注入的液体（一般为均匀，剪切强度较弱。该区段的机筒温度应控制在 80℃左右，以保证水分等液体的正常杆往往会配有少量的剪切元件，起搅拌作用。蒸煮区段是挤压过程的核心区段，，主要功合均匀的物料在高温高剪切条件下蒸煮，使物料形成熔融体，物理化学反应较为剧烈。机筒温度要高于 130℃，螺杆配有较多的剪切元件(Thiébaud et al., 1996; 张金闯等, 2017)设计是控制熔融体流动状态的关键，也会直接影响组织化植物蛋白的品质(Akdoganstic and Reifschneider, 2006)。高水分条件下，当熔融体穿过模具时，在模口区段，熔融切应力、温度变化、压力变化等作用，形成特定的形状。此时，蛋白质、淀粉等生物大相分离现象，这对于纤维结构的形成至关重要(Thiébaud et al., 1996)。在成型区段，温度℃以下，为蛋白质发生分子重排、交联创造条件，进而形成纤维结构。低水分挤压技术短，在蛋白原料挤压过程中，主要功能是产生压力差，促进熔融体膨胀(Riaz, 2001)。

凝胶性,功能性质,高水分,挤出物

图 1-2 高水分挤压过程中蛋白构象变化推测Fig. 1-2 Speculation of the conformational changes of protein during high-moisture extrusion process蛋白质分子相互作用决定了挤出物的粘度、凝胶性、溶解度和其他功能性质的变化(Day andSwanson, 2013)。前人的研究表明，蛋白质组织化的过程主要涉及较弱的相互作用力如氢键等的变化，一般不会涉及到肽键等主化学键的改变或断裂(Ledward and Tester, 1994; Osen et al., 2015;Shah, 2003)。已有研究证实，二硫键、疏水相互作用和氢键是维持组织化植物蛋白纤维结构的主要作用力(Chen et al., 2011; Liu and Hsieh, 2008)。Prudencio 等(PRUDêNCIO-FERREIRAandArêas,1993)研究表明，大豆蛋白挤压组织化过程中，蛋白-蛋白相互作用力主要为二硫键，其次为疏水相互作用和静电相互作用，这与马宁(马宁, 2013)、洪斌(洪滨等, 2016)等的研究结论一致。而 Ning等(Ning and Villota, 2007)则认为，疏水相互作用和氢键等非共价键才是促进大豆蛋白纤维结构形成的主要作用力。Rizvi 等(NorAfizah and Rizvi, 2014)则认为，维持组织化乳清蛋白的主要作用力为非共价键（疏水相互作用和氢键），其次是二硫键，与魏益民等(魏益民等, 2009a)对挤压组织化花生蛋白的研究结果一致。不同的研究结果证实，在高温挤压和冷却阶段，二硫键和非共价键都是蛋白纤维结构形成的主要作用力，在非常极端的条件下，还可能形成更强的共价键，并受蛋白质类型和挤压条件影响(Areas, 1992; Cheftel et al., 1992; Zhang et al., 2017)。温度往往是导致蛋白质分子构象改变的最主要的因素(Zhang et al., 2017)。高温打破了蛋白质的天然结构，蛋白分子链展开，暴露出硫醇基团和疏水性残基，分子内的氢键等发生断裂，使蛋
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS201.21

【参考文献】