【摘要】：高水分?jǐn)D壓技術(shù)是制備植物蛋白肉的最具前景的技術(shù)之一。然而,高水分?jǐn)D壓過程是一個多輸入和多輸出的過程,仍是一個“黑箱”,纖維結(jié)構(gòu)形成過程的分子機(jī)制尚不明確,纖維結(jié)構(gòu)等品質(zhì)無法有效調(diào)控,缺乏受消費(fèi)者歡迎的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。為此,本研究以花生蛋白高水分?jǐn)D壓過程為切入點(diǎn),明確擠壓過程中擠壓溫度-物料水分、擠壓溫度-剪切方式以及物料水分-剪切方式構(gòu)成的能量輸入方式及大小對高水分花生拉絲蛋白品質(zhì)調(diào)控作用;從多個尺度呈現(xiàn)高水分花生拉絲蛋白纖維結(jié)構(gòu)形成過程,揭示高水分?jǐn)D壓過程中花生蛋白纖維結(jié)構(gòu)形成過程分子機(jī)制,確定關(guān)鍵擠壓區(qū)段;通過TG酶誘導(dǎo)和多糖改性等手段,闡明高水分花生拉絲蛋白纖維結(jié)構(gòu)等品質(zhì)提升機(jī)制;探究花生/復(fù)合植物蛋白共混體系高水分?jǐn)D壓組織化特性,明晰物料蛋白種類及含量、系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)及擠出物品質(zhì)的構(gòu)效關(guān)系;采用分層增廣主成分分析法,建立高水分花生拉絲蛋白品質(zhì)形成過程數(shù)學(xué)模型,為高水分?jǐn)D壓過程中花生蛋白構(gòu)象變化預(yù)測與品質(zhì)控制提供理論依據(jù);改進(jìn)擠壓機(jī)及其配套設(shè)備,設(shè)計(jì)和開發(fā)符合中國人消費(fèi)習(xí)慣的高水分花生拉絲蛋白系列新產(chǎn)品。主要結(jié)論如下:1.擠壓能量輸入對系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)具有顯著影響,尤其是�？趬毫蛦挝粰C(jī)械能耗(SME),變幅分別為1.20~4.80 Mpa和557.24~1135.67 kJ/kg。對于�？趬毫湍？跍囟�,剪切方式具有決定性作用,其次是擠壓溫度,最后是物料水分。SME主要取決于物料水分和能量輸入的劇烈程度。通過調(diào)節(jié)剪切方式可以顯著改善纖維結(jié)構(gòu)(組織化度可達(dá)1.20以上),其中,同步剪切更有利于高水分花生拉絲蛋白的拉伸特性增強(qiáng)。擠壓溫度是拉伸特性和彈性的決定性因素。物料水分對色澤和硬度起著更重要的作用。擠壓能量輸入來源改變時,還將影響系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)與高水分花生拉絲蛋白品質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系。2.以低溫脫脂花生蛋白粉(PPP)為原料,在高水分條件下(55%)制備的高水分花生拉絲蛋白具有明顯的沿著擠出方向形成的網(wǎng)絡(luò)狀纖維結(jié)構(gòu),組織化度大于1,并具有一定的韌性。高水分花生拉絲蛋白的纖維結(jié)構(gòu)主要靠非共價鍵作用維持,以氫鍵和二硫鍵交互作用為主,4種蛋白二級結(jié)構(gòu)均存在,且α-螺旋β-折疊β-轉(zhuǎn)角無規(guī)則卷曲。將花生蛋白高水分?jǐn)D壓過程分為六個功能區(qū)段研究,結(jié)果表明:高水分?jǐn)D壓促使花生蛋白形成網(wǎng)絡(luò)狀纖維結(jié)構(gòu)的過程,就是打亂原始蛋白分子構(gòu)象,而又重新有序排列的過程,其中,�？趨^(qū)和成型區(qū)以及它們的連接部分是纖維結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵區(qū)段。在此過程中,球蛋白發(fā)揮著更為重要的作用,尤其是相對分子量為42kDa,39 kDa和22 kDa的球蛋白亞基。3.將PPP經(jīng)過不同量的TG酶誘導(dǎo)后,在高水分條件下擠壓,結(jié)果表明:TG酶影響花生蛋白凝膠形成的快慢,從而顯著影響纖維結(jié)構(gòu)等品質(zhì)的形成,當(dāng)TG酶添加量超過0.2%時,凝膠在擠壓機(jī)機(jī)筒中形成速度過快,不利于后期蛋白分子重排和形成纖維結(jié)構(gòu)。擠壓過程中,TG酶可促進(jìn)蛋白分子鏈(主要指花生球蛋白)在擠壓機(jī)機(jī)筒中的展開、聚集和交聯(lián),氫鍵和二硫鍵斷裂,疏水相互作用增強(qiáng)。當(dāng)?shù)鞍追肿影l(fā)生重排時,0.1%或0.2%TG酶還可促進(jìn)新的氫鍵和二硫鍵形成,大分子量蛋白亞基(66 kDa)生成,構(gòu)象更為穩(wěn)定。最終維持纖維結(jié)構(gòu)的主要作用力由氫鍵和二硫鍵交互作用轉(zhuǎn)變?yōu)闅滏I和疏水相互作用,4種蛋白二級結(jié)構(gòu)均存在,且β-折疊α-螺旋β-轉(zhuǎn)角無規(guī)則卷曲。4.將PPP與卡拉膠、海藻酸鈉和小麥淀粉分別共混,在高水分條件下擠壓,結(jié)果表明:0.1%的卡拉膠會顯著提高抗拉伸力(1.92 kg左右),但不利于纖維取向;0.1%的海藻酸鈉,會顯著提高組織化度和彈性,有利于纖維取向,組織化度可達(dá)1.24左右,同時也將提高其抗拉伸力,但硬度和咀嚼度會顯著增大;小麥淀粉添加量越大(0~8%),組織化度越小,硬度和咀嚼度顯著減小。擠壓過程中,三種多糖,尤其是2%的小麥淀粉,對花生伴球蛋白的分子結(jié)構(gòu)具有保護(hù)作用,通過提高熱轉(zhuǎn)變溫度T_p或者增大熱焓值△H,減緩了花生伴球蛋白在擠壓過程中的熱轉(zhuǎn)變速率,促進(jìn)蛋白分子內(nèi)二硫鍵等斷裂和蛋白分子聚集,增強(qiáng)疏水相互作用和蛋白-脂質(zhì)相互作用,穩(wěn)定新形成的蛋白構(gòu)象,最終維持纖維結(jié)構(gòu)的主要作用力由氫鍵和二硫鍵交互作用轉(zhuǎn)變?yōu)闅滏I和疏水相互作用。三種多糖對相對分子量為22 kDa的蛋白亞基影響較大,促進(jìn)相對分子量為42 kDa和39 kDa的蛋白亞基降解,而2%的小麥淀粉還將促進(jìn)大分子量蛋白亞基(66 kDa)生成。三種多糖可促使α-螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生解螺旋,逐漸轉(zhuǎn)化為β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu),PPP與0.1%的卡拉膠共混時,擠出物中β-折疊α-螺旋β-轉(zhuǎn)角無規(guī)則卷曲,而PPP與0.1%的海藻酸鈉或2%的小麥淀粉共混時,擠出物中β-折疊β-轉(zhuǎn)角α-螺旋無規(guī)則卷曲。5.將PPP與大豆分離蛋白(SPI)和或谷朊粉(WG)共混,設(shè)計(jì)10種花生/復(fù)合植物蛋白共混體系,在高水分條件下擠壓,結(jié)果表明:物料中蛋白類型和比例對系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)(如SME、模口溫度、�？趬毫Φ�)具有顯著影響,這與物料中總蛋白含量和物料在熱剪切條件下的流動行為有關(guān)。當(dāng)PPP與SPI共混時,通過提高物料中總蛋白含量,增強(qiáng)熔融體的凝膠能力,致使擠出物表面光滑,結(jié)構(gòu)致密,但色澤加深。當(dāng)PPP與WG共混時,增強(qiáng)了物料吸水能力,促進(jìn)形成具有高粘度的熔融體,致使擠出物表面粗糙,結(jié)構(gòu)疏松,色澤變淺。當(dāng)PPP與SPI和WG共混時,與WG相比,SPI對擠出物的纖維結(jié)構(gòu)特征、質(zhì)構(gòu)特性和色澤起主要作用。當(dāng)PPP/SPI/WG的混合比例為80%-10%-10%時,擠出物具有豐富的纖維結(jié)構(gòu),較低的硬度和較高的彈性。在所有系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)中,�？跍囟群团ぞ嘏c擠出物的品質(zhì)均具有顯著或極顯著關(guān)系,且受SPI的影響最大。6.高水分花生拉絲蛋白品質(zhì)特性直接預(yù)測模型可實(shí)現(xiàn)對色澤的準(zhǔn)確預(yù)測,擬合度在0.838以上,對抗拉伸力、硬度和咀嚼度的擬合度均在0.905以上。系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)預(yù)測模型可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)測,擬合度在0.900左右。系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)間接預(yù)測品質(zhì)特性模型,對品質(zhì)特性指標(biāo)的擬合度均有所提高,有利于提高預(yù)測準(zhǔn)確性。每個擠壓區(qū)段的花生蛋白結(jié)構(gòu)變化預(yù)測模型相互關(guān)聯(lián),可對高水分?jǐn)D壓過程中花生蛋白構(gòu)象梯次變化進(jìn)行預(yù)測,對高水分花生拉絲蛋白品質(zhì)改進(jìn)和控制具有重要作用。7.開發(fā)了花生蛋白手撕腸和Q彈花生蛋白干2個高水分花生拉絲蛋白系列新產(chǎn)品�；ㄉ鞍资炙耗c具有豐富的纖維結(jié)構(gòu),色澤鮮亮(色澤亮度值L50),富有嚼勁(咀嚼度在3~8 kg之間、垂直切力0.6 kg),彈性強(qiáng)(彈性0.9)、質(zhì)地柔軟(硬度10 kg),可與市售的肉類火腿腸和素腸比擬。Q彈花生蛋白干口味獨(dú)特,軟硬適中,富有彈性,咀嚼感強(qiáng),其中咀嚼度為1.5~4.0kg,彈性為0.85~0.90,硬度為3.2~6.5 kg,可供中央廚房或休閑食品使用。產(chǎn)品制備工藝均實(shí)現(xiàn)了在線一次性完成熟化、成型、調(diào)色調(diào)味等過程,自動化程度高、效率高、無污染、無排放,有利于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。
【圖文】：

如圖 1-1 所示，擠壓過程主要分為擠壓機(jī)機(jī)筒內(nèi)和機(jī)筒外兩個部分，根據(jù)不同區(qū)段的壓機(jī)機(jī)筒又可以被分解為喂料區(qū)、混合區(qū)和蒸煮區(qū)三個區(qū)段。機(jī)筒外區(qū)段主要是指連接具，區(qū)別于低水分?jǐn)D壓技術(shù)，高水分?jǐn)D壓技術(shù)的模具又可細(xì)分為�？趨^(qū)和成型區(qū)兩hang et al., 2018a)。喂料區(qū)段是擠壓過程的起始階段，主要功能為推動干粉物料流動，弱的剪切力。該區(qū)段的機(jī)筒溫度一般為室溫，螺桿主要由輸送元件組成，故不會對蛋白顯著的影響(Zhang et al., 2015)�；旌蠀^(qū)段主要功能為將粉狀物料與注入的液體（一般為均勻，剪切強(qiáng)度較弱。該區(qū)段的機(jī)筒溫度應(yīng)控制在 80℃左右，以保證水分等液體的正常桿往往會配有少量的剪切元件，起攪拌作用。蒸煮區(qū)段是擠壓過程的核心區(qū)段，，主要功合均勻的物料在高溫高剪切條件下蒸煮，使物料形成熔融體，物理化學(xué)反應(yīng)較為劇烈。機(jī)筒溫度要高于 130℃，螺桿配有較多的剪切元件(Thiébaud et al., 1996; 張金闖等, 2017)設(shè)計(jì)是控制熔融體流動狀態(tài)的關(guān)鍵，也會直接影響組織化植物蛋白的品質(zhì)(Akdoganstic and Reifschneider, 2006)。高水分條件下，當(dāng)熔融體穿過模具時，在�？趨^(qū)段，熔融切應(yīng)力、溫度變化、壓力變化等作用，形成特定的形狀。此時，蛋白質(zhì)、淀粉等生物大相分離現(xiàn)象，這對于纖維結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要(Thiébaud et al., 1996)。在成型區(qū)段，溫度℃以下，為蛋白質(zhì)發(fā)生分子重排、交聯(lián)創(chuàng)造條件，進(jìn)而形成纖維結(jié)構(gòu)。低水分?jǐn)D壓技術(shù)短，在蛋白原料擠壓過程中，主要功能是產(chǎn)生壓力差，促進(jìn)熔融體膨脹(Riaz, 2001)。

圖 1-2 高水分?jǐn)D壓過程中蛋白構(gòu)象變化推測Fig. 1-2 Speculation of the conformational changes of protein during high-moisture extrusion process蛋白質(zhì)分子相互作用決定了擠出物的粘度、凝膠性、溶解度和其他功能性質(zhì)的變化(Day andSwanson, 2013)。前人的研究表明，蛋白質(zhì)組織化的過程主要涉及較弱的相互作用力如氫鍵等的變化，一般不會涉及到肽鍵等主化學(xué)鍵的改變或斷裂(Ledward and Tester, 1994; Osen et al., 2015;Shah, 2003)。已有研究證實(shí)，二硫鍵、疏水相互作用和氫鍵是維持組織化植物蛋白纖維結(jié)構(gòu)的主要作用力(Chen et al., 2011; Liu and Hsieh, 2008)。Prudencio 等(PRUDêNCIO-FERREIRAandArêas,1993)研究表明，大豆蛋白擠壓組織化過程中，蛋白-蛋白相互作用力主要為二硫鍵，其次為疏水相互作用和靜電相互作用，這與馬寧(馬寧, 2013)、洪斌(洪濱等, 2016)等的研究結(jié)論一致。而 Ning等(Ning and Villota, 2007)則認(rèn)為，疏水相互作用和氫鍵等非共價鍵才是促進(jìn)大豆蛋白纖維結(jié)構(gòu)形成的主要作用力。Rizvi 等(NorAfizah and Rizvi, 2014)則認(rèn)為，維持組織化乳清蛋白的主要作用力為非共價鍵（疏水相互作用和氫鍵），其次是二硫鍵，與魏益民等(魏益民等, 2009a)對擠壓組織化花生蛋白的研究結(jié)果一致。不同的研究結(jié)果證實(shí)，在高溫擠壓和冷卻階段，二硫鍵和非共價鍵都是蛋白纖維結(jié)構(gòu)形成的主要作用力，在非常極端的條件下，還可能形成更強(qiáng)的共價鍵，并受蛋白質(zhì)類型和擠壓條件影響(Areas, 1992; Cheftel et al., 1992; Zhang et al., 2017)。溫度往往是導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子構(gòu)象改變的最主要的因素(Zhang et al., 2017)。高溫打破了蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)，蛋白分子鏈展開，暴露出硫醇基團(tuán)和疏水性殘基，分子內(nèi)的氫鍵等發(fā)生斷裂，使蛋
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TS201.21

【參考文獻(xiàn)】

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1 魏益民;康立寧;張波;趙多勇;;高水分大豆蛋白組織化生產(chǎn)工藝和機(jī)理分析[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報;2006年10期

本文編號：2626783