水热参数组合对大豆蛋白-鱼糜共混高水分挤压过程及产品品质的影响

张玉洁，张金闯，陈琼玲，刘浩栋，何 宁，王 强

（1.厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005；2.中国农业科学院农产品加工研究所，农业农村部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193）

近年来，我国鱼糜制品年产量走势平稳，鱼糜制品消费水平逐年递增，消费者对鱼糜制品的需求量不断上涨。金线鱼鱼糜具有肉质鲜美、营养丰富、物美价廉等优点，常被用来生产蟹味棒等高附加值鱼糜制品。然而，目前鱼类的过度捕捞严重破坏了海洋与我国长江流域的生态稳定性，2021年1月1日起，长江流域正式开启10 年禁捕周期，与此同时，公海自主休渔正式实施，这造成市场上金线鱼等优质鱼类资源的减少、价格上涨以及海洋杂鱼等在鱼糜中的比例增加，最终导致鱼糜制品品质参差不齐、附加值较低。因此，为了提高鱼糜制品的附加值，研究人员开始利用植物蛋白部分替代鱼糜蛋白，研发营养更全面、质地和口感能够媲美真实肉类的高附加值鱼糜制品。大豆蛋白氨基酸组成合理，同时具有生物相容性、凝胶能力、发泡性、乳化性等诸多功能特性，是优质的鱼糜蛋白替代品。Luo Yongkang等发现利用大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）替代10%的鲤鱼鱼糜能够使鱼糜凝胶破断力提高。Wu Chao等发现预热后的大豆蛋白能显著促进大豆-鳕鱼混合蛋白交联形成凝胶。然而目前关于大豆蛋白部分替代鱼糜蛋白的研究主要围绕原料互作机理和功能特性的提升，利用新兴加工技术研发高附加值产品的研究尚少。

高水分挤压是一种新型挤压技术，具有能耗低、一体成型、工艺集成度高、挤出物组织化程度高等优点，利用高水分挤压技术加工大豆蛋白-鱼糜混合物可以获得具有类似动物肉纤维结构的产品。Thiébaud等利用高水分挤压技术加工质量比为20∶80的大豆浓缩蛋白和阿拉斯加鳕鱼鱼糜混合物，得到的混合挤出物具有薄层状纤维结构。He Tianqi等以质量比为80∶20的SPI与带鱼鱼糜混合物为原料进行高水分挤压，也得到了具有纤维结构的混合挤出物。因此，利用高水分挤压技术加工大豆蛋白-鱼糜混合原料研发高附加值模拟水产制品的潜力巨大。

高水分挤压过程中，在物料水分含量和挤压温度等挤压参数的影响下，原料蛋白质经历变性、降解、缔合、聚集以及成分之间的络合而形成熔融物，熔融物随后在模具中形成纤维结构。其中，物料水分主要影响熔融物的黏度、参与化学反应、影响挤出过程中的热机械能量输入以及充当增塑剂和发泡剂。物料水分含量的增加会导致大豆浓缩蛋白-鳕鱼鱼糜混合（20∶80，/）挤出物温度与黏度降低、平均停留时间缩短、组织化程度降低、颜色更亮白。挤压温度是挤压过程中热能的主要来源，影响熔融物的融化状态以及后续组织化。研究表明，挤压温度的升高则会导致SPI-带鱼鱼糜挤出物（80∶20，/）持水性增加，而对组织化程度没有显著影响。然而，目前关于高水分挤压过程中水热参数组合的研究较少，水热参数组合、系统响应参数（单位机械能耗（specific mechanical energy，SME）和模口压力）、大豆蛋白-鱼糜挤出物品质之间的关系鲜有报道。

本团队前期已研究了不同比例大豆蛋白-鱼糜混合原料对挤出物品质的影响，结果表明质量比为80∶20的大豆蛋白-鱼糜混合挤出物品质较好，因此本研究以质量比为80∶20的大豆蛋白-鱼糜混合物为原料，设置挤压温度分别为125、135 ℃和145 ℃，物料水分质量分数分别为65%、70%和75%，进行水热参数组合全因素挤压实验。记录挤压过程中的系统响应参数（SME和模口压力）；测定挤出物外观色泽、质构特性、组织化程度、凝胶特性和微观结构，探究水热参数组合对系统响应参数与挤出物品质的影响以及系统响应参数与挤出物品质之间的关系，为动植物蛋白结合的替代蛋白类新产品研发及品质调控提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

SPI（物料水分质量分数5.55%、蛋白质干基质量分数90.81%、脂肪干基质量分数0.36%、灰分干基质量分数4.67%） 秦皇岛金海食品工业有限公司；金线鱼鱼糜（物料水分质量分数73.15%、蛋白质干基质量分数56.59%、脂肪干基质量分数3.65%、灰分干基质量分数6.33%） 青岛盛腾海产有限公司。

1.2 仪器与设备

FMHE36-24同向啮合双螺杆挤压机 湖南富马科食品工程技术有限公司；Kieletec Analysiser 2300全自动凯氏定氮仪、Soxtec Avanti 2050自动索氏总脂肪分析系统 丹麦Foss公司；JHF-20L混料机 郑州金禾机械制造有限公司；TA.XT2物性测定仪 英国Stable Micro Systems公司；CS-600色度仪 杭州彩谱科技有限公司；SU8010扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM） 日本Hitachi公司；LYNX 4000高速离心机 美国Thermo Scientific公司。

1.3 方法

1.3.1 高水分挤压处理

利用混料机将SPI和鱼糜按照质量比80∶20混合均匀，将SPI-鱼糜混合物以7 kg/h的进料速率从喂料区加入到双螺杆挤压机机筒中，物料水分质量分数（先测定SPI-鱼糜的水分质量分数，然后再通过加水调整至最终的水分质量分数）分别设置为65%、70%和75% 3 个梯度，挤压温度分别设置为125、135 ℃和145 ℃ 3 个梯度，如表1所示进行水热参数组合全因素挤压实验。实时记录挤压过程中的产率/（g/min）、扭矩/（N·m）和模口压力/MPa。

表1 挤压实验方案Table 1 Experimental schemes of extrusion

1.3.2 系统响应参数测定

根据实时记录挤压过程中的产率、扭矩和模口压力以及螺杆转速，按式（1）计算SME。

式中：为螺杆转速/（r/min）；为扭矩/（N·m）；为产率/（g/min）。

1.3.3 挤出物外观色泽测定

挤出物的亮度（*值）、红绿度（*值）、黄蓝度（*值）由色度仪测定，校准板的*、*、*值分别为89.73、-0.78和1.88。样品的总色差（Δ）按式（2）计算。

1.3.4 挤出物质构特性测定

挤出物的质构特性由硬度、弹性和咀嚼度表征，将9 组SPI-鱼糜混合挤出物切成高度10 mm、直径22 mm的圆柱体，利用装有P/36R探头的TA.XT2物性测定仪挤压圆柱体，测试速率1 mm/s，挤压深度为样品厚度的50%，保持时间5 s，记录样品的硬度、弹性、咀嚼度。

1.3.5 挤出物组织化程度测定

通过组织化程度表征挤出物的纤维化程度，将9 组SPI-鱼糜混合挤出物切成10 mm×10 mm×10 mm的立方体，利用装有A/CKB探头的TA.XT2物性测定仪分别沿垂直挤压方向和水平挤压方向切割立方体，测试前速率2 mm/s、测试速率1 mm/s、测试后速率2 mm/s、挤压深度为样品厚度的75%、保持时间5 s，记录样品的垂直剪切力和水平剪切力，用垂直剪切力和水平剪切力的比值表示样品的组织化程度。

1.3.6 挤出物凝胶特性测定

1.3.6.1 凝胶强度

将9 组SPI-鱼糜混合挤出物切成高度15 mm、直径22 mm的圆柱体，采用装有P/0.5探头的TA.XT2物性测定仪挤压圆柱体，测试前速率1.5 mm/s、测试速率1 mm/s、测试后速率1 mm/s，探头穿刺至4 mm时所测数据即为样品的凝胶强度。

1.3.6.2 持水性

准确称取约3.0 g的挤出物样品（），将样品切成2 mm×2 mm×2 mm的小方块并放在双层滤纸之间，然后转移到50 mL离心管中，4 ℃、10 000×离心10 min。离心后，精确称量试管中的固体样品质量（），样品持水性按式（3）计算。

1.3.7 挤出物微观结构观察

将挤出物鲜样浸没在体积分数2.5%戊二醛溶液中固定48 h后，用体积分数1%锇酸溶液固定2 h，随后进行CO临界点干燥，用离子镀膜仪进行喷金处理。利用SEM在加速电压10 kV下放大3 000 倍进行观察。

1.4 数据处理与分析

利用Origin 2018与SPSS 26.0软件对数据进行统计和方差分析，用Duncan法进行差异显著性分析（＜0.05表示差异显著）。利用Excel软件对数据进行多项式拟合。

2 结果与分析

2.1 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤压系统响应参数的影响

由表2可知，当挤压温度一定时，随着物料水分质量分数从65%增加到75%，SME分别从783.40、736.77 kJ/kg和689.23 kJ/kg显著减小到504.47、473.18 kJ/kg和410.96 kJ/kg，模口压力分别从7.79、7.21 MPa和5.98 MPa显著减小到2.91、2.83 MPa和1.60 MPa。这可能是由于较高含量的物料水分一方面在机筒中起到润滑的作用，另一方面也导致SPI-鱼糜混合物黏度降低，从而减少了推动混合物挤出过程所需的力以及物料与螺杆和机筒之间的摩擦，进而缩短了物料在挤出机中的停留时间，降低了挤出机机械能转化为热能的比率，导致SME和模口压力减小。

表2 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤压系统响应参数的影响Table 2 Effect of hydrothermal parameter combinations on SME and die pressure during the high-moisture extrusion of SPI-surimi blends

当物料水分质量分数一定时，挤压温度从125 ℃升高至145 ℃，导致SME分别从783.40、656.87 kJ/kg和504.47 kJ/kg减小到689.23、618.11 kJ/kg和410.96 kJ/kg，模口压力分别从7.79、4.03 MPa和2.91 MPa减小到5.98、3.67 MPa和1.60 MPa。这可能是高水分挤压过程中温度升高导致熔融态物料的黏度降低，从而减少其产生的黏滞阴力，最终导致SME与模口压力的减小。而在最高水热参数组合作用下，SME从783.40 kJ/kg显著减小到410.96 kJ/kg，模口压力从7.79 MPa显著减小到1.60 MPa。这表明水热参数组合条件下，物料水分含量对高水分挤压过程中的SME与模口压力影响较大，这与Chen Fengliang等的研究结果相似，而水和热的组合作用对SME与模口压力的影响更大，物料水分增加的同时提高挤压温度会显著降低挤压过程中的能量耗散与模口压力。

2.2 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤出物外观色泽的影响

如表3所示，当挤压温度一定时，随着物料水分质量分数从65%增加到75%，SPI-鱼糜混合挤出物亮度逐渐增加，而红绿度、黄蓝度和色差总体逐渐降低。Thiébaud和Palanisamy等也分别发现物料水分含量的增加会使大豆蛋白-鱼糜混合挤出物或羽扇豆蛋白挤出物更亮白，这可能与水的稀释作用有关。当物料水分质量分数为75%时，随着挤压温度从125 ℃升高到145 ℃，SPI-鱼糜混合挤出物亮度逐渐增加、色差逐渐减小，可能是挤压温度的升高促进了蛋白质分子形成有序紧密的纤维结构，纤维化程度高的挤出物表面易形成一种光滑的膜状结构，提高了其光泽度；挤出物红绿度与黄蓝度也均逐渐增加，这可能是挤压温度升高引起美拉德反应加剧所致。以上结果表明，当物料水分质量分数较大（75%）时，提高挤压温度会使SPI-鱼糜混合挤出物色泽更亮，但也会导致挤出物色泽加深。

表3 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤出物色泽的影响Table 3 Effect of hydrothermal parameter combinations on color parameters of SPI-surimi mixed extrudates

2.3 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤出物质构特性的影响

如图1A、B所示，当挤压温度一定时，随着物料水分质量分数由65%增加到75%，SPI-鱼糜混合挤出物的硬度和咀嚼度显著降低。Lin等也发现物料水分含量的增加会导致大豆蛋白挤出物的硬度和咀嚼度显著降低。而当物料水分质量分数相同时，挤压温度的升高对SPI-鱼糜混合挤出物的硬度和咀嚼度总体没有显著影响，这与Chen Fengliang等对挤压大豆蛋白的研究结果一致，表明SPI-鱼糜混合挤出物的硬度和咀嚼度可能主要取决于SPI，而水热参数组合条件下，物料水分质量分数对硬度和咀嚼度的调控起主导作用，物料水分质量分数的降低会导致SPI-鱼糜混合挤出物硬度和咀嚼度的提高，Maurya和Grahl等也得出相似的结论。

由图1C可知，当物料水分质量分数为65%时，挤压温度从125 ℃升高到145 ℃导致SPI-鱼糜混合挤出物的弹性逐渐下降，物料水分质量分数为70%或75%时，挤压温度的升高导致挤出物弹性逐渐上升。挤压温度为125 ℃时，物料水分质量分数的增加导致挤出物弹性先下降后升高，挤压温度为135 ℃或145 ℃时，物料水分质量分数的增加导致挤出物弹性总体逐渐上升。以上结果表明，与硬度和咀嚼度不同，水热参数组合作用会明显影响SPI-鱼糜混合挤出物的弹性。而康立宁研究发现机筒温度从120 ℃增加到160 ℃，大豆蛋白挤出物弹性无明显变化。说明鱼糜的加入使大豆蛋白-鱼糜混合挤出物对温度变化更敏感。

图1 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤出物质构特性的影响Fig. 1 Effect of hydrothermal parameter combinations on texture parameters of SPI-surimi mixed extrudates

2.4 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤出物组织化程度的影响

如图2A、B所示，当挤压温度一定时，随着物料水分质量分数从65%增加到75%，SPI-鱼糜混合挤出物垂直剪切力与水平剪切力总体呈现显著降低的趋势，这可能是较高含量的物料水分促进了蛋白质和水之间的相互作用，而减少了蛋白质之间的相互作用，使得水平和垂直剪切力均降低。Zhang Jinchuang等发现，挤压温度一定时，物料水分质量分数从50%增加到60%会导致花生蛋白垂直剪切力和水平剪切力显著下降。Thiébaud等也发现质量比为20∶80的大豆蛋白-鱼糜混合挤出物水平剪切力和垂直剪切力与物料水分含量呈显著负相关。当物料水分质量分数为65%或75%时，挤压温度从125 ℃升高到145 ℃，SPI-鱼糜混合挤出物垂直剪切力与水平剪切力总体均逐渐降低；当物料水分为70%时，挤压温度的升高会导致挤出物垂直剪切力与水平剪切力先增加后降低。综上，物料水分质量分数过低（65%）或过高（75%）时，提高挤压温度不利于高水分挤压过程中SPI-鱼糜混合蛋白分子的交联，进而导致剪切阴力明显减小。

由图2C可知，当物料水分质量分数一定时，挤压温度从125 ℃升高至145 ℃，SPI-鱼糜混合挤出物的组织化程度先减小后增加；而挤压温度一定时，较高的物料水分质量分数（75%）导致SPI-鱼糜混合挤出物的组织化程度显著降低。上述结果表明SPI-鱼糜混合挤出物的组织化程度受到水热参数组合作用的明显影响，135 ℃的挤压温度和较高的物料水分质量分数（75%）不利于SPI-鱼糜混合挤出物中纤维结构的形成。He Tianqi等研究发现，随着物料水分质量分数从40%增加到50%，质量比为80∶20的大豆蛋白-带鱼鱼糜混合挤出物组织化程度显著升高，而挤压温度对挤出物的组织化程度没有显著影响。物料水分质量分数为70%时挤出物组织化程度较高，挤压温度为145 ℃时达到最大（2.36），这有利于纤维结构的形成。

图2 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤出物垂直剪切力（A）、水平剪切力（B）和组织化程度（C）的影响Fig. 2 Effect of hydrothermal parameter combinations on vertical shear force (A), horizontal shear force (B) and fibrous degree (C) of SPI-surimi mixed extrudates

2.5 水热参数组合条件下SPI-鱼糜共混挤出物凝胶特性变化

由图3可知，挤压温度不变，当物料水分质量分数从65%增加到75%时，SPI-鱼糜混合挤出物凝胶强度和持水性总体均显著降低。这可能是因为较高含量的物料水分阴碍了蛋白与蛋白之间的相互作用，导致形成了较弱的凝胶网络，从而导致挤出物凝胶强度与持水性的降低。

图3 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤出物凝胶强度（A）和持水性（B）的影响Fig. 3 Effect of hydrothermal parameter combinations on the gel strength (A)and water-holding capacity (B) of SPI-surimi mixed extrudates

当物料水分质量分数为65%或70%时，随着挤压温度从125 ℃升高至145 ℃，SPI-鱼糜混合挤出物凝胶强度总体逐渐增强，而持水性则先略微增加而后显著下降。这可能是挤压温度升高导致蛋白质与蛋白质之间的聚集和交联增强，形成了较致密的凝胶，而蛋白质与水分子之间的交联减弱，导致持水性降低。综上，水热参数组合作用下，物料水分质量分数对SPI-鱼糜混合挤出物凝胶强度和持水性的影响更大，当物料水分质量分数高于70%时，SPI-鱼糜混合挤出物形成的凝胶强度和持水性显著降低。

2.6 水热参数组合条件下SPI-鱼糜共混挤出物微观结构变化

如图4所示，挤压温度一定时，当物料水分质量分数为65%时，鱼糜凝胶以颗粒形式填充在混合凝胶结构中；当物料水分质量分数增加到70%时，鱼糜凝胶颗粒数量显著增多；当物料水分质量分数增加到75%时，挤出物中出现区域性分散的无取向性疏松网状结构。这表明物料水分质量分数的增加导致SPI-鱼糜混合效果变差，也导致混合凝胶取向性变差，这与SPI-鱼糜混合挤出物硬度、咀嚼性、凝胶强度、持水性和组织化程度结果相印证。这可能是因为物料水分质量分数的增加导致蛋白质变性程度降低，蛋白质分子之间相互作用减弱，进而导致形成疏松无序的网络状凝胶。

图4 水热参数组合条件对SPI-鱼糜共混挤出物微观结构的影响（×3 000）Fig. 4 Effect of hydrothermal parameter combinations on the microstructure of SPI-surimi mixed extrudates (× 3 000)

当物料水分质量分数较低（65%）时，挤压温度从125 ℃升高到145 ℃，混合凝胶取向性更为明显，这可能是由于挤压温度升高，SPI-鱼糜混合蛋白分子链展开、聚集程度增加，有利于凝胶结构的取向。而物料水分质量分数较高（75%）时，挤压温度的升高也导致不规则网状结构数量逐渐减少，这可能是由于高水分质量分数条件下形成的疏松无序的网络状凝胶容易受到高温条件破坏，这与前文中高温、高水分质量分数条件下凝胶强度显著降低的结果一致。以上研究结果表明，水热参数组合作用下，物料水分质量分数降低的同时升高挤压温度能够增强SPI-鱼糜混合蛋白相互作用，有利于凝胶结构形成和取向。

2.7 水热参数组合条件下SPI-鱼糜共混挤压响应参数与挤出物品质的关系

Chen Fengliang等发现SME与SPI挤出物的硬度（＝0.76，＜0.01）和咀嚼度（＝0.74，＜0.01）呈极显著正相关。Zhang Wei等也发现，SME的增加导致挤出物硬度和垂直剪切力显著增加。因此，SME与挤出物的品质关系密切，可作为判定挤出物品质的重要指标。从图5可以看出，水热参数组合条件下，SME与SPI-鱼糜混合挤出物硬度、咀嚼度、凝胶强度、持水性、水平剪切力和垂直剪切力之间呈非线性关系，分别为0.884 1、0.904 1、0.798 7、0.800 1、0.786 4和0.960 0。高水分含量挤压过程中，随着SME的增加，挤出物硬度、咀嚼度、凝胶强度、持水性、水平剪切力和垂直剪切力均明显增加，说明较高的能量耗散有利于改善挤出物的口感。

图5 SME对挤出物硬度（A）、咀嚼度（B）、凝胶强度（C）、持水性（D）、垂直剪切力（E）和水平剪切力（F）的影响Fig. 5 Effect of SME on the hardness (A), chewiness (B), gel strength (C),water-holding capacity (D), vertical shear force (E) and horizontal shear force (F) of SPI-surimi mixed extrudates

研究还发现，水热参数组合条件下，模口压力与SPI-鱼糜混合挤出物硬度、咀嚼度、凝胶强度、水平剪切力和垂直剪切力之间也呈非线性关系（图6），分别为0.895 1、0.908 7、0.859 3、0.853 5和0.870 3。较高的模口压力会导致挤出物硬度、咀嚼度、凝胶强度、水平剪切力和垂直剪切力均显著增加。Zhang Jinchuang等的研究同样发现模口压力与花生蛋白挤出物硬度（＝0.53，＜0.01）、垂直剪切力（＝0.33，＜0.05）和水平剪切力（＝0.46，＜0.01）呈显著正相关。

图6 模口压力对挤出物硬度（A）、咀嚼度（B）、凝胶强度（C）、水平剪切力（D）和垂直剪切力（E）的影响Fig. 6 Effect of die pressure on the hardness (A), chewiness (B), gel strength (C), horizontal shear force (D) and vertical shear force (E) of SPI-surimi mixed extrudate

3 结 论

高水分含量挤压过程中，水热参数组合作用会显著影响挤压过程中的SME、模口压力以及SPI-鱼糜混合挤出物的品质，与挤压温度相比，物料水分质量分数影响更为显著。物料水分质量分数增加的同时提高挤压温度，导致挤压过程中的SME从783.40 kJ/kg显著减小到410.96 kJ/kg，模口压力从7.79 MPa显著减小到1.60 MPa，也导致挤出物形成了较弱的凝胶网络，硬度、咀嚼度和剪切力显著降低，亮度升高，色差降低。而物料水分质量分数降低的同时提高挤压温度有利于SPI-鱼糜混合凝胶结构的形成与取向，当物料水分质量分数为70%、挤压温度为145 ℃时，挤出物组织化程度最高，为2.36。多项式拟合结果表明，水热参数组合条件下，高水分挤压过程中的SME和模口压力与SPI-鱼糜混合挤出物品质之间具有非线性相关关系，SME和模口压力增强有利于混合挤出物品质的提升。本实验探究了水热参数组合、系统响应参数及SPI-鱼糜混合挤出物品质之间的关系，可为挤出物品质的调控以及以动植物蛋白结合的替代蛋白类新产品的开发提供参考。