谷朊粉对豌豆植物蛋白肉产品特性的影响

赵玉茹，杨进洁，边文洁，赵祥忠*，王晨莹

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）食品科学与工程学院，山东济南 250353；2.烟台双塔食品股份有限公司，山东招远 265404；3.山东真诺智能设备有限公司，山东济南 251400）

近年来，旨在模拟动物肉纤维结构和口感的植物蛋白肉制品被相继开发出来，挤压技术是目前最适合商业化的植物蛋白肉加工技术之一，主要包括低水分挤压（含水量＜40%）和高水分挤压（含水量为60%～80%）[1]，低水分挤压形成的产品不具备真肉的纤维状结构，通常要经复水后才能加工和食用，而高水分挤压具有无需复水和与真肉类似度高等优势[2]。目前，用于生产植物蛋白肉的原料主要有大豆蛋白、豌豆蛋白和花生蛋白等[3]，豌豆蛋白因其低致敏性、生物利用度高、无转基因问题、氨基酸比例平衡和营养价值高等优点得到广泛关注[4]，但单一的豌豆蛋白生产的植物蛋白肉成型性较差、纤维结构较差、与真肉的类似度低[5]。小麦蛋白，又称谷朊粉（wheat gluten，WG），因其独特的黏弹特性，与其他植物蛋白混合挤压，能够有效增强植物基肉制品的纤维结构和组织化度等[6]，从而提高与真肉的类似度。Chiang 等[7]将大豆蛋白与谷朊粉混合后进行高水分挤压，发现含有30%谷朊粉的挤压样品具有最高的组织化度、硬度和咀嚼性，并具有明显的纤维结构，其在结构特性方面接近于煮熟的鸡胸肉。

本文将豌豆蛋白与谷朊粉以不同的比例混合，在相同的工艺条件下进行高水分挤压，测定并分析谷朊粉含量对植物蛋白肉的理化性质和结构特性的影响，包括质构特性、色泽、复水性、微观结构、红外光谱和流变特性，以期为优化植物蛋白配方提供参考，并初步探讨谷朊粉对植物蛋白肉纤维结构的影响机理。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

豌豆蛋白粉：烟台双塔食品股份有限公司；谷朊粉：封丘县华丰粉业有限公司；溴化钾（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；复合磷酸盐：广州天佳生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤压试验机（HT36）：山东真诺智能设备有限公司；物性测试仪（TA.XT.plus）：厦门超技仪器设备有限公司；色差仪（NR10QC+）：深圳市三恩时科技有限公司；真空冷冻干燥机（Scientz-18N）：宁波新芝生物科技股份有限公司；傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet iS 10）：美国Thermo 公司；扫描电子显微镜（Hitachi S4800）：日本日立公司；流变仪（RH-20）：上海保圣实业发展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豌豆蛋白的高水分挤压

向豌豆蛋白粉中添加谷朊粉，使得谷朊粉占蛋白总质量的0%、20%、40%、60%，加入1%复合磷酸盐后充分混匀，置于双螺杆挤压试验机中进行高水分挤压试验。挤压参数：进水流速15 L/h、喂料速度10 kg/h、螺杆转速800 r/min，挤压机1、2、3、4、5、6 区温度设置为40、60、80、120、160、150 ℃，冷却温度为50 ℃。

将挤压出的植物蛋白肉冷却后真空包装密封，放入4 ℃冰箱中保存。每个比例各取一部分冷冻干燥，研磨成粉后过80 目筛，于-20 ℃冰箱中保存备用。

1.3.2 植物蛋白肉的质构特性测定

将新鲜挤压的植物蛋白肉裁剪为20 mm×20 mm×10 mm 的长方体置于仪器测试台中央，选用P50 探头，测定样品的硬度、弹性、咀嚼性的数值，设置仪器测试条件：全质构分析（texture profile analysis，TPA）模式，测试前速度1.0 mm/s，测试中速度1.0 mm/s，测试后速度5.0 mm/s，测定压缩比50%，下压两次，间隔时间5 s，触发力5 g。每个样品做3 次平行测定，取平均值[8]。

1.3.3 植物蛋白肉的色泽测定

采用色差仪对植物蛋白肉的色泽进行测定，随机测定同一样品的9 个不同部位，取平均值，记录特征值L*值、a*值和b*值。标准白板的L0*值、a0*值和b0*值分别为97.02、-0.015 和1.45。ΔE表示样品与白板的色差，数值越大，差别越大，计算公式如下[9]。

1.3.4 植物蛋白肉的复水率测定

将5 g 新鲜的植物蛋白肉在60 ℃下干燥，直到达到恒定质量。干燥完成后放入60 ℃的蒸馏水中浸泡5 h，进行复水测试。擦拭掉表面的水分后记录其质量的变化，复水率（R，%）的计算公式如下[10]。

R=W1/W2× 100

式中：W1为复水后的植物蛋白肉的质量，g；W2为新鲜植物蛋白肉的初始质量，g。

1.3.5 植物蛋白肉的微观结构观察

将植物蛋白肉切成15 mm×10 mm×5 mm 的小块并冷冻干燥，使用导电胶将样品固定在样品台上并进行喷金处理，然后放在扫描电子显微镜下扫描并观察样品横截面的微观结构，放大100 倍和300 倍观察并拍照。

1.3.6 植物蛋白肉的傅里叶红外光谱测定

将1 mg 冷冻干燥过筛后的植物蛋白肉粉末与100 mg 溴化钾混合后在研钵中充分研磨并压片，在4 000～400 cm-1的范围内进行傅里叶红外光谱扫描，以单独的溴化钾扫描光谱作为背景，扫描次数为64，分辨率为4 cm-1，每个样品测3 次，取平均值。最终结果采用OMNIC 8.2 软件对红外图谱进行基线校正、归一化和傅里叶去卷积处理。使用Peakfit 4.12 软件对1 700～1 600 cm-1（酰胺Ⅰ区）进行拟合分析[11]。

1.3.7 植物蛋白肉的流变特性测定

将0.6 g 冷冻干燥过筛后的植物蛋白肉粉末分散在3 mL 蒸馏水中，搅拌1 h 后在4 ℃冰箱中放置过夜。将分散液装入流变仪平行板（直径50 mm）正下方，在25 ℃下进行剪切试验[12]。剪切速率为1～100 s-1。

1.4 数据处理

采用SPSS 26.0 对试验数据进行显著性分析，数据以平均值±标准差的形式表示，P＜0.05 表示差异显著。采用Origin 2018 软件进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 谷朊粉含量对植物蛋白肉质构特性的影响

谷朊粉含量对植物蛋白肉质构特性的影响见图1。

图1 谷朊粉含量对植物蛋白肉质构特性的影响Fig.1 Effect of wheat gluten addition on texture of plant proteinbased meat alternative

如图1所示，WG 含量对植物蛋白肉的硬度、弹性和咀嚼性均有显著影响。由图1A 可知，随着WG 含量的增加，样品的硬度先升高后降低，WG 含量为20%时，硬度达到最大值（16 101 g），WG 含量为60%时，硬度达到最小值（11 737 g）。由图1B 可知，植物蛋白肉的弹性随着WG 含量的增加显著升高（P＜0.05）。咀嚼性被定义为硬度×内聚性×弹性，由图1C 可知，随着WG 含量的增加，样品的咀嚼性先升高后降低，同硬度变化趋势一致。WG 含量为20%时，咀嚼性达到最大值，继而显著下降（P＜0.05）。WG 主要由麦谷蛋白和麦胶蛋白组成，这两种蛋白质与水混合时会形成面团中常见的黏弹性基质，从而增加面团的弹性[13]，这也是本研究中WG 含量增加后植物蛋白肉弹性提高的原因。WG 含量较低时（20%），WG 的添加会提高原料中半胱氨酸的含量，影响巯基-二硫键的转化反应[14]，从而促进二硫键的形成，使植物蛋白肉的硬度增大。但较高的WG 含量（40%和60%）会增强熔融体在挤压过程中的水合能力[8]，使植物蛋白肉变得柔软硬度降低。硬度和咀嚼性的结果与张金闯[15]的研究结果一致，当花生蛋白与谷朊粉质量比为6∶4 时，植物蛋白肉的硬度和咀嚼性达到最大值。刘明等[16]研究发现，当小麦蛋白、花生蛋白和豌豆蛋白以0.655∶0.135∶0.210 的质量比混合挤压后，产品具有较高的弹性，与本研究中谷朊粉含量为60%时植物蛋白肉弹性最大的结果相似。

2.2 谷朊粉含量对植物蛋白肉色泽的影响

谷朊粉含量对植物蛋白肉色泽的影响见表1。

表1 谷朊粉含量对植物蛋白肉色泽的影响Table 1 Effect of wheat gluten addition on color of plant proteinbased meat alternative

色泽是植物蛋白肉产品的一个重要特性，它影响着产品的质量以及消费者对产品的接受度[12，17]。由表1 可知，WG 含量对植物蛋白肉的色泽有显著影响（P＜0.05）。WG 含量为0%～60% 时，L*值显著增大（P＜0.05），这说明WG 使植物蛋白肉的颜色变浅，但a*值和b*值显著减小（P＜0.05），△E值也显著下降（P＜0.05），说明植物蛋白肉的颜色更接近于标准白板的颜色。与肖志刚等[18]的研究结果一致，随着豌豆蛋白含量的增加、谷朊粉含量的减少，产品的L*值逐渐降低；a*值和b*值逐渐升高，产品的色泽加深。主要是因为与豌豆蛋白相比，WG 本身颜色较浅。一般来说，植物蛋白肉的色泽较深不能被食用染料覆盖和着色，会降低消费者的接受度[10]。因此，WG 可以提高植物蛋白肉的亮度和白度，有利于产品的进一步着色处理。

2.3 谷朊粉含量对植物蛋白肉复水率的影响

复水率是与食品持水能力有关的重要参数，它影响着产品的质地。不同WG 含量的植物蛋白肉的复水率如图2所示。

图2 谷朊粉含量对植物蛋白肉复水率的影响Fig.2 Rehydration rates of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten

由图2 可知，当WG 含量为20%和40%时，植物蛋白肉的复水率较高，可能是植物蛋白肉的孔隙率增加导致的，当干的植物蛋白肉浸泡在水中时，水通过表面的孔隙进入内部，填充在内部空隙中，并与原材料的羟基形成氢键，内部孔隙就像蓄水池一样储存吸收的水分。因此，孔隙越多，能吸收的水分就越多[19]。但当WG 含量增加到60%时，由于豌豆蛋白中疏水性氨基酸含量较低、极性氨基酸含量较高，而谷朊粉中疏水性氨基酸含量较高，进而降低了样品的持水性，使其在复水时吸收的水分减少，从而降低了植物蛋白肉的复水率。

2.4 谷朊粉含量对植物蛋白肉的微观结构和拉丝效果的影响

谷朊粉含量对植物蛋白肉微观结构的影响见图3，20%谷朊粉对植物蛋白肉拉丝效果的影响见图4。

图3 谷朊粉含量对植物蛋白肉微观结构的影响Fig.3 Microstructures of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten

图4 20%谷朊粉对植物蛋白肉拉丝效果的影响Fig.4 Drawing effect of plant protein-based meat alternative prepared with 20%wheat gluten

由图3 可知，不加WG 的植物蛋白肉表面的孔隙结构数量较少，结构较致密，很难发现纤维结构。随着WG 含量的升高，孔隙数量明显增加且分布变得均匀，结构变得疏松。当谷朊粉含量较高（40%、60%）时，因WG 含有大量通过分子间二硫键连接的多肽，使得植物蛋白肉内部形成了多孔的网络结构。从宏观上看，添加20% WG 对植物蛋白肉的纤维结构有很明显的改善作用。由图4 可知，不含WG 的植物蛋白肉撕开后为片层状，基本没有拉丝状，而添加20%WG 的植物蛋白肉撕开后具有纤维结构，拉丝效果明显。可能是因为豌豆蛋白与谷朊粉混合，在挤压过程中形成了两个不相容的独立相，阻止了蛋白质横向聚集，有利于纵向排列形成纤维[20]，因而出现了图中的拉丝效果，这与Zhang 等[21]的研究结果一致，单独的大豆浓缩蛋白的挤出物没有清晰的纤维结构，而添加谷朊粉后会产生高度纤维结构。

2.5 谷朊粉含量对植物蛋白肉红外图谱、二级结构的影响

不同WG 含量的植物蛋白肉的红外图谱如图5所示。

图5 谷朊粉添加量对植物蛋白肉红外图谱的影响Fig.5 FTIR spectra of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten

由图5 可知，在3 300、2 924、1 630、1 520、1 050 cm-1附近分别观察到5 个主要特征吸收峰。约3 300 cm-1处的峰是一个宽峰，主要是由于—OH、—NH 和—CH的伸缩振动[22]；在2 924 cm-1处出现一个尖峰，主要是由饱和C 上的—CH 伸缩振动引起[23]。

通过二阶导数拟合对酰胺I 带（1 700～1 600 cm-1）进行反卷积获得植物蛋白肉二级结构，变化如表2所示。其中，有序结构为β-折叠和α-螺旋含量之和。

表2 谷朊粉含量对植物蛋白肉二级结构的影响Table 2 Secondary structures of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten%

由表2 可知，植物蛋白肉中β-折叠和β-转角的含量均高于α-螺旋和无规则卷曲的含量，这表明豌豆蛋白和谷朊粉的植物蛋白肉主要以β 型结构存在[24]。此外，随着WG 含量的升高，β-折叠含量先增加后降低，无规则卷曲先降低后升高，在WG 含量为20%时分别达到最高、最低值，说明无规则卷曲向β-折叠转化，而β-折叠被认为是最稳定的结构[25]。β-折叠和α-螺旋是有序结构，而β-转角和无规则卷曲是无序结构，随着WG 含量的升高，有序结构的含量先增加后降低，在WG 含量为20% 时，有序结构的含量最高，这与挤出物硬度的变化趋势一致（图1A）。结果表明，WG 增加了有序结构，促进植物蛋白肉中纤维结构的形成。

2.6 谷朊粉含量对植物蛋白肉流变特性的影响

谷朊粉含量对植物蛋白肉表观黏度的影响见图6。

图6 谷朊粉含量对植物蛋白肉表观黏度的影响Fig.6 Apparent viscosity of plant protein-based meat alternatives prepared with different proportions of wheat gluten

由图6 可知，随着剪切速率的升高（1～100 s-1），溶液的表观黏度呈逐渐降低的趋势，当剪切速率较低时，表观黏度急剧下降，但随着剪切速率的不断升高，表观黏度降低的速率变慢，并逐渐趋于平缓，这是典型的剪切稀化行为，这与Xia 等[26]研究的豌豆蛋白肉类似物溶液的曲线一致，可能与在剪切作用下分子内或分子间相互作用的破坏有关。在相同的剪切速率下，溶液表观黏度随WG 含量的增加而增加。同样是两种蛋白质混合进行高水分挤压，Xia 等[12]研究发现，酵母蛋白含量的增加反而会导致豌豆蛋白肉类似物溶液黏度减小，可能是因为蛋白质聚集体的形成，如小球体，发挥润滑作用从而导致黏度下降。而本研究结果出现的原因可能是WG 含量增加后，分子间氢键数量增加，从而增加了剪切时的阻力，使得加入WG 的样品的表观黏度较大[27]。

3 结论

本研究将豌豆蛋白和谷朊粉进行复合高水分挤压，系统研究了原料复配比例对植物蛋白肉品质特性的影响。结果发现，最佳谷朊粉含量为20%，在此含量下得到的复合植物蛋白肉结构紧密，成型性较好，有光泽，有较高的硬度和咀嚼性，有序结构含量最高，有较强的结构稳定性，并且相比于不加谷朊粉的豌豆植物蛋白肉，样品的弹性、复水率以及溶液的黏度均有所提高，并对拉丝效果有显著的改善作用。由此可见，在豌豆蛋白高水分挤压中加入适量的谷朊粉可以有效改善产品特性，提高与真肉的类似度，提高豌豆蛋白在植物蛋白肉生产中的应用价值。