大豆拉丝蛋白是以未变性脱脂豆粕和大豆分离蛋白（SPI）为主要原料，经双螺杆挤压技术生产的新型大豆蛋白，常被用作肉类的替代品 。在挤压过程中，各种复杂的加工操作会导致食品聚合物的结构和物理化学性质发生转变。

哈尔滨商业大学食品工程学院的张浩嘉、朱秀清*、孙莹*系统研究挤压机筒温度、螺杆转速和物料水分质量分数对大豆蛋白的溶解性、粒径和二级结构等的影响，以此探究大豆蛋白在挤压过程中的构象变化，以期阐明挤出物形成机理，为大豆拉丝蛋白品质优化提供理论依据。

01

结果与分析

1.1 挤压系统参数对SPI氮溶解指数的影响

1.1.1 不同机筒温度对SPI氮溶解指数的影响

如图1A所示，随着挤压温度升高，挤出物氮溶解指数（NSI）显著降低，在170 ℃的挤压温度条件下，NSI下降至最低值（14.45%），表明挤压处理会明显降低大豆蛋白的溶解度，主要是由于挤压机内高温高剪切力的作用破坏了SPI原有的天然结构，随着疏水基团的暴露以及非共价键的作用，形成了分子质量较大的蛋白质聚集体；但随着挤压温度的继续升高，NSI不再继续降低，反而在挤压温度180 ℃下小幅上升，可能是过高的挤压温度破坏了蛋白质聚集体结构，小分子质量肽的比例增加，从而使SPI的NSI略有回升。

1.1.2 不同物料水分质量分数对SPI氮溶解指数的影响

随着物料水分质量分数的升高，SPI的NSI呈现先升高后降低趋势，由图1B可知物料水分质量分数从16%升至22%时，NSI增加至最高值（16.30%），说明22%物料水分质量分数下挤压处理有利于SPI溶解度的提高；当物料水分质量分数低于22%时，水分含量较低导致挤压机模口处物料严重膨胀；说明缺少水分的润滑保护作用，挤压机内的高温、高压以及高剪切力作用使得SPI样品天然结构遭到严重破坏；通过对挤压样品的观察，当物料水分质量分数高于22%时，挤出物严重断裂，并在挤压机模口处出现喷料现象，这可能是水分子在高温条件下的瞬间汽化导致模口压力过高，不利于SPI聚集体的形成，造成溶解度出现下降的趋势，且不利于形成稳定的挤出物。

1.1.3 不同螺杆转速对SPI氮溶解指数的影响

随着螺杆转速的升高，SPI的NSI呈现先增加后降低的趋势，由图1C可知，在螺杆转速从100 r/min增至130 r/min时，NSI提升至最大值（16.37%），推测是由于螺杆转速越高机械能输入越高，较高机械能输入引起蛋白质解聚导致溶解度上升；而较低螺杆转速会导致停留时间较长，蛋白热变性时间过长导致溶解度较低；但当螺杆转速超过130 r/min时，NSI降低，在160 r/min的螺杆转速条件下NSI降至12.93%，可能是在过高的螺杆转速条件下，高剪切力的作用促进SPI原有的天然结构被破坏，疏水基团暴露，在非共价键的作用下，形成了分子质量较大的蛋白质聚集体，使得SPI的溶解度进一步降低 。

1.2 挤压系统参数对SPI游离巯基、二硫键含量的影响

1.2.1 不同机筒温度对SPI游离巯基、二硫键含量的影响

如图2A所示，随着挤压温度的升高，SPI二硫键含量先增加后减少，游离巯基含量则呈先下降随后趋于平稳的变化趋势，推测可能是当SPI通过挤压处理后，其天然结构被破坏，分子链被打开，分子内巯基基团暴露，并且部分游离巯基基团被转换为二硫键，导致游离巯基含量变化不明显，可以推断SPI聚集体的形成过程中，二硫键起到了重要作用；温度超过160 ℃时，二硫键含量略有下降，说明温度过高，不利于内部巯基基团的暴露以及二硫键的形成，相关研究也表明挤出温度过高会导致蛋白分子直接形成的分子键被破坏。

1.2.2 不同物料水分质量分数对SPI游离巯基、二硫键含量的影响

如图2B所示，随着物料水分质量分数从16%增加到22%，二硫键含量逐渐降低，SPI游离巯基含量变化不显著，说明该水分条件下物料由于水的保护润滑作用，不利于内部巯基基团的暴露以及二硫键的形成，较低或较高的物料水分含量会加剧挤压处理对SPI天然构象的破坏；在物料水分质量分数为22%时，二硫键含量最低，使得挤压后的SPI溶解度最高。

1.2.3 不同螺杆转速对SPI游离巯基、二硫键含量的影响

如图2C所示,随着螺杆转速增加，SPI游离巯基含量下降，二硫键含量呈现先增加后减少的趋势，说明SPI经过螺杆的剪切力作用后，蛋白质天然结构被破坏，内部基团暴露，从而引起二硫键含量上升，二硫键在SPI聚集体的形成过程中起到了关键作用。螺杆转速为130 r/min时，二硫键含量达到最高值，此时SPI在二硫键的作用下聚集程度较高且溶解度较高，但螺杆转速超过130 r/min时，二硫键含量略有下降，说明过高的螺杆转速不利于内部巯基基团的暴露以及二硫键的形成，且造成SPI溶解度的进一步降低，使得SPI亚基组分中小分子质量组分进一步减少 。

1.3 挤压系统参数对SPI粒径体积分布的影响

1.3.1 不同机筒温度对SPI粒径体积分布的影响

天然状态下SPI样品为单峰，且粒径分布较为均一，经过挤压处理后，SPI粒径体积分布图由原来的单峰变成了双峰或三峰，随着挤压温度的升高，粒径分布逐渐右移，SPI平均粒径呈现增大的趋势，较大的蛋白质粒径会降低其溶解度。由表2可知，SPI平均粒径在150 ℃时增加至最大值，并如图3A观察到图谱中出现粒径较大的吸收峰，推测是随着温度升高，蛋白质分子链解聚再聚集成更大的团聚体，导致平均粒径值升高；当温度继续增加超过160 ℃时，粒径较大的吸收峰逐渐消失，但是仍处于宽峰状态，说明高温挤压条件会破坏部分较大的SPI聚集体，此现象的出现也可能是高温处理后SPI形成的疏松结构易于被破坏所致。

1.3.2 不同物料水分质量分数对SPI粒径体积分布的影响

如图3B所示，随着物料水分质量分数的增加，SPI粒径体积分布图的峰型仍是单峰，说明不同水分含量的样品均能获得体系较为均一的SPI聚集体。从表3可以看出，当物料水分质量分数较低时，SPI平均粒径较低，此现象可能是由于较低的水分含量条件使SPI天然构象破坏严重，SPI中不溶性组分含量增加，能够溶解进入粒径测试液的多为小分子肽，故造成粒径出现减小的趋势；当物料水分质量分数增加到22%时，平均粒径增加至最大值，继续增加物料水分质量分数平均粒径下降，说明高物料水分含量有利于形成较稳定SPI聚集体，但由于水具有润滑保护作用，此水分条件下蛋白变性程度较低，较多的蛋白维持了其天然构象，所以溶解度较高，这可能是较高的物料水分抑制了SPI内部疏水基团的暴露，水分子与SPI之间的结合一定程度上抑制了SPI天然构象的破坏以及聚集体的形成。

1.3.3 不同螺杆转速对SPI粒径体积分布的影响

经过不同的螺杆转速挤压处理后，SPI粒径体积分布图由天然状态的单峰变成了多峰，随着螺杆转速的升高，粒径分布图中峰位逐渐右移，SPI平均粒径呈现增大的趋势，并图3C中观察到图谱中出现粒径较大的吸收峰；表4中130 r/min时粒径达到最大值，且如图3C5所示，分布较为均一此条件下SPI溶解度最高，说明此挤压条件有利于形成稳定的SPI聚集体；随着螺杆转速的继续增加，在140～160 r/min条件下SPI分子PDI较低，粒径的体积分布又逐渐变为均一且粒径较大的单峰。

1.4 挤压系统参数对SPI Zeta-电位的影响

1.4.1 不同机筒温度对SPI Zeta-电位的影响

Zeta-电位绝对值的高低表示分子表面所带正或负电荷数量的多少，SPI Zeta-电位的绝对值越高，说明体系内蛋白质分子表面的电荷数量越多，在较大的静电斥力作用下能够维持SPI结构处于相对稳定的状态。与未挤压处理SPI相比，挤压处理使SPI整体Zeta-电位绝对值明显增加；且由图4A可见，随着挤压温度的提高，SPI的Zeta-电位绝对值呈现先增大后减小的趋势；挤压温度达到160 ℃时SPI Zeta-电位绝对值达到最高，此时SPI分子间的静电斥力最大，说明SPI在挤压处理后，通过二硫键、疏水作用以及静电作用力等化学作用力聚集形成的蛋白质聚集体增多；随着挤压温度进一步升高，Zeta-电位绝对值不再继续增加，SPI分子表面静电荷密度减小，说明过高的挤压温度条件下不利于蛋白质聚集体形成。挤压处理可以破坏SPI天然结构，在诱导不溶性蛋白质聚集体形成的同时促进蛋白质分子内部疏水残基以及带电基团暴露，从而引起SPI Zeta-电位绝对值的增加。

1.4.2 不同物料水分质量分数对SPI Zeta-电位的影响

经过挤压处理后，挤出物Zeta-电位绝对值均明显增加，如图4B所示，随着物料水分质量分数增加呈现先降低后升高的趋势，物料水分质量分数为22%时，SPI Zeta-电位绝对值达到最低，此时SPI分子间的静电斥力最小，说明SPI在此条件下挤压处理后形成的蛋白质聚集体较少；较高或较低的物料水分质量分数均会导致Zeta-电位绝对值增加，SPI分子表面静电荷密度增加，说明较高或较低的物料水分含量条件下有利于不溶性蛋白质聚集体形成，结合粒径分析数据来看，较高或较低的物料水分含量导致挤出物平均粒径较低，PDI较高，不能形成体系均一的SPI聚集体。综上，挤压处理时不同的水分质量分数对SPI聚集影响差异明显，较低的物料水分质量分数有利于SPI聚集体的形成，但不能形成均一的聚合体系，且不利于挤压过程中SPI与油脂之间的结合，较高的水分质量分数条件下，水分子的汽化也会破坏SPI稳定聚集体的形成。

1.4.3 不同螺杆转速对SPI Zeta-电位的影响

随着螺杆转速的提高，SPI的Zeta-电位绝对值呈现先增大后减小的趋势；如图4C所示，螺杆转速为130 r/min时SPI Zeta-电位绝对值达到最高，说明此时SPI分子间的静电斥力最大，现有研究也表明，SPI在挤压处理后，通过二硫键、疏水作用以及静电相互作用等化学作用力聚集形成的蛋白质聚集体数量增多；随着螺杆转速进一步升高，Zeta-电位绝对值开始下降，SPI分子表面静电荷密度减小，说明较高的螺杆转速对机筒内输入了较高的机械能，导致SPI聚集体被破坏或阻碍形成更多蛋白聚集体，但较高的螺杆转速有利于形成的SPI聚集体体系趋向均一。

1.5 挤压系统参数对SPI二级结构的影响

1.5.1 不同挤压温度对SPI二级结构相对含量的影响

如图5A所示，大豆蛋白经挤压处理后，二级结构中α-螺旋结构、β-折叠结构的相对含量减小，β-转角、无规卷曲结构的相对含量增大。随着挤压温度的升高，α-螺旋、β-转角、无规卷曲结构的相对含量变化趋势均为先增大后减小；而β-折叠结构的相对含量变化趋势为先减小后增大，160 ℃时α-螺旋、β-转角结构相对含量达到最高值，分别为25.20%和17.98%，β-折叠的相对含量达到最低值（42.45%）；而无规卷曲在170 ℃时相对含量达到最高值（14.56%）。

1.5.2 不同物料水分质量分数对SPI二级结构相对含量的影响

如图5B所示，随着物料水分质量分数的增加，无规卷曲结构的相对含量有小幅波动，而α-螺旋、β-折叠结构相对含量呈现出与β-转角相反的变化趋势，水分质量分数为22%时α-螺旋结构相对含量达到最高值，水分质量分数为16%时β-转角结构相对含量最高，为26.75%，β-折叠的相对含量达到最低值（41.30%）。在22%物料水分质量分数条件下，由于水的润滑保护作用导致蛋白变性程度最低，二级结构含量比例最接近原始稳定状态，高于或低于此水分条件均会导致蛋白无序程度增加；根据前文挤压处理后SPI平均粒径及Zeta-电位分析结果，SPI聚集体含量的增加，β-转角结构起到了主要作用，而挤压处理后SPI形成均一稳定聚集体需要α-螺旋结构的参与。研究表明，α-螺旋和β-折叠含量较高的蛋白聚集体稳定性也更高。

1.5.3 不同螺杆转速对SPI二级结构相对含量的影响

大豆蛋白经不同的螺杆转速挤压处理后，二级结构中α-螺旋结构、β-折叠结构的相对含量减少，β-转角相对含量增多，无规卷曲结构相对含量略有增加，如图5C所示，螺杆转速的增加，α-螺旋、β-折叠结构的相对含量变化趋势为先增大后减小；而β-转角的相对含量变化呈现出与α-螺旋、β-折叠含量变化相反的趋势，根据现有研究结果推断，在挤压处理后，SPI变性程度提高，二级结构中α-螺旋和β-折叠向β-转角和无规卷曲转化。螺杆转速在120～130 r/min范围内蛋白二级结构比例更接近原始状态，低于或高于此范围会导致蛋白无序程度上升，可能是过低的螺杆转速导致SPI停留时间较长，蛋白变性程度提高，过高的螺杆转速导致机械能输入增加，造成蛋白天然结构破坏。

02

结论

本实验以 SPI 为原料，研究不同挤压温度（120～180 ℃）、螺杆转速（100～160 r/min）和物料水分质量分数（22%～28%）对冷榨豆粕中大豆蛋白构象的影响，结果显示：150 ℃下挤出物蛋白聚合度较高，纤维形成效果较好，过高或过低的温度均不利于蛋白质聚集和形成稳定状态；物料水分质量分数在20%～22%时，因水的保护作用使挤出物状态最佳，形成体系均一的SPI聚集体，物料水分质量分数过低或过高时因模口压力过大导致难以形成较完整的挤出物；较低的螺杆转速会使得机械能输入不足且SPI停留时间过长，蛋白质不能完全变性和解聚，较高的螺杆转速条件下，高剪切力的作用促进了SPI原有天然结构的破坏，形成了分子质量较大的蛋白质聚集体。综上，在适当的系统参数下挤出有助于获得最佳的挤出物品质，过低则蛋白变性不完全，蛋白聚合度不高，纤维形成效果差，过高则会引起蛋白过度变性，导致已经形成的纤维结构被破坏，挤出物品质下降。

本文《挤出参数控制对大豆蛋白微观构象的影响》来源于《食品科学》2023年44卷第15期103-112页，作者：张浩嘉, 朱秀清, 孙莹。