植物蛋白组织化技术研究.pdf

中国农业工程学会 2 0 0 7 年学术年会论文集 1 植物蛋白组织化技术研究 魏益民 1 张波 1 康立宁 2 张汆 2 赵学伟 2 , 3 郑建梅 2 陈锋亮 1 （1 中国农业科学院农产品加工研究所， 北京市 1 0 0 0 9 4 2 西北农林科技大学食品科学与工程学院 陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0 3 郑州轻工业学院食品与生物工程学院 郑州 4 5 0 0 0 2 ） 摘 要：植物蛋白是人类和动物重要的食物和营养来源，在人类和动物膳食结构中占有重要地位。我国植物蛋白质资源 相对紧缺，合理、有效和综合利用植物蛋白质资源对发展我国的现代农业、食品工业，改善和提高居民的膳食营养，都具 有现实的经济和社会意义。大豆、花生压榨油脂后饼粕蛋白的食品和饲料加工，小麦、玉米、豆类、薯类淀粉加工后产物 - - 谷朊粉和黄浆蛋白的食品和饲料利用，一直是油脂和淀粉加工业关注的热点问题。本文基于质构重组理论和技术研究的 结果，在大量试验和生产性示范的基础上，论述了以双螺杆挤压机为设备，以植物蛋白质（大豆粕、花生粕、谷朊粉）为 原料，生产组织化蛋白的可行性、工艺参数、产品特性；分析了工业化生产的技术性难点和产品的市场需求；提出了植物 蛋白高水分组织化机理假设，并通过多项技术试图验证植物蛋白高水分组织化的机理。 关键词：植物蛋白；组织化技术；挤压机；食品；饲料 中图分类号： 01前 言 植物蛋白是人类和动物重要的食物和营养来 源，在人类和动物膳食结构中占有重要地位。我 国植物蛋白质资源相对紧缺，合理、有效和综合 利用植物蛋白质资源对发展我国的现代农业、油 脂工业和食品工业， 改善和提高居民的生活质量， 具有现实的经济和社会意义 1- 3。 大豆、花生、油菜压榨油脂后饼粕蛋白的食 品和饲料加工，小麦、玉米、豆类、薯类淀粉加 工后谷朊粉和黄浆蛋白的食品及饲料利用，一直 是油脂和淀粉加工业关注的热点，是提高加工企 业效益的关键点，也是最大限度发挥资源利用率 的重大问题3- 6。 植物蛋白的组织化技术是食品质构重组的关 键技术之一。植物蛋白的组织化技术是通过挤压 等方法使植物蛋白质质构化，改变植物蛋白的性 质，使其在结构和口感方面更接近动物肌肉的某 些特点， 以扩大其在食品或饲料加工方面的用途， 提高其生物利用效率。本文基于质构重组理论和 技术研究的结果，在大量试验和生产性示范的基 作者简介：魏益民（1957 年） ，男（汉） ，陕西咸阳人，博士，教 授，博导，主要从事农产品加工及食品安全方面的研究。 项目来源： 国家引进国际农业先进技术项目（项目编号： 2005- z45） ， 国家农业科技成果转化项目（合同编号：0 5 e f n 2 1 6 9 0 0 3 7 3 ） ，中国农 业科学院杰出人才基金。 础上，介绍了了以双螺杆挤压机为设备，以植物 蛋白质（大豆粕、花生粕、谷朊粉）为原料，生 产组织化蛋白的可行性、工艺参数、产品特性； 分析了工业化生产的技术性难点和产品市场需 求；提出了植物蛋白高水分组织化机理假设，并 通过多项技术试图验证植物蛋白高水分组织化的 机理。 1 生产现状 大豆和花生是主要的油料作物，同时也是重 要的植物蛋白资源。中国大豆年总产量为 1700 万吨，加上进口的大豆， 2005/2006 年度饼粕的 产量约为 2500 万吨，其中 90%以上作为饲料用 于畜产养殖业，只有约 5%用于食品加工业。中 国是花生生产和消费大国， 2005 年花生产量达到 1471 万吨，占世界花生总产量的 39%。中国花生 年产量的 5065用于榨取花生食用油脂，每 年产生约 300 万吨以上的花生饼粕。目前，由于 许多因素的影响，这部分蛋白的绝大部分用于饲 料加工业，用于食品的比例很少。这与我国居民 膳食蛋白摄入水平较低的现状极不相称，也难以 实现油脂压榨工业较大的经济效益5- 6。 自上世纪 70 年代以来，世界大豆蛋白工业 迅速发展，形成了以脱脂蛋白粉、浓缩蛋白、分 离蛋白、组织化蛋白为主要产品形态的大豆蛋白 中国农业工程学会 2 0 0 7 年学术年会论文集 2 工业产品。 美国从 1965 年开始研究脱脂花生粉的 食品利用问题；7080 年代研究花生蛋白的低水 分组织化技术。 90 年代谷朊粉和豌豆蛋白组织化 产品也开始了规模化开发，也有组织化产品或复 配产品面市。进入 21 世纪，美国组织大豆产业和 研究领域的专家，开展了高水分组织化蛋白产品 的研究1- 3,5- 13。 2 产品开发 1999 年 10 月，美国食品与药品管理局 （fda）健康声明称： “每天食用 20g 大豆蛋白， 可以降低患心脏病的风险” 。 这一声明，进一步促 进了世界植物蛋白工业的发展。 根据 2004 年中国居民营养与健康状况 调查结果，我国居民豆制品和干豆类合计摄入量 仅为 16g/标准人日，远低于美国 fda 的建议标 准。 植物蛋白的挤压组织化是提高人类豆制品 摄入量的一条有效途径。挤压法生产的植物蛋白 组织化产品按生产工艺的不同可分为两类1- 3, 5- 7： 一类是膨化制品，也称为干法（或低水分） 挤压产品，有粒状或块状等，水分含量低（原料 调整水分为 20%- 35%） ，主要用于饲料和肉制品 添加； 另一类为模拟肉制品，也称为湿法（或高 水分）挤压产品，有带状或丝状等，水分含量高 （原料调整水分为 40%- 70%） ，具有动物肌肉的 纤维状结构和质感，可直接食用，或再加工成素 鸡、素鱼、素肠、素牛排等，产品用途广泛。 组织化植物蛋白产品具有以下特点： （1）赋予植物蛋白一种类似纤维化的组织 结构，产生明显的质感、口感和表观形态，更易 被消费者接受； （2）钝化了胰蛋白酶抑制剂、脲酶及血球 凝集素等抗营养因子，提高蛋白质的营养价值； （3）具有蛋白含量高，不含胆固醇，资源 丰富等特点， 在满足消费者膳食蛋白需要的同时， 具有多方面的营养保健功能。 （4）赋予植物蛋白特定的物理和化学构 象，提高了植物蛋白吸附水分、油脂和风味物质 的能力，拓展了蛋白质的功能性。 3 加工设备 挤压机是生产组织化蛋白的主要设备。食品 工业常用的挤压机可分为单螺杆挤压机和双螺杆 挤压机。 单螺杆挤压机造价较低， 加工工艺相对简单， 易操作，但混合、分散、均质化效果较差，通常 用于加工膨化食品、膨化饲料、油脂压榨和原料 均质等。 双螺杆挤压机有以下优点： （1） 螺杆可以高速运转， 机腔内有效容积大， 产量大； （2）螺杆长径比大，物料在两螺杆间运动， 物料移动的压力平衡，混合和剪切力强，受热均 匀，稳定性好； （3）螺杆可根据生产需要进行多部件组合， 以满足产品质量的需求，最大限度地减少工序， 节约能耗； （4）螺杆具有自洁效果，便于清理。 美国 wenger、 德国 coperation、 瑞士 buehler、 法国 clextral 等公司生产大型工业化挤压设备； 德国 brabender 食品仪器公司生产实验型挤压工 作站；我国山东济南、北京和江苏扬州为食品和 饲料用挤压机的主要生产基地。 4 生产技术 植物蛋白质的组织化加工属于质构重组技 术，是改善蛋白质质地、口感和营养价值，提高 其利用率的有效方法。双螺杆挤压法是实现植物 蛋白质组织化的重要手段。 双螺杆挤压法能够将输送、压缩、混合、蒸 煮、变性、脱水、杀菌、膨化、成型等多种操作 单元同时完成，具有连续的高温高压加工，短时 低损处理，产品卫生清洁，节能降耗突出等优点， 被认为是食品工业中一种理想的集约化单元操作 形式，具有广阔的开发和应用前景。 食品挤压过程是是一个温度、压力、剪切和 作用时间耦合的过程，一个非常复杂的物理、化 学过程；有质量传递、热量传递和动量传递，又 受原料因素、操作因素、设备因素的影响；产品 有明显的感官变化（形状、质构、色泽等） ，也有 微观变化（结构与化学键的变化） 。 由于完全观 察和验证挤压机内部发生的理化变化是极其困难 的，因此，挤压机理论和技术具有“黑箱”的特 点，一些理化变化机理至今还不清楚。目前，研 究蛋白质原料特性、操作参数、系统参数和产品 特性之间的关系是亟待解决的课题，是提升产品 开发能力，改进生产工艺和设备，开发产品用途 的理论和技术基础14- 16。 干法生产植物组织化蛋白产品的方法已趋于 中国农业工程学会 2 0 0 7 年学术年会论文集 3 成熟；湿法生产植物蛋白产品的方法还在探讨和 开发之中，目前已有部分产品出现，或处于产品 试验和示范阶段。美国、日本都在研究使用分离 蛋白、浓缩蛋白生产高水分组织化产品。目前， 中国农业科学院农产品加工研究所在研究使用低 变性大豆粕、花生粕、谷朊粉等直接生产高水分 组织化蛋白产品，已取得了重大技术突破，正在 合作研发专用生产设备。 5 机理研究 自从蛋白质的挤压组织化技术诞生以来， 科学家就对其产品内部纤维状组织结构的形成产 生机理进行了不懈地研究和探讨。由于挤压过程 具有“黑箱”的特点，又受在线检测技术的限制， 至今对此还没有较为圆满的解释。根据作者近年 来的研究和实验结果，提出了植物蛋白高水分挤 压组织化的“膜状气腔理论假设” 。 （1） 植物蛋白高水分挤压组织化机理假设膜状 气腔理论假设5,6,8,17- 19。 根据对高水分大豆蛋白、花生蛋白、谷朊粉 组织化生产工艺、产品扫描电镜观察和化学键分 析，提出如下假设：在挤压机机筒内，高水分物 料体系（包括蛋白质、水、碳水化合物、其它小 分子物质）在高温（140150） 、高压（20 bar50bar） 、高剪切力（扭矩为 15 nm40nm） 的作用下，形成均匀的“熔融体”聚合物。蛋白 质分子同时发生热变性，失去天然的结构。水分 的汽化使蛋白质形成了“膜状气腔” ，机筒“熔融 体”内的“膜状气腔”在螺杆推力和压力的作用 下，沿轴向呈线性定向排列，并向模具出口运动。 在模具形状、压力和冷却（70）的多重作用 下， “膜状气腔”被压缩成扁长形细胞，扁长细胞 相互折叠，形成有一定“取向”的组织结构，从 而形成具有纤维状、且具有类似肉类咀嚼感（弹 性）的组织化植物蛋白产品。正是这种独特的组 织结构赋予挤压组织化产品类似于动物肌肉的结 构和口感 （2）植物蛋白高水分组织化产品形态和结构分 析。 温度、 水分和压力是形成组织化的必要条件。 增加原料的蛋白质含量，产品结构致密，感官质 量提高。降低原料的氮溶解指数，产品感官质量 下降。酶解蛋白质原料使产品的感官品质明显劣 化，高分子量蛋白亚基(66.2kd 和 40.0kd)消失 6,15,17。 （3）植物蛋白高水分组织化化学键变化 sds- page 分析结果显示，植物蛋白高水 分挤压组织化并没有使蛋白质亚基发生聚合，也 没有形成新的蛋白质亚基5,6。 在挤压组织化过程中，由于原料中蛋白质 发生变性或交联，使产品中可溶性蛋白含量明显 降低；以非共价键结合、二硫键结合的蛋白质比 例显著增加，说明非共价键结合（氢键和疏水作 用）是维持组织化蛋白产品结构的主要化学键， 其次是二硫键5,6,18。 傅立叶变换红外光谱分析（f t - i r ）结果说 明，挤压组织化使蛋白质的二级结构发生了部分 变化，但并没有完全改变蛋白质的二级结构而使 其呈线性排列。较低挤压温度（1 4 0 ）时，蛋 白质的二级结构变化表现为- 螺旋向- 转角转 变；较高挤压温度（1 4 0 1 6 0 ）时，蛋白质 的二级结构变化表现为- 折叠向无规则卷曲转 变；高水分促进了蛋白质的二级结构中- 螺旋向 - 转角的转变，以及- 折叠向无规则卷曲的转变 5。 6 研究展望 不同来源的植物蛋白有相同的性质，也有 各自的特点。对不同来源植物蛋白质特性的研究 是设计挤压组织化操作技术参数的基础，也是设 计组织化产品的基础。 由于双螺杆挤压机一体化单元操作的特 点，研究和建立原料特性、操作参数、系统参数、 目标参数之间的关系， 对挤压组织化技术的开发、 产品工艺设计、设备制造都将起到巨大的促进作 用。 在线检测技术和产品评价方法的发展将会 加快揭示挤压组织化的机理，将大大改进产品质 量，减少试验时间和物料损失，提高研发和生产 效率20。 参 考 文 献 1. 康立宁，魏益民。大豆蛋白及其组织化技术。食品 科学，2004，25（s） ：112- 116 2. 魏益民，赵多勇，张波，康立宁。组织化大豆蛋白 生产技术与发展现状。全国首届大豆产业发展论坛。 北京，2006 年 6 月 3- 4 日，96- 104 页 3. 赵多勇。高水分组织化大豆蛋白产品特性研究。西 北农林科技大学 2006 届攻读硕士学位研究生学位 论文，2006.06 4. 赵学伟。小米挤压加工特性研究。西北农林科技大 学 2006 届攻读博士学位研究生学位论文，2006.06 中国农业工程学会 2 0 0 7 年学术年会论文集 4 5. 康立宁。大豆蛋白高水分挤压组织化技术和机理研 究。 西北农林科技大学 2007 届攻读博士学位研究生 学位论文，2007.06 6. 张汆。花生蛋白挤压组织化技术及其机理研究。西 北农林科技大学 2007 届攻读博士学位研究生学位 论文，2007.06 7. 赵多勇，魏益民，张波，康立宁。高水分组织化大 豆蛋白干燥与复水特性研究。中国粮油学报，2006， 21（3） ：127- 132 8. 魏益民，康立宁，张波等。高水分大豆蛋白组织化 工艺和机理分析。农业工程学报，2006，22（10） ： 193- 197 9. crowe t.w., johnson l.a. twin- screw extrusion texturization of extruded- expelled soybean flour. j. of the american oil chemist s society, 2001 78(8):781- 786 10. lin s., huff h.e., hsieh