使用微混合器制备干法分离的蚕豆蛋白浓缩物：水分、热量和盐添加的影响

《Journal of Food Engineering》：Structuring dry-fractionated faba bean protein concentrate using a micro-compounder: Effects of moisture, heat and salt addition

　　干法分化的扁豆蛋白浓缩物（FPC）在微化合物机中经不同水分（50%-60%）、温度（100-120℃）和盐类（NaCl、KCl、CaSO4）处理，系统研究了流变学、蛋白二级结构、微观结构及水分保持能力（WAC）。结果显示，55%水分结合110-120℃高温显著降低熔粘度（274 kPa）并提升WAC至0.36 g/g，促进β-折叠向无序结构转变及致密多孔网络形成。盐类中CaSO4因二价离子作用降低WAC（0.06 g/g），而KCl表现出钠盐替代潜力。研究证实微化合物机能有效模拟商用挤压条件，为可持续植物基蛋白加工提供新工具。

　　本研究聚焦于干法分离的鹰嘴豆蛋白浓缩物（FPC）在高水分挤出条件下的流变行为、结构变化及功能特性。随着全球对可持续食品系统的关注增加，植物蛋白正逐渐成为传统动物源性产品的替代品。干法分离的蛋白质因其环境友好性和保留天然结构的优势，被视为一种有前景的植物基食品成分。然而，对于这些蛋白质在挤出过程中的热力学和机械响应，目前仍缺乏系统的研究。为此，本研究引入了一种微型共旋转双螺杆挤出机——微复合器（micro-compounder），该设备能够以小样本体积（>15 mL）处理FPC，并模拟高水分挤出的条件，为评估植物蛋白的功能特性提供了一个有效的平台。

FPC具有67.4%的蛋白质含量（干基），主要由球蛋白构成，这赋予了其良好的溶解性和氨基酸组成。研究中评估了不同水分含量（50%、55%和60%）和处理温度（100°C、110°C和120°C）对挤出样品流变性能（如剪切应力、力和特定机械能）以及水吸收能力（WAC）的影响。同时，还探讨了不同盐类（NaCl、KCl和CaSO?）对样品流变行为和结构变化的作用。通过这些研究，揭示了水分和温度如何调控蛋白质的展开和重组，从而影响其形成纤维状结构的能力。此外，盐类的加入显著改变了FPC的机械响应和水吸收能力，其中CaSO?的影响最为显著，显示出其在调控蛋白质网络结构方面的独特作用。

研究中使用的微复合器是一种小型共旋转双螺杆挤出机，能够提供精确的水分控制和温度调节，同时允许实时监测剪切应力、流变性和机械能。该设备还具备回收样品的功能，便于后续分析。通过该设备，研究人员能够系统地研究FPC在挤出过程中的行为，揭示其在不同水分和温度条件下的结构变化。例如，水分含量增加导致流变性降低，而温度升高则促进了蛋白质的展开和网络结构的形成。此外，盐类的添加也对流变性和水吸收能力产生了显著影响，NaCl在一定程度上增强了蛋白质网络的形成，而CaSO?则显著降低了水吸收能力。

在蛋白质二级结构方面，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析发现，挤出过程显著减少了β-折叠结构的比例，同时增加了无序结构的含量。这一变化在低水分（50%）和高温（≥110°C）条件下尤为明显，表明水分和温度对蛋白质结构的重塑具有重要作用。此外，扫描电子显微镜（SEM）图像进一步验证了这一发现，显示处理后的FPC样品形成了致密的网络结构，而未处理的样品则呈现颗粒状形态。这些结构变化与水吸收能力的提升密切相关，表明水分和温度的调控对于形成具有良好持水能力的蛋白质网络至关重要。

NMR弛豫测量则提供了关于水分子在蛋白质基质中移动性的信息。结果显示，水分含量和温度的变化显著影响了水的流动性，其中在55%水分和120°C条件下，水吸收能力达到最高，同时水的弛豫时间（T?）也显著增加，表明水分在这些条件下更容易在蛋白质基质中移动。盐类的加入进一步增强了水的流动性，但同时降低了水吸收能力，尤其是在CaSO?的情况下，水吸收能力下降幅度最大，表明其可能通过改变蛋白质的结合方式，限制了水的保留。这一现象在其他植物蛋白研究中也有所体现，例如在大豆蛋白凝胶系统中，Ca2?的添加会通过离子桥接机制减少水的吸收。

研究还探讨了盐类对蛋白质网络形成的影响。NaCl和KCl的加入在一定程度上促进了蛋白质网络的形成，而CaSO?则因形成更紧密的网络结构，显著降低了水吸收能力。这表明，盐的种类及其电荷特性对蛋白质网络的形成具有重要作用。CaSO?的二价阳离子（Ca2?）能够通过屏蔽静电排斥力和促进离子桥接，从而改变蛋白质的相互作用方式，影响网络的紧密程度和持水能力。相比之下，NaCl和KCl的单价阳离子主要通过静电屏蔽效应影响蛋白质网络的形成，但其作用不如CaSO?显著。

此外，研究中发现，在微复合器处理过程中，样品的结构变化与功能特性之间存在复杂关系。例如，尽管CaSO?显著降低了水吸收能力，但其对水分子流动性的影响却更为明显，这可能与其促进蛋白质网络形成的方式有关。这一现象提示我们，在评估植物蛋白的功能特性时，需要综合考虑多种分析方法，如流变学、FTIR和NMR等，以全面理解蛋白质与水之间的相互作用。

本研究的意义在于，它首次系统地利用微复合器评估了干法分离的鹰嘴豆蛋白在挤出条件下的流变和结构行为，填补了相关领域的知识空白。这一发现不仅有助于优化干法分离蛋白质在植物基食品中的应用，还为工业界提供了新的工具，以便在放大生产之前对原料进行筛选和工艺优化。通过调整水分含量、温度和盐的类型，制造商可以更好地控制蛋白质网络的形成，同时减少钠含量，满足市场对健康食品的需求。

总的来说，本研究揭示了干法分离的鹰嘴豆蛋白在高水分挤出条件下的行为特点，强调了水分、温度和盐类对蛋白质结构和功能的调控作用。这些发现为开发可持续、健康且具有理想质地的植物基肉类替代品提供了重要的理论依据和技术支持。同时，微复合器作为一种高效的实验室工具，展示了其在研究植物蛋白功能特性方面的潜力，有助于推动植物蛋白在食品工业中的应用。