水熱參數組合對大豆蛋白-魚糜共混高水分擠壓過程及產品品質的影響

張玉潔，張金闖，陳瓊玲，劉浩棟，何 寧，王 強

（1.廈門大學化學化工學院，福建 廈門 361005；2.中國農業科學院農產品加工研究所，農業農村部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

近年來，我國魚糜制品年產量走勢平穩，魚糜制品消費水平逐年遞增，消費者對魚糜制品的需求量不斷上漲。金線魚魚糜具有肉質鮮美、營養豐富、物美價廉等優點，常被用來生產蟹味棒等高附加值魚糜制品。然而，目前魚類的過度捕撈嚴重破壞了海洋與我國長江流域的生態穩定性，2021年1月1日起，長江流域正式開啟10 年禁捕周期，與此同時，公海自主休漁正式實施，這造成市場上金線魚等優質魚類資源的減少、價格上漲以及海洋雜魚等在魚糜中的比例增加，最終導致魚糜制品品質參差不齊、附加值較低。因此，為了提高魚糜制品的附加值，研究人員開始利用植物蛋白部分替代魚糜蛋白，研發營養更全面、質地和口感能夠媲美真實肉類的高附加值魚糜制品。大豆蛋白氨基酸組成合理，同時具有生物相容性、凝膠能力、發泡性、乳化性等諸多功能特性，是優質的魚糜蛋白替代品。Luo Yongkang等發現利用大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）替代10%的鯉魚魚糜能夠使魚糜凝膠破斷力提高。Wu Chao等發現預熱后的大豆蛋白能顯著促進大豆-鱈魚混合蛋白交聯形成凝膠。然而目前關于大豆蛋白部分替代魚糜蛋白的研究主要圍繞原料互作機理和功能特性的提升，利用新興加工技術研發高附加值產品的研究尚少。

高水分擠壓是一種新型擠壓技術，具有能耗低、一體成型、工藝集成度高、擠出物組織化程度高等優點，利用高水分擠壓技術加工大豆蛋白-魚糜混合物可以獲得具有類似動物肉纖維結構的產品。Thiébaud等利用高水分擠壓技術加工質量比為20∶80的大豆濃縮蛋白和阿拉斯加鱈魚魚糜混合物，得到的混合擠出物具有薄層狀纖維結構。He Tianqi等以質量比為80∶20的SPI與帶魚魚糜混合物為原料進行高水分擠壓，也得到了具有纖維結構的混合擠出物。因此，利用高水分擠壓技術加工大豆蛋白-魚糜混合原料研發高附加值模擬水產制品的潛力巨大。

高水分擠壓過程中，在物料水分含量和擠壓溫度等擠壓參數的影響下，原料蛋白質經歷變性、降解、締合、聚集以及成分之間的絡合而形成熔融物，熔融物隨后在模具中形成纖維結構。其中，物料水分主要影響熔融物的黏度、參與化學反應、影響擠出過程中的熱機械能量輸入以及充當增塑劑和發泡劑。物料水分含量的增加會導致大豆濃縮蛋白-鱈魚魚糜混合（20∶80，/）擠出物溫度與黏度降低、平均停留時間縮短、組織化程度降低、顏色更亮白。擠壓溫度是擠壓過程中熱能的主要來源，影響熔融物的融化狀態以及后續組織化。研究表明，擠壓溫度的升高則會導致SPI-帶魚魚糜擠出物（80∶20，/）持水性增加，而對組織化程度沒有顯著影響。然而，目前關于高水分擠壓過程中水熱參數組合的研究較少，水熱參數組合、系統響應參數（單位機械能耗（specific mechanical energy，SME）和模口壓力）、大豆蛋白-魚糜擠出物品質之間的關系鮮有報道。

本團隊前期已研究了不同比例大豆蛋白-魚糜混合原料對擠出物品質的影響，結果表明質量比為80∶20的大豆蛋白-魚糜混合擠出物品質較好，因此本研究以質量比為80∶20的大豆蛋白-魚糜混合物為原料，設置擠壓溫度分別為125、135 ℃和145 ℃，物料水分質量分數分別為65%、70%和75%，進行水熱參數組合全因素擠壓實驗。記錄擠壓過程中的系統響應參數（SME和?？趬毫Γ?；測定擠出物外觀色澤、質構特性、組織化程度、凝膠特性和微觀結構，探究水熱參數組合對系統響應參數與擠出物品質的影響以及系統響應參數與擠出物品質之間的關系，為動植物蛋白結合的替代蛋白類新產品研發及品質調控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI（物料水分質量分數5.55%、蛋白質干基質量分數90.81%、脂肪干基質量分數0.36%、灰分干基質量分數4.67%） 秦皇島金海食品工業有限公司；金線魚魚糜（物料水分質量分數73.15%、蛋白質干基質量分數56.59%、脂肪干基質量分數3.65%、灰分干基質量分數6.33%） 青島盛騰海產有限公司。

1.2 儀器與設備

FMHE36-24同向嚙合雙螺桿擠壓機 湖南富馬科食品工程技術有限公司；Kieletec Analysiser 2300全自動凱氏定氮儀、Soxtec Avanti 2050自動索氏總脂肪分析系統 丹麥Foss公司；JHF-20L混料機 鄭州金禾機械制造有限公司；TA.XT2物性測定儀 英國Stable Micro Systems公司；CS-600色度儀 杭州彩譜科技有限公司；SU8010掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 日本Hitachi公司；LYNX 4000高速離心機 美國Thermo Scientific公司。

1.3 方法

1.3.1 高水分擠壓處理

利用混料機將SPI和魚糜按照質量比80∶20混合均勻，將SPI-魚糜混合物以7 kg/h的進料速率從喂料區加入到雙螺桿擠壓機機筒中，物料水分質量分數（先測定SPI-魚糜的水分質量分數，然后再通過加水調整至最終的水分質量分數）分別設置為65%、70%和75% 3 個梯度，擠壓溫度分別設置為125、135 ℃和145 ℃ 3 個梯度，如表1所示進行水熱參數組合全因素擠壓實驗。實時記錄擠壓過程中的產率/（g/min）、扭矩/（N·m）和?？趬毫?MPa。

表1 擠壓實驗方案Table 1 Experimental schemes of extrusion

1.3.2 系統響應參數測定

根據實時記錄擠壓過程中的產率、扭矩和?？趬毫σ约奥輻U轉速，按式（1）計算SME。

式中：為螺桿轉速/（r/min）；為扭矩/（N·m）；為產率/（g/min）。

1.3.3 擠出物外觀色澤測定

擠出物的亮度（*值）、紅綠度（*值）、黃藍度（*值）由色度儀測定，校準板的*、*、*值分別為89.73、-0.78和1.88。樣品的總色差（Δ）按式（2）計算。

1.3.4 擠出物質構特性測定

擠出物的質構特性由硬度、彈性和咀嚼度表征，將9 組SPI-魚糜混合擠出物切成高度10 mm、直徑22 mm的圓柱體，利用裝有P/36R探頭的TA.XT2物性測定儀擠壓圓柱體，測試速率1 mm/s，擠壓深度為樣品厚度的50%，保持時間5 s，記錄樣品的硬度、彈性、咀嚼度。

1.3.5 擠出物組織化程度測定

通過組織化程度表征擠出物的纖維化程度，將9 組SPI-魚糜混合擠出物切成10 mm×10 mm×10 mm的立方體，利用裝有A/CKB探頭的TA.XT2物性測定儀分別沿垂直擠壓方向和水平擠壓方向切割立方體，測試前速率2 mm/s、測試速率1 mm/s、測試后速率2 mm/s、擠壓深度為樣品厚度的75%、保持時間5 s，記錄樣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樣品的組織化程度。

1.3.6 擠出物凝膠特性測定

1.3.6.1 凝膠強度

將9 組SPI-魚糜混合擠出物切成高度15 mm、直徑22 mm的圓柱體，采用裝有P/0.5探頭的TA.XT2物性測定儀擠壓圓柱體，測試前速率1.5 mm/s、測試速率1 mm/s、測試后速率1 mm/s，探頭穿刺至4 mm時所測數據即為樣品的凝膠強度。

1.3.6.2 持水性

準確稱取約3.0 g的擠出物樣品（），將樣品切成2 mm×2 mm×2 mm的小方塊并放在雙層濾紙之間，然后轉移到50 mL離心管中，4 ℃、10 000×離心10 min。離心后，精確稱量試管中的固體樣品質量（），樣品持水性按式（3）計算。

1.3.7 擠出物微觀結構觀察

將擠出物鮮樣浸沒在體積分數2.5%戊二醛溶液中固定48 h后，用體積分數1%鋨酸溶液固定2 h，隨后進行CO臨界點干燥，用離子鍍膜儀進行噴金處理。利用SEM在加速電壓10 kV下放大3 000 倍進行觀察。

1.4 數據處理與分析

利用Origin 2018與SPSS 26.0軟件對數據進行統計和方差分析，用Duncan法進行差異顯著性分析（＜0.05表示差異顯著）。利用Excel軟件對數據進行多項式擬合。

2 結果與分析

2.1 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠壓系統響應參數的影響

由表2可知，當擠壓溫度一定時，隨著物料水分質量分數從65%增加到75%，SME分別從783.40、736.77 kJ/kg和689.23 kJ/kg顯著減小到504.47、473.18 kJ/kg和410.96 kJ/kg，?？趬毫Ψ謩e從7.79、7.21 MPa和5.98 MPa顯著減小到2.91、2.83 MPa和1.60 MPa。這可能是由于較高含量的物料水分一方面在機筒中起到潤滑的作用，另一方面也導致SPI-魚糜混合物黏度降低，從而減少了推動混合物擠出過程所需的力以及物料與螺桿和機筒之間的摩擦，進而縮短了物料在擠出機中的停留時間，降低了擠出機機械能轉化為熱能的比率，導致SME和?？趬毫p小。

表2 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠壓系統響應參數的影響Table 2 Effect of hydrothermal parameter combinations on SME and die pressure during the high-moisture extrusion of SPI-surimi blends

當物料水分質量分數一定時，擠壓溫度從125 ℃升高至145 ℃，導致SME分別從783.40、656.87 kJ/kg和504.47 kJ/kg減小到689.23、618.11 kJ/kg和410.96 kJ/kg，?？趬毫Ψ謩e從7.79、4.03 MPa和2.91 MPa減小到5.98、3.67 MPa和1.60 MPa。這可能是高水分擠壓過程中溫度升高導致熔融態物料的黏度降低，從而減少其產生的黏滯陰力，最終導致SME與?？趬毫Φ臏p小。而在最高水熱參數組合作用下，SME從783.40 kJ/kg顯著減小到410.96 kJ/kg，模口壓力從7.79 MPa顯著減小到1.60 MPa。這表明水熱參數組合條件下，物料水分含量對高水分擠壓過程中的SME與模口壓力影響較大，這與Chen Fengliang等的研究結果相似，而水和熱的組合作用對SME與模口壓力的影響更大，物料水分增加的同時提高擠壓溫度會顯著降低擠壓過程中的能量耗散與?？趬毫Α?/p>

2.2 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠出物外觀色澤的影響

如表3所示，當擠壓溫度一定時，隨著物料水分質量分數從65%增加到75%，SPI-魚糜混合擠出物亮度逐漸增加，而紅綠度、黃藍度和色差總體逐漸降低。Thiébaud和Palanisamy等也分別發現物料水分含量的增加會使大豆蛋白-魚糜混合擠出物或羽扇豆蛋白擠出物更亮白，這可能與水的稀釋作用有關。當物料水分質量分數為75%時，隨著擠壓溫度從125 ℃升高到145 ℃，SPI-魚糜混合擠出物亮度逐漸增加、色差逐漸減小，可能是擠壓溫度的升高促進了蛋白質分子形成有序緊密的纖維結構，纖維化程度高的擠出物表面易形成一種光滑的膜狀結構，提高了其光澤度；擠出物紅綠度與黃藍度也均逐漸增加，這可能是擠壓溫度升高引起美拉德反應加劇所致。以上結果表明，當物料水分質量分數較大（75%）時，提高擠壓溫度會使SPI-魚糜混合擠出物色澤更亮，但也會導致擠出物色澤加深。

表3 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠出物色澤的影響Table 3 Effect of hydrothermal parameter combinations on color parameters of SPI-surimi mixed extrudates

2.3 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠出物質構特性的影響

如圖1A、B所示，當擠壓溫度一定時，隨著物料水分質量分數由65%增加到75%，SPI-魚糜混合擠出物的硬度和咀嚼度顯著降低。Lin等也發現物料水分含量的增加會導致大豆蛋白擠出物的硬度和咀嚼度顯著降低。而當物料水分質量分數相同時，擠壓溫度的升高對SPI-魚糜混合擠出物的硬度和咀嚼度總體沒有顯著影響，這與Chen Fengliang等對擠壓大豆蛋白的研究結果一致，表明SPI-魚糜混合擠出物的硬度和咀嚼度可能主要取決于SPI，而水熱參數組合條件下，物料水分質量分數對硬度和咀嚼度的調控起主導作用，物料水分質量分數的降低會導致SPI-魚糜混合擠出物硬度和咀嚼度的提高，Maurya和Grahl等也得出相似的結論。

由圖1C可知，當物料水分質量分數為65%時，擠壓溫度從125 ℃升高到145 ℃導致SPI-魚糜混合擠出物的彈性逐漸下降，物料水分質量分數為70%或75%時，擠壓溫度的升高導致擠出物彈性逐漸上升。擠壓溫度為125 ℃時，物料水分質量分數的增加導致擠出物彈性先下降后升高，擠壓溫度為135 ℃或145 ℃時，物料水分質量分數的增加導致擠出物彈性總體逐漸上升。以上結果表明，與硬度和咀嚼度不同，水熱參數組合作用會明顯影響SPI-魚糜混合擠出物的彈性。而康立寧研究發現機筒溫度從120 ℃增加到160 ℃，大豆蛋白擠出物彈性無明顯變化。說明魚糜的加入使大豆蛋白-魚糜混合擠出物對溫度變化更敏感。

圖1 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠出物質構特性的影響Fig. 1 Effect of hydrothermal parameter combinations on texture parameters of SPI-surimi mixed extrudates

2.4 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠出物組織化程度的影響

如圖2A、B所示，當擠壓溫度一定時，隨著物料水分質量分數從65%增加到75%，SPI-魚糜混合擠出物垂直剪切力與水平剪切力總體呈現顯著降低的趨勢，這可能是較高含量的物料水分促進了蛋白質和水之間的相互作用，而減少了蛋白質之間的相互作用，使得水平和垂直剪切力均降低。Zhang Jinchuang等發現，擠壓溫度一定時，物料水分質量分數從50%增加到60%會導致花生蛋白垂直剪切力和水平剪切力顯著下降。Thiébaud等也發現質量比為20∶80的大豆蛋白-魚糜混合擠出物水平剪切力和垂直剪切力與物料水分含量呈顯著負相關。當物料水分質量分數為65%或75%時，擠壓溫度從125 ℃升高到145 ℃，SPI-魚糜混合擠出物垂直剪切力與水平剪切力總體均逐漸降低；當物料水分為70%時，擠壓溫度的升高會導致擠出物垂直剪切力與水平剪切力先增加后降低。綜上，物料水分質量分數過低（65%）或過高（75%）時，提高擠壓溫度不利于高水分擠壓過程中SPI-魚糜混合蛋白分子的交聯，進而導致剪切陰力明顯減小。

由圖2C可知，當物料水分質量分數一定時，擠壓溫度從125 ℃升高至145 ℃，SPI-魚糜混合擠出物的組織化程度先減小后增加；而擠壓溫度一定時，較高的物料水分質量分數（75%）導致SPI-魚糜混合擠出物的組織化程度顯著降低。上述結果表明SPI-魚糜混合擠出物的組織化程度受到水熱參數組合作用的明顯影響，135 ℃的擠壓溫度和較高的物料水分質量分數（75%）不利于SPI-魚糜混合擠出物中纖維結構的形成。He Tianqi等研究發現，隨著物料水分質量分數從40%增加到50%，質量比為80∶20的大豆蛋白-帶魚魚糜混合擠出物組織化程度顯著升高，而擠壓溫度對擠出物的組織化程度沒有顯著影響。物料水分質量分數為70%時擠出物組織化程度較高，擠壓溫度為145 ℃時達到最大（2.36），這有利于纖維結構的形成。

圖2 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠出物垂直剪切力（A）、水平剪切力（B）和組織化程度（C）的影響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 水熱參數組合條件下SPI-魚糜共混擠出物凝膠特性變化

由圖3可知，擠壓溫度不變，當物料水分質量分數從65%增加到75%時，SPI-魚糜混合擠出物凝膠強度和持水性總體均顯著降低。這可能是因為較高含量的物料水分陰礙了蛋白與蛋白之間的相互作用，導致形成了較弱的凝膠網絡，從而導致擠出物凝膠強度與持水性的降低。

圖3 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠出物凝膠強度（A）和持水性（B）的影響Fig. 3 Effect of hydrothermal parameter combinations on the gel strength (A)and water-holding capacity (B) of SPI-surimi mixed extrudates

當物料水分質量分數為65%或70%時，隨著擠壓溫度從125 ℃升高至145 ℃，SPI-魚糜混合擠出物凝膠強度總體逐漸增強，而持水性則先略微增加而后顯著下降。這可能是擠壓溫度升高導致蛋白質與蛋白質之間的聚集和交聯增強，形成了較致密的凝膠，而蛋白質與水分子之間的交聯減弱，導致持水性降低。綜上，水熱參數組合作用下，物料水分質量分數對SPI-魚糜混合擠出物凝膠強度和持水性的影響更大，當物料水分質量分數高于70%時，SPI-魚糜混合擠出物形成的凝膠強度和持水性顯著降低。

2.6 水熱參數組合條件下SPI-魚糜共混擠出物微觀結構變化

如圖4所示，擠壓溫度一定時，當物料水分質量分數為65%時，魚糜凝膠以顆粒形式填充在混合凝膠結構中；當物料水分質量分數增加到70%時，魚糜凝膠顆粒數量顯著增多；當物料水分質量分數增加到75%時，擠出物中出現區域性分散的無取向性疏松網狀結構。這表明物料水分質量分數的增加導致SPI-魚糜混合效果變差，也導致混合凝膠取向性變差，這與SPI-魚糜混合擠出物硬度、咀嚼性、凝膠強度、持水性和組織化程度結果相印證。這可能是因為物料水分質量分數的增加導致蛋白質變性程度降低，蛋白質分子之間相互作用減弱，進而導致形成疏松無序的網絡狀凝膠。

圖4 水熱參數組合條件對SPI-魚糜共混擠出物微觀結構的影響（×3 000）Fig. 4 Effect of hydrothermal parameter combinations on the microstructure of SPI-surimi mixed extrudates (× 3 000)

當物料水分質量分數較低（65%）時，擠壓溫度從125 ℃升高到145 ℃，混合凝膠取向性更為明顯，這可能是由于擠壓溫度升高，SPI-魚糜混合蛋白分子鏈展開、聚集程度增加，有利于凝膠結構的取向。而物料水分質量分數較高（75%）時，擠壓溫度的升高也導致不規則網狀結構數量逐漸減少，這可能是由于高水分質量分數條件下形成的疏松無序的網絡狀凝膠容易受到高溫條件破壞，這與前文中高溫、高水分質量分數條件下凝膠強度顯著降低的結果一致。以上研究結果表明，水熱參數組合作用下，物料水分質量分數降低的同時升高擠壓溫度能夠增強SPI-魚糜混合蛋白相互作用，有利于凝膠結構形成和取向。

2.7 水熱參數組合條件下SPI-魚糜共混擠壓響應參數與擠出物品質的關系

Chen Fengliang等發現SME與SPI擠出物的硬度（＝0.76，＜0.01）和咀嚼度（＝0.74，＜0.01）呈極顯著正相關。Zhang Wei等也發現，SME的增加導致擠出物硬度和垂直剪切力顯著增加。因此，SME與擠出物的品質關系密切，可作為判定擠出物品質的重要指標。從圖5可以看出，水熱參數組合條件下，SME與SPI-魚糜混合擠出物硬度、咀嚼度、凝膠強度、持水性、水平剪切力和垂直剪切力之間呈非線性關系，分別為0.884 1、0.904 1、0.798 7、0.800 1、0.786 4和0.960 0。高水分含量擠壓過程中，隨著SME的增加，擠出物硬度、咀嚼度、凝膠強度、持水性、水平剪切力和垂直剪切力均明顯增加，說明較高的能量耗散有利于改善擠出物的口感。

圖5 SME對擠出物硬度（A）、咀嚼度（B）、凝膠強度（C）、持水性（D）、垂直剪切力（E）和水平剪切力（F）的影響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

研究還發現，水熱參數組合條件下，?？趬毫εcSPI-魚糜混合擠出物硬度、咀嚼度、凝膠強度、水平剪切力和垂直剪切力之間也呈非線性關系（圖6），分別為0.895 1、0.908 7、0.859 3、0.853 5和0.870 3。較高的?？趬毫е聰D出物硬度、咀嚼度、凝膠強度、水平剪切力和垂直剪切力均顯著增加。Zhang Jinchuang等的研究同樣發現?？趬毫εc花生蛋白擠出物硬度（＝0.53，＜0.01）、垂直剪切力（＝0.33，＜0.05）和水平剪切力（＝0.46，＜0.01）呈顯著正相關。

圖6 ?？趬毫D出物硬度（A）、咀嚼度（B）、凝膠強度（C）、水平剪切力（D）和垂直剪切力（E）的影響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 結 論

高水分含量擠壓過程中，水熱參數組合作用會顯著影響擠壓過程中的SME、?？趬毫σ约癝PI-魚糜混合擠出物的品質，與擠壓溫度相比，物料水分質量分數影響更為顯著。物料水分質量分數增加的同時提高擠壓溫度，導致擠壓過程中的SME從783.40 kJ/kg顯著減小到410.96 kJ/kg，?？趬毫?.79 MPa顯著減小到1.60 MPa，也導致擠出物形成了較弱的凝膠網絡，硬度、咀嚼度和剪切力顯著降低，亮度升高，色差降低。而物料水分質量分數降低的同時提高擠壓溫度有利于SPI-魚糜混合凝膠結構的形成與取向，當物料水分質量分數為70%、擠壓溫度為145 ℃時，擠出物組織化程度最高，為2.36。多項式擬合結果表明，水熱參數組合條件下，高水分擠壓過程中的SME和模口壓力與SPI-魚糜混合擠出物品質之間具有非線性相關關系，SME和?？趬毫υ鰪娪欣诨旌蠑D出物品質的提升。本實驗探究了水熱參數組合、系統響應參數及SPI-魚糜混合擠出物品質之間的關系，可為擠出物品質的調控以及以動植物蛋白結合的替代蛋白類新產品的開發提供參考。