植物蛋白纖維制備技術及其在食品領域的應用

王玉翔，鄭召君，劉元法*

（江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122）

蛋白質對人體的重要性毋庸置疑，它是人體六大營養素之一，是人體結構和功能的基礎，也是生命活動的主要承擔者。動物蛋白，如肉、蛋、奶及其制品，是傳統觀念中蛋白質的主要來源。隨著人們對健康飲食的重視，全球人口數量和蛋白質消費需求的不斷增長，以及一部分人的宗教信仰影響，植物蛋白在蛋白質消費市場和科研領域的地位逐漸提升。豆類（大豆、豌豆、蠶豆等）、谷類（小麥、玉米、小米等）、種子（藜麥、蕎麥等）、油籽（油菜籽、花生、葵花籽等）都是常見的植物蛋白來源。然而，植物蛋白往往存在氨基酸組成不平衡、風味和口感不佳、生物利用度較低以及功能性較差等缺陷，這阻礙了植物蛋白產業的發展。改變植物蛋白分子結構是提升植物蛋白口感、提高植物蛋白生物利用度和改善植物蛋白功能性的有效方式。

植物蛋白纖維化是一種改變天然植物蛋白分子結構的技術。植物蛋白分子經人工纖維化處理后，其直徑在納米級[1]至微米級[2]之間，纖維的宏觀外表與動物肉的肌原纖維類似，呈現出良好的形態和性質，如高縱橫比、高表面積體積比、明確的分子取向、各種功能特性和高機械強度[1]。目前植物蛋白纖維已經在食品領域得到了多方面的應用，并仍有進一步開發的空間。本文圍繞植物蛋白纖維，對植物蛋白纖維化的理論依據和實際需求進行簡述，重點闡述了植物蛋白纖維的制備技術及其在食品領域的應用，以期為植物蛋白纖維的制造與大規模推廣提供參考。

1 植物蛋白纖維概述

纖維結構的蛋白在自然界中廣泛存在，但大多數都屬于動物蛋白，如肌原蛋白（肌肉中肌原纖維的成分之一）、膠原蛋白（動物結締組織的主要成分）、絲蛋白（蠶絲等物質的主要成分）以及彈性蛋白（主要存在于韌帶和脈管壁的彈性纖維的成分之一）。它們承擔了機械骨架、結構組成、載體和信號傳遞等功能[3]。而植物蛋白分子以球蛋白為主，這使得蛋白質分子的結構較為緊湊，疏水氨基酸殘基被封閉于蛋白質分子內部，降低了蛋白酶的生物可及性，也阻礙了蛋白質更大范圍的應用。將植物蛋白質分子通過各種方式轉變為纖維結構，能夠改善植物蛋白的營養價值和功能特性，是提升植物蛋白附加值、擴大植物蛋白市場的上佳選擇。

雖然天然植物蛋白多以球蛋白的形式存在，但蛋白質分子的高級結構本質上是由多肽鏈盤曲折疊以及各亞基空間排布形成的。因此，只要打破組成天然蛋白質分子空間結構的化學鍵，其中的多肽鏈就能在一定條件下重新排列，通過適當的理化處理，就能夠改變天然植物蛋白的分子結構。蛋白質分子經歷展開、降解、共價鍵和非共價鍵的聚集等過程，形成直徑在納米到微米不等的高縱橫比纖維狀結構，即植物蛋白纖維。

2 植物蛋白纖維制備技術

淀粉樣原纖維、螺桿擠壓、剪切、濕法紡絲、靜電紡絲、溶液吹氣紡絲（solution blow spinning，SBS）等技術已被開發用于生產植物蛋白纖維。植物蛋白自身的特性及植物蛋白纖維的應用方向是選擇合適纖維制造技術的依據。植物蛋白纖維的具體形態可通過X射線衍射[4]、硫黃素T熒光[5]、剛果紅染色[6]以及常見的圓二色光譜、傅里葉變換紅外光譜、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等方法進行鑒定和表征。

2.1 淀粉樣原纖維

植物蛋白淀粉樣原纖維是蛋白質分子通過自組裝形成的。它最初被認為是人類神經退行性疾病中的病理聚集體[7]，如在阿爾茨海默病患者腦組織中發現的β-淀粉樣蛋白和Tau蛋白[8]。然而，目前越來越多的研究認為形成淀粉樣原纖維是所有蛋白質的共同特性[9]。通常，將植物蛋白在高于其變性溫度、低pH值和低鹽離子強度條件下攪拌加熱數小時即可得到淀粉樣原纖維。Cao Yiping等[9]在總結了大量文獻后，認為植物蛋白纖維的標準制備條件可定為：80～90 ℃、pH 2、不加鹽離子條件下300 r/min磁力攪拌5～24 h。目前已經成功用于制備植物蛋白淀粉樣原纖維的原料有小麥、玉米、大豆、豌豆、馬鈴薯、花生、藜麥、莧菜等[9]。在制備過程中，天然狀態下呈球狀的蛋白質分子由于外界條件發生改變，分子鏈逐漸伸展，暴露出原本封閉在內的疏水氨基酸基團，這些基團由于其疏水性易相互聚集，進而傾向于形成熱力學穩定性較高的淀粉樣原纖維結構[10]。通常纖維的直徑在納米級，而長度在微米級。圖1展示了蛋白質淀粉樣原纖維的形成過程。

圖1 蛋白質淀粉樣原纖維形成過程示意圖[3]Fig.1 Schematic diagram of the formation process of protein amyloid-like fibrils[3]

淀粉樣原纖維的分子排列主要與植物蛋白本身的性質和制備時的具體條件有關，如酸堿度、溫度、鹽離子強度和蛋白質濃度等，但大體上呈雙重β-折疊結構，其外表類似一個拉鏈，蛋白質分子側鏈基團互相交叉，形成拉鏈的“齒”。單個β-折疊結構由主鏈氫鍵連接，穩定性較差，而維持雙重β-折疊結構的力較多（表1）。因此，淀粉樣原纖維非常穩定，能夠在人體內部甚至體外的惡劣條件下存在[11]。

表1 維持雙重β-折疊結構的力及其作用[8]Table 1 Roles of forces in maintaining dual β-sheet structure[8]

2.2 螺桿擠壓

螺桿擠壓是目前最為成熟同時也是應用最廣泛的植物蛋白纖維制備技術，采用螺桿擠壓機即可進行操作，可用于生產組織化植物蛋白（textured vegetable protein，TVP）。螺桿擠壓技術可分為低水分（low moisture，LM）擠壓（水分質量分數20%～40%）和高水分（high moisture，HM）擠壓（水分質量分數40%～80%）兩種[12]，擠壓后的LM-TVP呈多孔的海綿狀，HM-TVP則呈與動物肉類似的纖維狀，因此HM-TVP被廣泛用于制造植物蛋白纖維。高水分植物蛋白擠壓采用雙螺桿擠壓機，大豆蛋白、豌豆蛋白、花生蛋白和小麥面筋蛋白都是常見的原料。在擠出過程中，肽鍵通常不發生改變[13]，但氫鍵、二硫鍵和疏水相互作用會在溫度變化和剪切力的作用下斷裂或生成。如圖2所示，根據需要確定好物料配方及擠壓參數后，物料在室溫下進料并被輸送至混合區[14]；物料與水在混合區混合，氫鍵斷裂，蛋白質分子鏈逐漸展開，暴露出原本封閉在蛋白質分子內部的疏水氨基酸基團[15]；在熔融區的高溫條件（＞130 ℃）下，蛋白質分子內二硫鍵斷裂，形成分子間二硫鍵，若T＞150 ℃，新形成的分子間二硫鍵也將斷裂[16]，高溫使料液熔化并發生各種理化反應，料液黏度增加[13]，強剪切力使蛋白質分子鏈發生降解；冷卻模具溫度約為70 ℃，在該溫度下蛋白質分子發生重排和交聯，形成纖維結構[17]。

圖2 低水分擠壓（A）和高水分擠壓（B）的不同功能區以及擠壓過程中蛋白質分子結構變化（C）[12]示意圖Fig.2 Schematic diagrams of different functional areas of low moisture extrusion (A) and high moisture extrusion (B) and changes of protein molecular structure during extrusion (C)[12]

螺桿擠壓后植物蛋白纖維的性質與擠壓過程中的工藝參數（溫度、水分含量、喂料速率和螺桿轉速），蛋白質、脂肪和碳水化合物的比例，谷氨酰轉氨酶、卡拉膠等添加劑的使用，以及植物蛋白自身性質有關。對HM-TVP而言，為保證TVP的良好質構，同時確保纖維結構的順利形成，物料的蛋白質量分數在50%～70%較為合適[18]；脂肪在TVP制備過程中起到了增塑劑的作用，使TVP表面更加光滑，質量分數應在2%～10%；小分子碳水化合物參與美拉德反應，進而影響TVP的顏色和味道，淀粉或粗纖維則在TVP纖維結構的形成中起作用，額外添加量不應超過10%[12]。考慮到料液的黏度和蛋白質變性問題，大多數HM-TVP所需的溫度在130～150 ℃左右，水分質量分數在60%左右。如圖2所示，合格的HM-TVP表面光滑，有一定韌性，并且有明顯的纖維結構。

2.3 剪切

采用剪切的方式制造植物蛋白纖維能夠實現成型過程中對纖維微觀結構的控制。剪切的設備稱為剪切單元，基于流變儀的原理進行設計。在剪切和高溫的共同作用下，蛋白質可以排列成纖維結構[19]，其形成原理與螺桿擠壓中的纖維結構形成原理類似。最初的剪切裝置類似錐板流變儀，但這種裝置剪切速率不恒定，且容量有限，植物蛋白纖維的質量和產量均有較大缺陷。所以科研人員又開發出“Couette Cell”裝置，如圖3所示，其外形類似同心圓柱流變儀，內筒角速度恒定，外筒靜止，內外筒均采用油浴加熱，樣品位于兩個圓柱體之間的剪切區內，測溫點位于1/2H處。將植物蛋白、水、鹽和麩質以一定比例混合后，取約200 g樣品用填縫槍填料。工藝參數：90～110 ℃加熱5～25 min，轉速5～50 r/min，在該條件下可獲得良好的纖維結構[20]。

圖3 “Couette Cell”的水平和垂直橫截面[20]Fig.3 Horizontal and vertical cross-sections of “Couette Cell”[20]

與螺桿擠壓相比，剪切法生產的植物蛋白對微觀結構的控制更精細，性能更優良。但由于生產能力受限于剪切區體積（已發表文獻中裝置的最大剪切區體積為7 L[21]），并且相關研究人員和設備都集中于荷蘭瓦赫寧根大學，目前仍屬于新興技術，其具體機理處在探索階段，尚未大規模推廣使用。

2.4 濕法紡絲

濕法紡絲植物蛋白纖維是在液體環境中形成的，其設備主要由蛋白質溶液、噴絲頭、凝固浴和洗滌槽組成。如圖4所示，將蛋白質溶液直接由噴絲頭噴出至凝固浴中，凝固浴中裝有無法溶解蛋白質溶液的溶劑，使蛋白質溶液凝固為直徑數十至數百微米的長絲，通過化學反應或溶劑蒸發可除去長絲上殘留的大部分溶劑[22]，形成的植物蛋白纖維經過理化處理、洗滌和干燥，可進一步除去加工中的化學物質，同時增強纖維的機械強度和分子取向。是否對其進行理化處理和洗滌與纖維的應用領域和聚合物溶液組成有關[23]，對食品領域的應用而言，需要保證其產品的安全性，因此必須進行進一步處理。與其他植物蛋白纖維制造技術相比，濕法紡絲纖維具有直徑大、分子排列水平高、穩定性好、高強度和高剛性的特點[3]。

圖4 濕法紡絲加工植物蛋白纖維示意圖[2]Fig.4 Schematic diagram of the preparation of plant protein fiber by wet spinning[2]

溶解植物蛋白的溶液是具有高度分子纏結的黏性溶液。在苛刻的條件下（如使用還原劑、變性劑或極端的酸堿和熱條件），蛋白質分子的氫鍵和二硫鍵被破壞[3]，使其能夠形成長絲。蛋白質溶液中的溶劑是根據植物蛋白的性質和用途決定的，目前常見的用于濕法紡絲的植物蛋白種類及相應溶劑列于表2。可以看出，濕法紡絲在生產過程中經常需要加入不可食用溶劑，產生大量的化學廢液，且產量較小，因此在食品領域中的應用存在較多限制。

表2 濕法紡絲植物蛋白纖維形成條件Table 2 Wet spinning conditions for the formation of plant protein fiber

2.5 靜電紡絲

通過靜電紡絲能夠制造納米尺度的植物蛋白纖維[28]。靜電紡絲對植物蛋白溶液的要求十分嚴格，第一，所選擇的蛋白質需要在相應溶劑中有高度的可溶性，其濃度足夠使蛋白質分子發生纏結；第二，溶液必須有合適的黏度、導電性和表面張力。靜電紡絲大致可分為實驗室規模紡絲、高效紡絲和特殊紡絲模式。實驗室規模紡絲包括點-板靜電紡絲、線-板靜電紡絲和板-板靜電紡絲3 種；高效紡絲包括多噴頭靜電紡絲和無噴頭靜電紡絲；特殊紡絲包括近場靜電紡絲、同軸靜電紡絲和離心靜電紡絲[29]。點-板靜電紡絲如圖5所示，將帶電的蛋白質溶液裝入注射器中，其電荷斥力能夠克服表面張力，進而從注射器針頭中噴出，形成泰勒錐。從泰勒錐中會紡出一根細絲，在電力作用下逐漸伸長，并隨著溶劑的蒸發固化成纖維，收集器上帶有與纖維相反的電荷，使纖維能夠以網狀的形式沉積在上面[30]。

圖5 靜電紡絲裝置示意圖[31]Fig.5 Schematic diagram of the electrospinning device[31]

蛋白質的靜電紡絲需要克服很多困難。為了紡絲的順利進行，蛋白質需要在溶液中有較好的溶解度，使蛋白纖維能夠相互纏結[28]。然而植物蛋白常見的球狀結構存在相互作用較小，不利于互相纏結的問題，因此需要選擇合適的植物蛋白和相應的溶劑。能否實現植物蛋白靜電紡絲的決定因素包括蛋白質溶液的表面張力、電導率、黏度、溶液濃度、介電常數和揮發性[32]，這些因素會影響植物蛋白纖維的宏觀外表、纖維直徑、分子排列方向和機械強度。同時，考慮到食品行業的需求，靜電紡絲過程應盡量減少有害化學試劑的使用，玉米醇溶蛋白是靜電紡絲中常見的植物蛋白[33]，因為可用于食品的乙醇和乙酸對醇溶蛋白的溶解效果好。SPI[34]和莧菜分離蛋白[35]也被用于靜電紡絲，但為達到合適的溶解度，不可避免地需要用到六氟異丙醇和甲酸等有毒化學試劑，這嚴重限制了靜電紡絲在食品領域的應用。因此，科研人員正在進一步嘗試采用更加安全的化學試劑，甚至直接用水作為溶劑[36]。

2.6 溶液吹氣紡絲

SBS是一種新興的植物蛋白纖維制造技術，起源于靜電紡絲和傳統熔噴技術的結合，能夠制備納米級到微米級的纖維[37]，可看作靜電紡絲的升級版技術。如圖6所示，SBS裝置由高壓氣源、壓力調節器、溶液注射器、同心噴嘴和滾筒收集器組成。蛋白質溶解在揮發性溶劑中，由注射泵進入內噴嘴被泵送，而壓縮氣體則流動在蛋白質溶液周圍，通過外噴嘴被噴出。當溶液被噴出后，由于阻力、升力和高速氣體的湍流流動，溶液穩定性極差，會導致強烈的拉伸和變薄[3]；由于溶劑的迅速蒸發，植物蛋白纖維在空氣中固化[38]。與靜電紡絲相比，SBS具有成本低、無需電場、設備簡單、過程簡潔、易于規模化生產等特點[39]。但同靜電紡絲相比，由于溶液噴出后的不穩定性，SBS生產的植物蛋白纖維直徑相對不均勻。

圖6 SBS裝置示意圖[37]Fig.6 Schematic diagram of SBS device[37]

SBS對植物蛋白和溶劑的要求與靜電紡絲類似，例如使用甲酸溶解的SPI[38]、醋酸溶解的玉米醇溶蛋白[40]等。植物蛋白纖維的最終性質和產量與蛋白溶液黏度、溶液推進速率、氣壓、噴嘴形狀和噴射距離有關[39]。蛋白質溶液濃度過低，會導致溶液無法形成纖維，而是呈液滴狀直接從噴嘴中噴出[40]；濃度過高則會使溶液黏彈性和表面張力過強[41]。溶液推進速率過慢會使纖維不連續；過快則使溶劑蒸發不完全。氣壓過低會使噴嘴尖端出現膜脹效應，導致射流直徑大于噴嘴直徑；過高會使纖維拉伸不足。噴嘴形狀和大小會對氣流速度產生影響，噴射距離則是溶劑是否蒸發完全的決定性因素之一[39]。

3 植物蛋白纖維在食品領域的應用

由于出眾的質地、營養價值和功能特性，植物蛋白纖維在食品領域得到了廣泛應用。常見的應用方向有直接食用、作為食品添加劑使用和用于活性物質包埋等。圖7列舉了在實驗室條件下制得或已經投入市場的植物蛋白纖維產品。

圖7 實驗室或商品化植物蛋白纖維產品Fig.7 Laboratory-made or commercial plant protein fiber products

3.1 直接食用

可直接食用的植物蛋白纖維要求植物蛋白本身適宜作為食物、制備完成的纖維形態良好以及加工過程中不添加不可食用的化學試劑。因此，目前只有通過螺桿擠壓和剪切兩種技術制備的植物蛋白纖維被直接用作食品。剪切技術存在相關設備和技術人員上缺乏以及生產力不足的問題，目前仍處于實驗室規模，因此螺桿擠壓是目前唯一能夠工業化生產的可食用植物蛋白纖維制備技術。

通過高水分擠壓技術生產的HM-TVP有類似動物肉的纖維結構和質地，能夠直接作為肉類類似物食用，也就是俗稱的“植物肉”。經驗證，以花生蛋白[18]、大豆濃縮蛋白/小麥面筋蛋白[45]、豌豆蛋白/小麥面筋蛋白[46]為原料生產的HM-TVP在質構和纖維的微觀結構上與雞肉相似。為了使植物肉制品顏色更加逼真，加工中還會使用曲紅等色素或來源于大豆的血紅蛋白使產品呈現類似牛排內部的粉紅色。對素食主義者、宗教人士和心腦血管疾病高危人群[47]而言，植物肉可替代或部分替代動物肉作為日常食物。但對于廣大普通消費者而言，目前植物肉主要存在的問題在于：1）對肉類的口感、質構、風味和氣味的模擬不夠逼真，產品口感相對粗糙；2）價格與動物肉相比無明顯優勢；3）在制作過程中加入了一定量的添加劑，可能不利于消費者接受。因此，植物肉的生產技術仍有較大的提升空間。生產植物肉的知名國際企業有Beyond Meat和Impossible Foods等，中國第一個高水分組織化植物蛋白生產線也已經在2021年正式投產。

3.2 改善食物質構

用于改善食物質構的植物蛋白纖維同樣要求植物蛋白本身適宜食用以及保證加工全過程的安全性，植物蛋白淀粉樣原纖維能夠滿足上述要求。當蛋白質由溶液轉變為纖維形態時，其促進分子纏結的能力增加，單個顆粒直徑增加，進而使溶液黏度上升和凝膠強度增加，因此植物蛋白淀粉樣原纖維可作為增稠劑和膠凝劑使用[9]。Zhang Yehui等[42]以米糠白蛋白為原料制備淀粉樣原纖維，發現纖維的添加可使米糠蛋白溶液的黏度提升一個數量級，且溶液穩定性不受干擾。與天然蛋白質相比，淀粉樣原纖維能夠在更低的濃度下形成凝膠。Munialo等[48]對由不同濃度的豌豆蛋白淀粉樣原纖維制備的凝膠進行了儲能模量（G’）和損耗模量（G”）的測定，發現當豌豆蛋白質量濃度由40 mg/mL提升至160 mg/mL時，其G’由22 Pa迅速提升至2 058 Pa，表明凝膠強度顯著增加；而G”與G’的比值則一直保持在0.18～0.22之間，表明其凝膠化狀態較為穩定。

3.3 活性物質包埋

許多生物活性食品在普通貯存條件下穩定性較差，或存在溶解性差、生物利用度不佳等問題，包埋是有效的解決方式[49]。目前能被用于食品包埋的植物蛋白纖維制備技術有靜電紡絲、SBS和濕法紡絲，但考慮到包埋效率、化學試劑添加和工藝難度，通常采用靜電紡絲技術。靜電紡絲技術能夠制備食品級納米纖維膜，可在制備過程中負載需要包埋的活性物質。Moomand等[44]以30%的裝載量（即魚油質量為玉米醇溶蛋白粉末質量的30%）制備包埋魚油的玉米醇溶蛋白靜電紡絲，發現25 ℃下貯存4 d后未包埋魚油的過氧化物生成量達900 μmol/L，包埋魚油僅為150 μmol/L，表明包埋可顯著提升魚油的氧化穩定性。Jia Xiwen等[50]將豌豆分離蛋白與普魯蘭多糖溶液混合溶解后進行靜電紡絲，制得的納米纖維膜展現出比豌豆分離蛋白和普魯蘭多糖粉末更好的熱穩定性。精油等抗菌活性物質對光、熱和氧氣的高度敏感性以及自身的高揮發性使其在食品中的應用存在限制，可以采用靜電紡絲植物蛋白纖維進行包埋。將孜然精油和玉米醇溶蛋白溶解在冰醋酸中，使孜然精油體積分數分別為2.5%、5%、10%和20%，玉米醇溶蛋白質量濃度為0.27 g/mL，制備的含有不同劑量孜然精油的玉米醇溶蛋白電紡纖維對金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢桿菌、大腸桿菌和腸球菌均有很強的抗菌活性，且抗菌效果隨精油濃度增加而增強[51]。

4 結 語

隨著經濟水平和科技水平的提高，健康、成本、宗教等因素使得植物蛋白在蛋白質市場上擁有越來越重要的地位。植物蛋白纖維制備技術使球狀植物蛋白分子轉化為絲狀纖維結構，改善了植物蛋白的質地、營養和功能性，拓展了植物蛋白在食品領域的應用，如作為肉類類似物、增稠劑、膠凝劑和活性包埋材料等，有著良好的發展前景和市場價值。

目前植物蛋白纖維的大規模應用仍存在許多限制。淀粉樣植物蛋白纖維尚未被允許進入市場，因為某些淀粉樣纖維在體外實驗中顯示出細胞毒性[52]，所以要對更多不同來源的植物蛋白淀粉樣纖維進行動物和臨床水平的安全性驗證，并建立使用規范。剪切法制備的植物蛋白纖維性能優良，但生產效率不足和生產設備及技術人員缺乏的問題仍待解決。對于濕法紡絲和SBS，需要尋找食品級植物蛋白溶劑，探索新的植物蛋白和溶劑配方。靜電紡絲對植物蛋白溶劑的選擇范圍相較濕法紡絲和SBS更廣，但同時存在生產效率低和生產成本高的問題，目前主要應用于功能性成分的包埋，這些成分被包埋后可用作高附加值食品的包裝。螺桿擠壓法制備的植物蛋白纖維雖然能夠實現一定規模的工業化生產，但其質構與風味和動物肉相比仍有一定差距。可以通過調整工藝參數，并添加一定比例的小麥面筋蛋白、油脂、多糖、谷氨酰轉氨酶和堿等物質促進植物蛋白纖維的形成，使其更好地模擬動物肉的纖維感。還可以添加一定量的植物油，如椰子油、葵花籽油等[53]模擬動物肉的油脂感，以及采用淀粉、麥芽糊精、果膠等多糖模擬脂肪的口感[54]。

若想實現植物蛋白纖維從實驗室走向工廠，從工業、醫療領域走向食品領域，食品安全、生產效率和生產成本是科研人員必須要解決的問題。今后對植物蛋白纖維的研究可從如下方面著手：1）植物蛋白纖維制備工藝的標準化；2）食品級植物蛋白溶劑的探索；3）與3D打印等方法結合改善植物蛋白纖維的質構、形態及理化特性；4）通過酶解、發酵等方法改善植物蛋白纖維不良風味；5）植物蛋白纖維營養價值及其影響因素的探究。植物蛋白纖維的優良性能與巨大潛力，值得更加深入地研究，以使其在各個領域有更加廣泛的應用。