食品擠壓技術(shù)在植物肉中的應(yīng)用淺析

孫保劍，王笛，蔡中勝，田田，劉軍，王洪彩

山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司（禹城 251200）

植物肉是指利用植物原料制成的肉類替代品，旨在模仿動(dòng)物肉的外觀、質(zhì)地和口感，以滿足減少對(duì)動(dòng)物資源的依賴以及促進(jìn)可持續(xù)食品發(fā)展的需求。植物肉的發(fā)展背景源于對(duì)健康、環(huán)境和動(dòng)物福利的關(guān)注，以及對(duì)可持續(xù)食品的追求。食品擠壓技術(shù)是植物肉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。它可以提高植物肉產(chǎn)品的品質(zhì)和可接受度，推動(dòng)植物肉在市場(chǎng)上的競(jìng)爭力。植物肉是由蛋白質(zhì)和其他原料混合而成，通過擠壓技術(shù)可以將混合物轉(zhuǎn)化為具有肉質(zhì)質(zhì)感的形態(tài)。在植物肉的制備過程中，擠壓技術(shù)可使混合物的纖維結(jié)構(gòu)得到破壞和重構(gòu)，從而使植物肉的質(zhì)感更加接近于真正的肉類。同時(shí)，擠壓技術(shù)還能將混合物中的空氣排出，使植物肉具有更加均勻的口感和質(zhì)感。

隨著植物肉市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大和消費(fèi)者對(duì)植物肉的認(rèn)可度提高，擠壓膨化技術(shù)將發(fā)揮更重要的作用，推動(dòng)植物肉產(chǎn)業(yè)發(fā)展。植物肉的發(fā)展受益于科技進(jìn)步和創(chuàng)新。隨著食品科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人們可以更好地理解食物的成分和結(jié)構(gòu)，并利用技術(shù)手段模仿和改良動(dòng)物肉的特性。通過擠壓、膨化、纖維重組等技術(shù)，植物肉可以獲得更接近動(dòng)物肉的質(zhì)地、紋理和口感，使消費(fèi)者能夠享受到更好的食用體驗(yàn)。基于此，對(duì)植物肉擠壓技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 植物肉擠壓技術(shù)發(fā)展歷程

植物肉擠壓技術(shù)源于擠壓機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)30年代，單螺桿擠壓機(jī)問世，它開始用于生產(chǎn)膨化玉米；二戰(zhàn)期間，日本人用于生產(chǎn)壓縮軍糧，此時(shí)的擠壓方法還是冷擠壓技術(shù)。50年代，美國將擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用于飼料工業(yè)，主要用于加工寵物食品，對(duì)動(dòng)物飼料進(jìn)行預(yù)處理以改進(jìn)消化性和適口性。60年代，雙螺桿擠壓機(jī)出現(xiàn)，并用于食品加工領(lǐng)域[1]，此時(shí)熱擠壓技術(shù)開始出現(xiàn)，并用于生產(chǎn)大豆組織蛋白，擠壓技術(shù)開始應(yīng)用于植物肉領(lǐng)域。我國從70年代開始研究食品擠壓技術(shù)和擠壓加工機(jī)械。1980年，北京食品研究所制造出自熱式谷物膨化擠壓機(jī)。1982年無錫輕工業(yè)大學(xué)從法國Clextral公司引進(jìn)一臺(tái)BC-45型雙螺桿擠壓機(jī)，開始了對(duì)擠壓加工技術(shù)的研究。1996年，可視化雙螺桿擠壓機(jī)由北京化工大學(xué)研制成功。進(jìn)入21世紀(jì)，擠壓膨化技術(shù)得到空前發(fā)展，國內(nèi)涌現(xiàn)出數(shù)百家擠壓機(jī)制造商，如湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司、濟(jì)南真諾機(jī)械有限公司、濟(jì)南大億膨化機(jī)械有限公司、山東賽百諾機(jī)械有限公司等，國外公司如瑞士布勒、德國萊斯特瑞茲和科倍隆等公司紛紛在中國設(shè)立子公司。擠壓設(shè)備的發(fā)展也促進(jìn)植物肉行業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)出多家拉絲蛋白生產(chǎn)商，如浙江百川公司、河南品正公司、臺(tái)灣普羅維生公司等。

2 植物肉擠壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 擠壓膨化技術(shù)的原理

擠壓膨化技術(shù)是一種通過將植物蛋白料經(jīng)過擠壓和膨化的過程，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并獲得所需的質(zhì)地和紋理，該技術(shù)的主要原理包括擠壓和膨化2個(gè)過程[2]。在擠壓過程中，植物蛋白料經(jīng)過擠壓機(jī)的螺桿作用下，產(chǎn)生剪切和壓縮力，使蛋白質(zhì)分子排列緊密；通過膨化過程，物料在高溫高壓下迅速膨脹，通過模具擠出時(shí)，外部壓力急劇下降，產(chǎn)品內(nèi)部水分迅速蒸發(fā)，形成具有多孔結(jié)構(gòu)和肉類質(zhì)感的產(chǎn)品[3]。

2.2 擠壓膨化設(shè)備

擠壓膨化所用的主要設(shè)備為螺桿擠壓機(jī)，螺桿擠壓機(jī)又分為單螺桿擠壓機(jī)，雙螺桿擠壓機(jī)，三螺桿及多螺桿擠壓機(jī)，常用的為單螺桿擠壓機(jī)和雙螺桿擠壓機(jī)。單螺桿擠壓機(jī)具有一根整體螺桿，靠螺桿和機(jī)筒的摩擦力帶動(dòng)原料前行，因此物料中的脂肪含量不宜過高，否則由于摩擦力減小，很難擠出產(chǎn)品，影響生產(chǎn)[4]。雙螺桿擠壓機(jī)螺桿（圖1）由2根同向或逆向螺桿嚙合組成，螺桿不是一個(gè)整體，由不同的積木式螺旋組合而成，有輸送螺旋、開槽螺旋、捏合塊等[5]。積木式螺旋給用戶提供多樣的發(fā)揮使用空間，用戶可組成多種多樣的螺桿組合，可生產(chǎn)出各種不同的產(chǎn)品，因此，不同的設(shè)備、不同產(chǎn)品、不同用戶，產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝各不相同。

圖1 雙螺桿組成

單螺桿擠壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)是成本低，操作簡單，1臺(tái)單螺桿擠壓機(jī)的價(jià)格為5～10萬元，而1臺(tái)雙螺桿擠壓機(jī)價(jià)格為30～80萬元。單螺桿擠壓機(jī)缺點(diǎn)是產(chǎn)能低，每小時(shí)產(chǎn)能50～150 kg，需要對(duì)原料進(jìn)行更多的前期處理和混合，且螺桿不能在線清洗。而雙螺桿擠壓機(jī)不僅能夠自清洗，且強(qiáng)制物料輸送，不受脂肪含量的影響，產(chǎn)能高，每小時(shí)100～300 kg。

現(xiàn)代擠壓系統(tǒng)（圖2）已不是單獨(dú)的螺桿擠壓機(jī)，而是由一系列系統(tǒng)組成的生產(chǎn)線，包括原料貯存系統(tǒng)、自動(dòng)稱量系統(tǒng)、混料系統(tǒng)、真空輸送系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)等，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，可一鍵設(shè)置產(chǎn)品配方，系統(tǒng)根據(jù)配方自動(dòng)上料，自動(dòng)稱量，自動(dòng)混料，自動(dòng)擠壓及干燥和包裝。

圖2 現(xiàn)代擠壓系統(tǒng)

2.3 工藝參數(shù)

擠壓膨化技術(shù)的工藝參數(shù)對(duì)最終產(chǎn)品的品質(zhì)和特性具有重要影響。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，影響擠壓膨化技術(shù)效果的主要參數(shù)包括擠壓溫度、擠壓速度、擠壓壓力等[6]。通過對(duì)這些參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)地、紋理和口感的改善。

擠壓溫度是影響擠壓膨化效果的重要因素之一。適當(dāng)?shù)臄D壓溫度可以促進(jìn)蛋白質(zhì)的凝膠化和交聯(lián)反應(yīng)，從而增加產(chǎn)品的彈性和咀嚼性。過高的擠壓溫度可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)的變性和破壞，降低產(chǎn)品質(zhì)量。因此，需通過實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化確定最佳的擠壓溫度范圍。

擠壓速度也對(duì)擠壓膨化效果有一定影響。適當(dāng)?shù)臄D壓速度可使物料在擠壓過程中充分受力，實(shí)現(xiàn)良好的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)重排和形變。過快的擠壓速度可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)未能完全調(diào)整，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，需要在擠壓速度和擠壓溫度之間進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，以獲得最佳的擠壓效果。

擠壓壓力是控制產(chǎn)品形狀和紋理的關(guān)鍵參數(shù)之一。適當(dāng)?shù)臄D壓壓力可使物料充分受力，實(shí)現(xiàn)理想的形狀和結(jié)構(gòu)。過高的擠壓壓力可能導(dǎo)致產(chǎn)品過度致密和變形，影響口感和咀嚼性。因此，需要根據(jù)具體的植物蛋白物料和產(chǎn)品要求來確定適宜的擠壓壓力。

一個(gè)完美的產(chǎn)品是上述因素綜合作用的結(jié)果，不同原料、不同設(shè)備、不同環(huán)境，工藝條件會(huì)截然不同。豌豆蛋白、大豆蛋白、小麥蛋白、大米蛋白、淀粉等為常用原料，其熟化溫度不同，不同的原料組合，其最佳生產(chǎn)條件又會(huì)不同。如擠壓溫度150 ℃時(shí)，豌豆凝膠的耐熱耐剪切能力最強(qiáng)，穩(wěn)定性、糊化度和熟化度最高，口感更為細(xì)膩爽滑，易于咀嚼[7]。大豆蛋白在水分65%、溫度190 ℃時(shí)，產(chǎn)品口感最佳[8]。花生蛋白的最佳擠壓溫度為140 ℃[9]。

2.4 膨化抑制劑的應(yīng)用

膨化抑制劑是指能減少擠壓膨化過程中氣泡生成和膨化度的添加劑。在植物肉擠壓膨化過程中，由于蛋白質(zhì)的含水量和組成特性，容易產(chǎn)生氣泡并導(dǎo)致過度膨化。為控制膨化度和改善產(chǎn)品質(zhì)地，可以引入膨化抑制劑調(diào)節(jié)擠壓膨化過程。

常見的膨化抑制劑包括膨化抑制蛋白、多糖類物質(zhì)、脂肪類物質(zhì)等。膨化抑制蛋白是一種能與植物蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用的蛋白質(zhì)，通過與蛋白質(zhì)分子形成交聯(lián)或凝膠結(jié)構(gòu)，可以阻礙氣泡的形成和膨化過程。多糖類物質(zhì)如纖維素和膠原蛋白等，具有吸水性和黏性，可以吸附水分并增加物料的黏性，從而抑制氣泡的生成。脂肪類物質(zhì)能夠在擠壓膨化過程中形成脂質(zhì)包裹層，減少氣體的擴(kuò)散和氣泡的生成。

在應(yīng)用膨化抑制劑時(shí)，需根據(jù)具體的植物蛋白物料和產(chǎn)品要求進(jìn)行合理選擇和配比。通過控制添加劑的種類、用量和加工條件等因素，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓膨化過程的調(diào)控，進(jìn)而改善產(chǎn)品的膨化度和口感。

2.5 低水分?jǐn)D壓技術(shù)和高水分?jǐn)D壓技術(shù)

擠壓技術(shù)按生產(chǎn)時(shí)水分的高低可分為低水分?jǐn)D壓技術(shù)和高水分?jǐn)D壓技術(shù)，相應(yīng)的產(chǎn)品分為低水分拉絲蛋白（圖3）和高水分拉絲蛋白（圖4）。2種拉絲蛋白都是以大豆分離蛋白、小麥蛋白、豌豆蛋白、脫脂豆粉等為原料，在螺桿擠壓機(jī)中，在高溫高壓條件下擠壓生成。低水分?jǐn)D壓，單螺桿設(shè)備和雙螺桿設(shè)備都可以完成，高水分?jǐn)D壓只能靠雙螺桿設(shè)備完成。

圖3 低水分?jǐn)D壓產(chǎn)品

圖4 高水分?jǐn)D壓產(chǎn)品

低水分拉絲蛋白含水約10%，由于其水分較低，易于儲(chǔ)存，需要先復(fù)水，再脫水后使用。低水分拉絲蛋白，常用于制作各種食品和食品配料，如植物肉制品、素肉制品、肉類替代品等[10]。高水分拉絲蛋白利用擠壓和拉伸的工藝，將各類植物性蛋白制成具有拉絲紋理和質(zhì)地的產(chǎn)品，含水約50%。由于水分較高，需要冷凍儲(chǔ)存，使用時(shí)需先解凍。高水分拉絲蛋白的質(zhì)地柔軟且具有彈性，使其在口中更易咀嚼和咬斷，提供更好的口感體驗(yàn)。由于不需要復(fù)水，可直接制成終端產(chǎn)品，因此使用更為方便，市場(chǎng)潛力比較大[11]。

3 植物肉擠壓技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與展望

盡管擠壓膨化技術(shù)在植物肉生產(chǎn)中取得顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，包括工藝參數(shù)的優(yōu)化、添加劑的選擇和應(yīng)用、產(chǎn)品穩(wěn)定性和保質(zhì)期等方面。未來的研究可進(jìn)一步探索更加精確的工藝控制和添加劑配方，以提高產(chǎn)品的品質(zhì)、穩(wěn)定性和可持續(xù)性。未來的擠壓膨化技術(shù)發(fā)展方向如下。

3.1 精細(xì)化和智能化

隨著數(shù)字技術(shù)和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，雙螺桿擠壓機(jī)也朝著智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。如采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出過程的精確控制和優(yōu)化[12]。

3.2 多功能化和模塊化

在滿足傳統(tǒng)食品生產(chǎn)需求的同時(shí)，雙螺桿擠壓機(jī)也在向多功能化和模塊化方向發(fā)展。如同一臺(tái)雙螺桿擠壓機(jī)可以用于生產(chǎn)多種不同的食品產(chǎn)品，并且可通過更換模具等方式快速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)換。

3.3 可持續(xù)化和環(huán)保化

隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高，雙螺桿擠壓機(jī)也在向可持續(xù)化和環(huán)保化方向發(fā)展。如采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和環(huán)保材料，可以減少能源消耗和廢棄物的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

食品擠壓技術(shù)由于具有成本低、產(chǎn)能高、保持食品營養(yǎng)的特點(diǎn)，在植物肉生產(chǎn)中起著不可替代的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和消費(fèi)者對(duì)植物肉的需求增加，擠壓技術(shù)在植物肉制備中的應(yīng)用前景非常廣闊。它可為植物肉提供更多的創(chuàng)新和發(fā)展空間，使其在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭力。同時(shí)，擠壓技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新為植物肉的質(zhì)量、口感和可持續(xù)性帶來更大提升，也必將推動(dòng)植物肉產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。