霍夫梅斯特阳离子调控高水分挤压豌豆蛋白肉类似物的结构、质地及消化性研究

《LWT》：Effects of Hofmeister cations (K+, Na+, Mg2+, Ca2+) on the structure, texture, and digestion of high-moisture extruded pea protein meat analogs

本研究针对单一豌豆蛋白高水分挤压产物质地偏软、纤维结构差的问题，系统探究了KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2四种霍夫梅斯特系列阳离子盐对豌豆蛋白肉类似物结构、质地及消化特性的影响机制。结果表明，阳离子通过特异性调控蛋白质分子间作用力（疏水相互作用、氢键）和二级结构转化（α-螺旋与β-折叠/β-转角），精确指导纤维结构形成与产品质地，为基于理性阳离子选择的植物基肉制品精准质构设计提供了理论依据。该研究发表于《LWT》。

　　

随着人们对过度食用红肉和加工肉类对健康、环境可持续性及动物福利带来的负面影响的认知加深，植物基肉类似物近年来受到越来越多消费者的青睐。其中，豌豆蛋白因其可持续高产、经济可行、生物利用度高、低致敏性且无豆腥味等优点，成为植物基肉制品配方的研究热点。高水分挤压技术因其清洁、高效、操作灵活、可规模化生产、营养保留好以及能降低抗营养因子等优势，已成为生产肉类似物的主流关键技术。然而，单一豌豆蛋白分离物通过高水分挤压制备的肉类似物质地相对柔软、纤维结构差，难以完全满足消费者的要求。此外，如何准确、可预测地为高水分挤压豌豆蛋白产品定制具有独特力学特性的纤维结构，仍然是一个突出的挑战。盐在肉类似物中作为咸味提供者、风味增强者和保质期延长贡献者起着关键作用。盐离子的存在会显著影响蛋白质的溶解度、表面电荷、流变行为、分子相互作用和凝胶动力学，进而影响肉类似物的质构特性。但目前对高水分挤压中特定盐效应的理解仍不系统。霍夫梅斯特系列根据离子破坏蛋白质分子周围水分子氢键网络以及沉淀或溶解蛋白质的能力对离子进行排序，为理解离子特异性效应提供了经典理论框架。然而，将霍夫梅斯特系列的基础知识转化为高水分挤压复杂的力热环境中（蛋白质在热、压力和剪切应力联合作用下经历快速结构转变），是一个重大的科学挑战和机遇。为此，研究人员在《LWT》上发表研究，系统探究了跨越霍夫梅斯特系列的四种代表性氯化物盐对高水分挤压制备的豌豆蛋白基肉类似物的理化特性、结构特性和消化特性的影响及其潜在机制。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：采用同向旋转双螺杆挤出机进行高水分挤压加工，设定特定的温度剖面、螺杆转速和冷却模头温度。利用质构剖面分析、拉伸阻力测定和纵横剪切力比值（纤维化程度）评估产品的质构特性。通过密度测定、水分含量和水活性分析、宏观形态观察和扫描电子显微镜（SEM）成像表征产品的结构和水分状态。采用体外模拟胃肠道消化模型并结合分数转化模型分析蛋白质消化动力学。通过流变学温度扫描测试分析蛋白质熔体的粘弹性行为。通过表面疏水性测定、分子作用力分析和傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示蛋白质构象变化和分子间相互作用机制。

3.1. 质构特性

所有盐的添加均显著提高了豌豆蛋白挤压物的硬度和咀嚼性，且效果遵循霍夫梅斯特阳离子序列：K⁺< Na⁺< Mg²⁺< Ca²⁺。KCl和NaCl显著提高了产品的弹性和拉伸阻力，而MgCl₂和CaCl₂降低了拉伸阻力。在促进纤维化程度方面，阳离子的效果顺序为K⁺> Na⁺> Mg²⁺> Ca²⁺，表明离液性阳离子更有利于形成各向异性的纤维结构。

3.2. 密度

盐的添加显著提高了挤压物的密度，表明盐增强了蛋白质聚集，导致网络结构更紧密。密度增加的趋势与霍夫梅斯特序列一致：K⁺< Na⁺< Mg²⁺< Ca²⁺，离液性阳离子（Mg²⁺/Ca²⁺）在改变水分子氢键网络和促进蛋白质溶解聚集方面更有效。

3.3. 水分含量和水活性

所有含盐挤压物的水分含量均高于对照组，而水活性则降低。kosmotropic阳离子（K⁺/Na⁺）在提高水分含量和降低水活性方面效果优于chaotropic阳离子（Mg²⁺/Ca²⁺），表明前者更有利于构建能通过毛细管力保持水分的精细蛋白质网络。

3.4. 宏观和微观结构

宏观和微观结构观察显示，盐的添加使挤压物表面更光滑、致密、完整，并促进了沿挤压方向各向异性纤维结构的形成。KCl和NaCl处理的挤压物显示出丰富的丝状结构，而MgCl₂和CaCl₂处理的挤压物纤维结构变弱、易碎，这与拉伸阻力和纤维化程度的结果一致。

3.5. 体外蛋白质消化率

盐的添加显著降低了挤压物的最终体外蛋白质消化率（IVPD）和消化速率常数（k）。IVPD的降低程度遵循霍夫梅斯特序列：K⁺< Na⁺< Mg²⁺< Ca²⁺。离液性阳离子促进蛋白质展开和疏水基团暴露，导致形成更致密、更难被酶解的网络结构。

3.6. 流变特性

流变学测试表明，盐离子，尤其是离液性阳离子，在初始加热阶段（30-38°C）促进蛋白质解离和展开。在等温阶段和冷却阶段，盐的添加增加了存储模量（G'）和损失模量（G''），表明盐有利于蛋白质分子的组装和交联。模量的增加幅度遵循霍夫梅斯特序列：K⁺< Na⁺< Mg²⁺< Ca²⁺。

3.7. 表面疏水性

盐的添加显著提高了挤压物的表面疏水性，表明盐引起蛋白质不可逆构象变化，内部疏水基团暴露增加。离液性阳离子（Mg²⁺/Ca²⁺）的提高效果优于kosmotropic阳离子（K⁺/Na⁺），这与前者破坏蛋白质水化层、促进蛋白质伸展和解折叠的能力更强有关。

3.8. 分子间作用力

分子间作用力分析表明，疏水相互作用和氢键是主要的分子间作用力。盐的添加削弱了离子键，但显著增强了疏水相互作用和氢键。离液性阳离子在增强疏水相互作用方面更有效，而kosmotropic阳离子在增强氢键方面更有效。

3.9. FTIR分析

FTIR分析显示，kosmotropic阳离子（K⁺/Na⁺）促进α-螺旋向β-折叠的转化。离液性阳离子（Mg²⁺/Ca²⁺）则增加了β-转角（Mg²⁺, Ca²⁺）和α-螺旋（Ca²⁺）的比例，减少了无规卷曲，表明其促进蛋白质聚集和交联，形成更紧密、有序的结构。

3.10. 机理探讨

研究人员提出了一个潜在的作用机制。在高水分挤压过程中，蛋白质分子在高温、高压和高剪切力下展开，主要通过新形成的疏水相互作用、氢键和离子键聚集。盐离子的加入屏蔽了蛋白质上的电荷，减少了蛋白质分子间的静电斥力，促进了蛋白质-蛋白质相互作用、聚集和沿挤压方向的纵向排列。离液性阳离子（Mg²⁺/Ca²⁺）倾向于破坏蛋白质周围水的氢键网络，诱导蛋白质结构伸展，增加疏水基团暴露，从而在加热过程中增强蛋白质分子间的疏水相互作用，加速蛋白质自组装和聚集动力学，导致形成僵硬的域和脆弱的纤维。相反，kosmotropic阳离子（K⁺/Na⁺）有利于稳定蛋白质结构，延缓蛋白质在初始混合和加热阶段的溶解和变性，这可能平衡了熔融区蛋白质的解折叠和聚集速率，有利于蛋白质分子链在冷却阶段通过氢键进行有序重排，从而产生各向异性的纤维结构并改善质构特性。

本研究系统阐明了霍夫梅斯特阳离子通过特异性调控蛋白质分子间作用力（疏水相互作用、氢键）和二级结构转化，从而精确影响高水分挤压豌豆蛋白肉类似物的结构、质地及消化性的机制。研究发现，离液性阳离子（Mg²⁺/Ca²⁺）主要通过增强疏水相互作用和促进形成更多β-转角结构，导致产品硬度、密度增加，但纤维结构和体外消化率较差；而kosmotropic阳离子（K⁺/Na⁺）则更有效地促进氢键形成和α-螺旋向β-折叠的转化，有利于形成更明显的各向异性纤维结构和更好的质地。该研究为通过理性选择阳离子来精准定制植物基肉类似物的质地（如多汁的鱼样质地或紧密有嚼劲的牛肉样结构）提供了重要的理论依据和策略，推动了该领域从经验方法向理论指导的产品设计迈进。研究的局限性在于未进行感官评价和稳定性评估，未来研究需在复杂多组分配方中系统评估这些盐对感官特性和产品稳定性的影响。