冷却模具长度对高水分挤压过程中肉制品类似物组织结构和纤维性能的影响

《Food Research International》：Effect of cooling die length on texture and fiber properties of meat analogues during high-moisture extrusion process

本研究探讨冷却辊长度（25-100 cm）对高水分挤压肉类比流体质构及纤维结构的影响。结果表明，100 cm冷却辊使垂直硬度（655.20 g）、咀嚼性（231.98 g·mm）及各向异性指数（0.48）达最高，平均纤维方向最低（23.27°），同时色度参数L*、a*、b*显著降低，热变性温度提高8.09°C，分子间二硫键比例增加（p<0.05）。但超过75 cm时压力剧增，存在安全隐患，故75 cm为最佳选择，并建立预测模型以优化工艺。

　　

杜龙|赵宇|沈敖|刘鹏程|张晓青|兰天|王静|隋晓楠

中国哈尔滨市东北农业大学食品科学学院，150030

摘要

本研究探讨了冷却模具长度（25–100厘米）对高水分挤压肉制品质地和纤维结构的影响。为了评估挤压产物的纤维特性，采用了一种基于纤维角度测量的可视化方法。结果表明，使用100厘米冷却模具生产的挤压产物具有最高的垂直硬度（655.20克）、垂直咀嚼性（231.98克·毫米）、平行硬度（562.78克）、平行咀嚼性（186.56克·毫米）和各向异性指数（0.48），同时平均纤维取向最低（23.27）。相比之下，冷却模具长度的变化对挤压产物的弹性影响较小。此外，颜色分析显示，使用100厘米冷却模具生产的挤压产物具有最低的L*、a*和b*值。热性能分析表明，使用100厘米冷却模具生产的挤压产物的热变性温度比使用25厘米冷却模具生产的挤压产物高8.09摄氏度。拉曼光谱进一步显示，由于冷却模具的延长，分子间二硫键的比例显著增加（p<0.05）。虽然较长的模具改善了结构特性，但超过75厘米时压力的急剧增加带来了显著的安全隐患。因此，75厘米的冷却模具长度被认为是平衡纤维形成和操作安全的最佳选择。本研究开发的预测模型为高水分挤压产物的目标设计和工艺优化提供了重要工具。

引言

近年来，由于资源、环境和人口压力不断增加，肉制品作为动物肉类的可持续替代品受到了广泛关注（Bhuiyan, Yeasmen, & Ngadi, 2024; Rubio, Xiang, & Kaplan, 2020）。预计到2030年，全球肉制品市场将从2025年的212.3亿美元增长到850亿美元（Baig et al., 2025）。高水分挤压（HME）因其高效性和易于操作性，已成为生产肉制品的核心工艺之一。挤压产物中纤维结构的形成受多种因素影响，包括蛋白质类型、水分含量和挤压参数（Guyony, Fayolle, & Jury, 2023; WILD et al., 2014）。蛋白质的选择直接影响挤压产物的质地和纤维特性。其中，蛋白质的选择至关重要。大豆蛋白分离物（SPI）因其均衡的氨基酸组成和独特的功能性而得到广泛应用（Sui, Zhang, & Jiang, 2021）。小麦蛋白（WG）以其明确的粘弹性、延展性和热固性而闻名。SPI和WG的混合物常用于HME工艺中，以生产具有理想质地和纤维结构的肉制品（Ji et al., 2023; Xin et al., 2022）。与此同时，酵母蛋白（YP）作为一种新兴的替代蛋白，相比SPI和WG具有更优的氨基酸组成，并在HME过程中减少了大豆风味，增强了纤维结构的稳定性（C. Ma et al., 2024; J. Ma et al., 2023）。虽然蛋白质配方的优化为肉制品中的纤维形成奠定了基础，但加工过程中纤维结构的实际形成高度依赖于挤压工艺参数的精确控制。

模具内纤维结构的形成是多种因素共同作用的结果，包括相分离、冷却速率和剪切力。关于模具尺寸，Bouvier和Campanella（2014）建议模具长度至少应与螺杆长度相同，而Walther、Van Lengerich、Robie和Weinstein（2018）则建议模具长度应为螺杆高度的60到130倍。尽管先前的研究表明冷却模具长度是影响纤维结构的关键因素，但这些研究均未超出现有理论建议的上限（Murillo, Osen, Hiermaier, & Ganzenmüller, 2019; Osen, 2017）。因此，尚不清楚在更长模具尺寸下现有结论是否仍然成立，以及其对质地和纤维特性的具体影响模式缺乏系统研究。本研究将研究范围扩展到超过螺杆长度的模具长度，旨在阐明其背后的机制，特别是对于较长的模具。

FibrilTool是一款基于ImageJ的插件，可以在用户定义的感兴趣区域（ROI）内量化纤维排列特性，并在几秒钟内生成平均纤维取向和结构各向异性指数（Boudaoud et al., 2014）。FibrilTool已应用于细胞、微管、肌动蛋白、3D打印和纳米材料等领域，用于分析纤维结构（Bansal et al., 2017; A. Chen et al., 2024; Hayashi, Kishida, Tsuchiya, & Ishikawa, 2023; Rong et al., 2022; Wiggan, DeLuca, Stasevich, & Bamburg, 2020）。然而，其在高水分挤压产物纤维结构分析中的应用尚未得到探索。本研究首次将FibrilTool用于表征挤压产物的纤维特性，旨在提供一种新颖、快速且定量的方法，以替代通常主观的视觉评估或更复杂的分析技术。

在本研究中，原材料由SPI、WG和YP以2:2:1的比例优化混合而成，冷却模具的长度逐渐从25厘米延长到100厘米，以研究冷却模具长度变化对肉制品质地和纤维特性的影响。此外，还分析了挤压产物的颜色和热稳定性，并结合挤出机响应参数对其特性进行了关联分析。目的是确定能够在最大化纤维结构的同时最小化因过度压力而产生的潜在安全风险的最佳模具长度。最后，开发了一个预测模型，为冷却模具长度的目标设计提供了理论依据。

部分内容片段

材料

SPI（含92.00%蛋白质和6.31%水分）购自山东山松有限公司。WG（含85.2%蛋白质和7.83%水分）购自河南华丰面粉有限公司。YP（含85.06%蛋白质和2.77%水分）由湖北安琪酵母有限公司提供。所有其他化学试剂均为分析级。

样品制备和挤压工艺

挤压实验使用的是一台共旋转双螺杆挤出机（FUMACH, FMHE22–32，湖南）。

颜色分析

颜色在塑造消费者对食物的初步印象方面起着关键作用，是影响整体接受度的主要因素（Choi, Choi, Hahn, & Choi, 2024; Spence, 2015）。表1显示，增加模具长度显著改变了挤压产物的颜色特性，L*值从69.87降至61.29，a*值从2.83降至2.40，b*值从17.92降至16.11。此外，使用100厘米冷却模具生产的挤压产物具有

结论

本研究表明，冷却模具长度对高水分挤压产物的质地和纤维结构有显著影响。结果表明，使用100厘米冷却模具生产的挤压产物在硬度、咀嚼性和各向异性指数方面具有最高的记录值，同时平均纤维取向最低。此外，随着冷却模具长度的增加，分子间二硫键的比例也有显著增加。

CRediT作者贡献声明

杜龙：撰写——原始草稿，数据整理，概念构思。赵宇：数据整理。沈敖：正式分析。刘鹏程：数据整理。张晓青：数据整理。兰天：实验研究。王静：监督。隋晓楠：撰写——审稿与编辑，监督，实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

我们衷心感谢国家自然科学基金杰出青年科学家基金（编号32325041）和海南省科学技术专项资金（编号ZDYF2025XDNY065）的财政支持。