《Journal of Food Engineering》：Low-intensity ultrasound as a tool for assessing the mechanical properties of pea protein-based high-moisture meat analogues produced by nitrogen gas-assisted extrusion
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氮气辅助挤压技术通过注入不同压力氮气（0、225、450 kPa）改善豌豆蛋白基高水分植物蛋白肉模拟物（HMMAs）的微观结构和质地，发现450 kPa条件下形成气泡，导致硬度显著降低（超声回波速度降至129.90 m/s，衰减系数增至1.50 mm?1），并通过X射线显微断层扫描和超声波检测验证气泡结构对质地的调控作用。
I. Rangira|S. Luo|R.M. Guillermic|J. Paliwal|J.H. Page|F. Koksel
加拿大曼尼托巴大学食品与人类营养科学系，温尼伯，MB R3T 2N2
摘要
氮气辅助挤压烹饪是一种新型加工技术，有可能改善挤压食品的物理性质。然而，这种技术在用于生产高水分肉制品（HMMAs）方面的应用仍然不够充分。在这项研究中，研究人员将豌豆蛋白浓缩物和分离物混合后，通过在不同压力（0、225、450 kPa）下直接向挤压机桶内注入氮气进行挤压，以探索该技术在制造HMMAs方面的潜力。X射线微断层扫描分析显示，在450 kPa压力下生产的HMMAs中含有大量气泡，而在225 kPa或对照组（0 kPa）的压力下则未观察到气泡。通过空气耦合的低强度超声波测量证实了450 kPa下生产的HMMAs中确实存在气泡，结果显示超声波速度显著降低（从1674.24 ± 5.58 m/s降至129.90 ± 2.13 m/s），衰减系数从0.01 ± 0.00 mm-1增加到1.50 ± 0.01 mm-1。根据超声波数据得出的纵向模量表明，0 kPa和225 kPa下生产的HMMAs比450 kPa下生产的更坚硬，这与后者较软的质地相符（切割力分析也证实了这一点）。氮气辅助的高水分挤压为提升适合广泛消费者的HMMAs的微观结构特性提供了新的可能性。本研究证明，低强度超声波能够灵敏地检测到HMMAs中的气泡，为食品生产中的质量控制提供了一种快速、无损的方法。
引言
近年来，消费者对植物蛋白的兴趣显著增加，这主要是由于人口增长、向更健康饮食的转变以及对新型食品产品的兴趣日益浓厚（Q. Zhang等人，2019年）。这种兴趣不仅有益于个人健康，还具有重要的环境效益。此外，与动物性食品相比，植物性食品的消费量相对较高，预计可以减少温室气体排放、水资源消耗和土地使用，从而有助于实现更可持续的食品系统（Henchion等人，2017年）。富含植物蛋白的饮食与降低心脏病、2型糖尿病和多种癌症的风险有关（Richi等人，2015年；Zahari等人，2020年）。鉴于这些好处，迫切需要先进的技术将植物蛋白转化为更美味、更具吸引力的食品。虽然已经采用了多种方法（如挤压、剪切细胞技术和3D食品打印）将植物蛋白转化为纤维状、类似肉的结构，但在商业规模上，挤压烹饪仍然是首选的加工技术。其连续操作使其特别高效，非常适合大规模生产高水分肉制品（HMMAs）（Dekkers等人，2018年；Guillermic等人，2023年；McClements等人，2021年）。
在HMMAs的挤压过程中，由于机械应力和热能的共同作用，植物蛋白通常会发生变性。同时，蛋白质分子之间会形成新的化学键，从而在挤压机的冷却模具内形成纤维状、类似肉的质地（Cheftel等人，1992年；Dou等人，2022年）。尽管挤压是加工植物蛋白的首选技术，并且已经进行了大量研究（Guyony等人，2022年；Z. Zhang等人，2022年），但挤压机内纤维结构形成的机制仍被称为“黑箱”（Barnés-Calle等人，2024年；Schmid等人，2022年）。这可能是因为挤压过程非常复杂，涉及多个相互作用的因素，如接近模具时的压力积累、剪切力以及模具和桶内的温度变化。这些因素导致挤压机内部的材料变化复杂，难以即时检测。对于加工条件如何影响挤压产物特性的了解不足，限制了能够持续产生所需质地质量的操作参数范围。
一种具有巨大潜力的创新方法是通过使用发泡剂（例如氮气、压缩空气等）来解决挤压过程中操作范围狭窄的问题，并提高肉制品的质量，使其质地更接近动物肉（Luo & Koksel，2023年）。最近关于氮气辅助高水分挤压的研究包括在不同螺杆速度下生产奶酪凝块（Lorenzen等人，2025年），而对于肉制品的研究则仅限于使用大豆蛋白，并研究了冷却模具温度的影响（Ghanghas等人，2024年）或与菜籽油的混合（Zink等人，2023年）。鉴于大豆存在一些健康问题（如过敏和潜在的激素效应），以及环境问题（包括与森林砍伐的关联（Barnés-Calle等人，2024年；Saldanha do Carmo等人，2021年；Sukalingam等人，2015年），探索替代的植物蛋白（如豌豆蛋白）是合理的。豌豆通常在较凉爽、依赖雨水的地区种植，经常与谷物轮作，有利于土壤健康，所需的农业投入较少，对土地的压力也较小。作为一种能够固氮的豆类，豌豆还有助于提高土壤肥力并减少对合成肥料的依赖。因此，豌豆蛋白是替代大豆和小麦面筋制作肉制品的有希望的选择——不仅因其良好的营养价值和低致敏潜力（Anna Nowak-Wegrzyn等人，2003年；Barnés-Calle等人，2024年），还因为它符合环境可持续性的目标，并有助于多样化植物蛋白来源。
尽管发泡剂在HMMAs中形成纤维结构的精确机制尚未完全阐明，但其行为可以利用多相高水分蛋白系统的原理来解释。气体注入会在蛋白质熔体中引入气泡，这些气泡作为弱分散的夹杂物存在。在冷却模具中的强剪切和拉伸流动条件下，这些气泡会发生变形、对齐或局部削弱基质，促进机械各向异性的形成，从而支持纤维的形成。先前的研究表明，在浓缩大豆蛋白-果胶系统（Dekkers等人，2018年）和基于酪蛋白钙的HMMAs（Wang等人，2019年）中，气泡会沿流动方向延伸，有助于各向异性结构的发展。这些研究支持了一个更广泛的原则，即气泡在剪切作用下的变形有助于在氮气辅助挤压过程中生成类似肉的纤维质地。
除了不太理想的质地特性外，价格也被认为是阻碍消费者接受植物基肉制品的一个重要因素（Bryant，2019年；Michel等人，2021年）。一种能够快速评估食品质量的技术将大大有助于降低生产成本，因为它可以实现快速加工或成分调整，并减少浪费和生产线停机时间。一种有前景的、快速、无损且非接触式的方法是空气耦合的低强度超声波（Kerhervé等人，2019年；Giacomozzi等人，2024年）。低强度超声波通过空气、水和食品传播时会产生微小变形，从而可以测量材料特性，例如面包面团中的气泡（Koksel等人，2014年）和面条的机械性能（Kerhervé等人，2019年）。最近的一项研究展示了使用空气耦合的低强度超声波来测量挤压过程中HMMAs的机械性能（Guillermic等人，2023年）。该研究仅限于使用大豆蛋白和小麦面筋制成的HMMAs，这些HMMAs表现出较低的超声波衰减，即超声波能量在HMMAs中传播一定距离后的相对变化较小（Koksel等人，2016年）。
基于这一基础，我们的研究将低强度超声波的应用扩展到了使用氮气辅助挤压生产的豌豆蛋白基HMMAs。我们证明了超声波对不同注入条件下的气泡存在非常敏感，气泡会产生明显的单峰传输特征，无需高级信号处理即可立即检测到。这确立了低强度超声波作为实时质量评估的实际、无损工具在HMMAs生产中的应用——这是以前未在氮气辅助挤压中展示过的。
本研究的目标是：（1）研究不同压力下的氮气注入对豌豆蛋白基HMMAs的质地（纵向和横向切割力、质地化程度和质地剖面分析）和微观结构（密度、气泡大小分布）的影响；（2）评估空气耦合的低强度超声波测量在表征相同HMMAs的机械性能（纵向模量）方面的潜力。
部分摘录
原材料特性
豌豆蛋白分离物（PPI）购自Azelis Canada Inc.（加拿大魁北克省布歇维尔），而豌豆蛋白浓缩物（PPC）由AGT Food and Ingredients（美国北达科他州米诺特）提供。PPI（占总重量的35.96%）和PPC（占总重量的64.04%）混合后，得到最终蛋白质含量为65.0%、脂肪含量为2.6%、灰分含量为4.7%、总碳水化合物含量为27.68%（干基）。这种混合物使用市售的豌豆蛋白，以确保研究的相关性
近似组成
PPC和PPI的近似组成见表1。如方法部分所述，PPI和PPC在挤压前进行了混合。高蛋白质含量有助于通过较低的能量输入实现HMMAs的生产（Guyony等人，2022年）；建议蛋白质含量超过60%（Z. Zhang等人，2022年）。然而，使用高蛋白质含量的成分会带来相当大的经济和环境影响，因为从作物中分离蛋白质成本较高
结论
研究了使用氮气注入（压力为225和450 kPa）进行高水分挤压烹饪所生产的HMMAs的物理性质，并将其与未注入氮气的对照HMMAs进行了比较。微观结构分析显示，450 kPa下生产的HMMAs中含有气泡，这与HMMAs的密度显著较低（p < 0.05，1122.82 ± 3.26 kg/m3对比对照组的1153.64 ± 2.55 kg/m3）一致，这一结果是通过独立测量得出的。质地测量也证实了这一点
CRediT作者贡献声明
Filiz Koksel：写作——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念化。J.H. Page：写作——审稿与编辑、方法论、概念化。J. Paliwal：写作——审稿与编辑、资源获取、资金获取。R. M. Guillermic：写作——审稿与编辑、方法论、概念化。S. Luo：写作——审稿与编辑、研究。I RANGIRA：写作——初稿撰写、方法论、研究、数据分析、概念化
未引用的参考文献
Dominik等人，2024年；Schreuders等人，2021年；Sengpiel Alexander，无日期。
利益冲突声明
作者们没有与本文内容相关的利益冲突需要声明。
5. 致谢
本研究的资金支持来自加拿大自然科学与工程委员会（NSERC）、CAPTURE和Discovery资助计划。作者感谢R. Singh、N. Ghanghas、A. Singh和Dr. A. Kadam在挤压试验中的协助，以及Dr. C. Findlay在X射线微断层扫描成像方面的帮助。
