《Journal of Agricultural and Food Chemistry》：Molecular Insights into Soy Protein–Lupin Flour Meat Analogues through FTIR Spectrochemical Analysis
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这篇论文运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）及其化学成像技术，深入剖析了大豆蛋白分离物（SPI）与羽扇豆粉（LF）共混制备的高水分肉类似物（HMMA）在挤出加工过程中的结构与成分变化。研究通过追踪酰胺带（如酰胺 I 带从~1637 cm-1到~1650 cm-1的位移）、脂肪酯（1744 cm-1）及碳水化合物（~1060 cm-1）相关峰的变化，揭示了蛋白质变性重组、淀粉-脂质-蛋白质复合物形成以及成分在微米尺度的不均匀分布（如蛋白质丰富的连续膜状区域和多边形网格状的淀粉-脂质富集区域）。这为从分子层面理解HMMA的质构形成机制及优化其感官品质提供了关键见解。
1. 引言
高水分肉类似物（HMMA）旨在模仿碎肉及整块肉制品的质构和感官特性。理解肉类似物的结构特性对于优化其感官和营养成分至关重要。在多种表征方法中，傅里叶变换红外（FTIR）光谱已成为分析HMMA成分及大分子相互作用的有力工具。本研究利用远场-FTIR光谱化学成像技术，首次在微米尺度上详细研究了由大豆蛋白分离物（SPI）和羽扇豆粉（LF）混合物制备的HMMA的微观结构与分子组成。SPI是HMMA生产中最常用的成分之一。LF富含膳食纤维、抗氧化剂和生物活性化合物，有助于开发功能性肉类似物，同时减少对高度精制原料的依赖。
2. 材料与方法
2.1 材料
SPI（SUPRO EX45）购自Azelis Canada Inc.。窄叶羽扇豆（Lupinus angustifolius）豆经研磨和离心粉碎，制成粒径小于500 μm的LF。
2.2 原料的FTIR光谱分析
使用配备有衰减全反射附件的红外光谱仪对粉末状原料进行分析。光谱扫描范围为4000至600 cm-1。
2.3 HMMA的制备
制备了四种SPI与LF的混合配方，比例分别为85:15（混合物1）、75:25（混合物2）、65:35（混合物3）和55:45（混合物4）。使用实验室规模的双螺杆挤出机，在恒定的螺杆速度、湿基70%的含水量和干基0.5 kg/h的进料速率下制备HMMA。挤出物收集成约5厘米长、5厘米宽、0.5厘米厚的条状物。
2.4 红外成像样品制备
从每个HMMA条的中心切取子样品，包埋在最佳切削温度（OCT）化合物中，于-80°C冷冻，并在-20°C进行冷冻切片，得到5 μm厚的切片，置于CaF2盐基底上。
2.5 远场红外光谱化学成像
使用配备有64 × 64焦平面阵列（FPA）探测器的红外显微镜，在透射模式下对冷冻切片样品进行成像。光谱分辨率为4 cm-1，每个光谱平均128次扫描。使用ResolutionsPro软件进行数据采集和分析。
3. 结果与讨论
3.1 原料的FTIR光谱分析
SPI和LF的FTIR光谱均显示出蛋白质谱特征，其中酰胺 I 峰（主要为C═O伸缩振动）位于~1637 cm-1。酰胺 II 峰（C–N–H角弯曲和C–N伸缩振动）在SPI中位于~1517 cm-1，在LF中位于1540 cm-1。LF富含脂质（主要是长链脂肪酸酯），体现在1744 cm-1处的FAE C═O峰以及2854和2925 cm-1处两个明显的CH2带。与SPI相比，LF具有更高的碳水化合物含量，表现为1150至950 cm-1之间强烈的C–O伸缩振动，并在1063 cm-1处出现局部最大值。从混合物1到混合物4，随着LF浓度的增加，脂质和碳水化合物含量逐渐增加，这通过FAE标记带（1744 cm-1和2853 cm-1）以及碳水化合物C–O带（中心在1063 cm-1）相对于总蛋白质（酰胺 I 和酰胺 II）的强度增加得以证明。
3.2 HMMA的FTIR光谱化学成像
冷冻切片HMMA在光学显微镜下显示出毫米到微米尺度的异质性。所有HMMA切片在4倍放大下均显示出两个明显不同的区域，标记为区域1和区域2。区域1为连续的膜状结构，而区域2则包含形成多边形（常为六边形）网格状网络的“岛屿”。大多数HMMA区域由区域1的膜状结构组成，而区域2的结构则以局部囊袋的形式分散在整个HMMA中。
区域1的光谱化学分析显示其主要为蛋白质富集区域，酰胺 I 峰位于~1650 cm-1，表明蛋白质发生变性并重组为以螺旋形式为主的聚集态。该区域的脂质/蛋白质和碳水化合物/蛋白质的峰面积比更接近原始SPI。这些连续的、富含蛋白质的区域可能是由于蛋白质在挤出过程的高温和剪切力下发生聚集和交联形成，并在冷却过程中沿流动方向排列。
与区域1的连续性质形成鲜明对比的是，区域2的六边形网格状网络在顶点处具有小的星状连续物质。来自星状区域的光谱在1744、1632和1072 cm-1处显示出强吸收带，表明该区域富含脂肪酸酯、蛋白质和淀粉。这可能是由于挤出加工过程中形成的典型淀粉-脂质和淀粉-脂质-蛋白质复合物。这些复合物涉及淀粉链（如直链淀粉）的疏水空腔包埋脂质分子，并可能与蛋白质发生相互作用，从而影响最终产品的质构和稳定性。
来自区域2中六边形边缘的光谱则表现出非常强的碳水化合物含量，其最强碳水化合物带中心位于~1053 cm-1，证实其为富含淀粉的区域，蛋白质和脂质含量则低得多。这种六边形形态可能是由于淀粉（尤其是支链淀粉）在挤出后冷却过程中的重结晶，在热力学（趋向于更低能量、更有序的状态）和流变学（剪切导致淀粉链沿流动方向排列）因素的共同驱动下形成。
在共聚焦和多边形区域的亮场及伪彩色图像中，可以清晰地观察到蛋白质、脂质和碳水化合物的空间分布。在连续膜区域，蛋白质和脂质密切关联，分布模式高度重叠，而碳水化合物则集中在一个小区域。在多边形区域，蛋白质和脂质再次共定位，集中在多边形的顶点（星状区域），而碳水化合物则富集在多边形的边（栅格）中。成分浓度相对于蛋白质的比率揭示了微米尺度上的进一步异质性，偶尔会出现相对于极低蛋白质而言FAE和碳水化合物共定位非常高的点。
2 (C,H); C═O stretch at 1744 cm–1(D, I); carbohydrates at 1052 cm–1(E, J).">
所有HMMA，无论混合配方如何，都表现出与混合物1 HMMA相同的结构异质性特征。随着LF浓度的增加，连续膜状区域的FAE峰（1744 cm-1）和碳水化合物峰（~1060 cm-1）面积增加，而酰胺 I 峰面积减少。六边形网格状网络的边缘显示出相似的脂质/蛋白质和碳水化合物/蛋白质比率，而星状结构则表现出恒定的FAE/蛋白质比率，但随着LF浓度的增加，碳水化合物/蛋白质比率显著上升。这些变化证明了随着脂质和碳水化合物含量的增加，淀粉-脂质-蛋白质复合作用增强，进一步证实了脂肪酸酯在调节淀粉和蛋白质相互作用中的作用。
本研究通过FTIR光谱和光谱化学成像，为理解SPI-LF基HMMA的结构演变提供了关键见解。原料的FTIR光谱显示出明显的成分差异。光谱化学成像揭示了HMMA混合物的异质性，显示出分离的蛋白质富集区域和淀粉富集区域。蛋白质富集区域以连续的膜状结构存在，其光谱指示了蛋白质变性后的重组。淀粉富集区域则形成六边形网络，这可能是由于支链淀粉的结晶所致。这些结果强调了蛋白质-淀粉相互作用及其对植物基HMMA纤维质构影响的重要性。通过显微尺度的结构组织分析所揭示的异质性，可能在模拟动物肉的纤维性质构方面发挥重要作用，因为不同区域会贡献不同的力学和感官特性。理解分子分布的这种变化有助于优化配方和加工条件，以开发高质量的植物基肉类似物。
