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　　蛋白质是六大营养素之一。动物蛋白，如肉、蛋、奶及其制品，是传统观念中蛋白质的主要来源。随着人们对健康饮食的重视，全球人口数量和蛋白质消费需求的不断增长，以及一部分人的宗教信仰影响，植物蛋白在蛋白质消费市场和科研领域的地位逐渐提升。豆类、谷类、种子、油籽都是常见的植物蛋白来源。然而，植物蛋白往往存在氨基酸组成不平衡、风味和口感不佳、生物利用度较低以及功能性较差等缺陷，这阻碍了植物蛋白产业的发展。改变植物蛋白分子结构是提升植物蛋白口感、提高植物蛋白生物利用度和改善植物蛋白功能性的有效方式。

　　植物蛋白纤维化是一种改变天然植物蛋白分子结构的技术。 江南大学食品学院的王玉翔，郑召君和刘元法* 围绕植物蛋白纤维，对植物蛋白纤维化的理论依据和实际需求进行简述，重点阐述了植物蛋白纤维的制备技术及其在食品领域的应用，以期为植物蛋白纤维的制造与大规模推广提供参考。

　　纤维结构的蛋白在自然界中广泛存在，但大多数都属于动物蛋白，如肌原蛋白、胶原蛋白、丝蛋白（以及弹性蛋白。它们承担了机械骨架、结构组成、载体和信号传递等功能。而植物蛋白分子以球蛋白为主，这使得蛋白质分子的结构较为紧凑，疏水氨基酸残基被封闭于蛋白质分子内部，降低了蛋白酶的生物可及性，也阻碍了蛋白质更大范围的应用。将植物蛋白质分子通过各种方式转变为纤维结构，能够改善植物蛋白的营养价值和功能特性，是提升植物蛋白附加值、扩大植物蛋白市场的上佳选择。

　　虽然天然植物蛋白多以球蛋白的形式存在，但蛋白质分子的高级结构本质上是由多肽链盘曲折叠以及各亚基空间排布形成的。因此，只要打破组成天然蛋白质分子空间结构的化学键，其中的多肽链就能在一定条件下重新排列，通过适当的理化处理，就能够改变天然植物蛋白的分子结构。蛋白质分子经历展开、降解、共价键和非共价键的聚集等过程，形成直径在纳米到微米不等的高纵横比纤维状结构，即植物蛋白纤维。

　　淀粉样原纤维、螺杆挤压、剪切、湿法纺丝、静电纺丝、溶液吹气纺丝（SBS）等技术已被开发用于生产植物蛋白纤维。植物蛋白自身的特性及植物蛋白纤维的应用方向是选择合适纤维制造技术的依据。植物蛋白纤维的具体形态可通过X射线衍射、硫黄素T荧光、刚果红染色以及常见的圆二色光谱、傅里叶变换红外光谱、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜等方法进行鉴定和表征。

　　植物蛋白淀粉样原纤维是蛋白质分子通过自组装形成的。它最初被认为是人类神经退行性疾病中的病理聚集体。然而，目前越来越多的研究认为形成淀粉样原纤维是所有蛋白质的共同特性。通常，将植物蛋白在高于其变性温度、低pH值和低盐离子强度条件下搅拌加热数小时即可得到淀粉样原纤维。Cao Yiping等在总结了大量文献后，认为植物蛋白纤维的标准制备条件可定为：80～90 ℃、pH 2、不加盐离子条件下300 r/min磁力搅拌5～24 h。目前已经成功用于制备植物蛋白淀粉样原纤维的原料有小麦、玉米、大豆、豌豆、马铃薯、花生、藜麦、苋菜等。在制备过程中，天然状态下呈球状的蛋白质分子由于外界条件发生改变，分子链逐渐伸展，暴露出原本封闭在内的疏水氨基酸基团，这些基团由于其疏水性易相互聚集，进而倾向于形成热力学稳定性较高的淀粉样原纤维结构。通常纤维的直径在纳米级，而长度在微米级。图1展示了蛋白质淀粉样原纤维的形成过程。

　　淀粉样原纤维的分子排列主要与植物蛋白本身的性质和制备时的具体条件有关，如酸碱度、温度、盐离子强度和蛋白质浓度等，但大体上呈双重β-折叠结构，其外表类似一个拉链，蛋白质分子侧链基团互相交叉，形成拉链的“齿”。单个β-折叠结构由主链氢键连接，稳定性较差，而维持双重β-折叠结构的力较多（表1）。因此，淀粉样原纤维非常稳定，能够在内部甚至体外的恶劣条件下存在。

　　螺杆挤压是目前最为成熟同时也是应用最广泛的植物蛋白纤维制备技术，采用螺杆挤压机即可进行操作，可用于生产组织化植物蛋白（TVP）。螺杆挤压技术可分为低水分（LM）挤压（水分质量分数20%～40%）和高水分（HM）挤压（水分质量分数40%～80%）两种，挤压后的LM-TVP呈多孔的海绵状，HM-TVP则呈与动物肉类似的纤维状，因此HM-TVP被广泛用于制造植物蛋白纤维。高水分植物蛋白挤压采用双螺杆挤压机，大豆蛋白、豌豆蛋白、花生蛋白和小麦面筋蛋白都是常见的原料。在挤出过程中，肽键通常不发生改变，但氢键、二硫键和疏水相互作用会在温度变化和剪切力的作用下断裂或生成。如图2所示，根据需要确定好物料配方及挤压参数后，物料在室温下进料并被输送至混合区；物料与水在混合区混合，氢键断裂，蛋白质分子链逐渐展开，暴露出原本封闭在蛋白质分子内部的疏水氨基酸基团；在熔融区的高温条件（＞130 ℃）下，蛋白质分子内二硫键断裂，形成分子间二硫键，若T＞150 ℃，新形成的分子间二硫键也将断裂，高温使料液熔化并发生各种理化反应，料液黏度增加，强剪切力使蛋白质分子链发生降解；冷却模具温度约为70 ℃，在该温度下蛋白质分子发生重排和交联，形成纤维结构。

　　螺杆挤压后植物蛋白纤维的性质与挤压过程中的工艺参数（温度、水分含量、喂料速率和螺杆转速），蛋白质、脂肪和碳水化合物的比例，谷氨酰转氨酶、卡拉胶等添加剂的使用，以及植物蛋白自身性质有关。对HM-TVP而言，为保证TVP的良好质构，同时确保纤维结构的顺利形成，物料的蛋白质量分数在50%～70%较为合适；脂肪在TVP制备过程中起到了增塑剂的作用，使TVP表面更加光滑，质量分数应在2%～10%；小分子碳水化合物参与美拉德反应，进而影响TVP的颜色和味道，淀粉或粗纤维则在TVP纤维结构的形成中起作用，额外添加量不应超过10%。考虑到料液的黏度和蛋白质变性问题，大多数HM-TVP所需的温度在130～150 ℃左右，水分质量分数在60%左右。如图2所示，合格的HM-TVP表面光滑，有一定韧性，并且有明显的纤维结构。

　　采用剪切的方式制造植物蛋白纤维能够实现成型过程中对纤维微观结构的控制。剪切的设备称为剪切单元，基于流变仪的原理进行设计。在剪切和高温的共同作用下，蛋白质可以排列成纤维结构，其形成原理与螺杆挤压中的纤维结构形成原理类似。最初的剪切装置类似锥板流变仪，但这种装置剪切速率不恒定，且容量有限，植物蛋白纤维的质量和产量均有较大缺陷。所以科研人员又开发出“Couette Cell”装置，如图3所示，其外形类似同心圆柱流变仪，内筒角速度恒定，外筒静止，内外筒均采用油浴加热，样品位于两个圆柱体之间的剪切区内，测温点位于1/2 H处。将植物蛋白、水、盐和麸质以一定比例混合后，取约200 g样品用填缝枪填料。工艺参数：90～110 ℃加热5～25 min，转速5～50 r/min，在该条件下可获得良好的纤维结构。

　　与螺杆挤压相比，剪切法生产的植物蛋白对微观 结构的控制更精细，性能更优良。但由于生产能力受限 于剪切区体积（已发表文献中装置的最大剪切区体积为 7 L），并且相关研究人员和设备都集中于荷兰瓦赫宁 根大学，目前仍属于新兴技术，其具体机理处在探索阶 段，尚未大规模推广使用。

　　湿法纺丝植物蛋白纤维是在液体环境中形成的，其设备主要由蛋白质溶液、喷丝头、凝固浴和洗涤槽组成。如图4所示，将蛋白质溶液直接由喷丝头喷出至凝固浴中，凝固浴中装有无法溶解蛋白质溶液的溶剂，使蛋白质溶液凝固为直径数十至数百微米的长丝，通过化学反应或溶剂蒸发可除去长丝上残留的大部分溶剂，形成的植物蛋白纤维经过理化处理、洗涤和干燥，可进一步除去加工中的化学物质，同时增强纤维的机械强度和分子取向。是否对其进行理化处理和洗涤与纤维的应用领域和聚合物溶液组成有关，对食品领域的应用而言，需要保证其产品的安全性，因此必须进行进一步处理。与其他植物蛋白纤维制造技术相比，湿法纺丝纤维具有直径大、分子排列水平高、稳定性好、高强度和高刚性的特点。

　　溶解植物蛋白的溶液是具有高度分子缠结的黏性溶液。在苛刻的条件下（如使用还原剂、变性剂或极端的酸碱和热条件），蛋白质分子的氢键和二硫键被破坏，使其能够形成长丝。蛋白质溶液中的溶剂是根据植物蛋白的性质和用途决定的，目前常见的用于湿法纺丝的植物蛋白种类及相应溶剂列于表2。可以看出，湿法纺丝在生产过程中经常需要加入不可食用溶剂，产生大量的化学废液，且产量较。