高固含量大豆蛋白分离物/麦醇溶蛋白/麦谷蛋白混合物的非线性流变特性研究（采用大振幅振荡剪切方法）：麦醇溶蛋白/麦谷蛋白比例、蛋白质含量及温度的影响

《Food Hydrocolloids》：Nonlinear rheology of high-solids soy protein isolate/gliadin/glutenin blends by large amplitude oscillatory shear: roles of gliadin/glutenin ratio, protein content and temperature

非线性流变学|闭室流变仪|SPI-Gli-Glu混合物|协同效应|挤压加工优化|质地特性|温度影响|蛋白质网络形成

　　
近年来，植物蛋白基食品的研究在环境可持续性、人类健康及动物福利等多重驱动下快速发展（Etzbach等，2024；Farid等，2024；Ihsan等，2024）。这类研究不仅关注单一蛋白的功能特性，更注重通过复合蛋白体系实现性能协同优化。以大豆分离蛋白（SPI）与小麦蛋白（WG）的复合体系为例，其研究价值在于能够通过调控蛋白组分比例和加工参数，突破传统植物蛋白制品口感单一、结构松散的瓶颈。在加工技术层面，高水分挤压技术因其快速诱导蛋白凝胶化、促进分子网络重构的特性，成为制备类肉制品的关键工艺（Sui等，2024）。但现有研究多聚焦于低固形物体系的线性流变行为，而针对高固形物（>40wt%）蛋白体系在高温（100-170℃）、高应变幅（>1）等非稳态加工条件下的非线性流变特性研究仍存在显著空白。

实验团队采用封闭腔流变仪（CCR）这一创新设备，突破了传统流变仪测量极限。该设备通过模拟工业挤压机内的封闭腔体环境，能够精确控制温度（30-140℃）、固形物含量（30-50wt%）和剪切速率（>100s?1），从而真实还原挤压加工中的流变-结构耦合机制。研究构建了三维参数空间（温度、蛋白比例、固形物含量），系统揭示了SPI-WG复合体系的非线性流变规律。

在蛋白组分比例方面，SPI-Gli-Glu三元体系表现出显著的协同效应。当Gli/Glu比例从1:1调整至1:3时，体系 crossover strain（ crossover应变）呈现指数级增长，从0.2提升至0.8，同时应力松弛模量（G'0）提高幅度达300%。这印证了小麦蛋白双功能组分的互补性：Gli的塑性基团提供延展性，而Glu的长链聚合物构建弹性骨架。值得注意的是，当SPI固形物含量达到50wt%时，体系在120℃处理下出现流变学相变，表现为储能模量（G'）与损耗模量（G''）的交叉频率显著降低，这可能与高温诱导的蛋白二硫键交联有关。

温度梯度实验揭示了不同蛋白组分的热稳定性差异。SPI-Glu体系在120℃时表现出异常的弹性 modulus（G'）提升，达到静态储存温度（30℃）的4.2倍，这源于Glu分子在高温下形成三维网络结构。而SPI-Gli体系在相同条件下的储能模量仅提升1.8倍，说明Gli的短链结构在高温下更易发生解缠。特别值得关注的是冷却循环（140℃→30℃）带来的结构强化效应：所有体系的动态力学分析（DMA）图谱显示，冷却后储能模量平均提升15%-20%，这可能与热处理诱导的分子重排和结晶行为有关。

能量耗散特性（φ值）的时空演变规律为工艺优化提供了关键指标。SPI-Gli-Glu（50/25/25）体系在冷却后的φ值达到0.78，显著低于单一蛋白体系（SPI-Gli体系φ=0.62，SPI-Glu体系φ=0.71）。这种协同效应在应变依赖性图谱中尤为明显：当应变超过0.5时，SPI-Gli-Glu体系的损耗因子（tanδ）持续高于单一蛋白体系，表明其具有更优的应变诱导塑性。这种特性与挤压过程中物料从弹性到塑性的动态转变需求高度契合。

研究还建立了温度-固形物-蛋白比例的三维响应面模型。当固形物含量超过40wt%时，体系呈现"温度敏感性阈值"现象：在100-120℃区间，储能模量随温度升高呈指数增长；而超过120℃后，G'增速放缓并伴随损耗因子（tanδ）的显著上升。这可能与高温下蛋白质的过度降解及二次凝胶化形成机制相关。通过对比不同冷却速率（5℃/min vs 15℃/min）对体系性能的影响，发现快速冷却（15℃/min）能保留更多热诱导的分子网络，使最终产品的弹性模量提升22%。

实验数据还揭示了挤压时间对材料性能的调控作用。当SPI-Gli-Glu（50/25/25）体系在140℃下处理120秒后，其流变谱显示明显的"橡胶 plateau"阶段（应变0.2-0.8），这一特征与商业挤压肉制品的微观结构高度吻合。通过对比不同处理时间下的ζ电位和扫描电镜（SEM）结果，发现120秒处理能形成平均孔径2.3μm的三维纤维网络，较60秒处理组的孔隙率提升18%，同时水溶蛋白含量降低至5.7%，显著改善产品的质构稳定性。

该研究在方法论层面实现了重要突破。传统SAOS（小振幅振荡剪切）测试无法捕捉挤压过程中高达800%的应变幅值效应，而本研究的CCR设备在120℃下的最大可测应变达3.0，接近工业挤压机出口物料的真实变形程度。通过同步采集应力松弛曲线、频率扫描和应变依赖性数据，构建了包含6个关键参数（ crossover strain, maximum stress, relaxation modulus, etc.）的流变特征矩阵，为植物蛋白体系的工艺优化提供了量化决策模型。

在应用层面，研究提出了"双阶段温度调控"工艺。第一阶段（30-120℃）通过梯度升温促进SPI-Glu的交联网络形成，此时体系表现出G'值每升高10℃增长23%的规律；第二阶段（120-140℃）采用等温处理优化纤维排列，此时固形物含量与体系弹性模量的相关性系数达到0.89。这种分段控温策略使最终产品的拉伸强度提升至28.5MPa（断裂伸长率380%），接近传统肉制品的力学性能。

该成果对植物蛋白基食品工业具有三重指导价值：其一，建立了SPI-WG复合体系的流变-质构转化数据库，为配方设计提供量化依据；其二，揭示了高温处理对蛋白网络重构的阈值效应，优化了挤压加工参数；其三，开发了基于能量耗散比（φ）的实时监测方法，可实现生产线的在线质量控制。特别是针对当前植物蛋白制品普遍存在的"过度脆化"问题，研究证实当固形物含量控制在42-48wt%、Gli/Glu比例1:1.5时，体系在0.5-2.0应变区间表现出最优的弹塑性平衡，这一发现已成功应用于某企业的生产线改造，使产品得率提升17%，碎裂率降低至8%以下。

值得关注的是，该研究在理论层面拓展了高分子流变学的应用边界。通过将橡胶工业中的封闭腔流变测试原理迁移至食品体系，成功揭示了SPI-Gli-Glu复合物在高温高压下的非牛顿行为特征。特别在应变依赖性分析中，发现当应变超过0.6时，体系呈现"应变硬化"与"应变软化"的竞争效应，这为解释挤压物料的加工致密化现象提供了新的理论视角。

实验设计的严谨性体现在多维度验证体系。除常规流变测试外，研究团队同步采用近红外光谱（NIRS）在线监测蛋白质变性程度，通过XRD分析纤维网络的晶体结构演变，并借助原子力显微镜（AFM）观测微观纤维直径（平均2.1±0.3μm）。这些交叉验证手段确保了流变学参数与实际质构特性的高度相关性（R2>0.92）。

在产业化应用方面，研究团队已与某食品企业合作开发出新型挤压肉 analogs。通过优化SPI-Gli-Glu比例（50/25/25）和温度曲线（30℃→100℃→140℃→30℃），成功制备出具有类似真肉质构的产品。经感官评价，其"咀嚼感"和"弹性"评分分别达到82分和89分（满分100），较传统配方提升35%和42%。特别在工业化连续生产测试中，该配方展现出优异的稳定性，设备堵塞率降低60%，生产效率提升25%。

未来研究可进一步探索不同预糊化度SPI与 WG的协同效应，以及添加功能性成分（如海藻酸钠）对体系流变行为的改性作用。在设备开发方面，建议改进CCR的加热均匀性（当前轴向温差≤±2℃）和在线监测能力，以实现更精准的工艺控制。这些研究方向将为植物蛋白基食品的产业化提供更全面的科学支撑。