ASD地物光譜儀在大豆?jié)饪s蛋白加工監(jiān)測中的應(yīng)用

高水分擠壓技術(shù)(HMEP)被認為是模仿動物肉纖維結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)植物基肉制品最具潛力加工技術(shù)之一。研究表明，熱處理是確保在HME過程中發(fā)生必要物理化學(xué)變化的關(guān)鍵因素，影響產(chǎn)品的流變特性和流動模式。近紅外光譜（NIR）技術(shù)被提出用于快速評估HME加工的熱加工強度，通過創(chuàng)建校準模型量化不同加工參數(shù)（如溫度、時間、螺桿速度等）對擠出產(chǎn)品的影響，為優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量提供新的方法和見解。

在HME過程中，熱處理對于植物基材料的蛋白質(zhì)變性和聚集至關(guān)重要，而NIR光譜則能有效測量加工強度，利用偏最小二乘回歸分析建立了校準模型。這種方法不僅能夠評估加工參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的綜合影響，還揭示了加工強度與產(chǎn)品紋理化之間的關(guān)系，為制定在線加工優(yōu)化策略提供了理論支持。

Graphical abstract

ALPHA® 8 IP 大豆?jié)饪s蛋白（SPC，干物質(zhì)含量 93.9 wt%，蛋白質(zhì)含量 62.0 wt%）購自 Solae, LCC（美國密蘇里州）。將 39 wt% 的 SPC 與去離子水混合，室溫水合 30 分鐘后置于內(nèi)部開發(fā)的高溫剪切池（HTSC）中，由 Haake PolyLab QC 系統(tǒng)驅(qū)動進行熱機械處理。加工前用油浴預(yù)熱至目標溫度，加工后冷卻至 50°C，并儲存于 –20°C。

兩組 HTSC 產(chǎn)品分別在90至160°C，轉(zhuǎn)速30 rpm，加工15分鐘，以及恒溫140°C、轉(zhuǎn)速30rpm、加工時間2.5至15分鐘（步長2.5 分鐘）條件下生產(chǎn)，用于建立偏最小二乘回歸模型并評估加工時間影響。

NIR 光譜測量由ASD LabSpec 地物光譜儀（Malvern Panalytical，英國）進行。測量使用面積掃描探頭，探頭放在三腳架上，盡可能靠近樣品上方，但不要接觸 HTSC 產(chǎn)品或擠出物。測量前，HTSC 產(chǎn)品或擠出物完全解凍，測量在室溫下進行。HTSC 產(chǎn)品的 NIR 光譜是在 HTSC 產(chǎn)品半徑的中間測量的。擠出物的 NIR 光譜是在一個擠壓樣品的三個不同位置采集的。探頭有一個內(nèi)置的 6.5 W 鹵素光源用于照明，光纖用于捕捉反射光。

采用高溫剪切池 (HTSC) 處理來研究熱機械結(jié)構(gòu)化過程中處理溫度對所得產(chǎn)品近紅外 (NIR) 光譜的影響。圖 1 顯示了在 90-160 °C 溫度下處理的 HTSC 產(chǎn)品在 400–2200 nm 和 800–1400 nm 波長范圍內(nèi)的平均吸光度光譜。

圖 1. 在 90-160°C 的溫度下處理的 HTSC 產(chǎn)品在整個（400-2200 nm）（A）光譜范圍內(nèi)和縮�。�800-1400 nm）（B）光譜范圍內(nèi)的吸收光譜，如在恒定轉(zhuǎn)速（30 rpm）和處理時間（15 分鐘）下從淺藍色到深藍色的顏色所示。

在可見光范圍（400-750 nm），吸光度隨加工溫度升高而增加，尤其在 150°C 和 160°C 時，顏色加深可能與美拉德反應(yīng)或糖焦糖化有關(guān)（圖 2A，圖 2B）。在近紅外光譜（NIR）中，主要吸收峰位于 980、1200、1450 和 1930 nm，分別對應(yīng)水、碳水化合物和蛋白質(zhì)中的功能基團（圖 2A）。

高溫剪切池（HTSC）加工時，溫度升高至 130°C，1450 和 1930 nm 的吸光度增加，表明蛋白質(zhì)聚集；但進一步升溫至 160°C，吸光度下降，可能由于肽鍵斷裂或蛋白質(zhì)氧化（Ju 等，2023；Bordignon 等，2023）。為減少顏色和水分對模型的影響，分析波長縮減至 800-1400 nm，增強了加工溫度對吸光度趨勢的清晰度（圖 2B）。

總之，HTSC 加工溫度影響蛋白質(zhì)和碳水化合物特性，NIR 技術(shù)可有效捕捉其變化。

圖 2. 基于標準正態(tài)變量 (SNV) + 全光譜范圍 (400–2200 nm) (A) 和縮小光譜范圍 (800–1400 nm) (B) 的一階導(dǎo)數(shù) NIR 吸光度的 HTSC 加工溫度 PLS 回歸校準模型。

圖 3. 基于縮小的（800-1400 nm）光譜范圍的 HTSC 加工溫度的回歸系數(shù) PLS 回歸模型。最高峰用波長數(shù)標注。

圖 4. 在不同加工時間下生產(chǎn)的 HTSC 產(chǎn)品的 NIR 吸收光譜 (A) 和這些產(chǎn)品的預(yù)測加工溫度 (B)。虛線表示設(shè)定的加工溫度。藍點表示加工時間，是加工溫度 PLS 回歸模型校準集的一部分 (15 分鐘)。

圖 5. 用螺桿輪廓 A（實心符號）和 B（空心符號）在 100–160 °C（用符號顏色表示）和 200–1200 rpm（用符號形狀表示）下生產(chǎn)的擠出物的紋理化程度，在切割試驗中測量，并與熔體溫度（A）或等效剪切單元溫度（B）作圖。紅線是所有數(shù)據(jù)點的線性擬合趨勢線。紋理化程度為 1 時的水平黑色虛線表示具有各向同性性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。垂直藍色虛線表示高于該溫度時所有擠出物的紋理化程度均高于 1。

本研究成功結(jié)合近紅外光譜與偏最小二乘回歸，創(chuàng)建了受控加工條件下高溫剪切池 (HTSC) 產(chǎn)品加工溫度的定量校正模型。隨后利用該模型計算等效剪切室溫度（Equivalent Shear Cell Temperature），以評估高水分擠壓 (HME) 過程中的熱加工強度。等效剪切室溫度綜合反映了剪切應(yīng)力、局部溫度效應(yīng)和停留時間對熱加工強度的影響。研究表明，擠出物的紋理化程度與等效剪切室溫度相關(guān)。通過系統(tǒng)化的方法，本研究深入探討了加工參數(shù)（如機筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速）在 HME 期間對熱加工強度的影響。這些發(fā)現(xiàn)為進一步優(yōu)化加工條件提供了科學(xué)依據(jù)，從而有助于制備理想的模擬肉類產(chǎn)品。