一、大豆與大豆蛋白工業
大豆屬於蝶形花科，大豆屬，別名黃豆，學名Glycine max(L.)Merrill。我國自古就栽培大豆，商朝甲骨文中有菽的象形文字。著於公元前6世紀的《詩經》中，便有“蓺之荏菽、荏菽旆旆”的記載。據考證，從新石器時代栽培農業出現開始，大豆就是栽培的主要作物品種，由此推斷我國大豆種植約有5000多年的曆史。國際學者均認同栽培大豆起源於中國，但起源於中國何處則有多種假說，如華北起源說、黃河中下遊說、長江流域說及多起源中心說等[20]。世界其他國家的大豆都是直接或間接從我國傳播去的。公元前3世紀大豆由我國傳入朝鮮，6世紀傳至日本。約在300年前，大豆傳入菲律賓、印度尼西亞。歐美認識大豆則在18世紀以後[21]。20世紀50年代以後，大豆的種植得到大規模發展，目前，世界上已有52個國家和地區種植大豆。
進入21世紀，世界大豆產量一直呈上升的趨勢，年增幅5%左右。當前全球大豆主要產區為美國、巴西、阿根廷和中國。根據美國農業部（USDA）的統計數據，2005/2006年度，全球大豆總產量為2.21億t，其中這4個國家的產量達1.92億t，占全球總量的87%。中國大豆總產量占世界的8%。
(一）大豆中的蛋白質
蛋白質是大豆最重要的成分之一。依品種不同，大豆蛋白質含量也有較大差異。我國大豆蛋白質含量一般在40%～50%，個別品種可達50%以上[22]。大豆中近90%的蛋白質是以貯藏蛋白的形式存在的，其中主要是大豆球蛋白和β-伴球蛋白，它們分別占總蛋白含量的40%和30%左右[23]。β-伴球蛋白是一種糖蛋白，為三聚體，分子質量150～200ku，沉降係數為7S，3個組成亞基分別為α、α′和β。大豆球蛋白為六聚體，分子質量300～380ku，沉降係數為11S，每個大豆球蛋白分子的亞基成對存在，共6對，每對亞基均由一個酸性亞基(約35ku)和一個堿性亞基(約20ku)構成，並通過一個二硫鍵有機連接起來。蛋白質結構決定其功能性質，β-伴球蛋白乳化性強，但熱穩定性差，易形成透明、柔軟和具有彈性的凝膠；大豆球蛋白乳化性較差，但對熱較為穩定，形成的凝膠渾濁、硬而不脆[22,24,25]。
氨基酸組成是評價蛋白質營養價值的重要指標。大豆蛋白中Lys、Leu、Ile、Thr、Val、Try、Phe+Tyr等必需氨基酸含量均超過FAO/WHO建議的理想構成和標準，僅含硫氨基酸（Met+Cys）低於該推薦模式。與穀類食品混配，可以起到氨基酸互補的效果[26]。1991年，FAO/WHO推薦蛋白消化率校正後的氨基酸得分(Protein Digestibility-Corrected Amino Acid Score,PDCAAS)作為評價蛋白質營養品質的一種更為準確的方法和指標[27]，大豆蛋白的PDCAAS值為滿分(1.0)，表明大豆蛋白是完全蛋白質，可滿足2歲以上人體對各種必需氨基酸的需求。臨床研究表明，大豆蛋白可顯著降低低密度脂蛋白（LDL）膽固醇濃度，而對高密度脂蛋白（HDL）膽固醇濃度有一定程度的提高作用。與其他優質蛋白相比，大豆蛋白有利於鈣的代謝。用大豆蛋白代替膳食中的動物蛋白，對腎髒病十分有益[28]。
大豆蛋白還具有許多優良的功能性質，如溶解性、乳化性、吸水和保水性、膠凝性、起泡性、吸油性、組織形成性等多方麵。因此大豆蛋白被以各種形式應用於食品工業。
近年來，食品工業的發展對大豆蛋白的功能性質提出了更高的要求，原始狀態或經過初步提取的大豆蛋白功能性質很難適應來自不同層麵的需求，因此大豆蛋白功能性質的改進（改性）成為近年來研究的熱點。所謂蛋白質的改性就是利用生化因素(如化學試劑、酶製劑等)或物理因素(如熱、射線、高頻電場、機械振蕩等)，使其氨基酸殘基和多肽鏈發生某種變化，引起蛋白質大分子空間結構和理化性質的改變，從而獲得較好功能特性和營養特性的蛋白質。目前，大豆蛋白改性技術主要有物理改性、化學改性、酶法改性和基因工程改性。在廣義上，大豆蛋白的擠壓組織化也可被歸入蛋白質的改性範疇進行研究。
（二）大豆蛋白工業
自20世紀70年代以來，大豆蛋白營養和保健功能價值的確認，以及功能性質的開發和應用，促進了大豆蛋白產品的快速發展，形成了以脫脂蛋白粉、濃縮蛋白、分離蛋白、組織蛋白為主要產品形態的現代大豆蛋白工業。
根據國際食品法典委員會（CAC）製定的大豆蛋白製品通用標準（CODEX STAN 175—1989）[35]，蛋白質含量在50%～65%（幹基）的大豆蛋白產品稱為大豆蛋白粉，蛋白質含量在65%～90%的稱為大豆濃縮蛋白，蛋白質含量大於90%為大豆分離蛋白。組織化大豆蛋白是質構化（“textured”或“structured”）的大豆蛋白產品。
1.大豆蛋白粉
根據應用食品的要求不同，脫脂豆粕被粉碎為不同粒度（粗粒40～80目，細粉大於100目），即為脫脂大豆蛋白粉（簡稱脫脂豆粉）。控製不同的濕熱處理條件，可以生產不同溶解性能的產品。一般未進行酶滅活的脫脂豆粉在水中有較好的分散性能和水結合能力，其氮溶解指數（NSI）大於80%，具有過氧化酶的活力，在焙烤食品中應用時可對麵團的品質產生影響（例如漂白、改良麵團的流變學性質、降低吸油率等）[36]。在經過滅酶處理後，全脂豆粉、脫脂豆粉的NSI一般小於30%，但鈍化了抗營養因子，消化吸收率得到很大提高。
2.大豆濃縮蛋白
大豆濃縮蛋白是從脫脂豆粕中除去低分子可溶性非蛋白成分（主要包括可溶性糖、灰分及其他可溶性的微量成分）而得到的大豆蛋白製品。常見的生產工藝有濕熱浸提法、酸淋洗法和乙醇淋洗法，也有超濾工藝的報道[37]。
不同的工藝生產的大豆濃縮蛋白在功能性上有很大差別[38]。酸洗法生產的大豆濃縮蛋白（SPC）溶解性能好（NSI>50%），因此被廣泛應用於生產實踐。濕熱浸提和乙醇淋洗都使蛋白質溶解性大幅度降低。但熱變性後的蛋白質功能性改良較為困難，而醇變性的蛋白質可以通過蒸汽噴淋和均質等技術使其功能性質大大提高。改性後的產品稱為功能性大豆濃縮蛋白（FSPC）[29]。華欲飛（1997）比較了功能性大豆濃縮蛋白與其他大豆蛋白製品的功能性質[39]。
3.大豆分離蛋白
大豆分離蛋白是商業化生產上最精製的大豆蛋白產品（蛋白質含量>90%），與濃縮蛋白相比，它不僅要除去低分子可溶性非蛋白成分，同時也要除去不溶性的高分子非蛋白成分（如不溶性大豆纖維和其他殘渣物），具有良好的乳化、分散、膠凝以及增稠作用，在食品中的應用範圍很廣。一般分離蛋白的乳化能力可以達到100～350mL油/g蛋白，對水的吸附能力可以達到1∶4。大豆分離蛋白的生產工藝複雜，工藝參數會對產品的功能性質產生顯著影響，國內外對此進行了大量研究[38,40-44]。
二、食品擠壓技術
(一）食品工業用擠壓機
擠壓（extrude）一詞來源於拉丁語“ex-”（離去）和“trudere”（推），即施加推壓力使物料通過模具成型之後離去的過程[45]。擠壓機即是為實現這一過程而應用的設備。按照這一定義，食品擠壓最早可以追溯到700多年前中國餄餎麵的生產。然而，現代食品工業意義上的擠壓技術曆史並不長，可追溯到19世紀中葉，當時的擠壓機主要用於製造香腸和肉製品。20世紀30年代，用於食品擠壓膨化的第一台單螺杆擠壓機麵世。直到20世紀80～90年代，食品擠壓技術才開始廣泛應用於食品工業的各個方麵[46,47]。
擠壓機的種類很多，包括柱塞式擠壓機、輥式擠壓機和螺杆擠壓機等。食品工業中使用最廣泛的是螺杆擠壓機，它主要由套筒和套筒內可以旋轉的螺杆組成。最常見的螺杆擠壓機是單螺杆擠壓機和雙螺杆擠壓機。
單螺杆擠壓機的特點是易操作、造價低，但它存在混合、分散和均化效果差，物料溫差大和難以喂粉狀物料等不足之處。因此通常隻適用於簡單的膨化食品、膨化飼料、榨油（或釀酒）原料預處理等。
雙螺杆擠壓機是在單螺杆擠壓機的基礎上發展起來的，種類多樣，如按齧合程度可分為完全齧合型、部分齧合型和非齧合型；按兩螺杆相對旋轉方向可分為同向旋轉型和異向旋轉型。其中，齧合同向雙螺杆擠壓機在食品工程中得到了廣泛應用[47]。其主要優點為：①機筒內物料流動所形成的高壓和低壓區是平衡的，故螺杆可以高速運轉；②物料可從一根螺杆流入另一根螺杆，沿著較長的“∞”字路徑流動，能夠接受更多的熔化熱；③在齧合區物料承受較大剪切作用，強化了物料的熔融和混合；④螺杆具有自潔性，即一個螺杆完全可被另一個螺杆所清潔，使換料和機器清理更為快捷；⑤多為組合式螺杆，可利用不同結構的螺杆元件，如正向螺紋輸送元件、反向螺紋輸送元件、捏合塊和齒形盤元件進行自由組合，使物料能在所需位置得到程度不同的輸送和混煉，故可靈活應用於多種食品的加工。
不同螺杆元件具有不同的功能。正向螺紋輸送元件用於混合和輸送；反向螺紋輸送元件的輸送方向與擠出方向相反，作為阻力元件，用於形成密封和建立高壓；捏合塊具有很強的剪切和混合作用；齒形盤主要起攪亂料流、均化和混合作用，使濃度很低的添加劑混合得更均勻[47,48]。
一台性能齊全的擠壓機除螺杆和套筒外，還應具有喂料裝置、模頭、切割裝置、動力係統、加熱和冷卻係統、參數檢測和控製係統等。完整的擠壓食品生產線除擠壓機外，還應包括原料預處理（如清理、粉碎、混合、預調質等）、產品輸送、幹燥、風味物質添加以及包裝等附屬設備。
雙螺杆擠壓機在物料允許水分、加工能力、動力消耗、物料內的熱分布、物料流動形式方麵均優於單螺杆擠壓機，但剪切力和螺杆耐久性方麵比單螺杆稍差。
（二）擠壓技術在食品工業中的應用
第一台應用於食品工業的單螺杆擠壓機發明於20世紀30年代，用於膨化玉米和通心麵（macaroni）的生產。20世紀40年代末，擠壓技術在食品工業上的應用得以較快拓展，種類多樣的方便食品、休閑食品、兒童營養食品等擠壓食品相繼問世。1964年美國人Anelly發明了用擠壓機生產組織化植物蛋白，並申請了此方麵的第一個專利。到了20世紀70年代，雙螺杆擠壓機以其巨大的優勢，開始廣泛應用於食品加工領域。同時，許多發達國家紛紛展開擠壓機理的探討，研究了各種澱粉及蛋白類食物在擠壓過程中發生的變化，以及擠壓食品的營養與吸收等問題。近20年來，隨著對擠壓過程的深入了解和對擠壓過程的有效控製，擠壓技術在食品工業中得到更為廣泛的應用。
擠壓技術在食品工業中的應用，可根據產品類型和加工特點簡要概括為以下五個方麵：
①以小麥麵粉、玉米、小米、大米等穀物原料為主生產膨化型休閑食品、穀物早餐等係列擠壓食品[49-52]；
②以大豆蛋白、花生蛋白、麵筋蛋白、乳清蛋白、魚肉蛋白等動植物蛋白原料為主生產組織化植物蛋白、仿肉製品、工程肉等產品[7,53,54]；
③糖果係列產品（巧克力、口香糖、太妃糖、凝膠糖等）的擠壓成型[46,55-57]；
④作為生化反應器生產焦糖色素、改性澱粉（氧化澱粉、交聯澱粉、澱粉多元醇、羧甲基澱粉、酯化澱粉和醚化澱粉等）、酪蛋白鹽、改性膳食纖維等[58-61]；
⑤作為新操作單元用於原料預處理，以改進或開發新工藝，如對浸出前的油料進行膨化預處理，有利於油料的浸出[62]；在發酵行業通過原料擠壓預處理，可以減少酶及酵母用量，縮短發酵周期[55,63]。
三、大豆蛋白擠壓組織化研究進展
（一）組織化大豆蛋白的生產方式和產品特點
植物蛋白與動物蛋白在形態上的最大差別是缺乏質構化特征，人類一直在尋找各種方法使其獲得這種特征（例如豆腐、腐竹的發明）。自從螺杆擠壓機應用於食品加工，擠壓技術就逐漸成為植物蛋白質構重組的核心技術。組織化大豆蛋白（TSP）是這種技術開發最為成功的範例。在美國和日本等國家，組織化大豆蛋白已成為現代大豆蛋白工業的重要組成部分，其產量超過分離蛋白和濃縮蛋白的總和[64]，廣泛應用於各種素食、穀物混配、肉餅餡料、休閑食品、仿肉製品等[65]。