一、植物蛋白擠壓組織化技術發展概況
1936年，世界上第一台應用於穀物加工的單螺杆蒸煮擠壓機問世。20世紀40年代末，擠壓蒸煮技術在食品工業上的應用領域得到較快的發展，種類繁多的方便食品、休閑食品、兒童營養食品、寵物食品等擠壓食品相繼問世。20世紀50年代到60年代，食品擠壓技術得到迅速發展，其應用領域由單純生產穀物食品發展到生產家畜飼料、水產飼料、植物組織蛋白等領域[36]。
在組織化植物蛋白（Textured Vegetable Protein, TVP）方麵，研究最早、應用最廣泛的是大豆組織化蛋白（Textured Soy Protein, TSP）。20世紀40年代初，美國人博伊爾製出了第一批食用大豆蛋白纖維；1952年獲得製備人造纖維結構肉類製品方麵的第一批專利；1960年此技術在美國進入實用階段。到20世紀60年代末期，美國通用製粉公司歐代爾領導的研究小組，研製出纖維狀蛋白及其仿肉製品，獲得美國化學工業學會大獎。1968年，日本也出現了組織化大豆蛋白纖維仿肉製品；1975年開始生產，進入市場。當時這種產品主要用紡絲黏結法製得，從形態、觸感到咀嚼性均是最佳的，與優質的肉產品或魚貝類相比毫不遜色，但該方法生產工藝複雜，成本很高。
20世紀60年代末，出現了擠壓組織化新原理，即在高壓、高溫下，擠壓水溶性的濃縮蛋白質原料，可以得到內部如海綿狀結構的產品，它具有與傳統肉類製品極其相似的口感和質地，這就是擠壓法生產TSP的開始，並於1966年公布了擠壓法的第一個專利。采用擠壓法可以加工油料作物蛋白的脫脂粉、濃縮物和離析物，其中一般含有50%以上的蛋白質，10%～60%的水。在115～175℃的機筒溫度下，擠壓原料不會受到明顯的破壞，在適宜的擠壓工藝下可獲得具有清晰纖維狀結構的組織化產品[37,38]。
自20世紀80年代至今，隨著擠壓機結構、擠壓過程自動監控技術和產品特性分析技術等方麵的迅速發展和完善，使得植物蛋白高水分（40%～80%）擠壓組織化成為可能，並很快成為擠壓組織化技術研究的主要內容[39]。此外，擠壓機以其獨特的作用方式，也可作為一種簡便、高效的生物反應器，用於澱粉糖化中的原料預處理、巧克力產品的“冷擠壓”加工、油脂乳化、奶酪加工的前處理、蛋白質水解以及凝膠形成等多種領域[40-44]。
二、擠壓對物料組分及其營養價值的影響
利用擠壓法生產TVP，原料一般來源於脫脂油料作物種子的餅粕或其濃縮蛋白粉。擠壓原料中的主要成分是蛋白質和碳水化合物（澱粉、纖維素和低聚糖等），此外，還含有維生素、礦物質、色素和一些功能成分，是一種多組分的混合原料體係。擠壓組織化是一個高溫短時（HTST）的加工過程，在擠壓過程中，物料中的各種組分受高壓、機械剪切和高溫的作用，其結構和存在形式會發生一些變化，從而對終產品的理化性質和營養價值產生影響。這些變化主要包括化學鍵的斷裂、重新結合、大分子失去原有的結構、小分子發生聚合或降解等，幾乎涉及物料中的所有組分[45-47]。
1.蛋白質和氨基酸
蛋白質是擠壓組織化原料的主要成分，一般含量在50%左右。在擠壓機內，物料相繼被加熱、壓縮、揉捏、剪切，再被熔化，呈熔融狀態。在高溫、高壓和高剪切力的作用下，原有的蛋白質分子結構被破壞，蛋白質分子發生變性，伸展為線性結構，在螺杆的輸送推動下，伸展的蛋白質分子會逐漸定向排列，相鄰蛋白質分子間會發生聚合，形成片狀或層狀結構，這是構成TVP產品主要的骨架結構[48,49]。擠壓過程中，蛋白質變性的程度與一些擠壓參數密切相關，如溫度、水分含量、原料pH等。研究結果顯示，機筒溫度高（太高會產生焦化），蛋白質變性程度大，組織化程度好，但蛋白質的水溶性會降低；溫度低，擠出產品溶解性好[38]。此外，擠壓後，蛋白質的含量（總氮）一般會有所下降，其中各種氨基酸會有不同程度的損失，尤其是有效賴氨酸的損失。Ilo S.等研究發現，賴氨酸是玉米擠壓過程中最不穩定的氨基酸，其保留率為51%～89%。較高的賴氨酸損失率一般發生在較極端的加工條件下，如高溫、長停留時間和低水分含量等。玉米中的賴氨酸、胱氨酸和精氨酸的損失受產品溫度和水分含量的影響較大，螺杆轉速對氨基酸損失無影響，剪切力對氨基酸損失有明顯的影響。擠壓過程中的氨基酸損失遵從一級反應模式，反應的速率常數受產品溫度的影響很大[50]。
在擠壓過程中，蛋白質最顯著的變化就是水溶性顯著降低。目前，許多研究認為，蛋白質分子的受熱變性和交聯反應是造成蛋白質分子溶解性降低的主要原因。在擠壓過程中，蛋白質分子間可能發生的共價鍵交聯反應包括二硫鍵和非二硫鍵兩種，其中非共價鍵交聯的可能形式有賴丙氨酸（Lysinoalanine）與含硫氨基酸的分子間交聯、美拉德反應、異肽鍵交聯等[49,51]。第一種反應要求堿性環境，在擠壓組織化形成過程中不可能起主要作用；而在擠壓過程中，蛋白質分子間異肽鍵的形成至今還缺乏直接的試驗數據支持；美拉德反應過程中高分子質量複雜結構物的生成可能與蛋白質分子發生一定的交聯反應[49]。同時，美拉德反應也是造成擠壓產品中蛋白質和氨基酸損失的主要原因[50]。Iwe M.O.等研究發現，在擠壓過程中，擠壓參數（原料組成、溫度、水分和螺杆轉速等）對擠壓產品中的有效賴氨酸（AL）含量和產品褐變影響較大，通過擠壓參數的優化，可以使AL得以最大程度地保留，並將產品褐變控製到理想的程度[52]。
蛋白質的消化吸收率一般經擠壓後會提高，原因在於擠壓過程會使產品中的遊離氨基酸含量增加；擠壓後蛋白質分子變性伸展，酶作用位點的暴露也會改善蛋白質的消化性，此外擠壓產品特殊的疏鬆結構也更易受消化酶的作用[8,34,53,54]。
2.碳水化合物
除蛋白質外，碳水化合物是脫脂油料餅粕中含量最高的一種組分（20%～30%），包括澱粉、粗纖維、果膠等高分子物質和一些小分子糖類。其中澱粉含量的高低及其在擠壓過程中的變化直接關係到擠壓產品的特性，如形狀、密度、硬度、吸水性和風味等[37]。在擠壓過程中，澱粉一般會發生糊化、糊精化和降解三種變化，這些變化的程度與澱粉的來源、結構、糊化溫度和一些擠壓參數（螺杆轉速、溫度、水分含量等）密切相關[54]。由於擠壓過程中澱粉發生降解，產生一些還原糖類，使產品的還原能力明顯提高。這些還原糖類也可能參與擠壓過程中的美拉德反應，在損失部分氨基酸的同時，也會影響到擠壓產品的色澤和風味[8,38]。在蛋白質原料的擠壓組織化過程中，降低原料中的澱粉含量有助於獲得外形平整、組織化結構較致密的擠壓產品[30,31]。Rhee K.C.等分別對可溶性和不溶性碳水化合物在脫脂大豆粉擠壓組織化中的作用進行了研究，認為可溶性碳水化合物在組織化結構的形成或穩定過程中不起主要作用，但不溶性碳水化合物和粗纖維對最終擠壓產品的形態的變化影響很大，隻有少量的不溶性碳水化合物在擠壓組織化中會發生分解[55]。