低水分挤压在高蛋白零食生产中的应用日益受到关注，但其对产品质量与安全性的影响尚未得到充分理解。本研究利用双螺杆挤压机，系统考察了豌豆蛋白分离物（PPI）添加量（0–70%）、水分含量（15–17%）及挤压参数（螺杆转速400–500 rpm、机筒温度145–160 °C）对玉米粉-PPI挤压制品的影响。研究人员从产品堆积密度、尺寸、质地、色泽及香气特征等方面评价了产品特性，并定量分析了丙烯酰胺含量以评估安全性。结果表明，进料组成对产物特性的影响显著大于挤压参数。在所考察的加工条件中，添加量不超过50% PPI的配方表现出较优的实用性，在保持较低丙烯酰胺水平的同时，兼具相对良好的物理性质与增强的香气形成；而更高比例的蛋白添加（70%）则导致了明显且较不理想的变化。总体而言，低水分挤压技术对于生产具有低丙烯酰胺风险的高蛋白零食具有良好应用前景。
随着消费者健康意识的提升，市场对植物基高蛋白食品的需求日益增长。豌豆（Pisum sativum L.）作为豆科作物，富含碳水化合物（淀粉40–50%）、蛋白质（20–25%）、膳食纤维（10–20%）及多种维生素和矿物质。豌豆蛋白通过干法或湿法加工获得，其中干法加工得到蛋白浓缩物（<80%），湿法加工得到蛋白分离物（>80%）。豌豆蛋白因其原料易得、成本适中、低致敏性及环境可持续性而备受青睐，广泛应用于乳化剂、包埋剂、生物可降解天然聚合物及功能性配料，可有效提升谷物、烘焙、乳制品及肉制品的蛋白质含量并改善质地结构。全球豌豆蛋白分离物市场规模已从2025年的12.4亿美元增长至2026年的14.4亿美元，年复合增长率达15.7%，预计2030年将达到25.6亿美元。与此同时，全球挤压零食市场2025年估值为624.3亿美元，2026年预计增长至659.0亿美元，2034年有望达到1031亿美元，其中玉米基挤压零食占据46.69%的主要市场份额。市场分析表明，消费者倾向于选择高蛋白、高纤维的挤压产品，这为制造商开发具有创新风味、质地和形态的新型配方创造了重要机遇。
挤压加工是通过热能和机械能作用于含水分物料的过程，熔融物料在螺杆旋转作用下于机筒内高压、高剪切及变温条件下移动，通过模头时水分快速蒸发形成膨化结构。机筒温度曲线、螺杆转速、进料水分和喂料速率等加工参数对挤压产品最终特性具有决定性影响。低水分挤压通常在水分含量低于35%的条件下进行，常见范围为12–24%，加工温度可达180 °C，螺杆转速为50–550 rpm。然而，提高此类产品的蛋白质含量仍面临挑战，因为较高蛋白水平常会干扰适宜结构的形成。蛋白添加不仅影响产品的物理特性，还会改变最终产品的风味特征，且这些效应因蛋白来源和加工条件而异。
豌豆蛋白分离物带来的香气特征通常被描述为豆腥味和青草味，主要源于豌豆本身或脂质氧化产物，这使其在配方中的应用颇具难度。由于挤压过程结合了机械剪切和热处理的协同作用，香气活性化合物的稳定性可能受到加工条件的显著影响，导致不良香气化合物的减少或消除，同时可能促进理想香气化合物的形成。这种转化主要通过有利于美拉德反应（Maillard reaction）的分子间相互作用实现。然而，美拉德反应也可能导致挤压产品中丙烯酰胺的形成。丙烯酰胺已被国际癌症研究机构（IARC）列为2A类"可能对人类致癌"的物质，主要在>120 °C的高温和低水分条件下，通过天冬酰胺与还原糖的反应形成。尽管挤压的加工时间短于烘焙或烘烤等热处理，但其同样可达到相当高的温度，因此阐明挤压过程对香气化合物形成/减少与丙烯酰胺生成之间的并发效应至关重要。
本研究假设挤压加工能够根据参数设置减少不良香气并形成新的理想风味化合物，从而促进高蛋白零食生产，同时蛋白质含量的增加可能影响物理性质和丙烯酰胺形成。基于此，研究人员系统考察了进料组成（豌豆蛋白分离物和水分含量）及挤压参数（螺杆转速和机筒温度）对玉米粉-豌豆蛋白挤压零食化学特性（丙烯酰胺和香气）及物理特性（堆积密度、硬度、断裂性和色泽）的影响。
该研究发表在《Food Chemistry: X》上，主要采用了以下关键技术方法：采用配备八个温控加热区的双螺杆挤压机（Process 16 Hygienic）进行低水分挤压加工；利用红外水分测定仪测定水分含量；通过体积置换法测定挤压制品堆积密度；使用数显卡尺测定产品直径；采用配备三点弯曲夹具的质构分析仪进行质地剖面分析（TPA），测定硬度和断裂性；利用手持式色度计测定L*、a*、b*色度值并计算彩度（C*）和色调角（h°）；运用固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术（SPME-GC-MS）分析挥发性香气化合物，以烷烃标准品计算保留指数，结合选择离子监测进行半定量分析；采用超高效液相色谱-串联质谱联用技术（UPLC-MS/MS）检测丙烯酰胺含量，以丙烯酰胺-d3为内标，经Carrex澄清和Oasis MCX固相萃取柱净化后进行定量分析。
研究结果部分，"进料组成和挤压条件对玉米粉-豌豆蛋白分离物挤压制品物理特性的影响"方面，研究人员系统测定了不同配方的加工参数与物料特性。在恒定水分（15%）条件下，随着PPI含量从0%增至70%，扭矩从18.0 N·m降至11.8 N·m，比机械能（SME）从684 kJ/kg降至504 kJ/kg，这归因于淀粉含量降低导致物料流动阻力减小。当PPI含量达到70%时，制品堆积密度显著增加至1.32 g/mL（对照为0.16 g/mL），直径缩减至三分之一，硬度显著下降，断裂性增加。色泽方面，L*值在50% PPI以下无显著变化，a*值随PPI添加持续上升，b*值在15% PPI时即显著下降，h°值在30% PPI时出现大幅降低表明褐变反应加剧。水分含量在15–17%范围内的变化对物理特性影响不显著，这是因加工约束限定了较窄的水分调节范围。在螺杆转速（400–500 rpm）和机筒温度曲线（最高145–160 °C）的影响研究中，降低螺杆转速导致扭矩升高、SME降低；提高机筒温度使熔融温度升高、扭矩和SME降低。螺杆转速对除30:70配方在500 rpm时堆积密度外的物理特性无显著影响；温度升高仅显著降低50:50配方的硬度，对其他物理指标无显著影响。
"玉米粉-豌豆蛋白分离物挤压制品的丙烯酰胺含量"部分，原料玉米粉和PPI的丙烯酰胺含量分别为2.1±0.2 μg/kg和12.2±1.5 μg/kg。添加15% PPI使丙烯酰胺从19.8±2.9 μg/kg显著增至37.4±1.3 μg/kg，但进一步提高至30%、50%和70%时未引起额外增加，50%和70% PPI配方反而较15%有所降低。研究人员分析，此现象不能归因于PPI的天冬酰胺或还原糖含量（均低于玉米粉），可能与PPI中活性羰基化合物促进美拉德反应有关；而在高PPI水平下，天冬酰胺的稀释效应限制了丙烯酰胺形成。值得注意的是，所有样品的丙烯酰胺水平均远低于欧盟委员会对非全谷物/非麸皮基谷物的基准值（150 μg/kg）。水分含量（15–17%）、螺杆转速及机筒温度的变化均未显著影响丙烯酰胺含量，这可能与50:50和30:70配方中天冬酰胺含量有限有关。
"玉米粉、豌豆蛋白分离物及挤压制品的香气特征"方面，研究分为两个子部分。在"进料组成和水分含量的影响"中，PPI和玉米粉中的香气化合物主要源于美拉德反应、氨基酸降解和脂质氧化，挤压前未检出吡嗪类。PPI中脂质衍生醛、酮、醇和酸含量尤为丰富，包括己醛、2-戊基呋喃、己酸、苯甲醛、(E,Z)-3,5-辛二烯-2-酮、1-辛烯-3-醇和壬醛等，这些与湿法加工过程中的脂氧合酶激活及后续干燥促进的脂质氧化有关。玉米粉则含有2-甲基丁醛、2-甲基丁醇和3-甲基丁醇等Strecker降解产物。主成分分析（PCA）显示，玉米粉及其挤压制品与低PPI样品聚类，30–50% PPI样品与美拉德反应产物关联，70% PPI样品则与PPI原料及脂质氧化产物聚类，水分变化未显著影响这一分布模式。
具体香气化合物变化方面，Strecker醛类（2-甲基丙醛、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛）在30% PPI时达到峰值，更高添加量未继续增加，推测因还原糖成为限制因素。苯乙醛挤压后增加但不受组成显著影响。脂质衍生醛类（戊醛、己醛、庚醛、(E)-2-庚烯醛、辛醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛等）随PPI添加量增加而升高，主要源于原料本身而非挤压过程新形成。2-糠醛在50% PPI时浓度最高，约为对照的五倍。苯甲醛与PPI添加量呈正比。2,3-丁二酮不受PPI水平影响，2,3-戊二酮在70% PPI时降低，2,3-辛二酮与高PPI样品相关。酮类和醇类化合物多源于PPI的脂质氧化，随PPI添加量增加而升高。呋喃类中2-乙基呋喃仅见于PPI，2-戊基呋喃源自两者，浓度均随PPI增加而升高。二甲基二硫在高PPI样品中约增加一倍但未达显著水平。短链脂肪酸（≤C6）主要存在于PPI中，挤压未促进其额外形成。值得关注的是，十五种吡嗪类仅在挤压制品中检出，原料中未检出，证明其为挤压过程的新生产物。玉米粉对照制品含九种吡嗪且浓度最低；15% PPI添加促进了2-乙基-3-甲基吡嗪、2-甲基-6-(1-丙烯基)吡嗪等形成；30% PPI时总吡嗪含量达到最高，其中3-乙基-2,5-二甲基吡嗪（阈值0.4 μg/L）、2,5(6)-二甲基吡嗪和三甲基吡嗪等贡献坚果、烘烤、巧克力及咖啡样香气。超过30% PPI后吡嗪不再增加，70%时下降，推测高蛋白水平下还原糖成为限制因素。
在"螺杆转速和温度曲线的影响"部分，PCA分析表明挥发物按美拉德产物和脂质氧化产物分离，这种分离更多取决于进料组成而非螺杆转速或温度。降低螺杆转速（延长停留时间）显著增加了70% PPI配方中酮类和醛类的含量，归因于增强的脂质氧化，但对50% PPI配方的香气化合物无显著影响，且对吡嗪无显著影响。提高机筒温度仅影响吡嗪类化合物，使其浓度近乎翻倍（从T1到T4），但对其他挥发物无显著影响。在最适条件下（50:50配方、400 rpm、40–60–80–110–140–155–160–160 °C温度曲线），吡嗪含量最为丰富。
讨论与结论部分，研究明确指出PPI含量是决定高蛋白玉米基挤压制品物理特性和香气特征的主导因素，其影响超过螺杆转速和机筒温度等挤压参数。蛋白质添加显著改变了挤压制品的物理性质，但30%与50%配方间差异不大，70%添加则导致显著不利变化。丙烯酰胺在30%蛋白时达到峰值，在50%和70%时降低，所有水平均处于安全范围。挤压条件未促进丙烯酰胺形成或脂质氧化，证实了PPI在食品安全方面的适用性。挤压加工促进了吡嗪类化合物的形成，贡献了理想的烘烤和坚果样香气，且未显著影响其他香气化合物。在香气特征方面，将蛋白含量提高到70%使样品在PCA空间中明显区别于对照组。综合考虑所有物理、化学和香气相关参数，含50% PPI的配方代表了实现高蛋白强化的最平衡选择。该研究提供的SME数据可作为规模化生产的参考，但进一步的条件优化或建模方法可能仍是必要的。总体而言，这些发现为优化高蛋白挤压食品中的蛋白水平和加工条件提供了指导，兼顾了质地、香气和安全性要求。
