From nano-aggregates to macroscopic fibers: an integrated framework reconciling phase separation and laminar flow theories in high-moisture extrusion

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作者
Yixin Gao,Yiting Xie,Saiya Li,Jiyang Li,Yiping Cao,Yiguo Zhao,Wei Lu,Xiaoyang Li,Cuixia Sun,Yapeng Fang
出处
期刊:Critical Reviews in Food Science and Nutrition [Taylor & Francis]
卷期号:: 1-19
标识
DOI:10.1080/10408398.2026.2739127
摘要

High-moisture extrusion (HME) has emerged as a key technology for converting plant proteins into meat analogs with fibrous textures resembling animal muscle. Despite growing research interest, the multi-scale mechanisms governing fiber structure formation during HME remain incompletely understood. Plant-protein HME is typically conducted at moisture contents of 50-75% and processing temperatures of 100-170 °C. Within this operating window, the effects of key processing parameters and equipment design factors on shear-field distribution, residence time, and heat transfer are examined. The fiber formation mechanism is then elucidated through a zone-by-zone analysis of protein structural evolution from feeding through melting and into the cooling die. Based on recent window-equipped in-situ SANS measurements and complementary dead-stop and ex-situ SAXS/SANS analyses, an integrated multi-scale framework is proposed. In this framework, fiber formation arises from three coupled processes. Thermal denaturation and nano-aggregation occur in the barrel. Spinodal decomposition driven by temperature gradients produces protein-rich and water-rich domains in the cooling die. Laminar flow subsequently induces the elongation and alignment of these phase-separated domains. This integrated Denaturation-Phase-Separation-Flow (DPSF) framework links nano-aggregate building blocks, spinodal decomposition and laminar flow within a single multi-scale continuum and identifies quantitative criteria for fiber formation in HME.
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