《Trends in Food Science & Technology》：Plant Protein-Based Hydrogels and Oleogels: A Review of Sources, Formation, and Emerging Applications
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植物蛋白水凝胶和油凝胶的制备机制、性能优化及在食品与生物医学中的应用挑战与前景。
作者：Ke Chuxin | Pang Bo
新加坡国立大学理学院食品科学与技术系，117543，新加坡
摘要
背景
来自谷物、豆类和油籽的植物蛋白已成为动物蛋白的有前景的可持续替代品。它们可以形成具有可调结构和功能特性的水凝胶和油凝胶，适用于食品和生物医学应用。然而，大多数研究集中在特定的蛋白质或单一类型的凝胶上，缺乏对水相和脂质系统之间的全面理解。这种在组成、组装和结构-功能关系方面的差距阻碍了机制的阐明和应用设计。
范围和方法
本综述综合分析了组成和结构如何影响植物蛋白的凝胶化行为。我们具体比较了通过物理、化学和酶促交联形成水凝胶的机制，以及通过直接和间接分散方法制备油凝胶的机制。此外，本综述还批判性地讨论了它们在功能性应用方面的最新进展，以及在开发多功能、可持续的植物蛋白基凝胶系统方面的机遇和挑战。
主要发现和结论
本综述阐明了植物蛋白水凝胶和油凝胶网络形成的方法和机制。尽管来源多样，但一个共同的变性/展开-组装机制驱动了网络的形成，而球状结构限制了其功能性。与多糖混合、酶促交联和物理结构化等方法对于增强凝胶化效果是有效的；然而，精确控制层次结构和网络特性仍然是一个关键挑战。未来的努力应集中在整合分子设计、工艺工程和界面控制上，这对于提高植物蛋白基凝胶在食品和生物医学领域的实际应用至关重要。
引言
来自豆类、谷物和油籽等多种来源的植物蛋白因其饱和脂肪酸含量低而受到越来越多的关注，这与可持续性和环境保护目标相一致（Tang等人，2024年）。其中，大豆蛋白因其平衡的必需氨基酸组成而被广泛研究，使其可与完整蛋白质相媲美（San等人，2026年）。豌豆蛋白通常被认为比大豆或乳蛋白的致敏性更低，而绿豆蛋白因其温和的风味而成为动物蛋白替代品的有希望的候选者（Ding等人，2023年；Huang等人，2026年）。相比之下，谷物蛋白（如小麦面筋）通常受到氨基酸组成不平衡的限制，这一缺点可以通过与豆类蛋白结合来缓解。油籽蛋白存在一些挑战，例如芝麻蛋白的溶解度低和花生的高致敏性，这些仍然是其广泛应用的重要障碍（Gul等人，2025年；Bansode等人，2019年）。
无论植物蛋白的来源如何，其凝胶化能力几十年来一直是研究的重点，因为它在很大程度上决定了这些蛋白在食品系统中的潜在应用。单源植物蛋白基凝胶通常比动物蛋白基凝胶具有较低的凝胶硬度和较差的稳定性，这主要是由于它们紧凑的球状结构以及疏水性氨基酸的存在（Li等人，2024年）。为了克服这些限制，已经开发了几种策略，例如通过美拉德反应进行结构修饰（Sun等人，2024年）。包含互补蛋白质、多糖或多酚的复杂配方也可以有效提高凝胶的强度和稳定性（Feng等人，2025年；Guo等人，2025年；Xue, Zhang, Wang, Wang, Han等人，2024年）。此外，包括挤出、微波和超声波在内的新型加工技术在提高植物蛋白凝胶的功能性能方面展示了巨大的潜力（Jiang等人，2024年；Liu等人，2025年；Liu等人，2023年）。总的来说，这些进展强调了整合配方策略、结构修饰和创新加工方法的必要性，以充分发挥植物蛋白基凝胶在食品和生物医学领域的潜力。
植物蛋白基凝胶是通过蛋白质分子之间的共价和/或非共价相互作用交联形成的三维网络结构。它们的形成取决于蛋白质分子在特定环境和加工条件下的展开、聚集和随后的网络组装（Li等人，2025年）。根据分散介质的不同，凝胶可以分为两大类：水凝胶（分散介质为水）和油凝胶（分散介质为油）。植物蛋白基水凝胶能够吸收和保持大量水分，同时保持交联的网络结构，从而具有高持水能力和多样的质地特性（Zhang等人，2025年）。凝胶化可以通过物理（包括热诱导和冷诱导方法）、化学或酶促交联来实现，或者通过这些方法的组合来实现。在这些凝胶系统中，物理凝胶因其易于制备且不需要化学交联剂而受到广泛关注。参与凝胶化的分子间相互作用主要包括氢键和疏水相互作用（Zhang等人，2025年）。重要的是，高温可能导致二硫键的形成，从而通过物理相互作用和共价键稳定凝胶结构。然而，高温下的热诱导凝胶化往往会导致蛋白质过度聚集，从而产生不均匀的网络结构和凝胶稳定性下降，从而限制了其广泛应用（Zhang, Herneke等人，2025年）。与热诱导水凝胶相比，冷诱导水凝胶在温和条件下形成，可以对凝胶质地进行更精细的控制，并更符合食品开发中的清洁标签趋势。在化学交联中，双功能试剂与蛋白质分子上的功能基团反应形成共价键，产生坚固且热不可逆的植物蛋白基凝胶网络（Zhang等人，2025年）。例如，天然来源的低毒性交联剂genipin已被广泛用于促进蛋白质聚集和网络形成，从而提高凝胶化能力并增强植物蛋白基水凝胶的持水性能（He等人，2023年）。相比之下，酶促交联利用生物酶催化蛋白质分子之间的共价键。通过调节蛋白质聚集，酶促方法可以提高凝胶的透明度，并部分补偿热诱导凝胶中观察到的结构不均匀性（Li等人，2024年）。
植物蛋白基油凝胶是一种以油作为分散介质的凝胶系统，植物蛋白作为凝胶剂通过界面吸收和三维网络形成将液态油转化为半固态（Hu & Meng，2026年）。油凝胶的制备策略通常分为直接和间接分散方法。由于植物蛋白的疏水性，间接分散方法（如乳液模板、泡沫模板、气凝胶模板和溶剂交换）适用于许多植物蛋白来构建油凝胶。植物蛋白基油凝胶通常具有较高的油含量，并通过减缓脂质氧化来提高氧化稳定性（Utrilla等人，2014年）。然而，植物蛋白在油相中的分散性较差，往往导致凝胶结构较弱和质地特性不佳。因此，提高植物蛋白基油凝胶的凝胶化能力和改善其结构完整性是扩展其在功能性食品和营养强化食品中应用的关键研究重点。
最近的进展突显了植物蛋白基水凝胶和油凝胶在食品和生物医学应用中的潜力。这些系统已被广泛探索用于多种功能应用，如脂肪替代品、生物活性化合物的输送以及植物蛋白基肉类的开发（Zhu等人，2024年；Tao等人，2025年；Ren等人，2025年）。尽管取得了这些进展，但来自单一植物蛋白的凝胶往往具有粗糙的质地、较差的结构稳定性和有限的性能。为了克服这些限制，已经提出了几种策略。对蛋白质进行结构修饰（如纤维化）可以显著提高其溶解度和凝胶化行为。例如，结构更稳定的米糠蛋白纤维水凝胶可以用作低盐脂肪替代品（Feng等人，2025年）。另一种方法是将蛋白质与多糖结合以增强凝胶网络，从而提高其稳定性和作为输送系统的功能。例如，含有姜黄素的zein-xanthan gum复合油凝胶显示出作为黄油替代品的潜力（Chen等人，2025年）。此外，通过将小麦面筋与豌豆蛋白分离物混合，制备出了具有更明显纤维结构的复合水凝胶，使其适用于植物基肉类加工（Choi等人，2025年）。然而，几项关键挑战阻碍了植物蛋白基凝胶的大规模应用，包括替代动物肉类的纤维结构以及持续存在的感官问题（如豆腥味、苦味和收敛味）。
尽管在植物蛋白基凝胶系统的设计和合成方面取得了实质性进展，但精确调节其结构并将这些进展转化为广泛的实际应用仍然具有挑战性。这主要是由于植物蛋白的结构变异性，这强烈依赖于来源以及提取和加工方法。到目前为止，仍然缺乏一个能够指导具有理想和可预测特性的植物蛋白基凝胶合理设计的通用框架。现有的综述通常要么专注于植物蛋白基水凝胶或油凝胶，要么专注于基于特定植物蛋白的凝胶系统，而没有提供水凝胶和油凝胶之间的综合概述或比较。此外，许多关于蛋白质凝胶化和网络形成的研究主要基于动物蛋白，特别是常用于凝胶化模型的乳蛋白和肌原纤维蛋白。这些蛋白质通常具有相对灵活的构象、较高的反应性残基可及性以及在加工条件下的更可预测的展开-组装行为。相比之下，大多数商业相关的植物蛋白是储存蛋白，其特征是紧凑的球状结构、有限的反应性巯基团和异质的结构状态。在这种背景下，本综述系统总结了植物蛋白基水凝胶和油凝胶的最新进展。我们首先概述了来自不同来源的植物蛋白的组成和结构，重点介绍了这些基本性质与其凝胶化行为之间的关系。然后，我们批判性地讨论了植物蛋白基凝胶系统的制备策略及其在食品和生物医学领域的新兴应用。最后，我们提出了未来研究的方向、关键机制挑战和工业转化的机会。
植物蛋白用于凝胶形成的多样化来源
来自不同来源的蛋白质具有不同的氨基酸组成序列和结构，因此表现出不同的物理化学性质。蛋白质的凝胶化能力是其关键特征之一，长期以来一直被用来改变食品质地、稳定结构并赋予理想的感官品质。豆类蛋白因其高营养价值、可用性和多功能性而特别受到重视。
植物蛋白基水凝胶的制备方法和形成机制
植物蛋白基水凝胶的形成从根本上依赖于蛋白质作为结构构建块的能力，形成能够保持大量水分的三维网络。根据目标结构和功能，这些网络可以通过物理、化学或酶促交联来制备（图1A）。在这些策略中，物理交联通常在温和和生物相容的条件下产生水凝胶。
植物蛋白基凝胶的应用
由于出色的生物相容性和高度可调的结构，植物蛋白基凝胶已成为食品和生物医学领域的多功能系统。它们的三维网络在充满水相或油相的情况下，为封装、保护和输送敏感的生物活性化合物（如多酚和功能性脂质）提供了独特的机会。
挑战、限制和未来方向
植物蛋白的凝胶化行为由非共价相互作用（包括疏水相互作用、静电力、氢键和共价二硫键交联）的复杂相互作用决定。与许多动物蛋白相比，大多数商业相关的植物蛋白的反应性巯基团有限，这限制了网络的形成，经常导致不均匀的凝胶结构，从而降低了
未引用的参考文献
Burger和Zhang，2019年；Chen等人，2025年；Kim等人，2024年；Li等人，2024年；Li等人，2024年；Li等人，2025年；Xue等人，2024年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年。
作者贡献
Ke Chuxin：撰写-原始草稿；研究；可视化。
Pang Bo：概念化；撰写-审稿与编辑；监督；资金获取。利益声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
B.P. 感谢新加坡国立大学（授权号：A-0010028-00-00）和新加坡教育部（授权号：A-8003587-00-00）的财政支持。
