通过定向冷冻和盐析技术制备各向异性水凝胶，以用于植物基肉制品的模拟

《Food Hydrocolloids》：Engineering Anisotropic Hydrogels via Directional Freezing and Salting-Out for Plant-Based Meat Analogues

植物基肉替代品通过盐析辅助定向冷冻法制备SPI/KGM水凝胶，利用离子特异性调控与温度梯度驱动形成各向异性纤维结构，机械性能达1.29MPa/89.39N，摩擦系数和水持容量与真实肉类相当，为植物肉结构设计提供新策略。

　　

杨中宇|宋凯婷|万志莉|郭健|杨晓泉

中国华南理工大学食品科学与工程学院食品蛋白质与胶体实验室，广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室，广州510640

摘要

由于环境、伦理和健康方面的考虑，消费者对植物基肉类替代品的需求正在迅速增长。然而，其大规模商业化受到限制，因为难以复制肉类的纤维状、各向异性的蛋白质结构，而这些结构对肉类的机械性能至关重要，且用植物蛋白很难再现。本研究通过盐析辅助定向冷冻法制备了大豆蛋白分离物（SPI）/魔芋葡甘露聚糖（KGM）水凝胶，获得了各向异性的微观结构和优异的机械性能。温度梯度驱动的冰晶单向生长导致生物聚合物内部发生相分离，形成了类似肌肉组织纹理的有序纤维结构。盐析处理通过增强分子间的疏水作用显著提高了水凝胶的机械强度，较高的盐浓度使应力（高达1.29 MPa）和硬度（89.39 N）得到提升。植物基肉类替代品的摩擦系数和持水能力与真实肉类相当。这项工作为理解天然聚合物中的离子特异性调控及指导植物基肉类替代品的制备提供了一种通用策略。

引言

随着全球人口的快速增长，传统的大规模畜牧业已逐渐无法满足日益增长的肉类需求，使得动物蛋白生产变得不可持续（Wollschlaeger等人，2022年）。此外，传统肉类生产还加剧了环境问题，包括温室气体排放和生物多样性丧失（Van Boeckel等人，2019年）。因此，开发可持续、环保的植物基肉类替代品至关重要。近年来，由于植物基肉类替代品在膳食功能、感官特性和营养价值方面的优势（Ahmad等人，2022年），它们越来越被视为传统肉类的可行替代品。然而，用植物大分子精确复制肉类的纹理、外观和感官特性仍然具有挑战性，因为这类产品通常质地较软，无法再现真实肉类的纤维结构和持水能力（Choudhury等人，2020年；Giezenaar等人，2024年）。

肉类的理想结构特征由肌肉纤维赋予的独特纹理及其通过毛细作用保持水分的能力决定（Ertbjerg & Puolanne，2017年）。消费者减少肉类摄入并采用替代饮食的意愿在很大程度上取决于肉类替代品的感官质量，尤其是其纹理。蛋白质-多糖复合水凝胶因其组成灵活性和纹理可设计性而受到越来越多的关注，可作为植物基肉类替代品的食品结构系统（Yang等人，2022年）。通过结合植物蛋白的凝胶化行为与多糖的结合水和网络调节功能，这些复合水凝胶在温和的加工条件下能够生成类似肉类的纹理（Sha & Xiong，2020年）。例如，马铃薯蛋白-海藻酸水凝胶和羧甲基纤维素-酪蛋白酸钠水凝胶因其良好的凝胶化行为而被研究作为植物基肉类替代品的结构基质（Ryu等人，2024年；Vaniyan等人，2025年）。然而，大多数现有的蛋白质-多糖复合水凝胶具有相对均匀且层次结构较弱的网络特性，这限制了它们的机械强度和抗变形能力。因此，在韧性和抗拉强度之间取得平衡仍然具有挑战性，限制了它们复制真实肉类结构复杂性和纹理弹性的能力（Kazemi-Taskooh & Varidi，2024年）。

为了实现这种理想的结构，人们开发了多种加工技术来模仿真实肉类，传统的热机械挤压和剪切方法显示出有希望的结果（Dekkers等人，2018年；Sha等人，2020年）。然而，这些技术通常依赖于强烈的热和机械输入，这不可避免地导致蛋白质的变性和聚集。因此，所得到的纤维组装体往往表现出有限的三维各向异性和不足的层次组织，与天然肌肉纤维或纤维束相比（Aghagholizadeh & Rigi，2025年）。此外，严苛的加工条件可能会降低持水能力，导致产品汁液含量减少，口感干燥（Chantanuson等人，2022年）。

因此，合理的结构设计至关重要，Hofmeister效应辅助的定向冷冻技术已被认为是一种有效的方法，可以改善和增强水凝胶的机械性能（Hua等人，2021年）。迄今为止，这种方法已广泛应用于基于水凝胶的生物传感器的制备，并在组织工程和软组织相关领域得到广泛应用（Zhang等人，2024年）。然而，其在食品工业中的应用，尤其是对于植物基肉类替代品，却鲜有关注。Hofmeister效应提供了一种简单有效的策略，通过水合作用重组和非共价相互作用来调节离子-聚合物相互作用（Chen等人，2025年）。亲水离子增强水分子的有序排列，减少蛋白质-水相互作用，并促进分子聚集，而疏水离子则破坏水结构并增加聚合物的溶解度（Wu等人，2019年）。

此外，值得注意的是，真实肉类组织（如肌腱、肌肉和软骨）从微观到宏观尺度都表现出明显的各向异性结构。这种高度有序的架构是数百万年自然选择的结果，在它们的机械性能中起着关键作用（Zhang等人，2023年）。通过各种定向刺激可以引入各向异性结构，包括机械拉伸（Wang等人，2021年）、定向冷冻（Dong等人，2022年）和离子扩散（Ouyang等人，2021年）。在这些方法中，定向冷冻被证明是一种有效的策略，可以在微观和宏观尺度上赋予各向异性，从而提高水凝胶的机械性能（Guan等人，2010年；Zhang等人，2023年）。定向冷冻是一种受控温度梯度驱动的单向冷冻前沿传播的技术（Shigenaga等人，2025年）。所得水凝胶展现出类似于天然承重组织的有序和层次结构（Hua等人，2021年）。

在这里，我们提出了一种结合定向冷冻和Hofmeister盐析的协同策略，用于制备具有层次各向异性结构的植物基肉类替代品水凝胶。从聚合物链聚集行为、各向异性微观结构和分子间相互作用的角度阐明了大豆蛋白分离物（SPI）/魔芋葡甘露聚糖（KGM）水凝胶的形成机制。通过调整SPI/KGM的比例，水凝胶可以复制真实肉类的高持水能力，同时保持高韧性和抗拉强度。本研究为天然聚合物的离子特异性调控和下一代植物基肉类替代品的开发提供了一个通用框架。

材料

脱脂大豆粉购自山东禹旺工贸有限公司（中国山东）。KGM购自上海源业生物科技有限公司（中国上海）。转谷氨酰胺酶（TG）、柠檬酸钠、硫酸钠和氯化钠购自Aladdin有限公司（中国上海）。猪胃（II型）黏蛋白和荧光素钠购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。真实肉类购自当地超市

通过Hofmeister效应辅助定向冷冻制备SPI/KGM水凝胶的形成机制

本研究通过Hofmeister系列辅助定向冷冻法制备了具有高韧性和抗拉强度的SPI/KGM水凝胶（图1a）。从分子链聚集、各向异性微观结构和分子间相互作用的角度解释了其形成机制。柠檬酸根（Cit3?）作为一种亲水离子，强烈影响蛋白质的水合作用和分子间相互作用，因此被选为代表性的Hofmeister离子

结论

本研究利用Hofmeister效应通过特定离子调节聚合物网络的聚集状态，并结合定向冷冻在宏观和微观尺度上赋予水凝胶各向异性。SPI/KGM水凝胶表现出高韧性和抗拉强度，以及与真实肉类相当的摩擦和纹理特性。盐析处理显著提高了SPI/KGM水凝胶的机械强度，这可能与

CRediT作者贡献声明

万志莉：可视化、数据分析。 郭健：数据分析。 杨中宇：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法学、研究、数据分析、概念化。 宋凯婷：监督、方法学、数据分析。 杨晓泉：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法学、资金获取、概念化

未引用的参考文献

Wang等人，2021年；Yang等人，2025年；Zhang等人，2023年。

利益冲突声明

所有作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2022YFD2101302）和山东省重点研发计划（重大科技创新项目）（2025CXGC010809）的支持。