通过冰模板技术定制植物基肉类似物的结构和质地特性

本研究采用大豆-藜麦蛋白乳液凝胶基材，结合两步冰模板法，发现第一步单向冷冻形成的定向纤维层状结构显著提升植物基肉替代品的质地、机械性能和感官接受度，而随机冷冻则导致结构不规则和性能下降。该研究为可持续肉制品开发提供了新方法。

　　

张盼|孙静文|张世玲|李颖|高慧|舒国伟|李国亮|姚晓琳

陕西科技大学食品科学与工程学院，中国陕西省西安市710021

摘要

开发植物基肉类替代品对可持续食品系统至关重要，然而模拟动物肉类的结构和质地仍然是一个主要的技术瓶颈。本研究使用大豆-藜麦蛋白乳液凝胶作为基质，并结合两步冰模板法制备了基于蛋白质的肉类替代品。第一步单向冷冻主导了结构形成，形成了排列有序的纤维状层状结构，从而提高了质地特性、机械性能和感官接受度。相比之下，第一步随机冷冻导致不规则、无序的微观结构，使得质地和机械性能下降，在外观和口感评估中的得分也较低。这些发现强调了第一步单向冷冻在调节植物基肉类替代品的结构、机械和感官特性方面的关键作用，为开发具有更高自然肉质逼真度的高性能产品提供了宝贵的见解。

引言

传统动物农业的迅速扩张引发了全球可持续性的重大担忧。它对温室气体排放的贡献巨大，占总农业排放量的54%（Bomkamp等人，2022年；OECD-FAO，2021年），并带来了许多环境和公共卫生挑战。作为应对措施，植物基肉类替代品作为一种创新解决方案应运而生，有望通过减少土地使用、节约水资源和降低温室气体排放来缓解这些问题（Natalie R. Rubio, Ning Xiang, & David L. Kaplan，2020年）。此外，由于含有促进人类健康的营养密集型成分，植物基肉类还具有更高的食品安全优势（Y. Wang, Cai, Li, Gao, & Lai，2023年）。

在质地方面，复制传统肉类的感官特性仍然是一个重大挑战。这需要改进可溶性和不可溶性植物蛋白的工程技术，以模仿动物源产品的复杂质地（Su等人，2024年）。在动物肌肉组织中，高达90%的成熟多核肌纤维沿细胞长轴排列成丝状肌原纤维蛋白（Bomkamp等人，2022年；Listrat等人，2016a）。这些纤维形成了被称为肌束的排列结构，由围绕单个肌肉细胞的结缔组织分隔开（K. Y. Lee, Loh, & Wan，2021年；Listrat等人，2016b）。肉类的质地特性，如咀嚼性、嫩度和韧性，主要受这些肌纤维的形态和数量的影响（S. H. Lee, Joo, & Ryu，2010年）。此外，结缔组织中的纤维状胶原蛋白显著影响背景韧性（Su等人，2024年）。复制天然肉类的纤维状、多汁的微观结构仍然是植物基肉类制造的关键挑战。作为一种现有的商业制造策略，高温/剪切挤压通过机械力、热力和剪切力使植物蛋白纤维各向异性化，以模仿肉类质地。然而，植物蛋白的低水合能力导致挤压产品的多汁性较差（Chantanuson, Nagamine, Kobayashi, & Nakagawa，2022年；N. R. Rubio, N. Xiang, & D. L. Kaplan，2020年；Y. Wang等人，2022年），而挤压的高能耗、复杂的预处理/后处理以及对化学粘合剂的依赖进一步降低了其成本效益和可持续性，而且能耗高的质地工程步骤可能在没有优化的情况下抵消其环境效益（Gulzar, Hosseini, Martín-Belloso, Soliva-Fortuny, & Rizvi，2025年）。

冰模板法（冷冻铸造）是一种有前景的替代方法，通过控制冰晶生长和升华来构建可调的多孔结构，复制分层的类似肉类的微观结构（Cheng, Huang, & Tomsia，2017年；Hua等人，2021年；Joukhdar等人，2021年）。这种低温技术保留了蛋白质的功能性（例如，持水能力），同时不会损失风味和多汁性。与锥体剪切相比，冰模板法可以通过参数调整实现灵活的结构调节（10–200 μm孔径、排列、连通性）（Sha & Xiong，2020年）。它还规避了三维（3D）打印的流变/粘弹性限制（Bhuiyan, Yeasmen, & Orsat，2025年），允许将植物蛋白与多糖/脂质灵活复合，制备多相纤维复合材料。此外，尽管操作在低温下进行，冰模板法的能耗低，减少了碳排放，并避免了复杂的加工步骤和化学添加剂（Cheng等人，2017年；Jarunglumlert等人，2023年），使其成为一种可持续且成本效益高的植物基肉类制造策略。

另一种在食品应用中出现的结构化方法是乳液凝胶技术。乳液凝胶通过油滴的聚集或连续相的凝胶化形成三维网络，能够封装蛋白质、脂质和其他功能性成分（Lingiardi, Galante, de Sanctis, & Spelzini，2022年；Xu等人，2022年）。这些自组装结构不仅提高了质地特性，还增强了保水性。大豆蛋白分离物（SPI）等植物蛋白在制备乳液凝胶方面显示出特别的前景。SPI的储藏球蛋白主要是甘氨酸蛋白（11S，六聚体，分子量320–380 kDa）和β-伴甘氨酸蛋白（7S，三聚体，分子量150–220 kDa），甘氨酸蛋白含有通过二硫键连接的碱性和酸性亚基，这些键介导了SPI的聚集、交联和均匀密集凝胶网络的形成（Yuyang等人，2025年）。藜麦蛋白（QP）因其低致敏性和均衡的氨基酸组成而具有吸引力，主要包含11S球蛋白（37%）和2S白蛋白（35%）（Kaspchak等人，2017年）。六聚体11S球蛋白与SPI的11S球蛋白在结构上相似，由六个SS连接的酸性（分子量30–40 kDa）和碱性多肽对（分子量20–25 kDa）组成（Van de Vondel, Lambrecht, & Delcour，2022年）。在本研究中，使用冰模板技术制备了基于大豆-藜麦蛋白的乳液凝胶作为肉类替代品的基质，并研究了冰模板结构对其质地和机械性能的影响。这项研究的主要目标是解决关键的质地优化挑战，并开发可持续的高质量传统肉类替代品创新方法。

部分摘录

傅里叶变换红外光谱（FTIR）、析水作用和热稳定性

如图1A所示，2925 cm^?1处的谱带对应于蛋白质分子的C-H伸缩振动。1677 cm^?1和1529 cm^?1处的谱带分别归因于酰胺I区域的C-O伸缩和酰胺II区域的N-H弯曲振动（Gan等人，2022年）。1401 cm^?1处的谱带表明了分子内的C-N键。1052 cm^?1处的谱带表明了NH₂基团。这些特征峰指示了蛋白质的二级结构

结论

本研究通过两步冷冻策略制备了具有各向异性三维多孔结构的植物蛋白乳液凝胶，用于植物基肉类替代品。第一步冷冻被确定为决定凝胶微观结构和质地特性的关键因素。第一步随机冷冻导致不均匀分散的相和不规则的微孔，而单向冷冻则促进了冰晶定向生长，形成了类似鸡胸肉的纤维状层状结构。

材料

SPI粉末（生物试剂，纯度99%）购自上海Titan生物技术有限公司（中国上海）。QP粉末（食品级，蛋白质含量≥90%）购自西安国豪生物技术有限公司（中国西安）。大豆油购自中国粮油食品股份有限公司（北京）。海藻酸钠、κ-卡拉胶和氯化钙购自上海源叶生物技术有限公司（中国上海）。所有

作者贡献声明

张盼：撰写——初稿，研究，资金获取，正式分析。孙静文：撰写——审阅与编辑，方法学。张世玲：验证，监督。李颖：验证，方法学。高慧：软件，方法学。舒国伟：验证，方法学。李国亮：撰写——审阅与编辑，概念化。姚晓琳：撰写——审阅与编辑，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（32302275, 32472493）、陕西省教育厅的特别科学研究计划（24JK0346）以及陕西省科技厅（2024JC-JCQN-23）的财政支持。