单向冷冻的各向异性琼脂凝胶，其中浸渍了乳清蛋白分离物

《Food Hydrocolloids》：Unidirectionally frozen anisotropic agar gels infused with whey protein isolate

本研究提出单向冷冻结合乳清蛋白浸渍的两步法，通过调控琼脂浓度（2-6%）形成各向异性复合凝胶，在保留纤维结构的同时显著提升压缩模量，为仿生鱼制品开发提供新策略。

　　

Rapha?l De Henau|Pauline Ma|Auke de Vries|Dérick Rousseau

多伦多都市大学化学与生物系，加拿大多伦多

摘要

开发具有纤维质结构的食品仍然是制造鱼类和肉类替代品的关键挑战，因为肌肉组织表现出明显的微观结构和机械各向异性。本研究提出了一种新颖的两步法：首先对琼脂水凝胶进行单向冷冻，然后注入乳清蛋白分离物，从而制备出各向异性的复合凝胶。通过定向冷冻生成了层状支架，其孔径和层厚取决于琼脂浓度（2%至6%）。解冻后，这些支架被注入乳清蛋白分离物，蛋白质含量根据琼脂含量的不同介于6.8%至8.7%之间。注入的蛋白质发生热凝胶化，形成了保持层状结构的复合体，并表现出机械各向异性。沿冷冻方向进行的压缩实验显示出比垂直压缩高一个数量级的模量，尤其是在琼脂含量较低时，蛋白质的加入显著增强了材料的硬度。这些结果共同证明了单向冷冻技术可以制备出具有可调结构和机械性能的纤维状、蛋白质增强的水凝胶复合材料，从而扩展了植物基肉类替代品的结构设计工具箱。

引言

由于伦理问题、过度捕捞压力以及饮食偏好的变化，越来越多的人寻求植物基的鱼类替代品。现有的大多数植物基鱼类替代品都是片状的或切碎的，营养不全面，且缺乏真实鱼肉细腻的各向异性结构。复制这种结构仍然是一个挑战，因为鱼肉具有高度分层的微观结构，其中重复的肌肉纤维段（肌节）由薄的结缔组织层（肌膜）分隔开。这些结构共同决定了鱼肉在烹饪过程中的片状特性（Listrat等人，2016年；Zhong等人，2023年）。

要重现鱼肉的质地，需要能够将植物基生物聚合物排列成各向异性的纤维网络的方法，以模仿真实肌肉的外观和变形特性。现有的方法包括挤出、剪切细胞技术和3D打印（Lee等人，2023年）。挤出是最广泛研究的方法，它利用机械剪切、热处理和压力来诱导蛋白质排列，并通过后续冷却固定结构（Cornet等人，2022年）。剪切细胞技术在较低的温度条件下提供更可控的变形，而3D打印则能够实现材料沉积的空间控制（Cornet等人，2022年；Wen等人，2023年）。尽管每种技术都有其优势，但它们在加工过程中引入的热量会阻碍替代品的后续可烹饪性。

单向冷冻是一种无需大量热处理或机械干预即可生成各向异性结构的替代策略。当凝胶或悬浮液从一个方向冷冻时，冰晶从冷表面生长并排除溶质或悬浮颗粒，解冻后形成排列整齐的孔道（Deville，2017年；O’Brien等人，2004年）。尽管这种技术已用于陶瓷、生物材料和组织等各向异性材料的设计（Delattre等人，2014年；O’Brien等人，2004年；Waschkies等人，2011年），但由于其能够创建低剪切、未经热处理的排列整齐的支架，直到最近才引起食品结构设计的关注。

最近的研究表明，蛋白质或多糖基系统的定向冷冻效果受聚合物浓度、结合水的能力、离子强度以及分子间相互作用强度的影响（Bach & Rühs，2025年）。然而，关于凝胶多糖的浓度如何影响最终支架的孔径、取向和机械各向异性，以及如何影响注入蛋白质的扩散、吸收和热凝胶化过程，目前知之甚少。了解这些参数对于设计可烹饪的纤维状支架至关重要，这些支架能够模仿鱼肉的特性。

在本研究中，琼脂凝胶被定向冷冻后注入乳清蛋白分离物（WPI）。选择琼脂作为模型多糖，是因为其具有明确的凝胶化机制（Araki & Arai，1967年）。冷却过程中，琼脂糖链形成螺旋结构，然后聚集成三维网络，形成坚硬的凝胶（Bertula等人，2019年；Nishinari & Watase，1983年）。使用乳清蛋白分离物进行注入，是因为它可以通过二硫键合和疏水相互作用发生不可逆的热凝胶化，其凝胶化行为高度依赖于浓度和溶液条件（Wolz等人，2016年）。

基于我们之前的研究（De Henau等人，2024年），该研究展示了单向冷冻可以制备出具有可调微观结构和硬度的琼脂支架。在这里，我们将这一概念扩展到一个复合系统中，通过注入乳清蛋白并在热处理下使其固化，从而在排列整齐的琼脂基质中形成蛋白质网络。据我们所知，这是首次报道专门设计用于复制鱼肉各向异性特征的定向冷冻、蛋白质注入复合凝胶系统。

材料

乳清蛋白分离物（WPI，SureProtein Clear WPI 8855）由Fonterra（新西兰奥克兰）提供。琼脂粉由Ingredion（美国Ingredion，TIC Pretested Agar RS-111）提供，按原样使用。所有实验均使用电阻率为18.2 MΩ·cm（21°C）的1型水（Direct-Q Millipore，Merck，德国达姆施塔特）。NaCl由Sigma Aldrich提供。所有实验均使用去离子水（Type I水，电阻率> 17 MΩ·cm，MilliQ Direct-Q，Millipore Sigma，加拿大安大略省奥克维尔）。

单向冷冻复合凝胶中的结构形成

各向异性乳清蛋白-琼脂凝胶的形成是一个多步骤过程，包括通过单向冷冻形成多糖支架，随后注入蛋白质并发生凝胶化。第一步是形成多糖水凝胶（图1A）。然后，当冰晶在接触冷板的凝胶表面处形成并生长时，开始其单向冷冻（图1B）。新形成的冰晶生长并排挤和浓缩多糖凝胶网络。

结论

琼脂凝胶的定向冷冻产生了蜂窝状的多孔网络，这些孔道由排列整齐的琼脂层包围。这些凝胶的形态、孔径尺寸和机械各向异性强烈依赖于琼脂浓度。琼脂浓度从2%增加到6%时，两个方向的硬度和屈服应力均增加，但各向异性降低。这是因为较高的聚合物含量产生了更厚的层状结构和更小的孔径。

作者贡献声明

Derick Rousseau：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源提供，项目管理，方法论，研究设计，资金获取，数据分析，概念构思。Auke de Vries：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念构思。Pauline Ma：研究工作。Rapha?l De Henau：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，研究设计，数据分析。

未引用的参考文献

Ghebremedhin等人，2021年；Yokoyama等人，1990年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢MITACS（信息技术与复杂系统数学）和NSERC（加拿大自然科学与工程研究委员会）的资助支持。