将全大豆衍生物配方转化为植物基肉类替代品：采用介质研磨大豆颗粒稳定的3D打印皮克林凝胶

《Food Hydrocolloids》：Turning whole soybean-derived formulations into plant-based meat analogues: 3D printed Pickering bigels stabilized by media-milled soybean particles

植物基肉替代品通过Pickering大凝胶实现纤维质与脂肪特性的协同构建，采用媒体磨豆制备保留生物活性的大豆颗粒作为稳定剂，结合冻结构诱导纤维网络和转谷氨酰胺酶交联增强体系稳定性，3D打印后经烘烤验证在2%酶浓度和2:8-3:7油水比例下结构完整且质地均衡。

　　

蔡青颖|卢宣萱

香港理工大学食品科学与营养系，中国香港999077

摘要

开发可持续且营养丰富的植物基肉制品类似物需要采用能够模拟动物源肉类的纤维质地、结构完整性和烘焙性能的策略。在本研究中，通过使用介质研磨的大豆颗粒（SPs）并在冷冻结构化和转谷氨酰胺酶（TG）交联的帮助下进行3D打印，将全大豆衍生物转化为具有良好热稳定性的植物基肉制品类似物。研究了TG、油水比例和冷冻结构化对Pickering大凝胶稳定性和3D打印性能的影响，以及由此产生的肉制品类似物的烘焙行为。经过60分钟的研磨后，SPs的粒径从36.08 ± 0.98 μm减小到7.87 ± 0.69 μm，同时大部分生物活性成分得到有效保留。SPs吸附在油水界面，使得Pickering乳液在广泛的pH值（2至8）和盐浓度（50至400 mM）范围内具有长期稳定性。TG交联促进了SPs水凝胶网络的形成。冷冻结构化在Pickering大凝胶中形成了多孔的纤维状结构，从而在烘焙后提高了结构完整性。在2%的TG和2:8至3:7的油水比例下，3D打印的基于Pickering大凝胶的植物基肉制品类似物在烘焙后表现出优异的形状保真度和平衡的质地。本研究开发了一种新的“绿色”方法，将全大豆衍生的Pickering大凝胶转化为具有纤维和脂肪特性的可持续肉制品类似物，并为调节Pickering大凝胶的结构和质地提供了宝贵的见解。

引言

作为富含蛋白质的替代品，植物基肉制品可以有效补充膳食蛋白质摄入（Singh等人，2021年）。近年来，随着对可持续性、动物福利和人类健康的关注不断增加，对植物基肉制品类似物的需求也在上升（Wen、Chao、Che、Kim和Park，2023年）。挤压技术被广泛认为是生产植物基肉制品类似物的领先且研究广泛的方法。这些成分经过热机械处理后，其物理和化学性质发生变化，形成了各向异性的纤维结构（Dinali等人，2024年）。然而，在挤压过程中很难在肉制品类似物中加入高比例的油脂，这无法实现动物肉类的脂肪和多汁的口感特征。这造成了在复制真实肉类的全部感官和营养成分方面的技术差距（Opaluwa、De Angelis、Summo和Karbstein，2025年）。3D打印作为一种补充技术，其在构建植物基肉制品类似物方面具有明显优势。它允许在单一产品中精确设计和放置不同的材料组合，从而制造出多组分的整体仿制品（例如，具有明显肌肉和脂肪纹理的牛排），这些通过挤压技术难以实现（Park、Lee、Kim和Park，2023年；Zhao、Zhang、Bhandari和Li，2025年）。

在各种植物源蛋白质中，大豆蛋白是最常用的材料。大豆蛋白分离物和可食用真菌粉的混合物已被用于生产发酵肉替代品（Yuan等人，2022年）。大豆蛋白分离物和多糖的混合乳液凝胶已被用作结构化植物基肉制品类似物中的脂肪相（Fu等人，2025年）。然而，这些方法依赖于分离处理来获得大豆蛋白分离物。工业生产大豆蛋白分离物需要在高pH条件下进行碱性提取，这会导致营养成分的损失、蛋白质的变性以及赖氨酰丙氨酸的形成，后者与大鼠的肾细胞肥大有关（Zhao，2024年）。此外，其他大豆成分，包括内在的生物活性成分，也被丢弃。基于全大豆的食品配方提供了更加营养丰富和可持续的替代品。介质研磨是一种绿色、有效且能保护生物活性的技术，可用于从原始食品材料（如大豆（Kuo、Chen和Yeh，2014年）、甜紫薯（Huang、Huang、Wang和Lu，2022年）和黑米（Lu、Huang、Xiao和Wang，2022年）中制备纳米/亚微米级颗粒。经过60分钟的研磨后，大豆颗粒可以减小到微米级别，同时保留大部分生物活性化合物。将全成分颗粒应用于植物基肉制品类似物中值得研究，但目前尚未得到充分探索。

由相互渗透的水凝胶和油凝胶网络组成的大凝胶作为一种有前景的脂肪模拟物，越来越受到关注。它们类似固体的质地、可调的机械强度和增强的物理化学稳定性使它们适合在植物基产品中复制动物脂肪的特性（Chen、Bian、Cao、Shi和Meng，2023年；Farzana、Mahesh、Sharma、Syed、Abdi和Upadhyay，2025年）。最近在Pickering大凝胶方面的进展，利用固体颗粒稳定油水界面，进一步扩展了大凝胶的应用潜力。由于在油水界面形成了不可逆的颗粒吸附层，Pickering大凝胶具有优异的界面稳定性和宏观结构完整性（Liu、Wang等人，2024年）。此外，它们独特的凝胶-乳液双网络和刚性界面能够更好地控制风味化合物和盐的释放，从而增强感官体验和口感（Tian等人，2025年）。这些大凝胶在实现长期稳定性、界面和整体稳定性方面具有独特优势，为设计下一代智能肉制品类似物提供了有前景的平台（Li等人，2023年；Guo、Gu和Meng，2024年）。尽管具有这些优势，但在复制真实肉类的各向异性纤维质地方面，基于大凝胶的系统仍然面临巨大挑战。

冷冻结构化（或冰模板）是一种受控的冷冻诱导对齐技术，通过蛋白质和其他生物聚合物的冰模板组装引入方向性的纤维形态。先前的研究表明，冷冻结构化可以在大豆蛋白凝胶中创建各向异性的层状多孔结构，有效模拟真实肉类的质地，在大豆粉固含量为10%时达到类似肉类的断裂强度（Chantanuson、Nagamine、Kobayashi和Nakagawa，2022年）。此外，通过蛋白质基质的酶促交联可以调节植物基肉制品的质地。发现转谷氨酰胺酶（TG）可以增强大豆蛋白网络并提高其质地稳定性（Zhu等人，2022年）。因此，冷冻结构化和TG交联可能是工程设计具有机械强度和纤维结构的植物基肉制品的有希望的途径。它们在包含蛋白质、多糖和脂质的复杂系统中的有效性需要进一步探索。

因此，本研究提出了一种创新的综合策略，通过协同结合介质研磨的大豆颗粒作为Pickering稳定剂、冷冻结构化的Pickering大凝胶、TG诱导的交联和3D打印，将全大豆衍生的Pickering大凝胶转化为3D打印的植物基肉制品类似物。介质研磨用于生产具有生物活性保护的大豆颗粒，这些颗粒稳定Pickering乳液，随后使用TG和基于烛花蜡的油凝胶将其结构化。烛花蜡是一种常见的植物源油凝胶剂，熔点相对较高，可以在烘焙过程中促进肉制品类似物的机械完整性和结构。系统评估了TG浓度和油水比例对大凝胶的形成和3D打印性能的影响，以及冷冻结构化对其微观结构和热稳定性的影响。图1展示了制备全大豆衍生物3D打印肉制品类似物的流程图。假设介质研磨的大豆颗粒和基于烛花蜡的油凝胶会稳定Pickering大凝胶的结构，TG会共价交联大豆颗粒中的蛋白质以增强凝胶强度，而冷冻结构化会通过定向冰晶模板促进纤维网络的形成。这项开创性的研究能够在保持内在生物活性的同时，实现大豆基肉制品类似物的脂肪和纤维特性以及热稳定性，这在植物基肉制品类似物中一直是具有挑战性的，从而为开发营养丰富、结构稳定的植物基肉制品类似物提供了新的途径。

材料

大豆和大豆油从当地市场购买。没食子酸（纯度>98%）和烛花蜡从Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国上海）获得。异黄酮标准品（染料木黄酮、甘草素、染料木苷、大豆苷元、甘草素和染料木素）由Weikeqi Biological Technology Co., Ltd.（中国四川）提供。活性为120 U/g的转谷氨酰胺酶由Dongsheng Bio-tech Co., Ltd.（中国江苏）提供。HPLC级甲醇、醋酸和乙腈

SPs的形态、粒径和ζ-电位

不同研磨时间的SPs的SEM图像、粒径和ζ-电位分别显示在图2A-C中。SEM观察显示，随着研磨时间的增加，SPs逐渐破碎，导致粒径减小和形态多样（包括纤维状条带、片状和不规则多边形）。激光衍射结果证实，SPs的粒径从36.08 ± 0.98 μm（0分钟）减小到7.87 ± 0.69 μm（60分钟）。天然大豆细胞的类似破坏

结论

成功开发了由SPs-PEBG制成的具有高热稳定性的植物基肉制品类似物，这些类似物模拟了动物肉类的纤维和脂肪特性。SPs-PEBG的结构和功能受SPs之间的协同作用、TG介导的交联以及基于烛花蜡的油凝胶相的调控。介质研磨增强了SPs的界面活性并保留了其生物活性，SPs作为颗粒乳化剂吸附在油水界面以稳定

CRediT作者贡献声明

蔡青颖：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、数据分析、数据管理。卢宣萱：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思

未引用的参考文献

Chen等人，2023年；Guo等人，2024年；Li等人，2023年；Liu等人，2024年；Liu等人，2024年；Liu等人，2021年；Wang等人，2022年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。