随着社会经济的进步和全球人口持续增长,消费者对肉类的需求逐渐加大,植物性肉类的研发在食品工业中愈发得到重视,前景广阔[1]。植物肉是一类以植物蛋白为主要原料,添加或不添加辅料经加工制成的肉类替代品,旨在模拟传统肉类色泽、外观口感和营养特征。植物肉领域的迅速发展不仅减少了消费者对动物资源的依赖,还从根源上降低了抗生素滥用[2]、温室气体排放和土地利用压力等问题。然而,由于植物蛋白大多呈球状结构,与动物肉类纤维状结构存在差异,使得模仿真实肉类的纹理与口感具有挑战。科学地利用植物蛋白质的固有功能特性,可以有效改善植物基肉制品的口感、质地和咀嚼性,提高其接受度。这需要对生产工艺进行精细化管理和创新设计,以更接近真实肉类的食用体验。
在植物肉的加工过程中,凝胶体系赋予了植物蛋白特有的肉质口感和纹理,为植物肉的生产工艺和质量控制提供了技术支持。植物蛋白凝胶是蛋白质分子聚集过程中形成的高度有序网络结构,具有良好的流变性、可塑性和稳定性[3]。深入了解不同类型植物蛋白凝胶的构建机制和应用特点,对于改善凝胶的稳定性、提高植物肉质地和可加工性至关重要,如水凝胶含水量较高,可以增加植物肉产品的保湿性和口感弹性;乳液凝胶常用于提高产品的口感层次和口味特征。构建技术如挤压、纺丝和3D打印可以精确控制产品的形态、结构和纹理,对植物蛋白凝胶在植物肉中的应用具有重要意义。本文综述了不同植物蛋白凝胶构建方法及其在植物肉制品中的潜在作用机制,概述了其在植物肉构建技术中的应用,并展望了利用植物蛋白凝胶制造植物基肉制品的发展前景。
1 植物蛋白结构与功能
1.1 结构特征
植物蛋白结构因来源和类型而异,豌豆蛋白、大豆蛋白等植物蛋白主要由α-螺旋、β-折叠构成,形成易溶于水的球状蛋白,适合用于植物性食物和肉制品的开发。相比之下,动物肉类组织结构复杂,含有多层纤维蛋白束,被胶原蛋白三螺旋的结缔组织包裹,影响肉制品的纤维质感[4]。因此,在构建植物肉时,利用植物蛋白的凝胶特性、乳化性等功能性质,经过改性、挤压等处理,可生产具有类似于肉制品的纹理和咀嚼感。
1.2 持水能力
持水能力是植物蛋白在加工过程中吸收和保持水分的能力,适当的水分含量能显著提升植物肉的质地,通过形成稳定的凝胶结构来增强其口感。此外,优化植物蛋白的持水能力有助于改进产品的成型性和加工性,使其具备多样的形状和纹理,并减少烹饪过程中营养成分的流失,从而提高植物肉的整体营养价值。
1.3 乳化性能
乳化性是指植物蛋白在油和水等不相溶物质间形成稳定混合物的能力,乳化性取决于物质的分子结构、化学性质以及与其他物质之间的相互作用。在植物肉加工中,油和水难以混合[5],通常需添加乳化剂以降低表面张力,促进乳化。LEE 等[6]研究了水包油(O/W)乳液作为动物脂肪替代品对植物性肉饼的影响,发现预制乳液作为动物脂肪替代品可以提高植物性肉制品的多汁性、持液性和整体适口性;HU等[7]通过先进乳液技术制造的植物性脂肪组织发现,含冷固性多糖的乳液凝胶能有效模拟动物脂肪的物理和化学特性。
植物蛋白作为乳化剂稳定油水乳液,可以使脂肪更均匀地分散在肉制品中,从而提高产品的口感。大豆蛋白良好的乳化性能,可以在植物肉加工过程中形成稳定的乳状液体,促进脂肪的均匀分散[8]。
1.4 凝胶性能
植物蛋白凝胶是蛋白质分子在外界的驱动力下展开并聚集,形成由共价键和非共价键交联的三维网络[9]。许多食品结构本质都是蛋白分子通过物理或化学交联聚集形成的凝胶,包括豆腐、香肠和午餐肉等。水凝胶的三维网状结构能保持大量水分,适合作为生物活性物质的递送体系或乳液稳定剂;乳液凝胶和油凝胶作为脂肪替代品,能有效包裹功能性油脂、风味成分及其他功能性成分,从而优化植物肉制品的质量[10]。此外,植物蛋白凝胶在植物肉的外观、风味方面也有一定作用。如在不同的酶处理条件下,燕麦蛋白能够形成热诱导凝胶,改善蛋白质聚集的现象,从而提升其亮度[11]。KIM等[12]研究开发了一种具有热响应特性的明胶-海藻酸盐混合水凝胶,旨在实现对气味分子的精准控制和释放。因此,植物蛋白凝胶在构建植物肉制品中扮演着关键角色,它在模拟肉类质地、风味和整体感官体验方面的应用,显著提升了产品的质量和消费者的接受度。
2 植物蛋白凝胶的构建方法
2.1 水凝胶
植物蛋白水凝胶具有良好的保水性、黏着性,能有效模拟动物肉的质地和口感,通过调整其成分和制备方法,可以实现类似肉质的食品口感,提升产品的质地、口感和营养价值,并推动植物肉产品的发展与创新。
2.1.1 物理交联
物理交联是指通过调控凝胶系统中聚合物链的排列方式而形成的凝胶结构,物理交联制备的水凝胶具有可逆性,即三维网络中自由链端的存在可能导致凝胶结构不均匀,使得凝胶稳定性变差,容易受到环境等因素的影响而发生降解[13]。
热诱导水凝胶通过温度敏感性实现了凝胶的形成和转变,当温度达到变性温度时,植物蛋白亚基解离,疏水性基团暴露在分子表面,疏水相互作用和静电力增加,聚集体在冷却过程中再生氢键,促进蛋白质交联形成稳定的三维网络,形成过程如图1所示。朱秀清等[14]使用酸性偏移结合热诱导对大豆分离蛋白进行微凝胶化改性,发现75 ℃凝胶乳化活性、乳化稳定行以及持水性显著提高,这一特性可帮助植物蛋白凝胶模拟肉的质地和口感。此外,REN等[15]研究了热诱导豌豆蛋白凝胶的微观结构和流变性能之间的联系,发现热诱导豌豆蛋白凝胶的性质可由钙的添加和pH调节控制,这为植物基肉的热诱导凝胶调制提供了新方向。然而,热诱导方法难以精确调控凝胶的质地,还需严格控制热处理条件并结合其他变量,以适应不同的产品需求。
图1 热凝聚诱导水凝胶的形成过程
Fig.1 The formation process of hydrogels induced by thermal condensation
高压处理通过外部施加的压力或调节环境条件,改变植物蛋白质的结构和相互作用,使蛋白质分子间相互作用增加,促进凝胶形成。压力处理会导致蛋白质发生变性和不同程度的聚集或凝胶化[16]。SIM等[17]在16 g/100 g水的豌豆蛋白含量和250 MPa压力的条件下成功形成了凝胶,强调了高压处理过程中的蛋白质浓度和施加压力的水平对食品纹理和结构的调控有效性,但该实验并未全面分析凝胶的其他性能如口感、稳定性或与其他成分的相互作用,限制了对其应用潜力的全面评估。
ZHANG等[18]采用高压处理(300、600 MPa)并结合聚丙烯酰胺,成功诱导了豌豆蛋白凝胶的形成。这一研究拓展了高压处理在植物蛋白加工中的应用潜力,通过利用植物蛋白的优异保水性,提升了食品的多汁性和口感。
2.1.2 化学交联
化学交联是指利用酸、离子或酶等化学物质的作用诱导植物蛋白凝胶的形成。为提高凝胶性能,通常加入特殊交联剂(如谷氨酸、木糖醇),这些添加剂能增加凝胶网络的多孔和纤维结构,从而缩小植物蛋白与动物蛋白在分子结构上的差异,增强对真实肉质结构和质地的模拟。例如,部分酶类(转谷酰胺酶)作为交联剂[19],也可以增强植物蛋白水凝胶的交联强度,形成更加紧密三维网络结构水凝胶。此外,LI等[20]发现多种物质(长链菊粉、微晶纤维素和葡萄糖内酯)共同交联形成杂交水凝胶不仅提高了乳化香肠的咀嚼性与组织强度,还增加了凝胶内部孔隙结构的密度,这表明交联剂的选择和组合对改善植物蛋白基质的性能具有重要作用。
2.2 乳液凝胶
乳液凝胶是一种柔软的固体,可以表现出类似乳化肉制品中脂肪的物理行为[21],并且具有优良的稳定性。乳液凝胶通常由稳定的蛋白质乳液作为基质,这些蛋白质在油水界面吸附并稳定油滴,形成稳定的乳液体系。通过加热、pH调节、交联剂或酶促反应,可以诱导蛋白质分子间形成紧密的交联网络,从而稳定地包裹油滴,形成乳液凝胶。这种凝胶在模拟肉类制品中具有重要应用价值,为植物基食品提供了质感优良且稳定的解决方案。
2.2.1 直接乳化法
直接乳化法是指通过将植物蛋白直接乳化在水相中形成乳液,并通过加热、pH调节或添加交联剂等方式使其凝胶化,从而改善植物肉的质地和口感,制备机理如图2所示。
PAGLARINI 等[22]发现使用大豆分离蛋白制成的乳液凝胶能极大程度地模仿香肠配料中的猪背脂肪,提升产品的咀嚼性与弹性。TAN等[23]发现高浓度RuBisCo(一种广泛存在的植物来源蛋白质)可溶解形成强乳液凝胶,模仿鸡肉的质地属性。直接乳化法简单高效,通过控制乳化条件调节凝胶的质地和形态,但在乳化过程中可能会产生蛋白质聚集或凝固不均匀的问题。
图2 直接乳化法制备植物蛋白乳液凝胶的过程
Fig.2 The process of preparing vegetable protein emulsion gels by direct emulsification
2.2.2 双重乳化法
双重乳化法是指先将植物蛋白乳化在油相中,形成内部乳液,然后再将内部乳液乳化在水相中,形成外部乳液,最后通过加热或其他处理使其凝胶化,这种方法可以在植物蛋白中包裹油脂或其他添加剂,提高植物肉的感官特性和风味。
双重乳化法可以有效包裹油脂等成分,保护植物肉中活性成分[24],以及改善口感和风味,但操作相对复杂,生产成本较高,常见的几种乳化方法优缺点如表1所示。
表1 常见5种双重乳液制备方式优缺点
Table 1 Advantages and disadvantages of five common preparation methods of double lotion
方法分散性液滴大小/μm优缺点参考文献一步乳化法多分散>1 简单方便,成本低;乳化效果不稳定,无法达到理想乳化效果[25]两步乳化法多分散1.3～1.6改善乳化效果和稳定性;粒径尺寸无法控制,工艺复杂[26]膜乳化法分散窄>30颗粒大小和分布控制准确,产生稳定的乳液;设备成本高,操作难度大,对液体的流变特性有要求[27]微流控乳化法单分散 >100高效乳化,产生颗粒大小均一和分布窄;设备成本高,操作技术要求高,对流体性质和黏度敏感[28]超声乳化法多分散>10操作简单快速,颗粒尺寸较小,乳化效果较好;包封效果较差,液滴分散[29]
2.3 油凝胶
油凝胶是凝胶剂将液态油脂转变为固态结构的产物,凝胶剂通过吸附油脂分子和相互作用稳定油脂,形成凝胶特性的结构,但目前植物蛋白油凝胶在肉制品中的应用尚属新颖,相关研究仍较少[30]。然而植物蛋白油凝胶有望作为一种重要的脂肪替代物在植物肉制品的开发中发挥重要作用,其中乳液模板法是一种关键的制备方法。
乳液模板法通过加热或其他交联方法促使蛋白质分子聚集形成凝胶网络结构,能控制植物蛋白质和植物油的相互作用,为植物蛋白油凝胶的制备提供了一种有效且可控的途径,制备原理如图3所示。
WANG等[31]采用乳液模板法以玉米醇溶蛋白为油凝胶因子,采用不同不饱和度的油脂制备食用油凝胶,发现植物蛋白油凝胶有巨大潜力成为响应系统封装和控制释放的活性成分。乳液模板法用于制备植物蛋白油凝胶在植物肉领域的研究相对较新,但同时也面临乳液稳定性和成分适配性等挑战,需要进一步的优化和技术发展。
图3 乳液模板法制备植物油凝胶工艺[31]
Fig.3 Preparation of vegetable oleogel by emulsion template method [31]
2.4 双凝胶
双凝胶系统作为一种潜在的脂肪替代品,通常由水凝胶和油凝胶相组成,相对于传统的硬质脂肪和油凝胶,双凝胶系统的总脂肪含量较低[32]。这种双凝胶系统可用于替代动物脂肪,提供更优质的脂肪酸,并降低脂肪的含量,在食品科学领域引起了广泛的关注[33]。GONÇALVES等[34]使用马铃薯蛋白基水凝胶与小烛树蜡基油凝胶开发植物基双凝胶,发现通过改变油凝胶与水凝胶的比例,可以调整双凝胶的硬度和流变性质,这一发现拓展了双凝胶在各类食品中的创新应用。虽然植物蛋白双凝胶复杂的体系会导致对植物基肉产品质地、弹性和保水性的评估造成挑战,但考虑到可以通过不同的凝胶配方和比例来定制产品,满足不同的消费需求和口味偏好,提高植物基肉的产品品类,植物蛋白双凝胶有望为植物肉产品的改进和可持续发展做出重要贡献。
3 植物基肉制品的构建技术
单纯构建植物蛋白凝胶难以有效模拟动物肉,在加工过程中选择适当的构建方法(表2),将油分或油凝胶加入蛋白混合物中可以制备含固体脂肪的植物肉,进一步优化植物肉的组织结构特征,尽管该技术在应用方面研究相对较少,但其具有巨大的潜力和前景,值得进行深入研究。
表2 植物蛋白凝胶构建植物肉的方法及优缺点
Table 2 Methods and their advantages and disadvantages of constructing plant meat with plant protein gel
构建技术加工精度产品性能优缺点参考文献挤压技术高精度 结构均匀稳定,体积大生产效率高,规模大;结构控制能力有限[31]3D打印高精度 纹理细节,质感层次高支持定制复杂形状和细节的产品;生产相对较慢,设备和原材料成本高[35]纺丝技术高精度 结构高度纤维化可连续高质量生产;难以形成复杂的三维结构,技术水平要求高[36]冷凝胶化低至中等精度柔软性与弹性较高设备和材料成本低,工艺简单直接;高温或长时贮存不稳定,只适用于少量生产[37]高压处理中等精度 凝胶质感与口感较高适用于多种植物蛋白材料,营养保留率高;设备运营成本较高,处理过程复杂[38]
3.1 挤压技术
挤压技术是当前应用最广泛的一种蛋白质纹理材料制备技术。挤压过程中,蛋白分子在挤压和热处理的作用下重新排列并形成交联网络,其结构类似水凝胶网络,在高温高压的作用下,完成了蛋白质的脱链、聚集和聚合过程[31],挤压过程如图4所示。张瑞鑫[40]通过在原料蛋白中添加高谷朊粉并进行挤压加工,观察到原料蛋白的二级结构从α-螺旋向无规卷曲结构的转变,这一变化显著增强了蛋白质三维网络结构的强度,并使其展现出更加明显的弹性固体特性。另一方面,PÖRI 等[41]采用牛肉与豌豆蛋白共挤出的技术,发现加入豌豆蛋白的混合挤出物在减少豌豆特有味道的同时,能赋予产品更加独特的肉类风味。这一技术的创新优化了植物蛋白的风味和质地,使其更接近肉类产品。通过减少单独处理步骤和提高生产效率,降低了生产成本,这种方法不仅可以提高植物基产品的市场接受度,还有助于推动混合型肉制品的发展,拓展植物蛋白在肉类替代品中的应用潜力。
尽管如此,挤压技术在植物蛋白领域的应用仍需深入研究,包括其与各类混合物的相互作用参数相关性,以及植物蛋白因必需氨基酸不全而导致营养价值下降等问题。
1-丝杠驱动电机;2-料斗-干原料进料;3-蠕动盛况-水进料;4-拧入加热桶;5-断路器板;6-冷却横具;7-切割装置。
图4 湿法挤压制作植物肉类的工艺流程图[39]
Fig.4 Process flow diagram of wet extrusion for making plant-based meat[39]
3.2 3D打印技术
3D打印技术是指将呈液态或半流态的植物蛋白凝胶输送至3D打印机内,经由喷嘴挤压并形成所需产品,在挤出过程中,随着加热,原料中的水分或其他溶剂开始蒸发,凝胶逐步向固态过渡,此时其形状与结构得以稳固,打印过程如图5所示。一般而言,随着各层的逐步叠加,蛋白质分子间的氢键相互作用逐渐塑造出肉类的质感,而二硫键的形成则增强了产品的纤维状结构[43,35]。这些变化共同作用,使得凝胶的形态随打印过程的进展而演变,最终累积形成具有植物肉特有的细节与结构特征。
然而,3D打印的方法尚未广泛应用,其中一个原因是植物蛋白凝胶网络的聚集可能会堵塞打印机喷嘴,导致结构分层。LILLE等[44]证明了加入纤维素纳米纤维可以改善3D结构的形状稳定性,同时减少尖端的堵塞,从而获得最佳的印刷效果。此外,一些研究者证明在原料中引入表面活性生物聚合物可以使原料更容易从喷嘴尖端挤出[45],进一步优化了3D打印的效果。
图5 3D打印制备植物肉工艺流程图[42]
Fig.5 3D printing process flowchart for preparing plant-based meat[42]
3.3 纺丝技术
通过纺丝技术得到的蛋白质纤维丝,可以被看作具有丝状结构的蛋白凝胶,在这一过程中,植物蛋白和水的混合物经过特定的纺丝工艺,如湿纺、干纺或静电纺丝等,被挤压出来并在凝固水浴中形成细长的蛋白质纤维。这些纤维在凝固的过程中,蛋白质分子重新排列形成稳定的网络结构[36],网络内部固定一定的水分,形成凝胶状的结构。这种技术能有效模拟肉类产品的质感和嚼劲,提升口感层次和风味表达,为植物基肉类产品的开发提供了重要解决方案。
在湿法纺丝技术中,喷丝头将高黏度的聚合物溶液喷出,进而通过纤维的排列和拉伸过程形成细丝,该过程的机制如图6所示。
在纺丝的各个阶段中,新形成的纤维需经由酸、盐或碱的凝固浴处理以实现硬化。此过程产生的废液量较大,需经过适当的处理以确保其能够被安全排放或进行回收再利用,从而减轻对环境的负担。这对于确保湿法纺丝技术的环境可持续性至关重要。
静电纺丝技术是指利用高黏度的碱性蛋白溶液,通过挤压喷嘴形成细小的流体射流。在喷丝板的作用下,该流体射流经历结构变化并在凝固过程中形成纤维。这个过程通可以连续地生产出纳米级别的纤维,MANSKI等[47]通过纤维挤压技术,开发了结构和物理化学特性经过优化的大豆蛋白基纤维,采用特殊配方来创新植物肉产品。同时,已有研究表明,小麦面筋可以与聚合物结合,通过电纺丝技术实现纤维的制备[48]。静电纺丝技术能有效提升植物基材料的功能性和应用范围,在植物蛋白基纤维的结构改良和性能开发中展现了显著的潜力,并为植物肉产品的开发提供了新的途径。
然而,纺丝技术制作植物蛋白肉的成本相对较高,涉及到高黏度蛋白液的处理、酸性凝固液体的制备以及其他复杂的生产工艺。尽管静电纺丝技术在植物蛋白肉的制备中具有潜力,但需要解决成本、原料质量、工艺复杂性以及环境友好性等方面的问题,以提高其产业化的可行性和效率[49]。
图6 湿法纺丝生产植物蛋白复合纤维的工艺流程图[46]
Fig.6 Process flow diagram for producing plant protein composite fibers through wet spinning[46]
4 总结与展望
植物蛋白凝胶通过交联技术形成的三维网络结构,可有效模拟动物肉质的纹理和口感,成为植物肉的核心组成部分,具有良好的结构稳定性、功能性和营养价值。运用新型加工技术优化凝胶结构,有助于突破植物肉质地和口感的技术瓶颈,增强凝胶的纤维化效果,同时探索不同植物蛋白源及其交联机制,提高产品的质量和消费者接受度,可以推动植物基食品行业的发展。然而,植物蛋白凝胶在实际应用仍面临显著技术挑战：加工技术的调整和优化;原料成分适配性的提高;营养价值和功能性提升。总体来说,植物蛋白凝胶的研发和应用具有广阔的前景,它不仅能改善植物肉的感官属性和营养价值,还能推动食品行业向可持续、健康的方向发展。通过不断解决当前面临的技术挑战,植物蛋白凝胶有望在未来的食品工业中占据重要地位。
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