高湿挤压下豌豆蛋白与培养牛肉共混体系的质构调控与功能增效研究

《Food Hydrocolloids》：High Moisture Extrusion Based Texturization and Functional Modulation of Pea Protein Isolate through Integration with Cultivated Beef

本研究针对当前植物基肉制品质构与风味不足的瓶颈问题，创新性地将少量培养牛肉细胞与豌豆分离蛋白通过高湿挤压共混，系统探究了其对挤出物微观结构、质构特性及风味释放的调控作用。结果表明，10%培养牛肉的添加可显著增强蛋白质交联网络，提升持水持油能力达67倍，并有效降低豌豆蛋白的关键异味标志物释放达30%，为开发高品质杂化蛋白肉类似物提供了新策略。

　　

随着全球人口增长和收入水平提高，对肉类产品的需求持续攀升，预计到2050年将增长50%以上。然而，传统的畜牧业生产模式面临着严峻的挑战，其贡献了全球14.5%的人为温室气体排放，占据了77%的农业用地，并对水资源和生物多样性造成巨大压力。为了应对气候变化对食物系统的冲击，并可持续地满足未来的蛋白质需求，开发替代蛋白质来源已成为当务之急。植物基肉类似物作为替代蛋白的重要载体，被寄予厚望。其中，高湿挤压技术是目前最成熟、最具成本效益且可规模化生产植物蛋白纹理化产品的方法。豌豆蛋白因其较低的环境足迹、优异的土壤固氮能力及健康益处，成为一种极具潜力的植物蛋白来源。然而，尽管技术不断进步，当前市售植物基肉制品在口感和质构上仍与真实肉类存在差距，其欠佳的风味和质地成为阻碍市场增长的主要障碍。

另一方面，细胞培养肉作为一种新兴的替代蛋白技术，具有饲料转化率高、生产周期短等根本优势。然而，其规模化生产仍面临挑战，生产成本需要大幅降低才能实现与传统牛肉的价格平价。有趣的是，将不同类型的替代蛋白源进行混合，有望解决单一植物蛋白在质构和风味上的不足。但关于植物蛋白在与其它类型替代蛋白共存情况下的纹理化机理，目前尚缺乏深入的理解。

在此背景下，由Vahid Baeghbali、Stephen R. Euston、Xi He、Manuela Donetti、Osama Maklad和Parag Acharya组成的研究团队，在《Food Hydrocolloids》上发表了一项创新性研究。他们探索了一种新颖的解决方案：将少量培养牛肉细胞与大宗豌豆分离蛋白通过高湿挤压进行共混，旨在探究这种杂化策略如何调控豌豆蛋白挤出物的质构、微观结构及风味特性，以期突破当前植物基肉制品的发展瓶颈。

为了系统评估培养牛肉的添加对豌豆蛋白高湿挤出物的影响，研究人员设计了一套严谨的实验方案。他们以100%豌豆分离蛋白的挤出物作为对照，并制备了两种杂化配方：PCB2和PCB10，分别对应培养牛肉与豌豆蛋白的质量比为2:98和10:90。通过高湿挤压过程，得到了相应的挤出物E-PPI、E-PCB2和E-PCB10。研究团队随后对这些挤出物进行了一系列表征分析，主要包括：通过测定持水能力和持油能力来评估其功能特性；利用表面疏水性和内在荧光光谱分析蛋白质构象变化；采用顺序提取法探究蛋白质间的相互作用力；通过质构剖面分析、切割测试和拉伸测试来量化质构特性；运用大振幅振荡剪切流变学分析材料的非线性粘弹性行为；借助扫描电子显微镜和共聚焦显微镜观察微观结构的演变；最后，利用电子舌味觉传感系统和顶空-全二维气相色谱-飞行时间质谱联用技术分别评估味觉特性和挥发性风味化合物。

3.1. 杂化豌豆蛋白挤出物的功能特性

研究结果显示，培养牛肉的加入显著改变了挤出物的功能性质。随着CB添加量的增加，挤出物的持水能力和持油能力均呈现上升趋势。尤为重要的是，与仅添加2% CB的E-PCB2相比，添加10% CB的E-PCB10样品其WHC和OHC分别提升了约16.7倍和67.6倍。这表明CB的引入极大地增强了蛋白质网络对水和油的束缚能力。此外，表征加工过程中能量输入的特异性机械能分析表明，E-PCB10所需的SME最低，暗示其熔体在挤压过程中表现出更显著的粘弹性行为，这可能与CB细胞内含物的增塑效应有关。

3.2. 挤出物的蛋白质表征

在蛋白质结构层面，通过ANSA荧光探针测定的表面疏水性发现，E-PCB2的表面疏水性最高，表明CB的加入促进了蛋白质分子的展开和疏水基团的暴露。然而，在CB含量更高的E-PCB10中，表面疏水性反而有所降低，这可能是由于随后发生了更广泛的蛋白质聚集或交联，将暴露的疏水区域重新包埋。内在荧光光谱的结果支持了这一推断，E-PCB10在330 nm处的荧光强度显著降低，表明色氨酸残基可能被埋藏在更加致密的聚集态结构中，或发生了更强烈的荧光猝灭。对蛋白质间相互作用力的分析进一步揭示，随着CB添加量的增加，尤其是需要加入二硫苏糖醇才能解离的、由二硫键主导的相互作用比例在E-PCB10中最高。这说明CB的引入，特别是在10%的添加水平下，促进了豌豆蛋白与牛肉蛋白之间形成更牢固的共价交联网络。

3.3. 质构特性的调控

质构分析是本研究的核心。质构剖面分析表明，CB的添加普遍提高了挤出物的弹性、粘聚性和粘附性。然而，对于硬度、咀嚼性和胶粘性等参数，其变化呈现出非单调性：在E-PCB2中这些值有所下降，而在E-PCB10中则显著上升。同时，E-PCB10还表现出更高的韧性、坚实度和延展性。这表明低剂量CB可能干扰了豌豆蛋白固有的刚性交联结构，而高剂量CB则通过形成更强的凝胶网络增强了整体结构的完整性。大振幅振荡剪切流变测试结果与质构数据相互印证。E-PCB10表现出更高的弹性模量，以及在较大应变下更延迟的屈服行为和更强的应变硬化效应，这些都指向其内部形成了更坚固、更富凝聚力的蛋白质网络结构，反映了蛋白质组分之间的相容性或半相容性。

3.4. 微观结构变化的影响

扫描电子显微镜观察直观地展示了CB添加对微观结构的深刻影响。纯豌豆蛋白挤出物E-PPI显示出明显的层状结构和离散的蛋白质原纤维。添加2% CB后，E-PCB2中的原纤维状聚集体变得更加明显。然而，当CB添加量达到10%时，E-PCB10中的原纤维结构基本消失，取而代之的是一个更为致密、均匀的蛋白质网络。共聚焦显微镜的观察结果显示，在经过HME处理后，几乎看不到完整的CB细胞结构，表明细胞在挤压过程中大部分被破坏，其内含物释放并融入了蛋白质基质中。微观结构的这种转变，从多孔、纤维状向致密、均质化的发展，是解释E-PCB10功能性质和质构特性显著增强的关键。

3.5. 异味减少与味觉调控

在风味改善方面，本研究取得了令人鼓舞的结果。对豌豆蛋白中常见的三种关键异味标志物——2-戊基呋喃、己醛和2,4-癸二烯醛的分析表明，与E-PPI相比，E-PCB10中这三种化合物的释放量均显著降低，最高降幅可达30%。电子舌味觉分析进一步证实，E-PCB10的涩味和苦味明显低于E-PPI。异味和不良味感的降低，可能与E-PCB10更为致密的微观结构限制了风味化合物的释放，以及CB组分与豌豆中的涩味单宁、苦味皂苷等物质发生相互作用有关。

3.5. 多变量分析与PCA聚类

主成分分析和层次聚类分析将27个测量参数作为变量，清晰地将三个样品分为两个主要簇：E-PPI和E-PCB2聚为一类，而E-PCB10独自成一类。这表明10% CB的添加引起了样品性质的质变。贡献度分析指出，持水能力、延展性、纹理化程度、持油能力、拉伸阻力、粘附性以及2-戊基呋喃的释放量是区分E-PCB10的关键参数。相关性分析还揭示了质构参数与风味释放之间存在密切联系，例如粘聚性和粘附性与异味化合物的释放呈负相关，这为理解结构-风味关系提供了线索。

综上所述，这项研究首次成功地将高湿挤压技术应用于植物蛋白与培养肉细胞的杂化体系，证明了即使是少量（10%）的培养牛肉添加，也能作为高效的功能性成分，深刻影响豌豆蛋白在挤压过程中的行为及其最终产品的性质。这种影响体现在从分子交联、微观结构演化到宏观质构和风味释放的整个链条上。E-PCB10所展现出的增强的持水性、持油性、机械强度以及降低的异味，标志着在开发高品质杂化蛋白肉类似物方面迈出了关键一步。该策略巧妙地规避了培养肉目前面临的成本与规模化难题，将其定位为提升植物基产品品质的“高价值功能配料”，为替代蛋白产业的融合发展开辟了一条富有前景的新路径。未来的研究可以专注于优化挤压工艺参数，并探索这种杂化策略在其他植物蛋白与替代蛋白组合中的应用潜力。