冷冻排列技术制备大豆蛋白基人造肉的冰晶尺寸控制：实验与模型构建

本研究针对植物基人造肉(PBMA)质地调控难题，创新性地采用冷冻排列技术，通过空气喷射与平板冷冻两种方式(-10°C至-80°C)调控冰晶尺寸。结合有限元模拟与实验数据，建立经验方程L* = 201.77R-0.03G-0.30（预测误差14.74%），证实低温(-80°C)与高速冷冻可获最小冰晶(77μm)。该模型为优化冷冻工艺提供理论工具，发表于《Food Structure》。

　　

冷冻技术革新植物肉质地：冰晶调控的科学与艺术
全球肉类短缺与环境压力催生了植物基人造肉(PBMA)的蓬勃发展，但如何复刻动物肉的纤维质地始终是行业痛点。传统挤出法常导致产品干硬，而新兴的冷冻排列技术(freeze alignment)通过定向冰晶生长形成类肉纤维结构，成为破局关键。日本研究团队通过系统研究冷冻参数对大豆蛋白凝胶的影响，首次建立了冰晶尺寸的定量预测模型，为工业化生产提供精准调控工具。

研究采用空气喷射(air blast)与平板冷冻(plate freezing)两种方式，在-10°C至-80°C范围内调控冷冻前沿速率(R)和温度梯度(G)。通过有限元模拟与显微测量相结合，发现冰晶尺寸(L*)与R、G存在幂律关系，经验方程L* = 201.77R^-0.03G^-0.30的预测误差仅14.74%。-80°C高速冷冻可获得77μm的微小冰晶，显著优于-10°C时的209μm。

关键实验技术

1. 双向冷冻系统：空气喷射(多向热交换)与平板冷冻(单向传导)对比
2. 有限元模拟：计算温度场分布与冷冻前沿动力学参数
3. 低温显微技术：冰晶形态定量分析

研究结果
Materials
采用富士油工SPI(86.3%蛋白)与海藻酸钠构建凝胶体系，模拟真实PBMA基质。

Freezing temperature profiles
平板冷冻因单向热传导产生更高温度梯度(G)，而空气喷射的多向散热导致更均匀但较慢的冷冻速率(R)。-80°C条件下R值可达-25°C/min，比-10°C(-2°C/min)提升12.5倍。

Conclusion
温度梯度(G)对冰晶尺寸的影响系数(-0.30)远大于冷冻速率(R)的(-0.03)，表明精准控制热传导方向比单纯提高降温速度更重要。该发现颠覆了传统冷冻工艺的认知框架。

意义与展望
该研究首次建立冷冻参数与冰晶尺寸的定量关系，破解了纤维结构可控生长的核心难题。通过优化G/R比值，可定向制备77-209μm的冰晶模板，进而调控蛋白纤维的排列密度与力学性能。相较于耗能的细胞培养肉，这种物理调控方法更符合可持续食品生产需求。论文通讯作者Kyuya Nakagawa指出，该模型可扩展至豌豆蛋白、小麦面筋等体系，为下一代植物肉开发提供普适性方法论。未来研究将聚焦冰晶形貌与蛋白纤维取向的耦合机制，进一步逼近动物肌肉的层级结构特征。