综述：在豆类作物中培育植物性蛋白质：前景、挑战与机遇

《Crop Science》：Breeding for plant-based proteins in pulse and legume crops: Perspectives, challenges and opportunities

植物蛋白因人口增长和可持续需求增加，脉冲作物如豆类和豌豆通过育种提高蛋白质含量和质量，应用在食品工业中，但需解决加工中的功能性和安全性问题。

　　随着全球人口预计在2050年达到至少100亿，对蛋白质的需求正变得日益紧迫。这一增长趋势推动了植物蛋白作为动物蛋白替代品的市场潜力，也促使科学家和农业从业者重新审视植物蛋白的开发与利用。植物蛋白不仅在营养上具有优势，而且在环境可持续性和伦理考量上也显得更加重要。从消费者行为到农业政策，从食品科学到基因组学，这一转型涉及多个领域的合作与创新。

### 植物蛋白市场与需求增长

植物蛋白市场近年来迅速扩大，2023年的市场规模达到了153亿美元，预计到2033年将增长至约261亿美元，年复合增长率约为5.3%。这种增长主要受到多种宏观因素的推动，包括消费者对健康和可持续饮食的关注、动物蛋白生产对环境的影响以及全球范围内对动物福利的重视。与此同时，农业政策和经济因素也在影响植物蛋白的生产与贸易，例如印度的“农民收入翻倍”政策和加拿大、中国等国家对进口豆类的关税调整，均显示出国家在推动植物蛋白生产方面的努力。

### 植物蛋白的挑战与机遇

尽管植物蛋白具有较高的营养价值，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，一些植物蛋白含有抗营养因子，如多酚（包括单宁酸）、凝集素、皂苷和酶抑制剂，这些成分会降低蛋白质的消化率。此外，植物蛋白在硫氨基酸（如蛋氨酸和半胱氨酸）和色氨酸方面的含量通常较低，限制了其作为单一蛋白质来源的营养价值。而这些限制可能通过基因改良和育种手段加以改善。

另一个重要的挑战是植物蛋白的风味问题。许多豆类具有“豆腥味”或“草腥味”，这通常与挥发性有机化合物有关，尤其是在脂肪酸氧化过程中产生的化合物。这些风味可能影响消费者的接受度，从而限制植物蛋白在食品工业中的应用。为了解决这一问题，食品工业开发了一些工业处理技术，如热处理和非热处理方法，但这些方法有时会影响蛋白质的功能特性，如溶解性、起泡性和乳化性。

### 植物蛋白的育种潜力

为了克服上述挑战，植物育种在提升植物蛋白的含量、质量、结构和功能特性方面具有巨大潜力。许多研究已经揭示了豆类蛋白的遗传基础，例如在豌豆中，研究者通过基因组学和基因表达分析，发现了多个与蛋白质含量和氨基酸组成相关的数量性状位点（QTL）。这些发现为育种者提供了重要的遗传信息，使得他们能够在育种过程中选择出具有更高蛋白质含量和更好功能特性的品种。

此外，基因编辑技术如CRISPR-Cas9在植物蛋白改良中也显示出巨大前景。通过直接修改与蛋白质合成相关的基因，研究人员可以提高蛋白质含量，降低抗营养因子，如凝集素和皂苷，从而改善植物蛋白的营养价值和功能性。同时，这些技术还可以用于增强豆类的抗逆境能力，如耐旱性和耐热性，这对全球范围内作物种植的适应性至关重要。

### 植物蛋白在食品工业中的应用

植物蛋白在食品工业中的应用日益广泛，涵盖了从肉类替代品到乳制品、饮料、烘焙产品等多个领域。例如，豌豆蛋白因其高溶解性和低过敏性，成为食品工业中最常用的植物蛋白之一。此外，一些研究还发现，将豆类蛋白与其他植物蛋白（如小麦蛋白）结合可以提高最终产品的营养价值，从而更好地满足消费者对植物蛋白的需求。

在烘焙行业中，豆类蛋白的使用正在逐步增加。例如，一些研究表明，添加豌豆蛋白或绿豆蛋白可以提高面粉的蛋白质含量，同时改善其功能性，如增加面团的弹性。而在乳制品和饮料领域，豆类蛋白因其高蛋白含量和低脂肪含量，成为替代动物蛋白的重要原料。

### 基因组学与育种策略

随着基因组测序技术的发展，植物蛋白的遗传基础得到了更深入的理解。例如，豌豆的基因组已经完成测序，使得研究人员能够更准确地识别与蛋白质含量相关的基因和调控因子。这不仅有助于育种者选择出优良基因型，还为未来的分子育种提供了技术支持。

此外，一些研究还表明，环境因素对植物蛋白含量和质量有显著影响。例如，在豌豆中，蛋白含量会因生长环境的不同而变化，这提示育种者需要在多环境试验中评估蛋白质含量和质量，以确保新品种在不同地区都能保持稳定的高蛋白含量。

### 植物蛋白的未来发展方向

植物蛋白的未来发展将依赖于多学科的协作，包括植物育种、基因组学、食品科学、农业工程等。通过结合先进的育种技术，如分子标记辅助选择（MAS）和基因组选择（GS），可以更高效地培育出具有高蛋白含量和良好功能特性的植物品种。同时，利用基因编辑技术，可以进一步优化植物蛋白的组成，提高其营养价值和应用潜力。

此外，植物蛋白的市场潜力还取决于其在食品工业中的应用。随着消费者对植物蛋白产品的需求增加，食品工业也在不断创新，开发出更多样化的植物蛋白食品，如植物肉、植物奶、植物面包等。这些产品不仅满足了消费者对健康和可持续饮食的需求，还为植物蛋白的商业化提供了新的机会。

### 植物蛋白的可持续性与社会影响

植物蛋白的可持续性不仅体现在其生产过程中对资源的高效利用，还在于其对社会和经济的潜在影响。例如，豆类作物的种植和加工可以为发展中国家的农民提供收入来源，促进农业经济发展。同时，豆类作物的种植还可以减少对土地和水资源的压力，有助于应对全球气候变化和粮食安全问题。

然而，植物蛋白的推广也面临一些挑战，包括消费者对植物蛋白的接受度、生产成本、以及如何在保持高蛋白含量的同时提高作物产量。因此，未来的植物蛋白研究需要综合考虑这些因素，开发出更加经济、高效和可持续的植物蛋白来源。

### 结论

植物蛋白作为动物蛋白的替代品，正在成为全球食品市场的重要组成部分。随着消费者对健康和可持续饮食的关注增加，以及农业政策和技术的进步，植物蛋白的市场潜力将持续扩大。然而，要实现这一潜力，还需要在育种、加工技术和市场推广等方面进行持续的努力和创新。通过多学科的协作和先进技术的应用，植物蛋白有望在未来成为全球食品供应的重要支柱。