酶解豆类蛋白对植物基酸奶替代品凝胶动力学与流变特性的影响机制研究

本研究针对植物基酸奶替代品(PBYA)质地过硬、口感不佳等问题，探讨了豌豆(PPI)和扁豆(LPI)蛋白及其酶解产物(PPH/LPH)对发酵凝胶形成过程、流变特性及润滑性能的调控作用。结果表明部分酶解(～1%水解度)虽降低了凝胶硬度，但显著改善了产品表观质地光滑度，同时通过LAOS(大振幅振荡剪切)和摩擦学分析揭示了其独特的流变学指纹图谱。该研究为改善植物蛋白酸奶质地提供了新方向。

　　

随着消费者对可持续食品需求的增长，植物基酸奶替代品(Plant-Based Yogurt Alternative, PBYA)市场迅速扩张。然而当前市场产品存在显著技术瓶颈：主要原料如豌豆(Pea Protein Isolate, PPI)和扁豆蛋白(Lentil Protein Isolate, LPI)在pH 4-7范围内溶解度差，导致最终产品质地过硬、弹性模量过高，且润滑性能不佳严重影响口感体验。更棘手的是，脉冲蛋白形成的凝胶易出现乳清析出(syneresis)问题，这些因素共同制约了植物基酸奶的品质提升和市场接受度。

为突破这些技术壁垒，北卡罗来纳州立大学食品流变学实验室的Usman Amin和Haotian Zheng团队在《Food Hydrocolloids》发表了创新性研究。他们采用部分酶解技术(～1%水解度)处理PPI和LPI，获得相应水解产物(PPH和LPH)，通过发酵工艺制备PBYA，并系统比较了不同蛋白原料对产品凝胶动力学、流变特性和摩擦学行为的影响。

研究采用多种先进技术手段：通过时间扫描监测发酵过程中溶胶-凝胶转变过程，确定凝胶时间点(t_gel)和凝胶速率常数；利用不同溶剂体系(S1-S4)解析凝胶中离子键、氢键、疏水相互作用和二硫键的贡献率；采用激光衍射技术测定颗粒粒径分布(PSD)；通过振幅/频率扫描和大型振幅振荡剪切(LAOS)获取全谱流变学指纹；采用双球几何结构摩擦仪分析润滑特性；结合共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察凝胶微观结构。

在凝胶动力学方面，研究发现豌豆蛋白基PBYA的凝胶形成时间(～20分钟)显著短于扁豆蛋白基产品(～50分钟)，这与其较高的11S/7S比例相关。部分酶解虽未改变凝胶时间，但显著降低了凝胶结构演化速率，PPH和LPH的凝胶速率常数分别从652 Pa·h^-1和212 Pa·h^-1降至115 Pa·h^-1和26 Pa·h^-1。在终点pH 4.3时，水解样品凝胶硬度显著降低，PPH和LPH的存储模量(G′)分别从816 Pa和394 Pa降至303 Pa和85 Pa。

凝胶相互作用与物理稳定性分析揭示了关键机制：疏水相互作用是稳定PBYA凝胶结构的主导力量，而部分酶解增加了其他分子间作用力（静电、氢键和二硫键）。尽管相互作用增强，但PPH和LPH制备的PBYA却表现出更小的凝胶粒径和更高的乳清析出率。CLSM显微图像显示，酶解样品凝胶网络中出现更大血清区域，结构连续性被破坏。

流变学特性研究获得了深入发现：在线性粘弹性范围内，所有PBYA样品都表现出较低的极限粘弹性应变(γ_LVE: ～4-5%)，表明凝胶结构较弱。酶解进一步降低了扁豆蛋白基PBYA的γ_LVE值。在LAOS区域(>200%应变)，所有搅拌型PBYA在低振荡频率(0.1 rad·s^-1)下表现为理想塑性材料，而在10 rad·s^-1频率下则呈现Bingham塑性特征。这一现象在蛋白水解物制备的PBYA中更为明显，表明部分酶解显著改变了PBYA的LAOS流变学行为。

摩擦学特性研究揭示了有趣现象：所有PBYA在静态区域和弹性流体动力润滑(EHL)区域的摩擦系数相似，但在混合区域，LPH-PBYA表现出独特的"润滑-摩擦-润滑"过渡行为。这种特殊的摩擦曲线模式与凝胶颗粒体积分数和粒径大小密切相关，CLSM观察到的更分散的凝胶颗粒分布解释了这一现象。

尽管酶解处理降低了凝胶物理稳定性和结构强度，但表观质地评价显示，PPH和LPH制备的PBYA具有更好的背勺光滑度和光泽度外观，LPH显著改善了LPI-PBYA的沙质感外观。

本研究通过多尺度分析揭示了酶解处理对植物蛋白酸奶品质的双重影响：一方面，部分酶解(～1% DH)通过产生更小分子量肽段和形成更小蛋白质聚集体，削弱了凝胶连接区(junction zones)强度，导致凝胶硬度降低和脱水收缩增加；另一方面，酶解处理增加了非疏水相互作用，促进了更致密的蛋白质聚集体形成，改善了产品表观质地。研究发现的LAOS流变学指纹与摩擦学行为之间的关联为植物基酸奶质地精准调控提供了新思路，频率依赖性的流变学特征为产品口感预测建立了新指标。

该研究的重要意义在于首次系统阐明了豆类蛋白酶解产物在发酵凝胶体系中的构效关系，建立了从分子间作用力、微观结构到宏观流变特性的完整解析路径。提出的"两阶段凝胶构建"模型（凝胶构建块主要由非疏水力稳定，而凝胶连接区主要由疏水相互作用介导）为植物蛋白凝胶设计提供了新理论框架。研究发现的部分酶解改善表观质地但同时降低凝胶稳定性的"权衡效应"，为未来通过复合改性技术协同提升植物基酸奶品质指明了方向。