通过微流控技术和酶解多糖水解来改善螺旋藻生物体的发泡性能，以替代蛋糕中的蛋清

《Food Hydrocolloids》：Enhancing the foaming properties of spirulina biomass via microfluidization and enzymatic polysaccharide hydrolysis for egg white substitution in cakes

　　

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  高压微流化（HPM）处理破坏了螺旋藻的细胞壁，使其发泡能力提高了42.86%。
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  蛋白质有助于发泡，而≤30%的多糖则能提高泡沫的稳定性。
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  从螺旋藻生物量中提取的部分成分被用作部分蛋白的替代品。
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  经过HPM-PE处理的螺旋藻生物量成分可以替代50%的蛋白。
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  开发出一种含有螺旋藻的蛋糕，具有良好的感官接受度和营养价值。

引言

鉴于全球食品系统迫切需要向绿色、低碳的模式转型，用光合生物资源（如微藻）替代动物源性成分已被认为是减少食品生产环境影响的重要途径（Ibrahim等人，2026年）。螺旋藻（Arthrospira platensis）是一种可高密度培养且不需要占用耕地的可食用微藻，富含蛋白质、藻类多糖、不饱和脂肪酸和藻蓝蛋白等多种功能性成分，天然具有替代动物源性成分的潜力（Ampofo和Abbey，2022年）。值得注意的是，当前的研究不再仅仅局限于简单的蛋白质替代，而是专注于将螺旋藻生物量以粉末、浆液或颗粒的形式直接应用于汉堡饼等动物基产品原型中，如乳制品替代品和蛋白替代品。这种“生物量替代”方法与充分利用资源和清洁标签产品的原则高度契合。在许多动物源性成分中，蛋白因其出色的发泡能力而赋予了如蛋糕等膨松烘焙食品轻盈、蓬松的质地。然而，蛋生产对环境的高影响、供应的波动性（Razi等人，2023年；Tian等人，2024年）以及过敏问题，使得探索使用螺旋藻生物量替代蛋白成为未来应用的一个有前景的方向。

现有的使用螺旋藻替代动物源性成分的研究通常采用一种技术方法，即首先提取其蛋白质成分，然后利用其功能性。先前的研究表明，螺旋藻蛋白具有两亲性，能够在气水界面形成粘弹性薄膜，并且这种薄膜在20分钟内保持稳定；此外，其在广泛pH范围内的发泡能力和泡沫稳定性优于乳清蛋白（Buchmann等人，2019年；Guo等人，2024年）。然而，这种基于分馏的方法可能无法充分开发螺旋藻生物量作为综合食品资源的潜力。如果不预先提取或纯化其各个成分，直接处理生物量可以降低加工成本，同时保留天然存在的蛋白质、糖蛋白、脂类和其他功能性成分的综合贡献。因此，开发一种适当的生物量处理策略，既能释放这些功能性成分，又能保留螺旋藻的营养价值，对于将其作为发泡食品中的蛋白替代品尤为重要。

然而，未经处理的螺旋藻生物量存在两个主要障碍，阻碍了有效的泡沫形成。蛋白质等功能性成分被包裹在由肽聚糖、β-1,2-葡聚糖和酸性多糖-糖蛋白组成的坚固的四层细胞壁中，形成了阻碍细胞内表面活性剂释放及其在气液界面吸附的强大物理屏障，从而降低了发泡能力（Chen等人，2020年；Encinas等人，2025年）。生物量中天然存在的高分子量多糖在高比例替代蛋白时会导致粘度急剧增加，阻碍了打发过程中的空气混入（Luo等人，2023年）。这严重限制了螺旋藻生物量在海绵蛋糕等发泡食品中的实际应用。

为了克服这些限制，高压微流化（HPM）是一种非热物理处理技术，它通过高速将流体通过狭窄的相互作用室，产生强烈的剪切力、空化作用和冲击力，有效破坏微藻的细胞壁，减小颗粒尺寸，并改变蛋白质构象（Guo等人，2020年；Morales-Medina等人，2024年）。研究表明，HPM可以有效地破坏小球藻的细胞壁，使其平均颗粒尺寸从3.56微米减少到0.35微米，并显著增加了叶黄素的释放量（Hyun等人，2011年）。Sahil等人（2025年）发现，对紫苏蛋白进行HPM处理后，通过解离大颗粒显著提高了蛋白的溶解度和发泡性能。然而，单独使用HPM通常无法解决由于多糖导致的高粘度引起的发泡抑制问题。为了解决这个问题，本研究进一步引入了酶水解技术，利用糖苷酶特异性切割多糖中的糖苷键，选择性地降解导致高粘度的高分子量多糖（Shi等人，2023年）。这降低了连续相的粘度，从而创造了泡液悬浮所需的多孔条件。

基于此，本研究创新性地提出了一种结合高压微流化和酶水解的改性策略，旨在提高使用处理后的螺旋藻生物量替代高比例蛋白的可行性。通过分析界面性质、发泡行为以及从面糊到成品蛋糕的质量特性，本研究揭示了这种复合改性对螺旋藻生物体功能性的影响，并评估了使用这种生物量衍生材料替代蛋白的可行性，为开发高营养价值的植物基烘焙食品提供了理论基础。

部分摘录

材料

螺旋藻粉从青海省伟维食品科技有限公司（中国乌海市）购买，蛋白质含量约为64.61%，总糖含量约为9.55%。鸡蛋、蛋糕粉、蔗糖和植物油均为食品级商业产品。纤维素酶（20,000 U/g）和果胶酶（30,000 U/g）来自南宁市庞博生物科技有限公司。氯化钠、磷酸盐缓冲液（PBS）、无水乙醇及其他试剂均为分析级。

悬浮液的发泡性能和气泡尺寸分布

在不同HPM条件下处理螺旋藻悬浮液后，所有处理组的发泡能力均优于对照组（图1A）。200 MPa-1组的发泡能力最高（98.04%），比对照组提高了42.86%，与130 MPa-3组没有显著差异。这种增强可能是由于两亲性表面活性物质（如藻蓝蛋白和极性脂质）的释放增加所致

结论

本研究开发了一种高效利用高压微流化结合酶水解的螺旋藻发泡系统，并将其应用于蛋糕制备。HPM处理有效地破坏了螺旋藻的细胞壁，促进了细胞内蛋白质在界面上的吸附，从而形成了细腻均匀的气泡。与未处理组相比，HPM处理后的螺旋藻悬浮液的最终表面张力和接触角分别降低了6.46%和13.86%

CRediT作者贡献声明

Dan Qiu：撰写 - 原始稿、软件开发、实验设计。Xueyi Li：实验研究。Xiangning Lu：数据分析。Kangning Wang：数据分析。Zifang Zhao：资源获取。Adewale Olusegun Obadina：方法学设计。Yongliang Liu：可视化分析。Yuhao Sun：概念构思。Yuanhui Zhao：方法学设计。Guangxin Feng：撰写 - 审稿与编辑、监督。Haohao Wu：撰写 - 审稿与编辑、监督。

伦理委员会声明

本研究使用了人类受试者进行感官评估。“该研究已由中国海洋大学食品科学与工程学院伦理委员会审查并批准，在受试者参与研究前获得了他们的知情同意。”

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32272240）、海口市重大科技项目（编号：2023-001）、国家自然科学基金（编号：32402022）以及

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Dan Qiu|Xueyi Li|Xiangning Lu|Kangning Wang|Zifang Zhao|Adewale Olusegun Obadina|Yongliang Liu|Yuhao Sun|Yuanhui Zhao|Guangxin Feng|Haohao Wu