《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》：The functional role of eggs and plant-based alternatives in cake systems: design considerations based on colloidal and structural dynamics
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鸡蛋在烘焙产品中发挥关键作用，提供起泡（foaming）、乳化（emulsification）和凝胶化（gelation）等基本功能，从而形成结构。传统的鸡蛋替代方法依赖于反复试验，专注于匹配质构和感官特性。然而，由于鸡蛋组分具有多种技术功能特性，且缺乏对其与
鸡蛋在烘焙产品中发挥关键作用，提供起泡（foaming）、乳化（emulsification）和凝胶化（gelation）等基本功能，从而形成结构。传统的鸡蛋替代方法依赖于反复试验，专注于匹配质构和感官特性。然而，由于鸡蛋组分具有多种技术功能特性，且缺乏对其与其他成分相互作用的理解，这些策略效果有限。大多数关于鸡蛋功能性的研究是在简化模型系统中进行的，未考虑加工条件（如混合、烘焙和冷却）对最终产品质量的影响。用植物基替代品替代鸡蛋具有挑战性，因为对鸡蛋特性的机理认知有限，且植物蛋白与面糊组分（如脂质、乳化剂、小麦蛋白和淀粉）之间的相互作用未知。此外，整个加工步骤中物理化学转变过程中形成的关键胶体结构的知识也缺乏。本综述强调需要通过映射蛋糕制作过程中发生的胶体和结构动力学，建立一种连接成分级功能性和蛋糕质量的新方法。研究人员考察了泡沫基（海绵蛋糕）和乳液基（磅蛋糕）系统中的鸡蛋功能性，并评估了植物基替代策略。这项工作提出了一种自下而上的方法，将分子和胶体相互作用与宏观功能性联系起来，为设计鸡蛋替代品提供机理基础。
**胶体动力学在泡沫基和乳液基蛋糕系统中的应用**
蛋糕可根据结构形成机制分为泡沫基和乳液基系统。泡沫基蛋糕（如天使蛋糕和海绵蛋糕）主要依赖小麦粉、糖、鸡蛋和膨松剂，其中鸡蛋组分起关键作用：天使蛋糕仅用蛋清，海绵蛋糕则用全蛋。乳液基蛋糕（如磅蛋糕）通常含高脂肪（>10%），通过添加人造黄油、起酥油或油形成充气乳液。两类系统中，空气的引入和界面稳定依赖于蛋白质、脂质和乳化剂之间的相互作用，但各组分贡献不同。在面糊制备过程中，空气被引入黏性悬浮液，其中含有淀粉颗粒、小麦蛋白、蛋清蛋白、蛋黄脂蛋白、溶解糖，以及脂肪（乳液基系统）。混合时，乳化剂、蛋黄脂蛋白等表面活性成分吸附于新形成的气-水界面，降低表面张力并稳定气泡。蛋清蛋白和小麦蛋白主要留在连续水相中，增加黏度并加固气泡周围的液膜。淀粉颗粒分散并部分水化，进一步提高黏度，限制排水和气泡合并。初始混合步骤对于获得特定面糊密度至关重要，该参数与最终蛋糕质量相关。与面包面团相比，蛋糕面糊含有较高糖和脂肪，抑制面筋网络形成；蛋糕结构完整性更多依赖于热诱导的蛋白质聚集和淀粉糊化，而非机械发展的面筋网络。在烘焙过程中，气泡随蒸汽压力增大而膨胀。蛋黄组分（尤其是低密度脂蛋白（LDL））在界面发生解体和结构重排，释放小复合物和表面活性脂质，使界面膜硬化。同时，化学膨松剂引起的离子强度增加促进蛋黄颗粒分解为小胶束结构，释放高密度脂蛋白（HDL）和卵黄高磷蛋白（phosvitin）至连续相，参与二硫键介导的蛋白质网络，稳定膨胀的气泡。蛋清蛋白可能部分展开，但受蔗糖限制。淀粉颗粒开始膨胀并失去结晶度，形成富含淀粉和富含蛋白质的相，进一步提高黏度。在70–90°C时，淀粉糊化和蛋白质聚集迅速进行，小麦蛋白与蛋清蛋白通过非共价作用和二硫键交联形成连续凝胶状网络，捕获膨胀淀粉颗粒和气泡。最终，水分蒸发导致刚性网络形成，完成蛋糕基质定型。在磅蛋糕中，脂滴在加热时熔化并部分聚结，形成分散脂质区域，可能抑制淀粉糊化。整个过程的时间顺序至关重要：气体膨胀、蛋白质聚集和淀粉糊化需部分重叠，以在适当阶段提供稳定结构。
**鸡蛋在蛋糕系统中的功能和结构贡献**
鸡蛋在传统蛋糕中提供多种功能，包括起泡、凝胶化、乳化、糖结晶控制以及风味和颜色提升。这些功能源于蛋清（60%）和蛋黄（30%）两个主要部分。蛋清主要由水（~90%）和蛋白质（~10%）组成，蛋白质如卵清蛋白（ovalbumin）、卵转铁蛋白（ovotransferrin）、卵类黏蛋白（ovomucoid）、卵球蛋白（ovoglobulin）、卵黏蛋白（ovomucin）和溶菌酶（lysozyme）在剪切和加热下发生变性、聚集和网络形成，赋予泡沫形成和稳定所需的界面和结构特性。在天使蛋糕中，蛋清蛋白部分展开并吸附于气-水界面，形成黏弹性膜，防止气泡合并。蛋黄是一个复杂的胶体系统，包含可溶性蛋白、脂蛋白、磷脂和中性脂质，组织成颗粒和血浆两个结构部分。血浆由低密度脂蛋白（LDL）（85%）和水溶性蛋白（livetin，15%）组成，颗粒由高密度脂蛋白（HDL）（70%）、卵黄高磷蛋白（phosvitin）（16%）和颗粒LDL（12%）组成，通过磷钙桥稳定。在标准蛋糕配方中，膨松剂提供的钠离子可部分溶解颗粒，释放HDL，使其参与界面稳定和热诱导蛋白网络形成。LDL颗粒在混合时基本保持完整，稳定气-水界面；当温度超过约70°C时，LDL变性并逐渐解体，释放的脂质和蛋白质与蛋清蛋白、小麦蛋白及糊化淀粉相互作用，形成异质聚集体，支持基质发展。HDL从颗粒中释放后，在约75°C以上开始聚集，主要存在于连续基质中，增强蛋白质网络。蛋黄脂蛋白的磷脂丰富组成不仅提供强乳化能力，还形成特定胶体结构，确保疏水和亲水组分在连续相和界面上的最佳分散。在高脂蛋糕系统中，蛋黄脂蛋白吸附于脂滴表面，形成内聚乳液，并在加热时形成弹性凝胶层。这些脂蛋白也可能影响淀粉颗粒的凝胶化特性，脂质通过干扰淀粉糊化促进形成脂质区域，使面包屑更柔软。
**泡沫基蛋糕**
在泡沫基蛋糕中，主要挑战是复制鸡蛋从液态面糊到最终烘焙结构的起泡和凝胶功能。结构形成依赖于一系列功能序列：混合时空气引入和界面稳定，加热时液膜黏度和气体保留控制，以及最终网络形成稳定膨胀结构。泡沫基蛋糕（如天使蛋糕和海绵蛋糕）具有低密度和低脂肪（通常<10%），稳定的蛋白质泡沫是主要结构元素。泡沫稳定性取决于表面活性鸡蛋组分的组织及其与连续相中其他成分的相互作用。乳化剂与鸡蛋组分竞争气-水界面吸附，小麦蛋白可能形成复合物影响黏度和气泡稳定性。界面膜的黏弹性决定其抵抗变形的能力，这在加热气泡膨胀时至关重要。在烘焙过程中，气体膨胀、蛋白质变性和淀粉糊化之间的相互作用决定初始泡沫是否成功转化为稳定的气孔面包屑。鸡蛋蛋白质聚集温度与淀粉糊化温度紧密重合，使界面强度与体积黏度同步发展，抵抗气泡膨胀时的液膜变形。植物蛋白的热行为不同，通常需要加热水化，变性和凝胶化温度范围较宽或较高，且凝胶网络更多在冷却时形成，而非加热时，这可能导致网络形成滞后于气体膨胀，造成结构塌陷。此外，植物蛋白行为高度可变，受提取和分离方法影响。目前，许多植物基替代品采用多种成分组合，如蛋白质、水胶体和乳化剂，以分散功能（如黏度发展、界面稳定和空气引入），但缺乏内在同步性，导致加热时气体膨胀、黏度增加和结构强化之间的时序不匹配。尽管多组分系统可近似鸡蛋的结构性能，但成分选择和相对贡献的机理仍不明确。在更简化的模型系统（如蛋白糖饼）中，植物蛋白替代蛋清的挑战依然存在，表明仅实现空气引入不足以复制加热和干燥所需的结构变化序列。
**乳液基蛋糕**
乳液基蛋糕（如磅蛋糕）以致密、湿润的面包屑和丰富感官特征为特点，与泡沫基蛋糕形成对比。传统磅蛋糕配方使用等重鸡蛋、面粉、黄油和糖，现代配方还包括膨松剂。这些系统依赖于混合和烘焙过程中成分相互作用和构象变化的平衡，以及脂质区域在液相和界面上的形成。与泡沫基系统不同，乳液基面糊受油-水和气-水界面同时存在和相互作用支配，界面组织更复杂。鸡蛋通过乳化、凝胶化和结构发展发挥核心作用。磅蛋糕面糊包含多个分散相，蛋白质有效浓度较高，其中约45%为小麦面粉蛋白，30%为蛋清蛋白，25%为蛋黄蛋白。脂肪相包含小气泡和水滴，形成水包油乳液。乳化主要由蛋黄脂蛋白（LDL和HDL）驱动，它们通过置换油-水界面活性较低的蛋白（如蛋清蛋白）促进脂肪在基质中的精细分散，使面糊光滑并提高稳定性。在混合过程中，脂质和水相分布，蛋白质与脂质之间的界面相互作用决定初始乳液稳定性。蛋黄组分充当天然乳化剂，促进脂肪分散并增强面糊结构一致性。同时，蛋白质与脂质在油-水和气-水界面的吸附竞争影响组分分布，进而影响乳液稳定性和空气引入。油滴可能部分聚结并与淀粉颗粒相互作用，影响黏度和整体稳定性。随着烘焙温度升高，脂肪熔化、液滴聚结、空气和水蒸气膨胀，同时淀粉糊化、蛋白质变性形成连续凝胶基质，糖浓度增加。蛋清蛋白和小麦蛋白通过非共价相互作用和二硫键交联形成网络，捕获油滴和糖晶体，防止结构塌陷。膨松依赖于事件精确时序：蛋白质开始变性的时刻必须与膨松剂释放CO?或气体膨胀相对应。许多商业鸡蛋替代品在磅蛋糕中表现不佳，无法同时稳定分散脂肪和空气相，同时贡献连续基质的黏度和定型。成功的替代策略通常结合多种成分，如大豆分离蛋白与单甘酯，或豌豆蛋白分离物与卵磷脂和黄原胶，以分别提供乳化、黏度和界面稳定功能。然而，这些配方主要通过系统成分变化开发，而非基于烘焙过程中相互作用的机理理解，因此关系难以推广。
**未来展望：设计烘焙产品中鸡蛋替代品的自下而上方法**
尽管在理解泡沫基和乳液基蛋糕系统中鸡蛋组分的功能特性方面取得了进展，但需要更机械地理解不同长度尺度上形成的结构及其在加工过程中的影响，以提出更稳健的替代方案。鸡蛋包含多种组分，具有多种功能，无法用单一成分或仅模仿一种产品特性的混合物替代，而需要全面理解混合、烘焙和冷却复杂加工过程中发生的结构动力学。自下而上的方法意味着从控制结构形成的分子和胶体相互作用出发，将知识扩展到这些相互作用如何影响宏观功能性。在加工相关条件下建立这些联系，将为确定替代品设计中需要针对的最关键机制提供基础。鸡蛋功能可分解为关键机理贡献，包括：（1）混合时气-水和油-水界面的稳定；（2）液膜相黏度的发展和液体流动性控制；（3）烘焙时的热聚集和网络形成；（4）这些转变与气体膨胀和淀粉糊化的协调。当前替代策略通常成功复制个别方面，但机制未同时实现或在加工不当阶段发生时，导致性能偏差。因此，限制往往不是功能本身缺失，而是功能之间的不平衡。为了克服这一局限，需要整合互补分析技术，如共聚焦拉曼显微镜、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、原位流变显微镜、小角X射线散射（SAXS）和小角中子散射（SANS），以实时捕捉蛋白质展开、脂质重排和淀粉-蛋白质相互作用。在泡沫基蛋糕中，关键研究重点包括理解界面处各种蛋白质、小分子量表面活性剂和磷脂之间的协同作用，以及优化液膜相中蛋白质变性和网络形成；同时表征加热、蒸发和冷却过程中气-水界面和面糊组分的黏弹性。在乳液基蛋糕中，还需考虑脂质在界面、脂质区域或脂质-淀粉相互作用中的分配，淀粉糊化及烘焙时脂肪聚结。通过建立分子转化（如蛋白质变性、淀粉糊化和脂质再分布）与介观及宏观性质（如泡沫稳定性、无定形/结晶相分布、面包屑孔隙度和质构）之间的直接联系，鸡蛋替代研究可以超越经验性反复试验，转向理性设计，为不同蛋糕系统定制鸡蛋替代品。
