综述：从蛋白质来源到适用成分：以牛奶和大豆为基准评价副产物增值和新兴替代蛋白质

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：From protein sources to fit-for-purpose ingredients: benchmarking side-stream valorised and emerging alternative proteins against milk and soy

　　

背景：人口增长和气候变化正在创造对额外蛋白质来源的迫切需求。牛奶和大豆蛋白目前占主导地位，然而，它们的生产与环境、资源和生产性土地利用挑战相关。为此，研究和创新越来越关注替代蛋白质，这些蛋白质可以增强可持续性、减少环境影响并支持长期粮食安全，同时满足现有的营养和功能要求。范围和方法：本综述比较了油籽副产物蛋白、aquafaba、绿色生物质蛋白、昆虫蛋白和微生物蛋白，以牛奶和大豆作为实际参考蛋白。这些来源在四个不同维度上进行比较：碳足迹（CF）、营养质量、技术功能性质和食品安全。综合了它们在食品应用中的关键挑战以及改善成分性能和安全的策略。关键发现和结论：证据支持适用成分选择而不是通用排名。副产物增值和新兴替代蛋白质不能通过单一性能标准进行排名。牛奶仍然是最强的营养基准，而大豆提供了平衡的植物基参考。昆虫蛋白显示出强大的营养潜力；微生物蛋白为可扩展的定制化生产提供了有希望的机会；aquafaba提供了特定应用的功能性；从循环性角度来看，绿色生物质和油籽副产物尤其相关。蛋白质混合、温和提取、分级、发酵和挤压可以解决特定局限性，但可能增加资源使用或引入新的安全问题。提出的特定应用框架指导饮料、乳制品和肉类类似物、鸡蛋替代品、酱料、烘焙产品和营养强化中的成分选择，同时突出现有证据中的空白。

1. 引言
全球人口预计到2050年达到97亿，对食品生产系统和营养安全构成前所未有的挑战，气候变化进一步加剧了这些挑战，导致农业产量和土壤健康下降。目前，牛奶和大豆是仅次于肉类的广泛使用的蛋白质来源，但牛奶蛋白生产与高成本和负面环境影响相关，如淡水消耗、温室气体排放和生物多样性丧失；大豆蛋白虽被认为更可持续，但其大规模种植仍高度依赖土地，并与森林砍伐和栖息地丧失相关。为此，替代蛋白质来源的研究和创新日益受到关注，包括循环经济中的回收蛋白质（如脱脂油籽饼、豆类烹饪水和绿色生物质）和新兴替代蛋白质（如昆虫和微生物蛋白）。这些蛋白质在技术功能性质和营养价值上存在差异，现有研究缺乏跨类别综合比较，因此本综述通过多标准框架评估选定的副产物增值和新兴蛋白质成分，涵盖碳足迹、营养特性、技术功能性质和安全性，并提出应用导向框架。

2. 综述范围和方法
本综述采用多标准框架比较蛋白质成分，包括碳足迹（CF）、营养质量、技术功能性质和食品安全，不进行总体排名，而是识别各来源的优势、局限性和权衡。以牛奶和大豆蛋白作为实际参考，因为它们已广泛商业化并得到充分表征。检索了Web of Science和Google Scholar，时间截至2026年2月，使用蛋白质来源术语和评估相关术语进行迭代搜索。碳足迹证据以描述性方式总结，营养质量和技术功能性质数据需满足特定提取标准，抗营养因子和安全性证据以定性方式呈现。

3. 蛋白质来源类别和实际参考蛋白
牛奶蛋白主要分为酪蛋白（约80%）和乳清蛋白，具有高营养价值和理想的技术功能性质。大豆蛋白是优质植物蛋白，干重含35-40%蛋白质，其营养质量与鸡蛋蛋白相当，消化率与牛奶蛋白相似。脱脂油籽饼含15-50%蛋白质，富含含硫氨基酸，但赖氨酸水平低，且存在抗营养化合物如植酸、单宁和胰蛋白酶抑制剂。Aquafaba是豆类（如鹰嘴豆）烹饪液，含约1-2%蛋白质，具有优异的起泡性，可作为鸡蛋替代品，但营养质量有限。绿色生物质含2-40%蛋白质（干重），RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）约占一半，具有高消化率、低致敏性和良好功能性质，但高不溶性纤维和抗营养因子需有效提取。昆虫蛋白含35-65%蛋白质（干重），提供更完整的必需氨基酸谱，但感官接受度、食物新恐惧症和昆虫可见性抑制消费。微生物蛋白（如真菌蛋白）通过生物转化生产，含30-60%蛋白质，抗营养因子水平低，但技术功能性质可能有限，需评估安全性。

4. 碳足迹（CF）
乳制品蛋白的CF较高，乳清蛋白和脱脂奶粉分别为16和23 kg CO₂eq/kg蛋白质，而大豆分离蛋白（SPI）为2.4 kg CO₂eq/kg蛋白质。油籽压榨饼的CF（如菜籽饼2.5 kg CO₂eq/kg蛋白质）与大豆蛋白相当。Aquafaba的CF间接证据显示，纯素蛋黄酱的CF（3.6 kg CO₂eq/kg）高于传统蛋黄酱（2.0 kg CO₂eq/kg），主要因加工耗电，改用清洁电网可降低37%。绿色生物质蛋白的CF范围为0.4-3.6 kg CO₂eq/kg蛋白质（多年生黑麦草），但多数来源高于SPI，仅苜蓿和甜菜较低。昆虫蛋白（如蟋蟀）CF低至0.5 kg CO₂eq/kg蛋白质，但受饲料来源影响，范围为0.5-21.66 kg CO₂eq/kg蛋白质。真菌蛋白（如Quorn）CF为0.73 kg CO₂eq/kg蛋白质，低于大豆和豌豆蛋白，但加工步骤增加CF。微生物蛋白的CF受能源影响，从化石能源的2.23 kg CO₂eq/kg蛋白质降至可再生能源的0.81-1.00 kg CO₂eq/kg蛋白质。

5. 营养质量
牛奶蛋白因均衡氨基酸组成和高消化率被视为营养完全蛋白，平均必需氨基酸指数（EAAI）最高。昆虫蛋白在组氨酸和苯丙氨酸+酪氨酸均值最高，绿色生物质和昆虫蛋白的EAAI高于大豆蛋白，部分昆虫（如棕榈象鼻虫幼虫粉）和绿色生物质（如辣木）的EAAI超过所有牛奶蛋白。氨基酸评分（AAS）以6个月至3岁儿童为参考模式，牛奶蛋白平均AAS超过100%，大豆蛋白排名第二，菜籽油籽蛋白AAS高（101.90-102.11），但其他油籽蛋白因赖氨酸、苏氨酸或亮氨酸缺乏而平均AAS最低。昆虫蛋白AAS略低于大豆，绿色生物质蛋白AAS比大豆低约20%。蛋白质消化率校正氨基酸评分（PDCAAS）和可消化必需氨基酸评分（DIAAS）数据有限，菜籽油籽蛋白PDCAAS与大豆相当，绿色生物质蛋白PDCAAS较低（如艾草46.31，辣木64.7），昆虫蛋白PDCAAS为67-84，酵母蛋白PDCAAS（98.89）高于大豆分离蛋白（79.45）但低于乳清蛋白。DIAAS方面，油籽蛋白（菜籽73、油菜籽67、大麻54）低于乳清（85）、酪蛋白（117）和大豆（91），昆虫蛋白DIAAS为73.54-88.6。综合来看，牛奶蛋白营养质量最高，昆虫蛋白最有潜力替代大豆，绿色生物质蛋白氨基酸谱好但消化率低，油籽蛋白消化率似大豆但必需氨基酸缺乏，微生物蛋白有潜力但需注意低组氨酸。

6. 技术功能性质
6.1 蛋白质溶解度：大多数蛋白质成分在pH 7或中性条件下最大溶解度超过70%，但存在例外。乳清蛋白溶解度约90%，酪蛋白极低（0.26%），大豆蛋白变化大，aquafaba溶解度最高（97.9%）。油籽和绿色生物质蛋白平均溶解度相当，但油籽蛋白分布宽（1.15%-80%），绿色生物质蛋白多数在31-58%范围外。昆虫蛋白溶解度通常低于20%，微生物蛋白也低（如Yarrowia lipolytica 19.4%，Penicillium limosum 8%）。总体，aquafaba和乳清蛋白溶解度优越，昆虫和微生物蛋白溶解度较差。

6.2 水保持能力（WHC）和油保持能力（OHC）：乳清蛋白WHC和OHC分别为0.10 g/g和1.50 g/g，酪蛋白较高（2.38 g/g和2.20 g/g）。大豆蛋白WHC范围宽（0.55-8.08 g/g），OHC较窄（1.05-2.73 g/g）。油籽蛋白WHC通常高于OHC，绿色生物质蛋白OHC更高，昆虫蛋白WHC和OHC相近。Aquafaba的OHC约5.8 g/g，微生物蛋白WHC 3.7-4.3 g/g，OHC 2.35-2.40 g/g，Penicillium maximae OHC达16.3 g/g。Agave americana叶粉WHC最高（12.46 g/g）。总体，微生物蛋白有潜力增强油保持，某些绿色生物质蛋白具有优异水保持能力。

6.3 起泡性质：起泡能力（FC）和起泡稳定性（FS）变异大。牛奶蛋白FC 7.7%-74.7%，FS 51.8%-81.1%；大豆蛋白FC 3.03%-136.0%，FS 0%-90.91%。油籽蛋白FS普遍低于40%，但菜籽蛋白FC 128.6%和FS 93.7%。昆虫蛋白和绿色生物质蛋白FS较高，昆虫蛋白FC较高。Aquafaba FC高（124.0%-341.2%），但FS较低（41-51%）。微生物蛋白如Penicillium maximus提取蛋白FC 120.0%和FS 91.0%。总体，aquafaba适合泡沫生成，昆虫蛋白在需要高FS的应用中有优势。

6.4 乳化性质：大豆蛋白乳化能力（EC）74.7%高于牛奶蛋白（34.3%-53.13%），但牛奶蛋白稳定性中等（34.0%-70.0%）。油籽蛋白EC 11.5%-95.5%，多数低于60%。昆虫蛋白常达较高EC和ES（乳化稳定性），aquafaba EC 50.0%-74.5%，ES 7.69%-100%。绿色生物质蛋白EC 40.0%-71.57%，均值与大豆相当。微生物蛋白EC 79.7%-100%，ES 87.97%-100%，表现最突出。但乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）趋势不同，大豆蛋白EAI最高（52.5-122.9 m²/g）和ESI 170 min，乳清蛋白EAI 60.3 m²/g，ESI 106.11 min，而其他蛋白质EAI和ESI较低。差异表明乳化结果高度依赖分析方法。

6.5 凝胶化：最低凝胶浓度（LGC）评估。乳清蛋白在6-9%浓度可形成凝胶，大豆蛋白需15%。某些油籽蛋白如macauba kernel蛋白14%，印度halim种子5%，大麻蛋白10-12%。Aquafaba LGC低于10%优于大豆。昆虫蛋白需14-20%形成稳定凝胶。绿色生物质和微生物蛋白凝胶化研究有限，可能低于常见植物蛋白。总体，乳清蛋白凝胶化最有效，aquafaba和某些油籽蛋白性能与大豆相当或更优，昆虫、绿色生物质和微生物蛋白较差或研究不足。

7. 抗营养因子、过敏反应和安全性问题
大豆含多种抗营养因子如胰蛋白酶抑制剂、凝集素、草酸盐、植酸、单宁和低聚糖，但适当加工（煮沸、发酵、浸泡、高压灭菌）可有效降低，经FDA和Codex Alimentarius认可为安全。油籽中抗营养因子包括植酸、粗纤维、芥酸和硫代葡萄糖苷（水解产生有毒化合物），但过敏原性低，高硫代葡萄糖苷或高植酸品种需注意品种选择和加工。绿色生物质蛋白因组织代谢活性高，含更多酶抑制剂、单宁和皂苷，单宁含量一般高于种子蛋白，需严格评估安全性并满足新型食品法规。昆虫蛋白不含典型抗营养因子，但存在化学危害（重金属、农药残留）、微生物危害和物理危害，且是潜在过敏原，与甲壳类动物和尘螨过敏原存在交叉反应（如原肌球蛋白、精氨酸激酶），加工可降低但难以消除致敏性。文化接受度也是障碍，消费者偏好加工形式如昆虫粉。微生物蛋白抗营养因子少，但细胞壁不消化性限制营养可用性，需细胞壁破坏方法；次生代谢产物（如真菌毒素、蓝藻毒素、内毒素）是关键安全问题，需严格菌株选择和监测；核酸含量高（18-25 g/100g蛋白质），代谢产生尿酸，导致痛风或肾结石；过敏原性存在同源蛋白交叉反应风险。长期安全性验证不足，需严格监管测试。

8. 提升营养质量、技术功能性质和安全的策略
8.1 先进提取和分级路线：旨在提高蛋白质纯度、选择性去除功能不利成分（如纤维、色素、多酚、残留脂质）或生成富集蛋白/肽组分。传统碱性提取常导致变性，绿色提取技术（如超声、酶、微波、高压、电场辅助、超临界流体、天然低共熔溶剂（NADES）和膜分离）可更好保持溶解性和界面功能。油籽饼中NADES提取提高选择性和结构保存；昆虫蛋白碱性提取虽产率高但导致聚集，辅助方法（超声、酶、高压）改善功能性；绿色生物质蛋白中物理处理控制聚集状态，酸沉淀更利于RuBisCO完整性；干法分级（如筛分、空气分级、静电分离）无溶剂，保持溶解度并改善乳化性。

8.2 蛋白质混合：通过营养互补纠正限制性必需氨基酸，如豆类-假谷物-油籽混合可消除氨基酸限制，线性规划工具可优化PDCAAS。微生物蛋白作为营养“校正器”，与植物蛋白混合可提高DIAAS至80以上。昆虫-植物混合（如Protaetia brevitarsis与大豆分离蛋白7:3）改善氨基酸平衡和抗氧化能力。绿色生物质蛋白（如RuBisCO）可加入小麦面团增强面筋网络。混合还通过协同结构效应提高消化率（73-82% vs 33-64%），形成更松散聚集体。技术功能上，混合网络行为决定性能，如大麻蛋白与小麦面筋或鹰嘴豆蛋白混合改善组织化，但某些组合可能拮抗（如大麻蛋白降低凝胶强度）。实际食品中，螺旋藻加入鹰嘴豆奶昔实现“高蛋白”声称，酵母蛋白替代20-30%面粉保持感官，真菌蛋白强化面包提升赖氨酸和蛋氨酸。

8.3 加工策略：挤压是核心，减少抗营养因子（胰蛋白酶抑制剂活性降低71-79%），提高体外消化率（约20%），但可能降低溶解度。酶交联（微生物转谷氨酰胺酶TG）强化蛋白-蛋白相互作用，改善凝胶强度和保水性，在昆虫-植物混合中产生类似肉质的质地。非热加工如高静水压（HPP 600 MPa，5 min）可降低微生物负荷但需结合其他屏障。发酵（如乳酸发酵）降低植酸和单宁（约60%），提高消化率，改善风味和安全性，适用于油籽粉、昆虫蛋白、绿色生物质和真菌菌丝体。精准发酵生产特定蛋白质（如β-乳球蛋白、卵清蛋白）具有应用相关功能，但功能等价性不能假设，下游回收和环境影响依赖过程。过敏原性可通过酶解、发酵和可控展开降低IgE结合，但需临床验证。

9. 研究空白和未来优先事项
研究需从初始筛选转向协调、应用特定和规模相关评估。限制包括：跨研究比较受成分表征和分析报告不一致影响；实验室规模发现需验证于中试和工业规模，结合技术经济分析和环境评估；安全性应针对具体来源-过程-产品组合评估，而非宽泛类别；营养评估应扩展至配方和加工食品中的消化率和氨基酸可利用性；技术功能潜力应在实际食品应用中验证；环境评估应超越碳足迹，考虑更多影响类别并提高方法可比性。

10. 将蛋白质成分匹配到食品应用
采用适用性方法，根据目标食品选择成分。营养强化优先考虑必需氨基酸平衡和消化率；饮料需溶解性和分散稳定性；肉类类似物依赖WHC、OHC、凝胶化和纤维结构形成；鸡蛋替代品需起泡、乳化和热稳定性；酱料需乳化能力和稳定性；烘焙产品需水分和气体保留；乳制品类似物需凝胶化和网络形成。定性评估显示，牛奶和大豆作为参考，aquafaba在鸡蛋替代和烘焙中表现良好，但作为功能辅料；油籽副产物和绿色生物质蛋白可贡献水合、凝胶化和界面性质，但性能依赖物种和提取过程；昆虫和微生物蛋白可用于营养强化、结构化食品和乳剂产品，但同样具有来源和过程特异性。加工或混合可改善性能，但可能影响回收率、营养、安全、成本和碳足迹。

11. 结论与展望
替代蛋白质在营养质量上仍存在限制，牛奶蛋白仍无可完全匹配。建议通过混合实现更均衡氨基酸组成。技术功能性质上，aquafaba起泡性优异，微生物蛋白乳化性有前景，多数蛋白具有良好WHC和OHC，但研究间变异性大，需标准化方法。抗营养因子可通过加工减少，昆虫蛋白安全性主要通过控制饲养条件，微生物蛋白需进一步研究长期安全性和监管框架。致敏性难以完全消除，额外加工可能增加环境足迹和成本。总体，绿色生物质和昆虫蛋白有潜力，aquafaba已应用，微生物蛋白需更多研究。成分选择应适用性，考虑碳足迹、营养质量、技术功能性质和食品安全。SWOT分析总结了关键优势、劣势、机遇和威胁。