蚕豆蛋白在海绵蛋糕中作为鸡蛋替代物：乳化剂、胶体特性与凝胶化机制的作用

《Food Structure》：Faba bean protein as egg replacers in sponge cakes: Role of emulsifiers, colloidal properties, and gelation mechanisms

　　

设计营养且可持续的食品需要清晰理解各组分特性及其在加工过程中的关键相互作用。这些功能特性应在相关模型体系中评估，理想情况下应在完整食品基质中进行评估。本研究通过面糊充气性和流变学特性评估了蚕豆蛋白在海绵蛋糕中作为功能性配料的潜力，并将其与焙烤结构相关联。研究人员将两种蚕豆原料（分离蛋白和浓缩蛋白）与鸡蛋基配方进行了比较。尽管两种蚕豆原料表现出相似的蛋白质组成和热行为，但其纯化程度不同，从而能够评估内源性碳水化合物的影响。乳化剂的添加（一种常见的工业实践）增加了所有面糊的充气量。在无乳化剂条件下，蚕豆浓缩蛋白中不溶性纤维的存在降低了面糊充气性。研究人员对稀释面糊混合物测量了发泡特性，结果显示其与面糊特性无直接关系，证明了相关模型体系的重要性。共聚焦显微镜显示蚕豆分离蛋白面糊呈现连续、均一的气泡网络，而添加乳化剂的鸡蛋面糊则表现出更异质的气泡尺寸分布。蚕豆蛋白悬浮液表现出渐进的熱转变（起始温度约50°C）和较弱的凝胶化。鸡蛋则表现出尖锐的转变（起始温度约80°C）和高凝胶强度。与含蛋蛋糕相比，蚕豆蛋糕密度较高且内聚性较低，这归因于热转变点和较弱的凝胶化。这些发现清楚地表明，在相关模型体系中分析加工过程中的胶体转变可为使用功能性植物基配料设计层级化食品结构提供关键见解。

# 蚕豆蛋白作为海绵蛋糕中鸡蛋替代物的功能性研究：多尺度机制解析

## 研究背景与意义

海绵蛋糕作为一类含脂肪量低于5%、以高充气面包屑结构为特征的传统焙烤制品，其品质高度依赖于蛋液在搅打过程中的充气能力以及焙烤过程中气泡的保持能力。在传统配方中，全蛋凭借其多重功能特性成为海绵蛋糕的核心配料：蛋清蛋白（如卵清蛋白、溶菌酶和卵转铁蛋白）在61-84°C范围内变性聚集，与小麦蛋白形成共价二硫键，构建内聚性蛋白-淀粉网络；蛋黄中的低密度脂蛋白（LDLs）则在新形成的气-液界面吸附，稳定气泡。然而，随着伦理、饮食和环境问题的日益突出，消费者对含有更多可持续植物源成分的新配方需求不断增长。全球鸡蛋替代品市场预计将从2024年的15.7亿美元扩张至2033年的26.5亿美元，开发适用于焙烤应用的植物基鸡蛋替代品具有重要的环境效益和经济价值。

豆类蛋白因其结合、发泡、乳化和凝胶特性而被视为焙烤制品中的潜在功能配料。蚕豆（Vicia faba L.）因其高营养价值、气候适应性和固氮能力而成为备受关注的替代蛋白源。然而，以往研究多集中于简单体系中的蛋白表征，蛋白配料在复杂食品基质中的结构化功能尚未得到充分评估。研究人员提出一个核心假设：理解蚕豆蛋白的加工功能性——即其对面糊充气性和焙烤过程中结构定型的影响——是创造新型可持续配方的关键。该研究系統比较了蚕豆分离蛋白（FPI）和精制程度较低的蚕豆浓缩蛋白（FPC）对海绵蛋糕面糊结构形成的影响，并与全蛋配方进行对比，同时考察乳化剂添加与否的效应。该研究发表于《Food Structure》期刊。

## 关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术手段：（1）纳米差示扫描量热法表征蛋白配料的热转变特性；（2）流变学测定蛋白悬浮液和面糊的凝胶化行为及粘弹性参数；（3）稀释模型泡沫体系评估发泡特性和界面蛋白组成，结合SDS-PAGE电泳和BCA蛋白定量分析；（4）共聚焦激光扫描显微镜直接观察面糊中气泡网络和组分分布；（5）焙烤成品分析包括密度、水分含量和质构特性评价。所有配方均以全蛋、FPI或FPC为蛋白源，并设置添加与不添加乳化剂两种条件，每种处理设三个独立重复。

## 研究结果

### 蚕豆蛋白配料的热特性表征

Nano-DSC分析显示，FPC表现出较宽的熱转变，起始温度约60°C，在约76°C和83°C处有两个重叠变性峰，分别对应豌豆球蛋白和豆球蛋白的变性温度，此外其他蛋白和微量淀粉糊化也可能有所贡献。FPI则呈现单一变性峰，峰温约82°C，起始温度约70°C，这归因于分离蛋白中球蛋白的高度富集。两种蛋白配料均保留显著的热转变能力，表明其分级和分离过程中采用了温和加工条件，蛋白结构得以保留，能够在焙烤过程中发生结构转变、变性和聚集。

### 蛋白悬浮液的热诱导凝胶化

流变学加热实验显示，蛋液在约60°C出现G'上升，约70°C出现G'和G''交叉的尖锐凝胶点，80°C后两个模量急剧上升，表明形成快速、内聚性的网络结构。相比之下，蚕豆蛋白悬浮液的相转变点（交叉点）出现得更早（约50°C），且此后G'和G''的增加更为渐进。FPC在62°C出现明显的二次转变，而FPI在约83°C才表现为斜率变化。按蛋白浓度比较，蛋液凝胶的刚度最高（G' = 15.2 ± 5 kPa），FPC次之（G' = 13 ± 6 kPa），FPI最低（G' = 3.2 ± 0.2 kPa）。FPC较FPI更高的刚度归因于淀粉和复合碳水化合物的贡献。研究还发现在实验条件下蚕豆蛋白浓度不足以形成坚硬的、自支撑的网络，这一发现对理解焙烤过程中蛋白网络的定型时机和程度具有重要意义。

### 稀释模型泡沫体系

稀释模型泡沫实验（将面糊以1:4比例用水稀释后搅打）显示，无乳化剂条件下蛋基配方的泡沫膨胀率显著高于FPI和FPC，其中FPC的失稳程度最大。乳化剂的添加使所有配方在60分钟内保持泡沫膨胀率无显著变化，并提高了植物蛋白稀释模型泡沫的体积，但对含蛋配方无此效果，表明乳化剂与蛋蛋白和LDLs在气-液界面发生共吸附。SDS-PAGE分析显示，泡沫部分回收的蛋白浓度和蛋白组成比例在有/无乳化剂条件下无显著差异，未观察到竞争性吸附现象，这与以往报道存在差异。

### 海绵蛋糕面糊的充气性与微观结构

面糊密度测定表明，无乳化剂条件下所有面糊在30分钟搅打后达到相似的密度；添加乳化剂后所有面糊的充气性显著提高。蛋基 (+)面糊在搅打5分钟后密度即趋于平台，而FPI (+)和FPC (+)面糊在长时间搅打下仍有轻微充气。搅打10分钟后，蛋 (+)和FPI (+)面糊密度相近，FPC (+)仍表现出较高密度，推测与大胶体聚集体有关。流变学结果显示，无乳化剂面糊呈现以粘性为主（G' < G''），而含乳化剂面糊表现出以弹性为主（G' > G''）且储能模量显著更高，这与气泡体积分数高有关。共聚焦显微镜显示，无乳化剂面糊中气泡稀疏分散于蛋白富集区域、淀粉颗粒和脂质之间；乳化剂的添加形成了更连续的气泡网络。尽管FPI (+)和蛋 (+)面糊密度相似，其微观结构存在明显差异，表明气相的空间组织方式不同。FPI (+)和FPC (+)样品均显示含有大量明亮荧光结构域的厚层状结构，这些结构域很可能是蛋白聚集体、不溶性纤维和淀粉颗粒的混合物。FPC (+)面糊较FPI (+)面糊含有更大且更异质的荧光结构域，不溶性颗粒的存在对薄层状结构形成空间位阻，可能解释其发泡稳定性较差的现象。

### 焙烤海绵蛋糕的品质

焙烤后蛋糕密度与面糊密度趋势一致：乳化剂的添加显著降低了所有蛋糕的密度，蛋基蛋糕密度低于蚕豆蛋白蛋糕。尽管蛋 (+)和FPI (+)面糊密度和弹性模量相似，但蛋 (+)蛋糕焙烤后密度更低，说明最终品质取决于焙烤过程中的胶体转变而非仅面糊特性。蚕豆蛋白更渐进的凝胶化和低刚度值可能在结构定型前允许更高程度的气泡聚结和气体损失，导致更致密的最终结构。视觉观察显示，FPI和FPC蛋糕呈灰色面包屑色泽，可能源于较少的美拉德反应。无乳化剂条件下，蛋基蛋糕较蚕豆蛋白蛋糕具有更均匀的小气泡尺寸分布；FPI (-)蛋糕出现非常大孔洞，与早期焙烤阶段的气泡广泛聚结和生长一致。添加乳化剂的FPI (+)和FPC (+)蛋糕出现严重开裂，归因于结构定型延迟导致气泡聚结和上升。质构分析显示，乳化剂的添加显著降低了蛋糕硬度，但蛋白源之间无显著差异，表明蚕豆蛋白能够形成柔软的蛋糕屑。内聚性不受乳化剂影响，但显著依赖于蛋白源：蛋基蛋糕最高，FPI次之，FPC最低。FPC蛋糕内聚性降低可能与配方中减少小麦面粉导致麸质蛋白含量降低有关。

## 研究结论

该研究表明，加热诱导的蛋白-蛋白相互作用是决定海绵蛋糕结构和质地的关键因素。稀释模型泡沫与完整面糊体系的比较证明，简化体系中测得的功能性不能直接预测面糊充气性最终蛋糕品质，突显了在完整食品基质中评估植物蛋白功能性的重要性——胶体拥挤效应以及蛋白、淀粉、脂质和乳化剂之间的相互作用主导了加工过程中的结构形成。蚕豆蛋白显示出作为海绵蛋糕配料的潜力，但FPC中不溶性纤维和异质的胶体组织导致其发泡能力低于FPI。乳化剂在蛋和蚕豆蛋白之间的效应差异源于其胶体特性的不同，蛋 (+)尽管与FPI (+)具有相似的面糊密度和刚度，却表现出更低的蛋糕密度，强调了快速强健的蛋白凝胶化在焙烤中的重要性。热转变特性是决定最终蛋糕特征的关键性质，蛋白凝胶化在形成自支撑网络、支撑焙烤过程中气泡膨胀方面发挥重要作用。