数字化食品创新：整合技术功能特性表征与光谱成像及X射线计算机断层扫描技术，以深化混合牛肉饼中植物蛋白混合物的质量与组成研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Digitalised food innovation: Integrating techno-functional characterisation with spectral imaging and X-ray computed tomography for enhanced insight on quality and composition of plant protein blends in hybrid beef patties

　　

# 摘要

在功能性食品的配方与加工方面，人们正日益关注相关安全性问题，而可持续食品形态的创新也必须加速推进，以支持食品系统的转型。采用工业5.0技术（如先进食品成像技术）有望简化新型形态下的食品创新与工艺分析。混合植物肉（HPM）为开发更可持续的混合产品形态提供了一条路径，但目前对HPM结构-功能关系的详细研究尚不充分。本研究评估了含15%或30%蚕豆蛋白（FBP）、豌豆蛋白（PP）及大米蛋白（RP）组合的混合饼（HBP）的技术功能特性，并对生熟产品进行了X射线计算机断层扫描（CT）和光谱成像。结果显示，FBP和PP相比100%牛肉配方使产品质地更软，而RP则增加了硬度，尤其在30%添加量时表现明显。含RP与FBP或PP组合的饼在质地属性方面与牛肉对照组相当，即使在较高添加量下也是如此。快速无损高光谱成像（HSI）在根据植物蛋白来源对混合饼进行分类方面表现良好，在预测产品质量方面也具有一定准确性，而X射线CT扫描通过定量评估不同配方下饼中的气孔，提供了关于技术功能品质的更深层次洞察。总体而言，将植物蛋白进行组合是提高植物蛋白替代比例同时不影响质量的有前景的策略，而HSI和CT数据则展现了工业5.0技术在增强可持续食品创新方面的潜力，涵盖工艺分析、质量控制、配方资质认证及产品个性化定制。

# 引言

在欧洲及其他全球北方国家，社会正推动多样化当代饮食中的主要蛋白质来源，减少肉类摄入并增加植物基蛋白质在膳食中的比例（NHS，2024；Ruxton & Gordon，2024）。基于植物蛋白的食品被认为具有多种益处，包括纤维、维生素和矿物质等方面的营养价值，减少基于宗教信仰的食用限制，降低温室气体排放以及提高成本效益（Jafarzadeh et al.，2024）。尽管植物蛋白原料具有诸多优势，但也存在局限性，包括单独使用时必需氨基酸组成不平衡、含有抗营养因子，以及对于食品创新而言，在复制传统肉类的复杂质地和结构方面存在挑战，以及在提供消费者偏好的感官风味方面相较于肉类产品存在不足（Jafarzadeh et al.，2024）。在规划未来食品系统时，不应忽视肉蛋白的潜力，因为肉类在大多数文化中作为饮食的重要组成部分随人类共同发展有其合理原因——肉类是一种能量密集型的完整食物，以高度可消化的形式提供完整的必需氨基酸谱，并提供多种重要营养素，包括生物可利用的铁、锌、硒、维生素B12以及重要必需脂肪酸（Klurfeld，2018；Sharma et al.，2013；Skwarek & Karwowska，2023；Villacís-Chiriboga et al.，2025）。因此，对更可持续、更有营养且消费者可接受食品日益增长的全球需求，将关注点引向了一种相对创新的产品类型——混合植物肉（HPM）产品，其有望为食品系统的可持续性转型做出贡献（Villacís-Chiriboga et al.，2025）。

肉类与植物蛋白的混合调配可提供营养均衡的产品，在复制传统肉类的质地、感官接受度和熟悉度方面优于100%植物基肉类替代品，并可能为可持续且广泛被消费者接受的膳食转变铺平道路（Olivas et al.，2024；Villacís-Chiriboga et al.，2025）。尽管具有这些优势，HPM的优化仍具挑战性，因为肉类与植物蛋白之间在蛋白溶解性、分子结构及技术功能特性方面的差异可显著改变产品质地、持水行为和整体食用品质（Boukid et al.，2024）。HPM产品的技术性能受植物蛋白类型和添加水平的双重影响，且随着肉类替代程度的增加，这些影响通常更加明显（Abdullah，2017；Song, Kerry, et al.，2026；Zhang et al.，2025）。例如，高比例菠萝蜜添加（>50%）显著降低了肉饼的结构完整性、粘合力和消费者接受度（Abdullah，2017）。类似地，增加水合植物蛋白的比例已被证明会降低质地属性，因为球状植物蛋白与肌原纤维肉蛋白在凝胶化行为和持水机制方面存在差异，导致加工过程中形成不同的蛋白网络结构（Chandler & McSweeney，2022；Rocha-Garza & Zayas，1995；Trindade et al.，2023）。

尽管单个植物蛋白对混合肉产品的影响已得到广泛研究，但对于将具有互补功能特性的植物蛋白组合能否克服单一原料的局限并改善产品质量，目前所知甚少。本研究选择蚕豆蛋白、豌豆蛋白和大米蛋白作为研究对象，因为它们是具有商业相关性的原料，且在技术功能行为方面存在显著差异。先前的研究报告指出，蚕豆和豌豆蛋白通常表现出良好的持水性、乳化性和凝胶形成特性，常与改善的水分保持和更软的产品质地相关联。相反，大米蛋白通常表现出较低的溶解度和更为有限的吸水性和凝胶形成特性，这些特性在混合肉系统中与更硬的产品质地和更高的烹饪损失相关联（Baugreet et al.，2016；Song et al.，2025）。这些相互矛盾的功能特性表明，将大米蛋白与蚕豆蛋白或豌豆蛋白进行调配可提供互补性功能，从而改善HPM产品中质地与持水能力之间的平衡。因此，本研究调查了单独及混合的蚕豆、豌豆和大米蛋白对混合牛肉饼品质特性的影响。

数字技术的应用可以增强新型食品形态（如混合植物肉产品）的创新。包括三维成像、传感器、人工智能、信息物理系统、边缘计算和工业互联网在内的先进数字技术套件被统称为工业5.0技术，正在革命性地改变多个行业（Song, Hamill, & Kerry，2026）。工业5.0原则的采纳以消费者、可持续性和数字化为核心。对于HPM这类新型食品，理解最终技术属性以及影响这些属性的内部食品结构都至关重要，以期简化创新流程。X射线计算机断层扫描提供了一种无损方法，用于可视化和量化食品内部结构，包括孔隙率和密度分布（Mishra & Font-i-Furnols，2024）。这些结构变化可能部分解释了HPM产品在技术和感官特性上的差异。

除了对数字增强产品创新的需求外，HPM产品日益增长的复杂性也提出了对快速质量控制、认证和过敏原检测的新需求。例如，未申报的植物蛋白（包括大豆等致敏来源）与食品安全问题相关（Nwaru et al.，2014；Soon & Abdul Wahab，2021）。尽管酶联免疫吸附测定（ELISA）、高效液相色谱（HPLC）和脱氧核糖核酸（DNA）技术等传统方法可以准确鉴定植物蛋白，但这些方法具有破坏性、耗时、昂贵，且完全不适合工业中的实时或在线监测（León-Ecay et al.，2026；Method，1990）。新兴的快速无损方法越来越多地被研究用于食品认证和质量监测（Jia et al.，2024；Mishra et al.，2026）。近年来，高光谱成像（HSI）作为传统点基近红外光谱（NIRS）的有力扩展而兴起，它将光谱和成像能力相结合（León-Ecay et al.，2026），生成与食品材料化学和物理性质相关的光谱指纹（Bhargava et al.，2024；León-Ecay et al.，2026）。这对于非均质食品基质尤为适用，因为它可以提供样本内成分组成和分布的信息（Anagnostou et al.，2025）。

本文的具体目标是：(1) 评估以不同单个和组合植物蛋白配方制备的混合牛肉饼的技术性能；(2) 使用X射线CT扫描量化气孔体积，并研究其与熟制饼仪器硬度之间的关系；以及(3) 评估HSI结合机器学习在根据植物蛋白来源对混合牛肉饼进行分类以及预测选定质量属性方面的可行性。HSI此前已被用于预测各种肉类质量参数，包括化学成分、技术性能和质地属性（Xiong et al.，2014）。然而，据我们所知，这是首批将CT衍生气孔分析与基于HSI的分类和预测相结合来评估含不同植物蛋白来源的混合牛肉饼的研究之一。这种整合方法提供了互补的结构和光谱信息，展示了无损成像技术在评估混合肉产品选定质量属性方面的潜力。

# 材料

瘦牛肉（V/L 95%）和牛油来自KEPAK（爱尔兰都柏林）。瘦牛肉去除结缔组织后，瘦肉和脂肪均被切块、真空包装并保存在-20°C直至后续样品制备。本研究使用的替代植物蛋白见表1。蚕豆（Vicia faba L.）蛋白采用碱溶性-等电沉淀法制备（Kamani et al.，2024）。豌豆蛋白（ProDiem Pea 7028，批次...

# 结果与讨论

HBP的开发需要了解植物蛋白来源和添加水平如何影响技术质量，同时也需要了解如何运用CT扫描和HSI对这些变化进行监测。因此，本研究第一部分评估了单独及组合添加的植物蛋白对HBP技术性能的影响。这些结果将为后续基于CT的结构分析和基于HSI的分类与预测提供配方基础。

# 结论

本研究表明，植物蛋白类型和添加水平显著影响混合牛肉饼的技术性能。植物蛋白的加入改变了颜色特性，所有混合配方相比牛肉对照组红度均有所降低。蚕豆蛋白和豌豆蛋白通常降低硬度和咀嚼性，而大米蛋白则增加这些属性，尤其在较高添加水平时更为明显。然而，将大米蛋白与蚕豆蛋白或豌豆蛋白进行调配...

# CRediT作者贡献声明

Zuo Song：初稿撰写、可视化、方法论、形式化分析、数据整理、概念设计。
Joseph P. Kerry：审阅与编辑、指导、资源提供、项目管理、方法论、资金获取、概念设计。
Ahmed Rady：审阅与编辑、可视化、方法论、调查、形式化分析。
Mohammad Hassan Kamani：审阅与编辑、调查、形式化分析。
Eoin G. Murphy：资源提供、调查、形式化...

# 资金

本研究由爱尔兰政府农业、食品和海洋部通过U-Protein项目（2029PROG702）资助，Zuo Song获得Walsh奖学金（WS 2020223），Ahmed Rady获得玛丽·斯克洛多夫斯基-居里行动（MSCA）/Teagasc研究领袖2025年 fellowship。

# 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

# 致谢

感谢James Robson提供的有益讨论。

Zuo Song | Joseph P. Kerry | Ahmed Rady | Mohammad Hassan Kamani | Eoin G. Murphy | Ruth M. Hamill
Teagasc食品研究中心，Ashtown, D15 DY05 Dublin, 爱尔兰