迈向可持续的植物基食品：不同凝固剂制备的大麻籽类豆腐凝胶的物理化学与营养评价

《Food Research International》：Toward sustainable plant-based foods: Physicochemical and nutritional evaluation of hemp seed tofu-like gel prepared with various coagulants

　　

•使用五种不同的食品级凝固剂制备了大麻籽类豆腐凝胶。•凝固剂改变了凝胶化行为、质地和微观结构。•大麻籽类豆腐凝胶（HSTG）表现出更高的氨基酸含量以及改善的必需氨基酸和支链氨基酸。•CaCl?和MgCl?通过形成多孔凝胶基质增强了消化率。•HSTG为植物蛋白食品提供了一种可持续的、非大豆替代选择。

引言

21世纪，人类面临日益加剧的环境和粮食安全挑战，这主要由气候变化和人口增长驱动。极端天气事件和资源循环中断已显著降低了农业生产力（世界气象组织，2022年）。与此同时，全球人口在2023年突破了80亿，预计到2050年将达到100亿（Ranganathan等人，2018年），这将不可避免地增加食品消费量，并对全球食品供应链的长期稳定性引发严重担忧（Godber & Wall，2014年；Smetana等人，2015年）。在主要贡献因素中，传统畜牧业特别耗费资源，需要大量的水、饲料和土地（Pimentel等人，1997年），并且是温室气体排放的主要来源，仅牛肉生产据估计每年就会产生29亿吨CO?（Gerber等人，2013年）。

在此背景下，替代蛋白来源的开发——如昆虫蛋白、培养肉和植物蛋白——已成为减轻环境负担和确保未来粮食安全的一种可持续策略（Chen等人，2023年；R??s等人，2017年；Smetana等人，2015年）。尽管昆虫蛋白具有较高的营养价值，但在许多地区面临文化和心理障碍。培养肉虽然技术上具有创新性，但由于成本高且可扩展性有限，在经济上仍难以实现大规模生产（Abro等人，2025年；Garrison等人，2022年）。因此，植物蛋白因其可获取性、可扩展性和消费者接受度而获得了最多的关注。

在这些植物蛋白中，大豆蛋白仍然是最传统且应用最广泛的来源。豆腐是由豆浆经热诱导形成的凝胶，既是一种传统的高蛋白食品，也是一种植物蛋白水凝胶的模型。它可以使用各种凝固剂生产，包括盐类凝固剂（如CaCl?、MgCl?、CaSO?）、酸类凝固剂（如葡萄糖酸-δ-内酯，GDL）和酶类凝固剂（如转谷氨酰胺酶，TGase）。这些凝固剂通过不同的机制诱导凝胶化，包括离子交联、酸化或酶促催化，从而显著影响豆腐不同的质地、结构和营养特性（Geng等人，2024年；Prabhakaran等人，2006年；Shi等人，2024年）。大豆蛋白的凝固剂依赖性凝胶化行为已得到广泛研究，其储存蛋白基质主要由β-伴清蛋白（11S）和β-伴大豆球蛋白（7S）组成。11S/7S比例的变化也被报道会影响豆浆凝胶的硬度和弹性（Guan等人，2021年；Murekatete等人，2014年；Xia等人，2025年）。然而，大多数研究集中在基于大豆的配方上（Ullah等人，2023年；Zhang等人，2019年），这些配方可能面临与致敏性、豆腥味（Wang等人，2021年）以及由胰蛋白酶抑制物和血凝素等抗营养化合物导致的消化率降低相关的限制（Valdebouze等人，1980年）。

鉴于这些局限性，大麻籽（*Cannabis sativa*）正作为一种可持续且功能性的植物蛋白来源受到关注。工业大麻是一种多用途作物，主要用于纤维、谷物和大麻素的生产，其中谷用和双用途品种提供用于食品和油脂生产的种子（Tamang等人，2025年）。大麻籽的机械榨油会产生脱脂大麻籽（DHS），这是一种富含蛋白质的副产品，尽管其蛋白质含量高（40–50%），但在食品应用中仍未得到充分利用（Chen等人，2023年）。根据最新的FAOSTAT数据，2024年全球大麻产量约为368,502吨（FAOSTAT，2026年）。2024年全球工业大麻市场估值为59.9亿美元，预计到2034年将达到341.6亿美元（Quaicoe等人，2026年）。

DHS是一种有前景的替代蛋白来源，具有均衡的氨基酸组成和较低的致敏潜力（House等人，2010年；Mamone等人，2019年；Wang等人，2008年）。大麻籽粉含有抗营养因子，特别是植酸，可降低矿物质的生物利用率，且在大豆中同样普遍存在。尽管如此，大麻籽粉中的胰蛋白酶抑制活性据报道低于大豆粉中常见的报道值（Russo & Reggiani，2015年）。浸泡和热处理可以减少植物材料中的某些抗营养因子（Vijayakumari等人，1998年），尽管其在HSTG加工过程中的减少程度仍有待确定。这些特性支持了DHS作为类豆腐凝胶生产替代原料的潜力，同时表明需要对致敏性和残留抗营养因子进行产品特异性评估。这种未被充分利用的副产品不仅具有提高农业资源效率的巨大潜力，而且与动物源蛋白相比，它还提供了具有较低水和碳足迹的可持续蛋白选择。

由于与大豆蛋白的组成差异，大麻籽蛋白预计对各种凝固剂类型的反应不同，从而影响所得网络结构、结合机制和功能特性。

大麻籽蛋白主要是储存蛋白，其中11S球蛋白（大莱豆蛋白/edestin）是主要成分（65–75%），其次是2S清蛋白（25–37%），以及少量（约1%）的7S球蛋白（vicilin）（Ajibola & Aluko，2022年）。相比之下，大豆蛋白主要由7S球蛋白（β-伴大豆球蛋白，约40%）和11S球蛋白（β-伴清蛋白，约30%）组成（Din等人，2021年）。这些组成差异导致大麻籽蛋白在较高温度下发生热聚集，而大豆蛋白相对耐热且需要凝固剂才能凝胶化。两种关键机制可以解释这种热诱导凝固行为。首先，大莱豆蛋白形成由酸性亚基和碱性亚基（分别为AS和BS）组成的六聚体结构，AS上丰富的游离-SH基团在加热过程中发生硫醇-二硫键交换反应。这导致分子间SS键形成和蛋白聚集（Chuang等人，2019年；Docimo等人，2014年；Ma等人，2025年）。值得注意的是，大麻籽蛋白中的游离-SH基团含量约为大豆蛋白的三倍，这可能在加热过程中促进更有效的热交联和蛋白聚集（Tang等人，2006年）。其次，据报道7S球蛋白会干扰11S球蛋白的凝胶化（Guo等人，2012年），因此大麻籽中7S球蛋白的低丰度可能有利于聚集。

尽管对大麻籽蛋白组成和热聚集行为有了新兴的认识，但先前的研究主要集中在蛋白提取、组成表征和生物活性肽的生产上（Alpiger等人，2025年；Liu等人，2025年；Zhang等人，2025年）。关于不同类别的食品级凝固剂如何影响以大莱豆蛋白为主的大麻籽蛋白的凝胶化、网络结构、质地和营养特性的系统信息仍然有限。因此，大豆豆腐中已建立的凝固剂依赖性行为在多大程度上适用于大麻籽蛋白凝胶尚未完全确定。

因此，本研究旨在利用各种食品级凝固剂将DHS增值为大麻籽类豆腐凝胶（HSTG）的原料，代表一种食品升级再造方法。为了研究凝固剂对产品功能性的影响，选择了五种凝固剂——MgCl?、CaCl?、CaSO?、GDL和TGase——来代表这些不同的凝胶化机制。这些凝固剂是商业大豆豆腐生产中最广泛使用的凝固剂，进一步支持了所选系统的实际相关性。随后对所得的HSTG样品进行了物理化学性质（得率、水分、颜色）、质地特征（硬度、咀嚼性）、微观结构（通过扫描电子显微镜[SEM]）和分子相互作用（如二硫键[SS]结合、傅里叶变换红外[FTIR]光谱）评估。营养评估包括体外蛋白消化率（IVPD）和氨基酸组成分析。通过系统研究凝固剂类型如何影响HSTG的结构和营养品质，本研究为将大麻籽用于植物蛋白产品开发的可行性提供了见解。研究发现表明，HSTG可以为可持续粮食系统和更广泛的向环境友好型饮食的转变做出有意义的贡献。

各节摘要

大麻籽奶的制备

DHS由Hemp & R Bio Co. Ltd.（韩国安东）提供，冷冻保存直至使用。为制备大麻籽奶（HSM），将100 g DHS悬浮于900 mL蒸馏水中，并在室温下浸泡12小时。该配方的选择是在常见报道范围内进行的，以确保形成一致的凝胶并便于凝固剂之间的比较（Han，2005年；Kao等人，2004年）。膨胀后的种子使用家用搅拌机（浙江苏泊尔家用电器有限公司）进行均质化处理。

脱脂大麻籽的组成及制备大麻籽奶过程中的蛋白回收

为了表征原料并为类豆腐凝胶生产准备HSM，对DHS的一般组成进行了分析（表S1），并评估了提取到水相中的蛋白质。DHS含有5.6%的水分、10.5%的灰分、54.9%的粗蛋白、17.6%的粗脂肪和0.8%的粗纤维。均质化和过滤后，所得HSM基于总氮含量含有33.6 g/L的蛋白质，相当于回收了DHS中初始蛋白质的61.2%。

结论

本研究证明，DHS仅通过热处理即可形成自支撑的HSTG，而食品级凝固剂进一步修饰了蛋白相互作用、凝胶重量、质地和体外蛋白消化率。MgCl?和TGase处理的HSTG的高硬度支持了其在硬质、结构化植物蛋白产品中的潜力，而较软的GDL处理凝胶可能适合软豆腐或绢豆腐类产品。CaCl?处理的HSTG的高IVPD（88.11%）也表明了潜在的……

CRediT作者贡献声明

Suh Hyuk Kim：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，概念构思。So Yeong Park：验证，方法学，调查。Ju Hyun Min：方法学，调查。Hye Jee Kang：方法学，调查。Young Hoon Jung：撰写——审阅与编辑，调查。Dong Hyun Kim：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督，方法学，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本报告中所述工作的结果。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的生物医药技术发展计划支持，由韩国政府（MSIT）资助（RS-2024-00452695）。本研究还得到了科技部资助的NRF拨款支持（RS-2026-25492790）。此外，还得到了大邱ANCHOR中心通过ANCHOR计划的支持，由韩国大邱大邱广域市教育部（MOE）资助（2026-ANCHOR-03-001）。

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