1、植物蛋白与动物蛋白化学结构和功能特性差异

植物蛋白是人类膳食中重要的蛋白质来源，占全世界蛋白产量的80%，其具有来源广泛、价格低廉、营养品质高等特点，在人类健康饮食结构中发挥了重要作用。植物蛋白分子结构以复杂的多聚体形式存在，如大豆蛋白可分为2S、7S、11S、15S，其中7S和11S为主要成分（质量分数约为70%），7S蛋白分子由α＇、α、β 3 个亚基通过疏水相互作用缔合，11S由6 个酸性亚基和6 个碱性亚基以二硫键连接构成。植物蛋白具有一定的功能性质，如凝胶性、乳化性及发泡性等，但常常满足不了食品工业的需求，所以需要适当加工以改善营养价值或功能性质。

豌豆纤维化蛋白与猪肌原纤维蛋白微观结构如图1所示。对比植物蛋白与动物蛋白的结构差异可知，植物蛋白多为球状，分子较对称，溶解性通常较好，而肉类蛋白多为纤维状，分子不对称，溶解度各不相同，大部分不溶于水。从蛋白质变性温度来看，植物蛋白在较高温度下才会变性，而动物蛋白在较低温度下即可变性，如大豆球蛋白变性温度在90 ℃左右，而肌球蛋白在40 ℃左右开始变性，50 ℃变性显著，肌动蛋白在66～73 ℃发生变性。因此，植物蛋白通常需要更高的温度或更长的加热时间才能使蛋白结构伸展，发生变性，从而进一步促进新结构形成、达到改善功能特性的目的。

从蛋白消化率来看，植物蛋白的消化率往往比动物蛋白低（表1），因为植物蛋白常与植酸、蛋白酶抑制剂、植物血凝素和鞣酸等影响蛋白质消化的抗营养因子共存，降低了蛋白消化率。此外，植物蛋白的二级结构以β-折叠为主，而动物蛋白以α-螺旋为主，结构上的差异也是植物蛋白消化率较低的原因。在必需氨基酸组成方面，动物蛋白的蛋白质消化率校正后的氨基酸得分（PDCAAS）能够达到或更加接近1.00，氨基酸的比例更加均衡，而植物蛋白往往缺乏一种或多种限制性氨基酸（LAA），PDCAAS低，如大多数谷物蛋白的赖氨酸含量较低，豆类蛋白的含硫氨基酸（甲硫氨酸和半胱氨酸）含量较低。可将不同种类植物蛋白混合，使其限制性氨基酸互补，能够提高植物蛋白的营养品质，如豌豆和大米的PDCAAS指数较低，但将其组合可以将PDCAAS增加到1.00，同时食品加工也可以提高蛋白质消化率和PDCAAS，如蒸煮条件下能够提高蛋白质的消化率，将大豆制成大豆分离蛋白后其PDCAAS可由0.80增加至0.98。

酶法交联

酶法交联是指蛋白质在酶的作用下，促进蛋白质分子内或分子间的交联作用。交联后蛋白质分子结构发生变化，分子质量提高，可有效改善蛋白质的持水性、凝胶性等功能特性。漆酶（EC1.10.3.2）是一种具有交联能力的多酚氧化酶，其催化中心存在多个铜离子，所以也被称作多铜氧化酶。其广泛存在于植物、真菌中，也有一些漆酶能够从细菌和昆虫中分离出来。漆酶的肽链约由500～550 个氨基酸组成，漆酶分子由3 个杯状结构域紧密结合形成漆酶的球状结构，每个结构主要由β-折叠、α-螺旋及无规卷曲构成。漆酶的活性位点一般存在4 个铜离子，可分为3 种类型，I型和II型各1 个，III型2 个，其中I型铜离子是还原性底物的氧化位点，具有典型的蓝铜谱带，是漆酶外观为蓝色的主要原因。漆酶结构与交联蛋白过程如图2所示。

TG（EC2.3.2.13）广泛存在于植物、动物及微生物当中，目前市场所用的TG大多为微生物来源，其酶学性质更加稳定，对蛋白选择范围更广，交联性能更好，在食品中的应用十分广泛。TG通过3 种途径对蛋白质结构进行修饰改性，分别为转氨基反应、交联反应、脱氨基反应，其中交联反应机理如图3所示，TG催化蛋白质的谷氨酰胺残基（酰基供体）和赖氨酸残基（酰基受体）之间的酰基转移反应，形成ε-(γ-谷氨酰)赖氨酸肽键。

酶法水解

酶法水解指蛋白质在酶的作用下降解成肽类或氨基酸（图4），是改造蛋白质组成、改善蛋白质品质的有效途径之一。碱性蛋白酶是一种在中性到碱性（pH 7～11）范围内具有活性的水解酶，其中心有1 个丝氨酸，属于内切酶，水解部位为芳香族或疏水性氨基酸的羧基。除了能水解肽键，碱性蛋白酶还能够水解酯键、酰胺键以及具有转酯、转肽的功能。其水解作用机理为丝氨酸作用于肽键酰基，形成丝氨酸羟基、底物酰基和氨基的共价四联中间体，中间体易分解形成酰基-酶中间产物，期间伴随着肽键断裂，水分子进入后，氧原子攻击羰基上的碳原子，酰基-酶解离，蛋白质水解完成。

目前酶法改性工艺在肉制品加工中应用广泛，可提高产品的营养价值、提高产品风味、降低材料成本并提高生产效率、改善肉制品品质等。在提高肉制品营养价值方面，利用酶制剂降解蛋白生成的肽和氨基酸更容易被人体吸收。已有研究显示蛋白质在人体肠道内并不完全以氨基酸的形式被吸收，而短链肽更容易且能够更快被机体吸收利用，且短链肽比氨基酸的渗透压更低，致敏性比多肽和蛋白低，能够被人体完全吸收和利用，在普通饮食不能满足蛋白营养需求的人群中有着广泛应用。此外，在提高产品风味方面，酶解蛋白可产生多种呈味肽，能够显著改善食品滋味与风味。

如表2所示，酶法改性技术在植物基肉制品生产中已得到应用，其可以改善产品外观、质构品质和风味等。TG、PG及漆酶均能够有效改善植物基肉制品的品质，Pöri等利用PG与TG复配处理燕麦浓缩蛋白，同时探究了燕麦浓缩蛋白预热处理对挤出物的影响，结果表明，加入总酶活力为5 U的TG、PG混合酶进行酶解后，预热处理的燕麦浓缩蛋白能够促进高水分挤出物纤维结构的形成。

食品挤压技术是集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、膨化及成型等过程为一体的高新食品加工技术，具有高效率、低能耗，少排放、低成本，高温短时、营养损失小等特点。根据螺杆数量的不同，可分为单螺杆挤压、双螺杆挤压和多螺杆挤压；根据物料水分质量分数的不同，可分为低水分（20%～40%）挤压和高水分（40%～80%）挤压。在挤压过程中，蛋白分子中原有的化学键断裂，分子链伸展，分子内或分子间发生交联、聚集、降解、氧化等反应，能够使蛋白质分子形成新的有序的网状纤维结构。在挤压过程中高压和高温的环境下，植物蛋白的抗营养物质、过敏源等也会被破坏，从而可提高其消化率、降低植物蛋白致敏性。低水分挤压由于模口处温度和压力骤降，制得的拉丝蛋白呈蓬松多孔结构，水分含量低；而高水分挤压具有更长的冷却模具，可同时完成调色、调味、熟化、杀菌、组织化等工序，不仅生产过程能耗低、营养损失小、无需后续加工等优点，而且产品更接近动物肉的纤维结构和质地，可作为较为理想的动物蛋白部分替代品。因此，高水分挤压被认为是目前最具潜力的新型植物基肉制品加工技术之一。

酶法改性与挤压联用技术是在物料挤压过程中引入外源酶，将挤压机作为酶的反应器，以加强对生物大分子的改性作用。植物蛋白大多为球状，温和条件下难以直接作用基质，因此酶水解、酶交联等效果较差。在挤压过程中蛋白质分子由聚合状态转变为暴露状态，增加了酶与底物的接触位点数量（图5），同时在强外力下蛋白与酶混合均匀，有利于酶与底物在多个方向充分接触，从而能够改善酶作用效果。

专家简介

王 强 二级研究员，博士生导师，中国农业科学院农产品加工研究所。国际食品科学院院士，2021年中国工程院院士增选有效候选人，入围“全球前2%顶尖科学家榜单”，长期从事粮油加工与营养健康领域科学研究。现任中国农业科学院植物蛋白结构与功能调控创新团队首席专家，国家花生产业技术体系加工研究室主任、九三学社中央农林委委员，新疆自治区油料产业技术体系首席科学家。全国优秀科技工作者，全国首批农业科研杰出人才，全国科技助力精准扶贫先进个人，入选国家“百千万人才工程”并获“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院特殊津贴，农业农村部神农领军人才，中国农业科学院领军人才，中国粮油学会花生食品分会会长，中国食品科学技术学会植物基食品分会副理事长，Journal of Integrative Agriculture食品栏目执行主编、npj Science of Food编委。主持国家级项目40余项，获得国家技术发明与科技进步二等奖各1 项，省部级一等奖8 项，授权发明专利90余项，制修订国家和行业标准9 项，出版著作12 部，发表学术论文330余篇，培养硕博研究生、博士后100多人。

张金闯 副研究员，硕士生导师，中国农业科学院农产品加工研究所。中国农业科学院农产品加工研究所植物蛋白结构与功能调控创新团队科研骨干，主要从事植物蛋白资源利用与人造食品创制研究，入选中国科协“青年人才托举工程”，中国农业科学院“优秀博士学位论文”获得者，中国农业科学院农产品加工研究所“珠峰计划”人才。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划等国家级项目课题3 项，近5 年，以第一/通信作者在Trends in Food Science & Technology、Critical Reviews in Food Science and Nutrition、Food Hydrocolloids（5 篇）、Food Chemistry（3 篇）、Journal of Food Engineering、Journal of Agricultural and Food Chemistry、《食品科学》等食品科学与工程领域知名期刊发表相关SCI/EI收录论文30余篇（其中JCR一区17 篇），累计影响因子147，被引次数500余次，以主要完成人授权中国、美国、荷兰等发明专利10 件，获得软件著作权1 项，参编著作3 部，参与制订植物基肉制品相关标准3 项。研究成果入选中国科协2021“科创中国”现代农林领域十大先导技术榜单、2022中国食品科技十大进展，在良品铺子、益海嘉里等知名企业转化应用。受邀担任国际期刊Gels客座主编，Trends in Food Science & Technology、Food Chemistry、Food Research International、LWT-Food Science and Technology等国际知名刊物审稿专家。