J. Future Foods | 豆类蛋白在未来食品中的应用概述：成分开发和新应用

2023-06-21 21:06:29

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Introduction

动物性食物一直是必需氨基酸和膳食蛋白质的主要来源，膳食蛋白质是人体营养中第二重要的宏量营养素。然而，传统的动物食品生产可持续性较差，需要大量土地，导致温室气体排放，并涉及伦理问题。此外，经常性食用以动物肉类为主的饮食与一些慢性疾病的发生有关。在这种情况下，植物蛋白提供了一种有力的解决方案，不仅因为豆类作物种植和使用的历史悠久，在世界许多地方易于获取，生产成本较低。而且最重要的是，植物蛋白的生产具有环保性和可持续性。

目前，大豆蛋白和小麦面筋是两种最广泛用作动物蛋白的替代品使用的植物蛋白成分。但是，由于麸质敏感性和大豆蛋白的致敏作用，许多消费者不能使用含这些成分的产品。因此，我们需要新的植物性蛋白质来源。在坚果、谷物、豆类、蔬菜和水果等各种植物性蛋白质的潜在来源中，豆类因其高蛋白质含量和营养属性而更适合。

近年来，人们探索了来自蚕豆、扁豆、鹰嘴豆和豌豆等来源的各种豆类蛋白作为大豆蛋白的替代品，并取得了一定程度上的商业成功，例如豌豆蛋白。豌豆蛋白作为一种新型豆类蛋白，由于其低成本、可用性、较高的营养价值和健康益处而在全球食品工业中广受欢迎。

图1 每年在食品科学与技术领域豆类蛋白出版物数量统计图

图2 利用VOSViewer对豆类蛋白研究文章进行文献计量网络分析

美国堪萨斯州立大学的Bipin Rajpurohit博士和Yonghui Li副教授对豆类蛋白的提取方法、功能、消化特点和感官特征以及在食品中的研究进行了综述，不仅简要介绍了相关方面的研究现状，还强调了可能塑造其他研究方向的新颖研究。与此同时提出并讨论了豆类蛋白质成分开发以及新型食品和应用开发的路线图。

图3 为新型食品应用开发豆类蛋白成分路线图

豆类蛋白的提取方式

传统的两种蛋白质提取方法是湿法提取和干法提取。与湿法提取相比，从干法提取得到的蛋白质纯度较低。然而，干法提取节约资源和成本，同时也保留了蛋白质原有的结构和功能。湿法提取的成本高、耗时长、费力，并会产生大量的废水和化学物质，对环境产生负面影响。目前，有研究建立了干湿联合提取法，即将通过干法提取得到的富含蛋白质的豆粉馏分，可进一步用湿法提取提高纯度，但目前此种方法并未得到广泛的应用。

也可采用多种生物化学和物理方法作为预处理，辅助提高常规湿法提取豆类蛋白的效率。生物化学法辅助提取包括酶辅助提取，物理法辅助提取包括超声辅助提取、脉冲电场辅助提取、微波辅助提取、高压辅助提取、强脉冲光辅助提取和射频辅助提取。未来应结合各种预处理技术及其在豆类蛋白提取中的应用对各种预处理技术的优缺点进行深入研究。

豆类蛋白的功能

持水力和持油力

一般情况下，蛋白质的持水力和持油力随蛋白质纯度的增加而增加。查阅文献后发现豆科蛋白分离物的持水力和持油力分别为1.8～6.8 g/g和3.5～6.8 g/g。持水力和持油力不仅影响植物性肉产品的多汁性和可烹饪性，还会影响植物性酸奶的脱水收缩。含有优质持水力和持油力的豆类蛋白用于植物性肉类类似物或作为肉类添加剂。豆类蛋白的分离和浓缩物具有良好的纤维特性，可作为膨化植物蛋白应用。

胶凝能力

测定蛋白质胶凝能力最常用的方法是测定最小凝胶浓度。大多数豆类蛋白的最小凝胶浓度值在10%～18%之间。而鹰嘴豆蛋白的LGC较低，为5%～7%。影响最小凝胶浓度的因素包括蛋白质类型、凝胶条件，如加热条件、离子强度、pH值和其他成分的存在。具有较高持水力的蛋白质往往具有较高的胶凝能力。在添加小扁豆和鹰嘴豆粉后，牛肉汉堡的硬度增加。同样，添加鹰嘴豆浓缩蛋白可以提高香肠的凝胶强度。因此，具有良好凝胶性能的豆类蛋白成分在肉制品类似物的开发中具有良好的应用前景。

溶解度

蛋白质的溶解度是衡量蛋白质在水中完全溶解的能力，它影响食品的许多品质属性。溶解度与乳化、发泡和凝胶等其他特性有关，因此在很大程度上决定了蛋白质在各种食品应用中的适用性。在以往文献中，研究人员使用不同的方法进行测定，这让比较的结果并不具备准确性。豆类蛋白的溶解度和某些不可溶蛋白的含量在牛奶替代品、乳饮料和类肉产品的开发中非常重要。

乳化性

乳化性是通过蛋白质形成和稳定乳剂的能力来衡量的。测定乳化性能的两种常用方法是乳化液活性和乳化液活性指数。在以往文献中，尽管使用相同的检测方法，但在豆类蛋白的乳化性能测量中存在很大的可变性。豌豆蛋白的乳化活性范围为21%～76%。乳化剂可用于植物性肉类类似物来模拟脂肪组织。乳化剂促进并稳定乳化植物性食品中的油滴，如调味品、酱料、牛奶类似物和奶油类似物。

发泡特性

豆类蛋白通过吸附到空气-水界面并在气泡周围形成保护膜以此稳定泡沫。发泡特性可以通过测量发泡容量和发泡稳定性两个指标来表征。其中发泡容量是蛋白质溶液剧烈混合时产生的泡沫量的量度，而发泡稳定性是蛋白质在泡沫崩塌前稳定泡沫所用的时间的量度。发泡特性对于食品应用是必不可少的，如生奶油、冰淇淋和蛋糕的蓬松都需要良好的发泡能力。

流变特性

蛋白质溶液的流变学特性之所以重要，是因为它们影响液体食品的感官特性（如厚度、口感）。除了感官特性外，流变学在加工过程中也很重要（如混合和喷雾干燥等）。通常测定流变性能的方法是测量其黏度，但这一方法的其中一条缺点便是缺乏测试的标准化。不同研究之间的数据无法比较。因此，需要在未来开发标准的功能测试或指南。此外，人们对蛋白质功能与产品质量之间的关系缺乏认识。目前还不清楚有多少蛋白质功能会被转移到最终产品中，以及食品加工会如何影响功能。

图4 豆类蛋白的重要食物功能示意图

豆类蛋白的消化率

相比于动物蛋白，豆类蛋白在胃肠道中不易被消化和利用。其原因有以下三点：第一，豆类蛋白中存在抗营养因子，如胰蛋白酶抑制剂、单宁、血凝素和植酸盐会干扰蛋白质的消化和吸收。第二，豆类和动物蛋白的结构存在差异。第三，膳食纤维会抑制豆类蛋白的水解消化率。通过使用去壳、浸泡等加工方式去除抗营养因子可以提高豆类蛋白质的蛋白质质量。

豆类蛋白的感官特征

豆类蛋白新食品开发的主要挑战之一是存在的异味化合物。豆类本身或加工过程中产生的挥发性或非挥发性化合物是产生异味的主要原因。豆类中常见的异味包括苦味、青草味和涩味等等。在所有常见的豆类品种中都检测到了异味，包括鹰嘴豆、扁豆、干豌豆和普通豆子。目前常用的改善豆类食品异味的方法有更换豆类品种、热处理和控制豆类氧化过程，目前，膜过滤技术和使用调味品在去除豆类异味方面的文章并不多，可进一步研究。

豆类蛋白在食品开发中的应用

豆类蛋白在烘焙食品、意大利面、肉类似物和替代奶制品等方面均有所应用，除此之外，还可以将其用于新型食品产品的应用，如婴儿和儿童配方食品、饮料、早餐谷物等，以及还可以利用3D打印和人工智能等创新技术联合开发新型食品。

结论与展望

由于豆类蛋白具有易获取、可持续性、营养性和广泛适用于各种食品的特点，将很有希望成为替代传统动物蛋白的食品。目前，在所有豆类蛋白中，豌豆蛋白是商业上容易获得和广泛使用的蛋白质。但还需要更多的研究来确定豆类植物（豌豆除外）中具有足够保障食品功能的蛋白质。未来可针对其进行育种工作，选择培育蛋白质和限制性氨基酸含量较高的品种。同时，还可以通过植物育种来选择含有较少异味化合物的品种。监管和标准化组织则需要为蛋白质提取、蛋白质功能测试以及蛋白质浓缩物和分离物的鉴别制定相应的标准或指南。未来的研究也需要结合3D打印、人工智能和大数据系统、精密发酵、挤压等创新技术的应用，开发豆类蛋白成分的新型应用，如个性化和精密度营养、生物活性肽生产、风味开发和食用蛋白膜等。最后，我们也需要促进消费者重视对豆类成分的潜在健康益处及其在可持续农业和粮食生产中的作用。

图5 开发豆类蛋白作为未来食品的现状、局限性及展望

Overview on pulse proteins for future foods: Ingredient development and novel applications

Bipin Rajpurohit, Yonghui Li*

Department of Grain Science and Industry, Kansas State University, Manhattan 66506, USA

*Corresponding author.

Abstract

We are facing the challenge of climate change and food insecurity for a growing population. The current mode of animal protein production via animal agriculture is resource-intensive and unsustainable. Therefore, there is a need to find alternative sources of food protein that are environmentally sustainable. Plant-based proteins, specifically pulse-based proteins, provide a promising solution to the problem. This review aims to provide an overview and perspective on extraction, functionality, digestibility, sensory, and new food applications of pulse proteins. Two main methods, namely wet fractionation and dry fractionation are used to extract pulse-based proteins. As compared to dry fractionation, wet fractionation yields high purity protein, but the process alters the structure and function of the proteins. Various biochemical and physical techniques can be used to assist wet extraction process to increase protein yield and/or reduce extraction time. The main techno-functional properties of plant-based proteins determining their practical applicability are solubility, water/oil holding capacity (WHC/OHC), gelation, emulsification, foaming, and rheological properties. Nutritionally, pulse proteins are deficient in one or more essential amino acids. Strategies to overcome the deficiency are discussed. Volatile and non-volatile compounds inherent to pulses or developed during processing are mostly responsible for the off flavors in the extracted protein. Approaches to improve the pulse protein flavor and remove or modify off-flavors are discussed. Pulse-based protein ingredients have applications in bakery products, pasta, meat analogues, dairy alternatives, and beverages. Beyond these applications, there is a need to explore novel applications of pulse proteins in infant and children's formula, beverages, breakfast cereals, flavor development, and extruded snack products, develop new applications such as personalized and precision nutrition and bioactive peptides, and employ innovative technologies such as 3D printing, extrusion, and artificial intelligence for pulse protein research. This review presents the current status, limitations, and future perspectives for developing pulse protein ingredients as future foods. This review aims to foster thinking and generate novel ideas for future research.

Reference:

Rajpurohit B, Li Y. Overview on pulse proteins for future foods: Ingredient development and novel applications[J]. Journal of Future Foods, 2023, 3(4): 340-356. DOI:org/10.1016/j.jfutfo.2023.03.005.

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