《ACS Omega》：Multiscale Analysis of Kluyveromyces lactis SCP in a Fermented Soy Protein Matrix
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推荐：为提升发酵植物基酸奶的质地与持水性，研究人员将克鲁维酵母（Kluyveromyces lactis）单细胞蛋白（SCP）与大豆分离蛋白（SPI）复合，系统研究了不同SCP替代比例（0%、25%、50%、75%）对多尺度结构和功能特性的影响。结果表明，25%的SCP替代可形成更开放的多孔结构，显著增强凝胶硬度、稠度和粘弹性，而过高替代（≥50%）则会削弱机械性能，但75% SCP时持水性（WHC）大幅提高。该研究为合理设计兼具优良质地与高持水性的可持续植物基发酵食品提供了配方指导。
在全球人口增长、环境问题加剧以及消费者健康意识增强的背景下，寻找可持续且营养均衡的食品替代品变得日益重要。植物基蛋白配方，特别是酸奶类似物，是替代动物源食品最具前景的方向之一，其全球市场价值预计将在2028年超过436亿美元。大豆分离蛋白因其高营养品质和良好的功能特性，成为制备植物基酸奶的常用原料。然而，其在发酵产品中的应用仍面临诸多挑战，包括在低pH下溶解性差、易发生相分离、具有豆腥味以及不理想的质构特性。为了突破这些限制，研究人员将目光投向了单细胞蛋白。作为一种来自微生物的蛋白质资源，单细胞蛋白因其高生长效率和均衡的氨基酸组成而备受关注，但其强烈的色素沉着、风味不兼容和消费者接受度等问题，通常限制其只能以低水平添加。克鲁维酵母作为一种公认安全的非致病性酵母，具有悠久的乳制品行业应用历史，由其生物质衍生的单细胞蛋白，有望成为一种功能性与可持续性兼备的食品配料。然而，将微生物生物质整合到植物基基质中，可能会改变食品基质的稳定性，从而影响最终产品的质地、流变性和持水性。为了系统地理解其影响机制，并优化产品设计，本研究采用了一种多尺度分析方法，旨在填补该领域的系统性研究空白。
为开展此项研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先，利用乳清培养基在生物反应器中培养克鲁维酵母以生产单细胞蛋白，并通过超声破碎和冻干获得SCP粉末。其次，将不同比例（0%， 25%， 50%， 75%）的SCP与大豆分离蛋白复合，制备了总蛋白质浓度恒定为4%（w/v）的发酵大豆酸奶样品。然后，运用包括凯氏定氮法、原子吸收光谱法在内的多种化学分析方法对SCP的理化组成进行了表征。在微观尺度上，使用扫描电子显微镜观察了酸奶样品的网络结构。在宏观尺度上，则采用质构剖面分析、动态流变学测试和离心法，分别对样品的硬度、稠度、黏弹性模量及持水性进行了系统评估。所有实验数据均通过方差分析进行统计学处理。
分子尺度：组成与相互作用的影响
在掺入大豆酸奶基质前，对克鲁维酵母SCP的理化特性进行了分析。其蛋白质含量为30.0 ± 0.25%（干重），膳食纤维含量较高（23.9 ± 1.75%），而灰分和矿物质（如钙、铁）含量较低。这些组成特征表明，SCP的掺入主要带来蛋白质和膳食纤维，而离子交联作用有限。当SCP替代水平增加时，混合体系的初始pH值显著降低，这加速了发酵过程，使含SCP的样品在约7-8小时内达到目标pH值4.6，而对照样品则需要近17小时。这种加速的酸化过程可能与SCP中的小肽、游离氨基酸和B族维生素等成分刺激乳酸菌生长有关，在分子尺度上导致了蛋白质功能基团的更早质子化和网络形成的加速。
微观尺度：孔隙结构与蛋白质的空间分布
通过扫描电子显微镜观察了酸奶的微观结构。结果显示，不含SCP的对照样品（T1）和含50% SCP的样品（T3）形成了致密、连续的蛋白质网络，平均孔径较小（分别为0.464 ± 0.244 μm和0.524 ± 0.288 μm）。而含25% SCP的样品（T2）和含75% SCP的样品（T4）则呈现出更开放的结构，具有更大的平均孔径（分别为1.121 ± 0.624 μm和1.193 ± 0.601 μm）。T2的基质中嵌入了不规则的大块区域，而T4则显示出高度破碎的颗粒状结构。这表明SCP的掺入显著改变了凝胶网络的微观形态，且这种改变并非与SCP浓度呈简单的线性关系，而是取决于大豆分离蛋白凝胶连续性与SCP引起的结构破坏之间的平衡。
宏观尺度：结构-功能关系
宏观功能特性测试揭示了微观结构差异带来的实际影响。在质构方面，含25% SCP的样品（T2）表现出最高的硬度和稠度，其硬度（46.97 g）比对照样品（30.52 g）显著增加了54%。然而，当SCP替代水平达到或超过50%时（T3和T4），样品的硬度和稠度均显著下降。在持水性方面，仅当SCP替代水平达到75%（T4）时，持水能力（65.02%）才显著高于其他所有样品。这归因于高含量SCP带来的富含纤维和多糖的相，能形成更多亲水腔隙以截留水分。流变学测试进一步证实了这些发现。所有样品在整个频率扫描范围内均表现出固体行为（储能模量G′大于损耗模量G″）。T2表现出最高的G′值和最小的频率依赖性，表明其形成了最强、弹性最好的凝胶网络。而T3和T4的G′值显著降低，且对频率的依赖性更强，表明其网络较弱、互连性较差。在表观粘度方面，T1和T2（大豆分离蛋白比例最高）在整个剪切速率范围内表现出最高的粘度，且T2的粘度始终最高，呈现典型的剪切变稀行为。T3和T4的粘度曲线相似，且均低于富含大豆分离蛋白的样品。
结论与讨论
本研究通过多尺度分析方法，系统阐明了在发酵大豆蛋白基质中掺入克鲁维酵母单细胞蛋白的影响。研究发现，SCP的掺入水平对其功能特性具有决定性影响。在25%的替代水平下，SCP加速了酸化过程，并在维持大豆分离蛋白网络连续性的同时，形成了更开放的孔隙结构，最终使凝胶的硬度、稠度、弹性模量和粘度均得到显著提升，创造了机械性能最优的强化凝胶网络。然而，当SCP替代水平较高（≥50%）时，会削弱凝胶的机械性能，表现为硬度、稠度和弹性模量的下降。只有在最高替代水平（75%）下，SCP的掺入才显著提高了凝胶的持水能力，这与其富含膳食纤维和多糖的成分特性相关，但这是以牺牲凝胶的内聚强度和机械完整性为代价的。这些发现清晰地界定了一个功能性配方窗口：适度的SCP掺入（约25%）能在不显著改变持水性的前提下强化凝胶网络并加速发酵；而过高的掺入水平（约75%）虽能提升持水性，却会损害凝胶的内聚力和机械强度。因此，在利用SCP设计植物基发酵产品时，关键在于平衡蛋白质来源与SCP含量，以实现质地与功能性的最佳组合。这项发表于《ACS Omega》的研究，不仅为理解SCP在复合蛋白基质中的作用机制提供了多尺度的见解，也为开发质地优良、持水性好且可持续的新型植物基酸奶产品提供了具体的配方依据和理论指导。
