基于食用酸模蛋白增强海藻酸钠水凝胶力学性能的机制及应用研究

《LWT》：Aroma-producing profiles, degradation mechanism of a β-carotene-degrading Bacillus thuringiensis strain

本研究针对单一海藻酸钠(SA)水凝胶机械强度低、结构松散等问题，通过引入食用酸模蛋白(EDP)构建复合水凝胶体系。研究发现，当EDP添加量为0.5g/100 mL时，复合水凝胶的硬度、弹性及储能模量(G')分别提升22.3%、66.2%和32.1%，孔隙率降低6.9%。分子对接证实EDP与SA通过氢键、疏水相互作用及静电作用结合，显著改善凝胶网络结构。该研究为高性能SA基复合水凝胶在食品、生物医药等领域的应用提供了理论和技术支撑。

　　

在食品科学与材料工程领域，海藻酸钠(Sodium Alginate, SA)因其优异的成凝胶性、生物相容性和可降解性，被广泛应用于食品封装、药物递送和生物材料中。然而，单一SA水凝胶存在机械强度低、结构松散、热稳定性差等局限，严重制约其工业化应用。近年来，通过引入蛋白质等天然大分子来增强SA水凝胶性能已成为研究热点。食用酸模蛋白(Edible Dock Protein, EDP)作为一种新兴植物蛋白，具有高蛋白含量（干基达36%）、低成本和可持续性等优势，但其与SA复合构建水凝胶的机制尚不明确。

为解决上述问题，沈阳师范大学食品科学与技术学院的Jiang Wanyue、Pang Junqi等研究人员在《LWT》上发表论文，系统研究了EDP对SA水凝胶力学性能、凝胶行为及微观结构的增强效应，并深入揭示了二者相互作用的分子机制。

本研究主要采用以下关键技术方法：通过Zeta电位与粒径分析评估复合物稳定性；利用流变仪和质构仪测定凝胶力学性能；采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)分析结构和形貌；结合分子对接技术模拟EDP与SA的相互作用；使用热重分析(TG)和差示扫描量热法(DSC)评估热稳定性。

3.1. 粒径和Zeta电位

随着EDP添加量增加，复合物粒径显著增大，表明蛋白质促进了分子交联和网络形成；Zeta电位绝对值降低，反映静电中和作用，但过量EDP（>0.5g/100 mL）会降低体系稳定性。

3.2. 表面疏水性

表面疏水性(H₀)随EDP浓度增加而上升，因SA诱导蛋白质展开暴露疏水基团，且ANS荧光探针结合增强，证实疏水相互作用是主要驱动力。

3.3. 凝胶性能表征

当EDP添加量为0.5g/100 mL时，凝胶硬度、弹性和咀嚼度分别提升22.3%、66.2%和53.0%，孔隙率降低6.9%；流变学显示储能模量(G′)显著高于损耗模量(G″)，tanδ<1，表明凝胶呈固态弹性特征。过量EDP会因竞争Ca²⁺和蛋白聚集导致性能下降。

3.4. 流变学表征与热稳定性分析

TG曲线显示凝胶在190–250°C开始降解，EDP添加量高时失重率略增；DSC曲线显示复合凝胶吸热峰介于EDP(168.10°C)和SA(179.03°C)之间，表明二者存在相互作用，但EDP略微降低了SA的热稳定性。

3.5. 微观结构

SEM图像显示，随EDP含量增加，凝胶孔径减小、网络结构更致密，与孔隙率下降趋势一致。但过量EDP（如2g/100 mL）会导致蛋白聚集和界面弱化，反而降低硬度。

3.6. 光谱学表征

FTIR分析表明，EDP与SA结合后，-OH伸缩振动峰红移，酰胺I带强度下降，证实氢键和静电相互作用；二级结构拟合显示α-螺旋和β-折叠含量增加，β-转角减少，表明蛋白质构象更有序、网络更紧密。

3.7. 分子对接分析

分子对接显示SA与EDP结合能为-5.7 kcal/mol，通过4个氢键与GLU-77、GLY-78、THR-120和LYS-119等残基相互作用，其中疏水氨基酸GLY和带电氨基酸LYS分别介导疏水作用和静电作用，与实验结论高度一致。

该研究通过多尺度表征证实，EDP能有效增强SA水凝胶的机械性能和网络稳定性，最优添加量为0.5g/100 mL。相互作用以氢键、疏水作用和静电作用为主，并引起蛋白质二级结构重组。分子对接从原子层面揭示了结合位点与模式。这一工作不仅为设计高性能蛋白-多糖复合凝胶提供了新策略，也为EDP和SA在食品递送系统、包装薄膜和3D打印食品等领域的应用奠定了理论基础。