通过Mg2+交联实现罗非鱼-鸡肉复合明胶的协同改性：一种可持续的替代猪明胶的方法

《LWT》：Synergistic Modification of Tilapia-Chicken Composite Gelatin via Mg2+ Cross-linking: A Sustainable Alternative to Porcine Gelatin

本研究通过复合鸡肉和鲈鱼皮肤明胶，结合 MgCl? 交联改性，成功开发了性能接近猪皮明胶的新型明胶。实验表明，复合比例 1:2.5 时，凝胶强度、粘度和熔点与猪皮明胶无显著差异，且 MgCl? 优化了纳米结构，形成更稳定的盐桥网络。

　　### 解读与分析

本文探讨了一种替代传统哺乳动物明胶（如猪皮明胶）的新型复合明胶的开发。研究通过结合鸡皮明胶（CG）与 tilapia（即鲫鱼，这里可能是指某种鱼皮明胶，记为 FG）并引入无机盐进行修饰，以优化其物理化学性质，使其在功能上更接近猪皮明胶。研究的主要目标在于解决单一来源明胶在实际应用中所面临的诸多限制，包括疾病传播风险、宗教禁忌以及生产成本等因素。

#### 1. 明胶的背景与应用

明胶是一种从胶原蛋白部分水解而来的蛋白质产品，广泛应用于食品工业、制药行业以及化妆品等领域。其主要功能包括作为乳化剂、凝胶剂和稳定剂，常用于烘焙制品和硬胶囊的制造。然而，传统明胶的来源主要是哺乳动物（如猪和牛）的骨骼和皮肤，这使得其在某些情况下存在潜在的食品安全问题，例如疯牛病（BSE）和口蹄疫（FMD）等。此外，部分宗教信仰也对使用猪源明胶有所限制。因此，寻找可替代的明胶来源成为研究的热点。

为了克服这些问题，研究者们探索了多种替代材料，包括哺乳动物、海洋动物和禽类来源的明胶。例如，鱼类和水母等海洋生物来源的明胶具有较高的产量和营养价值，但其胶原蛋白结构中脯氨酸和羟脯氨酸含量较低，导致其凝胶强度和熔点低于猪皮明胶。相比之下，鸡皮明胶虽然具有较高的凝胶强度，但其原料来源有限，且生产成本较高。因此，通过将鸡皮明胶与鱼皮明胶复合，以弥补各自的不足，成为一种可行的策略。

#### 2. 复合明胶的制备与性能评估

研究中采用了多种方法制备复合明胶，并对其物理化学性质进行了系统的评估。具体而言，研究者将 CG 和 FG 按照不同的质量比例（如 1:1、1:1.5 等）进行复合，形成 F-C 复合明胶。随后，通过调整存储温度（10°C）和时间（17 小时），确保复合明胶能够形成稳定的凝胶结构。

在性能评估方面，研究采用了多种参数，包括凝胶强度、粘度、质构分析（TPA）以及微观结构分析等。结果表明，当 CG 与 FG 的质量比为 1:2.5 时，F-C 复合明胶的凝胶强度和粘度均接近猪皮明胶。这一比例被认为是最佳的复合比例，因为它能够在不显著改变其他性能的前提下，实现与猪皮明胶相似的物理特性。

此外，研究还发现，随着 CG 含量的减少，复合明胶的硬度和咀嚼性略有上升，而凝聚力则有所下降。这一现象可能与 CG 中较高含量的脯氨酸和羟脯氨酸有关，这些氨基酸能够促进分子间的氢键形成，从而增强凝胶网络的稳定性。相反，FG 中的短肽链则可能填充 CG 的长链结构之间的空隙，进一步优化复合明胶的整体性能。

#### 3. 无机盐对复合明胶性能的影响

为了进一步优化复合明胶的性能，研究还引入了多种无机盐，包括 NaCl、KCl、CaCl?、MgCl?、K?SO?、MgSO?、(NH?)?SO?、NaH?PO? 和 KH?PO?。这些无机盐通过调节分子间的静电相互作用和疏水相互作用，对复合明胶的结构和性能产生显著影响。

研究发现，当无机盐浓度为 20 μmol/L 时，MgCl? 对复合明胶的性能优化效果最佳。具体而言，MgCl? 的加入显著提高了复合明胶的凝胶强度、粘度和熔点，使其更接近猪皮明胶的性能。此外，MgCl? 还能够通过形成盐桥（salt bridge）和电荷屏蔽（charge shielding）效应，增强分子间的相互作用，从而提升凝胶网络的稳定性。

然而，无机盐的浓度对复合明胶的影响并非线性。例如，当无机盐浓度升高至 0.5 mol/L 时，其对凝胶性能的提升效果减弱，甚至可能导致凝胶强度的下降。这一现象可能是由于高浓度的无机盐破坏了明胶分子之间的氢键网络，导致其结构稳定性降低。

#### 4. 微观结构与性能的关系

为了更深入地理解复合明胶的性能变化，研究采用了扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术对复合明胶的微观结构进行分析。结果表明，F-C 复合明胶具有层状-块状的混合结构，这种结构能够提供更大的分子接触面积，从而增强凝胶的稳定性。相比之下，纯猪皮明胶具有更为致密的块状结构，而纯鱼皮明胶的结构则较为分散。

AFM 分析进一步揭示了 MgCl? 对复合明胶纳米结构的影响。结果显示，MgCl? 的加入显著增加了 F-C 复合明胶的纳米级球形聚集体的尺寸，使其形成更紧密的三维网络结构。这种结构的优化不仅提升了凝胶的宏观性能，还增强了其在实际应用中的适应性。

#### 5. 理论模型与未来展望

研究提出了一个理论模型，用于解释复合明胶和无机盐修饰之间的协同作用。该模型认为，明胶分子中的氨基酸残基（如脯氨酸和羟脯氨酸）能够通过氢键相互作用，形成稳定的网络结构。同时，无机盐中的阳离子（如 Mg2?）通过盐桥效应，进一步增强了分子间的相互作用，从而提升了复合明胶的整体性能。

尽管研究取得了显著成果，但仍存在一些局限性。例如，当前实验主要在实验室环境下进行，尚未考虑大规模生产的可行性和经济性。此外，研究尚未对复合明胶在实际食品体系中的感官特性进行评估，这对于其商业应用至关重要。因此，未来的研究方向应包括对复合明胶在食品加工中的实际表现进行测试，以及探索其他离子修饰剂，以拓宽非哺乳动物明胶的应用范围。

#### 6. 结论

综上所述，本文通过结合鸡皮明胶与鱼皮明胶，并引入 MgCl? 进行修饰，成功开发出一种性能接近猪皮明胶的复合明胶。该复合明胶在凝胶强度、粘度和熔点等方面均表现出优异的性能，能够满足多种食品和制药产品的应用需求。同时，研究揭示了明胶复合与无机盐修饰之间的协同机制，为开发更安全、更环保的明胶替代品提供了理论支持。

该研究不仅有助于解决传统明胶来源的局限性，还为未来的食品工业和材料科学提供了新的思路。随着对食品安全和可持续发展的关注不断加深，非哺乳动物明胶的开发和应用将成为未来研究的重要方向。此外，通过进一步优化无机盐的种类和浓度，有望实现更广泛的明胶替代方案，从而推动相关行业的绿色转型。