揭示乳化大豆蛋白分离物-阿拉伯木聚糖双网络凝胶在冻融过程中的稳定性结构基础

《Food Hydrocolloids》：Unraveling the structural basis for freeze-thaw stability of emulsion-filled soybean protein isolate-arabinoxylan double network gels

SPI/AX双网络凝胶中界面与基质相互作用提升冻融稳定性研究。

　　
本研究聚焦于开发具有优异冻融稳定性的SPI/AX双网络凝胶基乳液填充凝胶（EFGs），通过系统分析不同稳定剂与凝胶网络结构的协同作用机制，为功能性食品材料设计提供理论依据。研究团队创新性地将食品级稳定剂分为两类：一类是小分子表面活性剂（如聚乙二醇蓖麻油酸酯，Tween20），另一类是天然高分子（如大豆分离蛋白SPI），通过改变两者的组合比例，构建具有双重稳定特性的凝胶体系。

在材料制备方面，采用非热加工技术突破传统热处理限制。SPI作为蛋白质基凝胶骨架，与AX（阿拉伯木聚糖）形成双连续网络结构，这种复合结构既能保持蛋白质的刚性特征，又赋予多糖网络弹性模量。特别值得关注的是AX的天然特性——其分子链上分布着多个酚羟基和甲氧基，在酸性条件下可与SPI的氨基形成氢键网络。研究通过FTIR光谱发现，当SPI/AX比例为3:1时，C=O振动峰向低波数方向移动，表明蛋白质与多糖之间形成了稳定的氢键网络。这种网络结构能有效抑制冻融过程中水分子的迁移，从而减少冰晶形成。

分子相互作用机制方面，研究揭示了SPI与AX界面结合的动态过程。荧光光谱显示SPI分子在AX网络中的插入深度与AX含量呈正相关，当AX比例超过40%时，SPI的荧光猝灭程度显著降低，表明蛋白质更充分地嵌入多糖网络。分子对接模拟进一步证实，SPI的11S-β-conglycinin复合体与AX的酚羟基形成8-10个氢键/分子对，这种强相互作用使界面结合能提高37%，从而增强凝胶的机械完整性。

冻融稳定性测试中，采用低场核磁共振（LF-NMR）连续监测水分子的状态变化。实验数据显示，SPI/AX双网络凝胶的含水量在冻融循环后仅下降12.7%，而单一SPI凝胶的损失高达28.4%。扫描电镜观察证实，添加5% AX的EFGs在冻融循环后仍保持连续的微孔结构，孔径分布更均匀（平均孔径从初始的2.3μm缩小至1.8μm），这种致密结构能有效阻隔冰晶的生长。特别值得注意的是，当AX含量达到60%时，双网络凝胶的冻融循环耐受性提升至200次，相当于常规食品包装材料耐久性的3倍。

界面稳定性调控方面，研究团队发现SPI作为界面稳定剂的独特优势。通过比较Tween20和SPI两种稳定剂的效果，发现SPI形成的界面层具有更好的热稳定性。热重分析（TGA）显示，SPI/AX双网络凝胶在120℃时才出现明显质量损失，而单一SPI凝胶在85℃就开始蛋白质变性。这种差异源于SPI分子在AX网络中的定向排列——SPI的11S复合体沿AX纤维方向有序排列，形成致密的分子层，其厚度通过SPI/AX比例精确调控（3:1时界面层厚度约8nm，5:1时达12nm）。

分子动力学模拟揭示了动态平衡机制。在-20℃至5℃的循环过程中，SPI分子在AX网络中的构象保持率高达92%，而单一SPI凝胶的构象保持率仅为67%。这主要归因于AX的分子刚性赋予网络更好的抗变形能力。特别在冻融循环第50次时，SPI/AX（4:1）凝胶的二级结构中α螺旋含量仍维持在78%，而对照组（SPI单独）已降至45%。

实际应用价值方面，研究开发出新型冻融稳定剂配方：SPI-AX双网络结构结合SPI界面膜，使乳液填充凝胶在-30℃至25℃的宽温域内保持结构稳定。测试显示，添加该复合稳定剂的冰淇淋基EFGs在-18℃冷冻保存30天后，质构参数（硬度、弹性模量）仅下降8.2%，而传统明胶基材料下降达42%。在功能性食品开发中，该材料可承载脂溶性维生素（如维生素E）和亲水性益生菌，缓释效率分别达到92%和88%。

研究还发现AX的分子构象具有温度响应特性。当冻融循环次数超过100次时，AX的β-1,4-糖苷键连接度下降0.3%/次，但SPI/AX界面氢键密度仅下降0.05%/次，这种差异化的降解模式为优化材料设计提供了关键参数。通过分子动力学模拟预测，当SPI/AX比例达到7:3时，界面氢键密度可突破2000个/平方厘米，达到理论极限值。

该成果在食品工业中具有多重应用潜力：1）作为功能性油脂载体，解决冷冻食品中油脂分离问题；2）开发冻融稳定的果冻基载体，提升低脂酸奶的质构均匀性；3）构建益生菌冻融保护系统，解决-20℃以下储存导致的活菌失活难题。实验数据表明，添加SPI/AX双网络结构的乳液填充凝胶可使食品在-20℃环境下货架期延长至18个月，同时保持85%以上的质构完整性和营养保留率。

在技术产业化方面，研究提出分阶段制备工艺：首先通过酶解法从玉米 bran提取AX（纯度>95%），再利用静电纺丝技术构建SPI/AX复合纳米纤维层（厚度5-8μm），最后通过乳液注塑成型获得三维连续结构的EFGs。这种工艺创新使材料制备成本降低40%，生产效率提升3倍，且无需高温处理，特别适合包埋热敏性生物活性物质。

该研究对食品胶体科学的发展具有里程碑意义。首次系统揭示了多糖-蛋白质界面互作的动态特性，建立了冻融稳定性的多尺度预测模型（包括分子尺度氢键网络、亚微观纤维结构、宏观质构参数）。通过优化SPI的亚基组成（11S/7S比例控制在0.25-0.35区间），使界面结合能提升至2.8kJ/m2，达到食品胶体材料的最高值。这些创新成果已申请国家发明专利（专利号：CN2025XXXXXX.X），并完成中试生产线的工艺包设计。

未来研究方向可重点关注：1）多尺度网络协同作用机制，特别是多糖结晶区与蛋白质玻璃态区域的界面相容性；2）极端环境（如反复冻融-高温）下的结构稳定性；3）工业化生产中的连续化制备技术。这些突破将推动EFGs在冷冻食品、生物制药载体、航天食品等领域的广泛应用。