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为解决单一网络水凝胶力学强度弱、拉伸性差的问题，研究人员以豌豆和大豆蛋白为对象，通过乙醇浓度调控构建不同形态蛋白纤维（刚性杆、柔性分支、网状螺旋），并将其引入 TG - 明胶水凝胶体系。发现纤维形态显著影响凝胶行为与力学性能，为复合水凝胶在食品和生物医药领域应用提供依据。
在生命科学与材料科学交叉领域，水凝胶作为一种具有三维网络结构的亲水材料，因其独特的生物相容性和可调控性，在食品工业、药物递送、组织工程等领域展现出广阔应用前景。然而，传统单一网络水凝胶普遍存在力学强度不足、拉伸性差等瓶颈问题，限制了其在复杂环境下的实际应用。如何通过结构设计与组分优化提升水凝胶的力学性能，成为近年来科研人员聚焦的关键科学问题。
蛋白质纤维（protein fibrils）作为一类由蛋白质分子通过非共价相互作用（如氢键、静电作用、疏水作用）自组装形成的超分子结构，具有高长径比、有序二级结构（如 β- 折叠1）和独特力学特性，被视为增强水凝胶性能的理想候选材料。其中，来源于豌豆、大豆等植物蛋白的纤维，因具有安全性高、成本低廉、可再生等优势，在食品基水凝胶领域备受关注。但目前，蛋白纤维形态（如刚性杆、柔性分支、网状螺旋结构）对水凝胶力学性能的调控机制尚不明确，亟需系统研究以揭示其内在规律。
为攻克上述难题，中国研究人员开展了相关研究（研究机构信息未在原文明确提及）。团队以豌豆蛋白和大豆分离蛋白为原料，通过调节乙醇浓度，构建了三种不同形态的蛋白纤维：刚性杆（rigid rod）、柔性分支（flexible branch）和网状螺旋（netlike coil）结构，并将其作为第二网络引入转谷氨酰胺酶（transglutaminase, TG）- 明胶水凝胶体系，系统探究纤维形态对水凝胶凝胶行为及力学性能的影响规律，相关成果发表在《Food Hydrocolloids》。
主要关键技术方法
研究主要采用以下技术手段：
- 蛋白纤维制备：通过在蛋白水溶液中添加不同浓度乙醇（0-XX%），结合加热处理，诱导蛋白自组装形成不同形态纤维，利用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维微观结构。
- 二级结构分析：采用圆二色谱（CD）测定纤维中 β- 折叠含量，评估乙醇对蛋白构象的影响。
- 水凝胶制备与性能表征：将不同形态纤维与 TG - 明胶混合，通过流变学测试（如振荡剪切实验）分析凝胶时间、储能模量（G'）等参数，利用压缩测试和循环压缩实验评估水凝胶的力学强度与耐久性。
研究结果
1. 乙醇浓度对蛋白纤维形态与结构的影响
- 形态调控：未添加乙醇时，豌豆和大豆蛋白纤维呈线性刚性杆状；当乙醇浓度增至 10%，豌豆纤维开始弯曲，形成柔性分支结构；进一步提高乙醇浓度至 XX%，纤维相互缠绕形成网状螺旋结构（图 1A、1B2）。
- 二级结构变化：随着乙醇浓度升高，纤维中 β- 折叠含量逐渐降低，表明乙醇通过破坏蛋白分子间氢键，抑制 β- 折叠形成，同时增强纤维的剪切稀化抗性（即抵抗剪切力引起黏度下降的能力）。
2. 纤维形态对水凝胶凝胶行为的影响
- 凝胶时间调控：当纤维浓度为 5% 时，含刚性杆、柔性分支、网状螺旋纤维的复合水凝胶凝胶时间依次延长。这是由于刚性纤维提供更多初始交联位点，加速凝胶网络形成，而柔性和网状纤维因结构松散，需更长时间构建互穿网络（interpenetrating network）。
- 网络均匀性：高浓度纤维（如 5%）促进形成更均匀的互穿网络结构，减少凝胶内部缺陷，提升整体力学性能。
3. 纤维形态对水凝胶力学性能的影响
- 弹性模量（Young’s modulus）：刚性杆状纤维对水凝胶刚度提升最显著，豌豆和大豆刚性纤维分别使水凝胶杨氏模量提高至 4.12 倍和 2.71 倍，归因于刚性结构提供的强物理交联点。
- 抗压性能：网状螺旋纤维复合水凝胶在孔隙内形成纤维状网络结构（SEM 观察证实），赋予材料优异抗压性，在 80% 形变下的循环压缩测试中表现出良好耐久性，而刚性纤维水凝胶因脆性较高易断裂。
- 回弹性：纤维形态对水凝胶回弹性影响显著，回弹性顺序为：刚性杆＞柔性分支＞网状螺旋，反映出结构刚性与弹性的平衡关系。
研究结论与意义
本研究通过乙醇浓度精准调控蛋白纤维形态（刚性杆、柔性分支、网状螺旋），揭示了纤维形态与水凝胶力学性能的内在关联：刚性纤维通过增强物理交联提升刚度，网状纤维通过构建多孔互穿网络增强抗压性，为水凝胶的定制化设计提供了 “形态 - 性能” 调控策略。研究结果不仅拓展了植物蛋白纤维在食品质构改良（如仿生肉凝胶）、生物医药（如可注射支架）等领域的应用潜力，也为开发高性能复合水凝胶提供了新视角。未来，可进一步探索纤维 - 基质界面相互作用机制，优化多尺度结构设计，推动该类材料从实验室走向产业化应用。
