单双价阳离子对黄粉虫蛋白热诱导凝胶化的多尺度结构影响机制研究

本研究针对食品和医疗应用中黄粉虫蛋白凝胶的性能调控需求，系统探究了NaCl、MgCl2和CaCl2对热诱导凝胶化的影响。通过流变学、SAXS和FT-IR等多尺度表征，发现二价阳离子通过促进分子间氢键和致密聚集体形成显著提升凝胶强度，其中Ca2+作用最显著。该研究为功能性昆虫蛋白凝胶的理性设计提供了理论依据。

　　

随着全球对可持续蛋白质需求的增长，昆虫蛋白因其高营养价值和低环境足迹成为研究热点。黄粉虫蛋白作为代表性昆虫蛋白，其热诱导凝胶化特性在食品质构调控和医用材料领域具有重要应用价值。然而，现有研究多聚焦于pH、温度等单一参数的影响，对食品体系中普遍存在的电解质（尤其是多价阳离子）如何调控凝胶多尺度结构的认知仍存在显著空白。这严重限制了黄粉虫蛋白凝胶在复杂食品体系中的精准应用。

德国慕尼黑工业大学（Technische Universit?t München）的研究团队在《Food Hydrocolloids》发表的研究，通过整合流变学、小角X射线散射（SAXS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和差示扫描量热法（μDSC）等先进表征技术，系统揭示了Na⁺、Mg²⁺和Ca²⁺在分子、聚集体和凝胶网络三个尺度上的作用机制。研究采用13.4%蛋白浓度的黄粉虫蛋白溶液，对比分析了无盐、0.3 M NaCl、MgCl₂和CaCl₂处理组在加热前后的结构演变规律。

蛋白-阳离子配位及其他稳定/失稳效应
研究发现二价阳离子虽未与羧酸侧链形成特异性配位，但通过电荷屏蔽效应显著增加疏水区域暴露。FT-IR显示所有阳离子均促进分子间β-折叠形成，其中Ca²⁺使氢键振动峰向高波数偏移，表明键能减弱。

FT-IR揭示的热和阳离子诱导二级结构变化
差谱分析显示盐添加使溶液态蛋白的α-螺旋减少而β-折叠增加，其中CaCl₂组在凝胶化后出现最显著的β-折叠峰位移，提示二价阳离子主要通过分子间氢键重构影响凝胶网络。

荧光和UV-vis揭示的三级结构变化
本征荧光显示所有样品加热后最大发射波长红移4-6nm，表明色氨酸残基暴露程度增加。值得注意的是，二价阳离子组在290nm处吸光度显著升高，与肉眼可见的浊度增加一致，证实其促进大尺寸聚集体形成。

SAXS揭示的多尺度结构变化
未加热状态下，二价阳离子使散射指数p从-2.35（无盐）降至-2.90（Mg²⁺），对应聚集体分形维数D_m接近3，表明更致密的预凝胶结构。凝胶化后，Ca²⁺组保持质量分形特征（p=-2.92），而其他组转变为表面分形（p≈-3.16），这种结构差异与流变学行为高度相关。

流变学揭示的凝胶结构特性
温度扫描显示G'最终值遵循"无盐<><>₂<>₂"的规律，Ca²⁺组储能模量最高达1200Pa。标度模型计算显示二价阳离子使α值从0.51（无盐）升至0.65，表明凝胶强度提升主要源于聚集体内部（而非之间）的相互作用增强。

非线性流变行为特征
振幅扫描揭示所有凝胶在γ₀>1%时呈现应变软化行为，但二价阳离子组的线性区更窄。Lissajous曲线分析显示Ca²⁺组在非线性区具有更显著的周期内应变硬化（S因子升高）和剪切稀化（T因子降低），这与SAXS观测到的致密聚集体结构相吻合。

该研究首次建立了阳离子类型-多尺度结构-流变性能的定量关系模型，证实二价阳离子通过"电荷屏蔽→氢键重构→致密聚集体形成→网络强化"的级联效应提升凝胶性能。特别是发现Ca²⁺能诱导形成独特的质量分形凝胶网络，这一发现不仅为昆虫蛋白在质构食品开发提供了理论指导，也为设计具有可控降解性能的医用凝胶材料开辟了新思路。研究采用的"分子相互作用-介观聚集-宏观性能"多尺度研究方法，为其他生物高分子凝胶体系研究提供了范式参考。