《Food Chemistry: X》：Interpenetrating polymer networks of sodium alginate and ovalbumin-modified myofibrillar protein: underlying mechanism for designed soft edible gels
编辑推荐：
海藻酸钠（ALG）/结冷胶（GG）、肌原纤维蛋白（MF）和卵清蛋白（OVA）被用于制备一种互穿聚合物网络（IPN）软质凝胶。Ca2+诱导的ALG网络形成初级基质，随后通过热诱导形成MF-OVA蛋白质网络。最优ALG浓度（MA-1）使网络互穿最大化并抑制了蛋白质
海藻酸钠（ALG）/结冷胶（GG）、肌原纤维蛋白（MF）和卵清蛋白（OVA）被用于制备一种互穿聚合物网络（IPN）软质凝胶。Ca2+诱导的ALG网络形成初级基质，随后通过热诱导形成MF-OVA蛋白质网络。最优ALG浓度（MA-1）使网络互穿最大化并抑制了蛋白质的自聚集，从而获得了高含水量（97%）和持水能力（~95%）。多糖网络促进了有序的蛋白质分布并增强了酰基键相互作用，使得在最低凝胶化浓度下能够实现稳定的凝胶化。所得到的IPN凝胶平衡了高内聚性与柔软质地，这归因于双网络互穿和物理缠结。该研究为开发适用于吞咽障碍患者的柔软、形态稳定的蛋白质凝胶提供了一种新颖的结构设计策略。
研究背景与问题提出
质地是影响凝胶类食品品质和消费者接受度的关键参数。传统鱼蛋白凝胶通常具有高弹性和高咀嚼性，难以满足特定人群（如咀嚼或吞咽困难者）对软质固态食物的需求。目前关于软质产品的研究多集中在流体和半固体材料领域，如增稠和3D打印，而对兼具柔软性与固相特性的鱼蛋白易咀嚼、易吞咽凝胶食品的探索相对有限。因此，开发新型软质固态鱼蛋白凝胶具有重要的理论和实践意义。互穿聚合物网络（Interpenetrating Polymer Networks, IPN）是由两种或多种聚合物通过非共价缠结形成的三维交联结构，通过调整组分比例可精确控制凝胶的力学性能、自修复能力和持水能力，为制备复杂质地特性的凝胶提供了可行途径。然而，单一的肌原纤维蛋白（Myofibrillar Protein, MF）往往形成过于刚性的凝胶网络，限制了其与第二网络的互穿。通过与外源蛋白复合来干预其聚集行为，可以精确调控热变性过程中的分子交联特性，赋予网络独特的拓扑结构，从而促进双网络间的缠结。卵清蛋白（Ovalbumin, OVA）因其与MF相似的球状蛋白特性，在热变性和氨基酸侧链交联后能与MF形成高度稳定的键合，是优化复合蛋白网络结构的理想选择。此外，多糖-蛋白质复合策略常被用于构建IPN结构，其中海藻酸钠（Sodium Alginate, ALG）作为一种天然阴离子多糖，具有高交联灵活性，可通过钙离子桥接与MF表面带负电的羧基形成稳定交联，显著改善凝胶的机械稳定性和质地可控性。
基于上述背景，研究人员采用顺序法制备了一种源自肌原纤维-卵清蛋白复合蛋白体系、以ALG/结冷胶（Gellan Gum, GG）为互穿组分的IPN凝胶。热加工促进多糖网络中蛋白质的聚集和交联，从而形成蛋白质网络，同时促进双网络的缠结。主要目标是筛选能够通过非共价缠结产生均一IPN结构的分子组合，最终获得具有柔软质地特性的凝胶。通过整合宏观与微观结构观察、分子间相互作用分析和分子模拟技术，确定了成功构建IPN基凝胶所需的组成和比例阈值，并分析了双网络内的交联机制和相分布。该研究旨在成功制备一种具有高含水量、高持水能力和柔软质地的固态可食用蛋白质凝胶，突破传统蛋白质凝胶“硬度-持水性”的平衡限制，有望为吞咽困难患者提供理想的食品基质，并为IPN技术在鱼类蛋白高值化利用和精准质地设计中的应用提供见解。
主要关键技术方法
研究人员采用了多种表征手段。通过质构仪进行质地剖面分析（Texture Profile Analysis, TPA）和凝胶强度测定；使用国际吞咽障碍饮食标准化倡议（International Dysphagia Diet Standardisation Initiative, IDDSI）框架进行定性评估和分类；利用流变仪进行表观粘度、动态粘弹性测试及温度斜坡实验；采用冷冻扫描电子显微镜（Cryo-Scanning Electron Microscopy, Cryo-SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM）观察微观结构；应用显微傅里叶变换红外光谱（Micro-Fourier Transform Infrared Spectroscopy, micro-FTIR）鉴定特定分子相互作用；利用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）分析表面形貌；通过X射线粉末衍射（X-ray Powder Diffractometer, XRD）和差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）分析分子结构和热性能；最后，采用分子对接模拟（Molecular Docking Simulation）分析蛋白质-蛋白质及多糖-蛋白质间的相互作用。
研究结果
3.1 纹理特性和水分性质： 通过视觉观察，MA-1凝胶无流动性但质地不完全固态且具有高延展性，表明其具有高内聚性。MA-2、3和MG凝胶倒置稳定，无流动性和延展性。MA-1的含水量（约97%）和持水能力（约95%）显著高于对照组CON（含水量91%，持水能力81%）。IDDSI测试将MA-1归类为第6级（软而一口大小），表明该凝胶易于在口腔处理过程中分解并可顺利吞咽。TPA结果显示，MA凝胶的硬度、咀嚼性和凝胶强度显著低于商业鱼糜产品，但其弹性、内聚性和回复性与商业产品无显著差异。随着多糖含量增加，MG凝胶逐渐变硬，而MA凝胶的质地未发生显著变化。
3.2 流变学表征： 大幅振荡剪切（Large Amplitude Oscillatory Shear, LAOS）结果表明，在低应变条件下，凝胶的弹性主导其固态流变特性。与CON相比，MA具有更高的结构稳定性，在达到屈服点前表现出更优的拉伸性能和更低的脆性。MG更容易被剪切，使其在消费时更易咀嚼。表观粘度测试显示所有凝胶均呈现剪切稀化行为，MA-1和CON在剪切速率30-100 s-1范围内显示出较低的表观粘度，提供更易吞咽的质地。温度斜坡测试表明，MA-1/2/3和MG-1/2的储能模量（G′）始终高于损耗模量（G″），表明凝胶在加热过程中保持半固态或固态形式。
3.3 微观结构表征： Cryo-SEM观察到CON形成了高度交联但孔径不均匀、网络结构无序的凝胶网络。MG凝胶中未观察到均匀的网络形态。添加ALG后的MA凝胶呈现出更有序的网络结构、更高的网络连通性以及更大更均匀的凝胶孔径。随着ALG含量的增加，网络孔隙逐渐增大，网络结构逐渐失去有序性。CLSM结果显示，MG凝胶中观察到多糖和蛋白质组分的分离，未呈现规则网络形态。MA-1展现出良好的网络结构和均匀的橙色区域，表明多糖和蛋白质组分实现了完全互穿。过量的ALG会导致其自身高度交联，从而抑制多糖与蛋白质之间的交联。
3.4 网络相互作用分析： micro-FTIR结果显示，添加ALG后，MA的分子网络变得松散，可能是由于ALG引入的负电荷增强了分子间的静电相互作用并减少了蛋白质的热聚集。MA-1显示出增强的酰胺带信号，表明阴离子多糖抑制了凝胶化过程中蛋白质酰胺基团的水解。AFM图像显示，单一蛋白质形成的凝胶表面光滑且无明显轮廓。MA凝胶呈现出均匀的颗粒状凸起轮廓，表明蛋白质聚合物和多糖分子形成了规则结合和均匀的域尺寸。这种致密的颗粒形态和集中的粒径分布（~0.5 μm）指示较低的凝胶强度。MG凝胶表面观察到轻微突起，表明其单元结合和团聚在凝胶化过程中得到加强。
3.5 分子结构分析： XRD图谱显示所有凝胶均为半结晶态。在约22°处观察到描述非晶部分的宽衍射峰，在CON和MA-1中此峰更尖锐更强。随着ALG含量增加及在MG中，尖锐度和信号强度降低。CON中在31°、45°、56°和75°处观察到尖锐信号峰，表明蛋白质结构具有四方晶型。MG在66°处出现新的衍射反射峰（220），可能是由于GG自身的聚集形成了新晶相。添加ALG制备的凝胶呈现相同的晶型，表明蛋白质与ALG在同一平面上交联而非嵌入。DSC结果显示，CON在79-82°C出现吸热转变，在80°C有明显峰值。其他凝胶类型在加热过程中未发生此吸热转变，可能是因为样品在室温下已具备初步凝胶结构。
3.6 分子间相互作用分析： 分子对接模拟结果显示，OVA可能与MF的特定残基发生非共价相互作用，导致形成新的聚集模式，从而影响后续热处理过程中的网络交联。基于超过90%的对接置信度，研究人员确定了MF中可能与OVA发生非共价相互作用的蛋白质类型及其关键残基和相互作用类型。
讨论与结论总结
该研究成功制备了一种基于MF-OVA复合蛋白体系与ALG/GG的IPN软质凝胶。研究发现，最优ALG浓度（MA-1）能够最大化网络互穿并抑制蛋白质自聚集，从而获得高含水量（97%）和高持水能力（约95%）。多糖网络促进了有序的蛋白质分布并增强了酰基键相互作用，使得在最低凝胶化浓度下能够实现稳定的凝胶化。所得的IPN凝胶平衡了高内聚性与柔软质地，这归因于双网络互穿和物理缠结。该研究为开发适用于吞咽障碍患者的柔软、形态稳定的蛋白质凝胶提供了一种新颖的结构设计策略，突破了传统蛋白质凝胶“硬度-持水性”的平衡限制，并为IPN技术在鱼类蛋白高值化利用和精准质地设计中的应用提供了重要见解。
