超声诱导几丁质纳米纤维的结构演变及其对界面离子行为的调控作用在提升咸度方面的应用

《Food Hydrocolloids》：Ultrasonication-Induced Structural Evolution of Chitin Nanofibers and Its Regulation on Interfacial Ion Behavior for Saltiness Enhancement

　　

摘要

几丁质纳米纤维能够提升食物的咸度，但超声处理引起的结构变化如何实现这一功能目前尚不清楚。本研究探讨了超声处理参数如何影响α型和β型几丁质纳米纤维的结构特性，以及它们与NaCl的相互作用和人们对咸度的感知。最佳处理条件为：α型几丁质纳米纤维采用400瓦特功率处理30分钟，β型则采用300瓦特功率处理40分钟，其中β型几丁质纳米纤维的增咸效果更显著。在最佳条件下，β型几丁质纳米纤维形成的网络更为细密且均匀，其长宽比分别约为10.92和66.44。超声处理会引发氢键重排和结晶度变化，由于β型几丁质纳米纤维具有松散的平行链结构，因此其变化更为明显。多项物理化学分析表明，β型几丁质纳米纤维比α型具有更强的Cl^-吸附能力，这体现在更强的电荷中和作用、更高的Cl 2p峰面积以及更高的Cl/Na比值（分别为2.05和1.59），同时其表面Cl^-分布也更明显。离子色谱分析进一步显示，β型几丁质纳米纤维可吸附3121.29毫克/升的Cl^-，是α型的1.71倍，其Cl^-/Na⁺吸附比值分别为18.82和12.74。口腔传输研究结果表明，经过适当超声处理的几丁质纳米纤维最能有效促进Na⁺释放、黏膜黏附以及黏液层中的物质扩散。表面电荷密度和电双层厚度计算表明，Cl^-的吸附将Na⁺限制在厚度仅为0.95纳米的极薄扩散层中，形成由黏附性几丁质纳米纤维网络传递至味觉受体的界面储库，从而将离子富集与口腔咸度信号的增强联系起来。总体而言，本研究阐明了超声处理引起的结构变化如何调控界面离子平衡及口腔内的物质传递，为设计用于低钠食品的几丁质纳米纤维基增咸剂提供了理论依据。

引言

氯化钠在食品的风味和质地方面起着至关重要的作用，同时也有助于维持人体生理平衡（Ma等人，2025年）。然而，全球人均食盐摄入量约为9-12克/天，远高于世界卫生组织推荐的5克/天，这也是高血压、心血管疾病和中风等病症的主要风险因素（Le等人，2022年；Wang等人，2021年）。为此，世界卫生组织设定了到2030年将食盐摄入量降低30%的目标，但由于减盐往往会影响食品的感官品质和消费者接受度，这一目标实现起来相当困难（Lu等人，2022年；Yang等人，2024年）。因此，开发能够在减少钠含量的同时保持甚至提升食物咸度感知的策略，已成为食品行业和公共卫生领域的当务之急。目前的解决方案包括使用钠替代品（如氯化钾、氯化钙或氯化镁），但这些替代品在达到一定浓度后往往会带来苦味和金属味（Liao等人，2026年；Pateiro等人，2021年）；另一种方法是使用增咸剂，这类物质被证明是更有效的替代方案（Sood等人，2025年；Sun等人，2022年）。与海藻酸和纤维素纳米纤维等传统生物聚合物相比，几丁质纳米纤维具有更强的离子调控能力，因此有望成为用于增咸的理想材料（Liao等人，2026年）。几丁质纳米纤维来源于水产养殖废弃物，具备可生物降解和生物相容性的特点，符合绿色食品的发展理念。除了增咸功能外，几丁质纳米纤维还能起到凝胶化、乳化以及替代脂肪的作用，从而改善低脂和低盐食品的质地。

几丁质纳米纤维的功能表现取决于其原料——几丁质的物理化学性质。几丁质是一种天然多糖，广泛存在于节肢动物的外骨骼和真菌细胞壁中，它由通过β-1,4糖苷键连接在一起的N-乙酰-D-葡萄糖胺单元构成（Li等人，2022年；Mushi等人，2019年）。从结构上看，几丁质存在两种结晶形式：α-几丁质，其链呈反平行排列且具有较强的氢键作用；β-几丁质，其链为平行排列，分子层间的相互作用较弱（Bamba等人，2017年；Guo等人，2023年；Suenaga等人，2017年）。由于β-几丁质的结构较为开放，因此它的结晶度较低，溶解度较高，且其上的活性位点也更容易被利用（Almeida、Delezuk和Campana-Filho，2019年）。目前已有多种方法可将几丁质转化为几丁质纳米纤维，其中超声处理被认为是一种高效且环保的方法。与传统机械处理方法不同，超声处理可以通过声波空化作用破坏纤维间的氢键，具有设备简单、处理速度快、能耗低等优点（Duan等人，2026年；Wang等人，2024年）。空化作用能够产生局部的高温、高压以及极快的温度变化速率，这些极端条件有助于打破几丁质链间的氢键，进而促使几丁质纳米纤维的形成（Jiang等人，2017年；Kodolova-Chukhontseva等人，2022年）。经过这样的处理后，几丁质纳米纤维的溶解度和分散性都会有显著提升（Peydayesh等人，2024年；Feng等人，2025年）。在酸性环境（pH值小于7）中，几丁质纳米纤维表面的胺基会带上正电荷，这些正电荷可以通过静电作用吸附Cl^-离子，进而使纳米纤维表面附近的游离Na⁺浓度升高。有研究认为，这一机制正是提升食物咸度感知的原因之一（Feng等人，2025年；Hsueh等人，2017年；Jiang等人，2017年；Ngasotter等人，2022年）。纳米纤维界面具有离子调控能力的现象在其他领域也有体现。例如，纤维素纳米纤维可以被组装成具有可调表面电荷和离子选择透过性的纳米多孔膜，这表明利用纳米纤维平台来调控离子环境是可行的（Li等人，2026年）。虽然通过调整制备参数可以改变几丁质纳米纤维的直径、长度和长宽比（Bai等人，2019年），但目前仍有三个关键问题尚未得到解答。首先，α-几丁质和β-几丁质由于链的排列方式不同，其对超声处理的响应也存在差异，这一差异的具体表现尚不清楚。其次，尽管已有研究报道了几丁质纳米纤维具有增咸效果，但Cl^-离子的吸附是如何提升游离Na⁺浓度的，这一机制尚未被明确揭示。第三，目前还没有研究探讨过超声处理引起的结构变化与后续口腔内的物质传输行为之间的关系，比如Na⁺的释放、黏膜黏附以及黏液层中的物质扩散等，而这些因素都与咸度感知密切相关。

为了解决这些问题，本研究系统地分析了超声功率（200-400瓦特）和处理时间（0-50分钟）对源自α-几丁质和β-几丁质的几丁质纳米纤维结构变化的影响。通过将超声处理引起的几丁质纳米纤维形态、表面化学性质以及界面离子行为的变化与人们感知的咸度联系起来，本研究旨在阐明超声处理参数是如何影响几丁质纳米纤维的增咸效果的。这些研究结果为设计具有精确可调结构和功能特性的几丁质纳米纤维基增咸剂，用于低钠食品的生产，提供了理论基础。

章节节选

材料

α-几丁质（分子量约为2.5×10⁵克·摩尔^-1，乙酰化程度约为96%，纯度为98%）以及鱿鱼壳是从中国浙江的金壳生化有限公司购买的。β-几丁质则是按照2.2节所述的方法从鱿鱼壳中提取的。α-几丁质和β-几丁质的分子量是通过乌贝尔洛德粘度计测定的，该粘度计可通过测量溶液的固有粘度来确定物质的分子量（Liao等人，2026年）。研究中还使用了猪胰腺α-淀粉酶（VI-B型，每毫克固体含22个活性单位）以及猪胃黏蛋白。

Zeta电位

为了评估α-几丁质纳米纤维和β-几丁质纳米纤维的表面电荷特性，研究人员测量了它们的Zeta电位，相关结果如图1的A-C所示。未经处理的α-几丁质和β-几丁质悬浮液都呈现出正的Zeta电位，数值分别为20.10毫伏和21.40毫伏，这是由于表面氨基发生了质子化作用。经过超声处理后，这两种几丁质纳米纤维的Zeta电位都会随着处理时间的增加而逐步上升，在40分钟、300瓦特的处理条件下，这两种纳米纤维的Zeta电位都达到了最高值，分别为30.55毫伏。

结论

本研究阐明了超声处理引起的结构变化是如何影响源自α-几丁质和β-几丁质的几丁质纳米纤维的增咸效果的。其中，α型几丁质纳米纤维的最佳处理条件为400瓦特功率处理30分钟，而β型则需300瓦特功率处理40分钟。在最佳处理条件下，β型几丁质纳米纤维形成的网络更为细密，其长宽比高达66.44，而α型几丁质纳米纤维的长宽比仅为10.92。Zeta电位、XPS光谱以及EDS分析结果都表明，β型几丁质纳米纤维的Cl^-吸附能力更强，其XPS分析得到的Cl/Na比值为2.05，吸附容量则为3121.29毫克/升。

CRediT作者贡献说明

冯瑶：负责原始稿件的撰写、实验研究、数据整理以及概念构思工作。关晓：负责项目监督以及资金筹集工作。张宇：负责稿件的审阅与编辑、项目监督、项目管理工作以及资金筹集，同时还参与概念构思工作。曹鸿伟：负责研究方法的设计工作。黄凯：负责软件应用、实验研究以及资金筹集工作。李森：负责稿件的审阅与编辑工作。

未引用参考文献

Cook等人，2018年；Feng等人，2025年；Feng等人，2025年；Liao等人，2026年；Sikiru等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2018年；Wang等人，2025年；Zhang等人，2023年。

利益冲突声明

本研究团队不存在任何需要披露的利益冲突。

利益冲突声明

所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号为2023YFF1103404和2023YFF1103403）以及上海市农业科技创新计划（项目编号为I2023007）的支持。

冯瑶|黄凯|李森|曹鸿伟|张宇|关晓

中国上海，上海科技大学健康科学与工程学院