通过发酵改性枣多糖来提升乳清蛋白分离物凝胶的网络结构与功能特性

《Food Hydrocolloids》：Fermentation-modified jujube polysaccharides as a strategy to enhance the network structure and functional properties of whey protein isolate gels

　　

摘要

为探究经发酵改性的枣多糖对乳清蛋白分离物凝胶的网络结构及功能特性的调控机制，本研究将未发酵的枣多糖与经乳酸菌发酵的枣多糖——JCP-2（由L. pentosus WP2发酵）、JCP-5（由L. plantarum WP5发酵）以及JCP-9（由L. plantarum WP9发酵）引入乳清蛋白分离物中，制备出复合水凝胶（WJCP、WJCP-2、WJCP-5、WJCP-9）。研究人员对这些复合水凝胶的物理化学性质、结构特征以及分子相互作用机制进行了系统分析。研究结果表明，引入枣多糖显著提升了凝胶的强度与结构稳定性，其中经发酵改性的枣多糖相比未发酵的同类多糖具有更强的增强效果。尤其值得注意的是，WJCP-9具有最高的储能模量、硬度及咀嚼性，其网络结构最为紧密稳定；而WJCP-2的持水能力最高，可达84.86 ± 0.64%。WJCP-5则展现出独特的亲水性优势，其表面疏水性降低幅度最大，为65.64±1.94 μg。机制分析显示，经发酵改性的枣多糖通过增强氢键、离子键和二硫键，同时减弱疏水相互作用，从而协同调控蛋白质的聚集行为及凝胶网络的结构，进而提升微观结构的均匀性及凝胶的稳定性。分子对接实验进一步表明，某些单糖残基，尤其是葡萄糖、半乳糖醛酸和葡萄糖胺，在分子层面与β-乳球蛋白之间存在较强的氢键及极性相互作用能力（结合亲和力低于-6.3 kcal/mol）。本研究为了解发酵改性枣多糖对乳清蛋白分离物复合凝胶的分子间相互作用、网络结构及物理化学特性的影响提供了新的见解。

引言

作为一类重要的食品基质，蛋白凝胶因其独特的质地特性、持水能力以及作为生物活性物质载体的潜力，被广泛应用于食品工业中。蛋白凝胶的应用场景包括：作为多酚、维生素和益生菌等生物活性化合物的递送载体（Bora等人，2023）；作为低脂肉类和乳制品中的脂肪替代品（Zhao等人，2026）；用于3D食品打印以定制营养配方；以及作为食品保鲜用的可食用涂层和活性包装材料（Wang等人，2026）。乳清蛋白分离物作为一种高质量蛋白质来源，具备优异的营养价值以及乳化、起泡和凝胶化等功能特性（Sun等人，2026）。然而，仅含乳清蛋白分离物的凝胶存在诸多局限性，这些缺陷限制了其在高性能食品和生物材料中的应用，比如凝胶网络强度和弹性不足（Cavallieri等人，2009；Errington等人，1998）、持水能力差易出现渗液现象（Cui等人，2024）、热稳定性不佳（Tran Le等人，2011）、对pH值和离子强度敏感（Wang等人，2020；Mei等人，1996），且共价交联机制的多样性也较为有限（Li等人，2023）。

作为天然生物聚合物，多糖因其结构多样性、生物相容性以及独特的流变学特性，被广泛用作食品工业中的增稠剂、稳定剂、乳化剂和凝胶剂（Bora等人，2023；Cui等人，2026；Li等人，2023）。先前的研究表明，蛋白质与多糖之间的相互作用能够显著改变蛋白质的聚集行为、凝胶化过程以及最终凝胶的物理化学性质（Xiang等人，2025；Zhang等人，2025）。这类相互作用通常涉及多种分子间作用力，包括氢键、静电相互作用、疏水相互作用以及共价键（如二硫键），这些作用力共同作用形成了更为复杂且稳定的复合网络结构（Corredig等人，2011；Wusigale等人，2020）。例如，枸杞多糖、大豆蛋白分离物、银耳多糖以及其他多种多糖，均已被证实可以通过调节蛋白质与多糖的比例、pH值、离子强度以及热处理条件来改善蛋白凝胶的性能（Xing等人，2024）。

枣作为一种传统的药用及食用植物，其果实富含多种生物活性成分，尤其是枣多糖（Ji等人，2025）。枣多糖具有抗氧化、免疫调节和降血糖的作用，同时其优异的水溶性和成膜性为其在食品和制药领域的应用奠定了广阔前景（Ji等人，2020；Ji等人，2025；Xie等人，2016）。不过，天然枣多糖的结构和功能特性会受到提取方法、分子量分布以及单糖组成的影响。为了进一步提升枣多糖的功能性，发酵改性被认为是一种有效的策略（Wang等人，2023）。乳酸菌发酵能够改变多糖的分子量、单糖组成以及糖苷键类型，进而影响多糖与蛋白质的相互作用模式以及复合凝胶的最终性能。发酵过程还可能增加多糖中的极性基团含量，提升其亲水性，同时暴露出更多的活性位点（Yang等人，2023），从而使多糖与蛋白质之间形成更强的分子间相互作用。目前，关于发酵改性枣多糖对乳清蛋白凝胶的网络结构及功能特性调控机制的研究还相对较少。尽管已有研究探讨了其他植物源或微生物源多糖对蛋白凝胶的影响（Ding等人，2025），但针对发酵改性枣多糖与乳清蛋白分离物复合体系的系统研究仍然十分匮乏。在之前的研究中，我们成功利用Lactiplantibacillus pentosus WP2、Lactiplantibacillus plantarum WP5以及Lactiplantibacillus plantarum WP9制备出了经发酵改性的枣多糖，即JCP-2、JCP-5和JCP-9，并证明发酵过程能够显著减小多糖颗粒的尺寸，增加低分子量组分的比例，同时提升多糖的生物活性（Wang等人，2025）。不过，这些结构变化在与乳清蛋白结合后是否真的能提升凝胶的形成性能，目前仍不清楚。

为了解决这一问题，本研究将未发酵的枣多糖以及由三种乳酸菌菌株发酵得到的枣多糖（JCP-2、JCP-5和JCP-9）引入乳清蛋白分离物体系中，制备出热诱导型复合水凝胶。本研究旨在比较不同枣多糖对乳清蛋白凝胶物理化学性质及网络结构的影响，同时探索蛋白质与多糖之间的相互作用、网络结构与凝胶性能之间的关系。该研究有助于填补关于发酵改性枣多糖与乳清蛋白分离物复合凝胶体系的知识空白，进一步加深人们对这类复合凝胶网络形成机制的理解。

章节节选

材料与试剂

本研究所使用的枣（Ziziphus jujuba Mill.）为中国新疆产的商业化产品。Lactiplantibacillus pentosus WP2、Lactiplantibacillus plantarum WP5以及Lactiplantibacillus plantarum WP9这三种菌株此前已在我们的实验室中被分离出来，并保存在-80°C、含30%甘油的条件下。MRS培养基由杭州百斯生物科技有限公司提供。乳清蛋白分离物、三氯乙酸和磷酸盐缓冲液则由上海麦克林生化有限公司提供。

乳清蛋白浓度的选择

通过倒置法和目视观察，评估了不同浓度（10%–18%，w/v）的乳清蛋白溶液形成凝胶的能力（见图S1）。当蛋白质浓度为10%–14%时，样品处于流体状态；将玻璃瓶倒置后，溶液会立即顺着瓶壁流下，无法保持原有形状，说明此时没有形成凝胶。当浓度为16%时，样品的流动性略有下降，但仍无法完全保持形态。

结论

本研究系统地分析了发酵改性枣多糖对热诱导型乳清蛋白分离物凝胶的结构及功能特性的影响。结果表明，引入发酵改性枣多糖能够在不同程度上提升乳清蛋白凝胶的力学性能、持水能力、流变学特性以及储存稳定性，而且不同菌株产生的枣多糖对复合凝胶的调控效果也存在差异。

作者贡献说明

谢淑凡：验证、软件应用、方法设计。王荣：初稿撰写、可视化处理、资源获取、实验研究、正式分析、数据整理、概念构建。陈佳琪：资源获取、方法设计、实验研究。魏云路：审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金筹集、正式分析、数据整理、概念构建。曾祥宇：资源获取、概念构建。杨晓：

未引用参考文献

Cavallieri和Cunha，2009；Errington和Foegeding，1998；Li等人，2023；Li等人，2023；Ma和Gao，2019；Peng等人，2025；Wang等人，2023；Wang等人，2025；Zhang和Qian，2025；Zhang等人，2024；Zhang等人，2025；Zou等人，2026。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在利益冲突。

数据可用性

相关数据可在提出请求后提供。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在利益冲突。

致谢

本项目的资助来自西南科技大学的博士科学基金项目（项目编号：22zx7115）以及贵州省自然科学基础研究计划（项目编号：ZK[2022]337）。

魏云路|王荣|谢淑凡|杨晓|陈佳琪|曾祥宇

中国四川省绵阳市西南科技大学生命科学与农林学院，邮编621010