交联策略对乳清蛋白分离物-海藻酸钠油凝胶结构与性能的影响——席夫碱交联、钙离子交联及双重交联方式

《Food Hydrocolloids》：Effects of Crosslinking Strategies on the Structure and Properties of Whey Protein Isolate–Sodium Alginate Oleogels: Schiff Base, Calcium Ionic, and Dual-crosslinking

　　

摘要

油凝胶的结构与功能特性在很大程度上取决于其交联网络。本研究系统地研究了席夫碱交联、钙离子交联以及二者结合对乳清蛋白分离物-海藻酸钠油凝胶的物理化学性质、稳定性及消化特性的影响。实验结果表明，席夫碱交联提升了前体乳液的稳定性，而钙离子交联则增强了油凝胶的机械强度和吸油能力。机制分析表明，双重交联形成了具有刚性席夫碱共价骨架和可调节离子连接点的互穿网络。这种协同结构带来了最佳的综合性能：出色的热稳定性（剩余重量为24.61%）、氧化稳定性指数（28.03小时）、吸油能力（97.08%），以及在消化过程中最持久的游离脂肪酸释放效果。这些发现表明，双重交联油凝胶有望成为功能性脂肪替代品和生物活性物质递送系统的理想载体。

引言

由蛋白质-多糖复合网络构成的油凝胶，已被视为替代动物脂肪及递送生物活性化合物的极具潜力的材料（Hashemi等人，2024；López-Pedrouso等人，2021）。之所以具有这样的潜力，是因为蛋白质和多糖具有可调控的分子结构、易获取性以及天然的生物相容性。作为大分子型油凝胶形成剂，蛋白质和多糖相较于单甘油酯、蜡类和植物甾醇等小分子物质具有明显优势。后者往往对温度和剪切力极为敏感，且其添加量也受到严格限制（Ashok等人，2016）。

蛋白质-多糖复合网络油凝胶可通过多种方法制备，包括乳液模板法和气凝胶模板法（Park等人，2020）。在乳液模板法中，蛋白质通常充当乳化剂，使油相均匀分散，从而形成稳定的前体乳液。因此，蛋白质构成了三维网络的结构骨架，而多糖则在前体乳液中起到增稠剂和稳定剂的作用。多糖不仅能提升乳液稳定性，还能均匀分布在整个网络骨架中，进而增强整个网络结构（Li, Y.等人，2022）。

传统上，蛋白质-多糖复合网络油凝胶是通过物理混合方式形成的，此时蛋白质和多糖通过氢键和范德华力等分子间作用力相互结合（Kavya等人，2024；Shen等人，2026）。这种方法通常会导致网络结构较为松散。为克服这一缺陷，近年来人们广泛采用席夫碱交联来强化基于蛋白质的网络结构（Fang等人，2025；Seresht等人，2024）。席夫碱交联是指蛋白质的氨基与含醛基化合物的醛基发生反应，形成亚胺键（C=N）（Raczuk等人，2022）。以往的研究中，通常使用戊二醛作为交联剂或间隔基，通过席夫碱反应实现蛋白质交联。然而，戊二醛的细胞毒性限制了其在食品领域的应用（Bonetti等人，2023）。为解决这一问题，近年来的研究开始转向使用具有还原端基的多糖来进行与蛋白质的席夫碱交联。这类多糖包括海藻酸钠、卡拉胶和壳聚糖，它们的链末端含有游离半缩醛羟基，其开链形式的醛基可以与蛋白质的氨基反应生成席夫碱（Duceac等人，2022；Wang, Q.等人，2024）。这种交联策略具有诸多优点，比如反应条件温和、可在原位进行交联、无需外加交联剂、安全性较高，同时还能增强网络结构（Prabhakar等人，2025）。Khin等人（2025）在50℃下将明胶与醛基纤维素反应12小时，制得了席夫碱交联凝胶膜，这种交联处理提升了薄膜的机械强度、防水性和阻隔性能。类似地，Zou等人（2023）利用席夫碱交联的醛基纤维素/明胶复合气凝胶制备了油凝胶，这些负载了百里酚的油凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著的抗菌活性。尽管取得了这些令人瞩目的成果，但这种方法的局限性在于所形成的亚胺键具有可逆性，这会削弱网络强度并影响其长期稳定性（Xin等人，2012）。为解决这一问题，双重交联策略已成为强化蛋白质-多糖复合网络的研究热点（Fang等人，2023）。

某些多糖具备离子交联能力。例如，海藻酸钠在钙离子交联作用下可形成“蛋盒”结构（Cao等人，2020），而卡拉胶则在钾离子作用下形成双螺旋结构（Morris等人，2012）。将席夫碱交联与离子交联相结合，是一种有效的双重交联策略，可用于弥补单一席夫碱交联所导致的网络强度不足的问题（Zhang等人，2020）。Ghorbani等人（2023）报道了一种基于席夫碱反应和离子交联的双重交联、原位形成的海藻酸/丝素蛋白水凝胶网络。这种双重交联体系表现出显著改善的机械性能以及更好的细胞与支架之间的相互作用。Hu等人（2026）通过先进行离子预交联，再通过席夫碱反应，制备出了3D打印的仿生双重交联载药水凝胶网络支架。这类双重交联支架具有更好的机械性能、仿生结构以及良好的生理形态稳定性。其可调控的溶胀性还有助于高效负载并控制表没食子儿茶素没食子酸酯的释放。虽然已有不少研究报道了蛋白质-多糖复合网络中的双重交联策略，但这些研究大多集中在水凝胶领域，其在油凝胶系统中的应用仍然有限。此外，双重交联策略调控油凝胶性质的机制也尚未得到系统阐述。

在本研究中，以乳清蛋白分离物作为代表性蛋白质，海藻酸钠作为代表性多糖，通过乳液模板法构建了蛋白质-多糖复合网络油凝胶。这两种大分子都采用了席夫碱交联，而海藻酸钠还额外进行了钙离子交联。本研究系统地分析了这两种交联策略单独及联合使用对油凝胶性质的影响，以及其背后的调控机制。这些研究结果有望为设计优化网络结构、调整性能参数，以及推动蛋白质-多糖复合网络油凝胶在替代动物脂肪和递送亲脂性生物活性化合物方面的应用提供理论依据。

章节节选

材料

乳清蛋白分离物（纯度≥90%）和胆盐购自中国上海的Sigma-Aldrich Co. LLC公司。海藻酸钠（化学纯度；分子量约为390 kDa，粘度为200 mPa·s，M/G比值为1.1）、氯化钙（化学纯度）、胃脂肪酶、胰脂肪酶和胃蛋白酶则购自中国上海的Aladdin, Inc.公司。茶籽油由中国浙江九盛茶业科技有限公司生产，是从当地超市购买的。胰凝乳蛋白酶则购自上海

结合物的表征

通过测定接枝度以及褐变指数，确认了乳清蛋白分离物与海藻酸钠之间形成了席夫碱共价键。从数据上看，表1显示交联温度与这两个参数均呈正相关关系，这说明在热处理条件下交联作用更为强烈。具体而言，对于WAL和WAH而言，其接枝度分别达到了31.16%和41.86%，而褐变指数则分别为0.19和0.22。

结论

本研究系统地评估了席夫碱交联、钙离子交联以及二者结合对WPI–SA油凝胶的影响。双重交联形成了一个互穿网络，通过刚性共价骨架与可调节的离子连接点，协同提升了油凝胶的整体性能。其中，钙离子交联是决定油凝胶吸油能力（97.08%）和粘度的关键因素，而席夫碱交联则主要有助于提升其热稳定性和氧化稳定性（剩余

数据可用性声明

本研究的相关数据将根据需求予以提供。

CRediT作者贡献说明

杨莉：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、方法设计、资金获取、数据整理、概念构思。蒋勤波：结果验证、方法研究。郑世杰：结果验证、软件应用、方法研究。张辉：论文撰写——审阅与编辑、项目监督、项目管理

未引用参考文献

Ashok和Dewettinck，2016；Biswas和Mallik，2020；Chen和Zhang，2019；Duceac和Coseri，2022；Li等人，2022；Park和Maleky，2020；T?ros和Prokisch，2025；Wang等人，2024；Xin和Yuan，2012。

资助情况

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号：32502402）。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢浙江大学食品学科科学仪器共享平台的谢雅女士，感谢她在协助使用MCR 302旋转流变仪方面给予的帮助。

杨莉|郑世杰|蒋勤波|张辉

浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江省农业食品资源高值化利用重点实验室，杭州310058，中国