蛋白质纤维化结合复合网络策略增强大豆蛋白-海藻酸钠水凝胶

《Current Research in Food Science》：Protein fibering combined with a composite network strategy to enhance the soybean protein-sodium alginate hydrogel

　　

摘要
研究人员利用大豆蛋白淀粉样原纤维（SPAF）和海藻酸钠（SA）通过Ca²⁺诱导制备了一种复合网络水凝胶。研究了Ca²⁺对SPAF-SA水凝胶微观结构和流变性质的影响。研究结果证实了SPAF的成功制备，通过硫黄素T（Thioflavin T）荧光、X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）验证。微观结构分析表明，SPAF和SA通过氢键相互作用，SA被Ca²⁺交联以增强结构，导致SPAF-SA水凝胶内部形成致密的三维网络。流变测试展示了水凝胶在剪切应力下的弹性和粘度变化，并揭示了复合网络结构的作用和结构转变。此外，Ca²⁺显著影响水凝胶的强度，SPAF-SA水凝胶在Ca²⁺添加量为1.2%（w/v）时表现出最大强度。研究结果凸显了SPAF-SA水凝胶作为食品质构增强剂的潜力，为其在水凝胶系统中的实际应用提供了见解。

随着植物基食品和功能性递送系统需求的增长，可调节且具有优异性能的食品水凝胶成为研究热点。天然多糖和蛋白质是决定食品凝胶结构和质地的两种关键生物大分子。海藻酸钠（SA，一种阴离子多糖）可通过Ca²⁺诱导的“蛋盒”配位构型形成三维凝胶网络，但单一SA凝胶通常机械强度不足，限制了其在承重和结构化食品中的应用。将多糖与蛋白质结合形成复合网络是改善凝胶性能的有效策略。大豆蛋白淀粉样原纤维（SPAF，大豆分离蛋白在酸性热条件下自组装形成的蛋白质聚集体，具有高长径比和高刚度）能增强增稠、凝胶和机械性能。尽管已有研究表明淀粉样纤维可增强食品凝胶性能，但关于大豆蛋白淀粉样纤维-海藻酸钠复合网络水凝胶在食品体系中的结构和流变性质的研究尚缺乏。因此，本研究旨在通过将刚性SPAF结构模板与缓释Ca²⁺-SA基质配对，系统构建复合网络水凝胶。研究人员制备并表征了SPAF，随后以SPAF和SA为原料，通过Ca²⁺交联形成复合网络水凝胶，考察了Ca²⁺添加量对凝胶微观结构、质构和流变性质的影响，并讨论了SPAF-SA食品凝胶体系的形成机制。研究结果凸显了SPAF-SA凝胶体系在食品质构辅助方面的潜在应用。论文发表在《Current Research in Food Science》。

研究人员为开展研究采用的主要关键技术方法包括：制备SPAF（通过酸热处理，pH 2.0，85°C，24小时）；通过硫黄素T（ThT）荧光、X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）表征SPAF结构；通过内凝胶化系统（CaCO₃和葡萄糖酸内酯GDL）制备SPAF-SA水凝胶；使用扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构；傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析分子间相互作用；Zeta电位测量表面电荷；差示扫描量热法（DSC）分析热稳定性；质构分析仪测量凝胶强度；流变仪进行线性振荡剪切（SAOS）、三区间触变性测试和大振幅振荡剪切（LAOS）测试，并利用Lissajous曲线分析非线性流变行为。

研究结果部分：

**3.1 SPAF的结构与理化特性**：通过ThT荧光、XRD和AFM表征，证实了SPAF的成功制备。SPAF在440 nm处荧光强度显著高于SPI，XRD显示交叉β-折叠结构特征峰（2θ=8.6°和19.6°），AFM观察到长而缠结的纳米纤维形态，表面粗糙度增加。

**3.2 SPAF-SA水凝胶的外观与SEM分析**：无Ca²⁺时呈流体状态，添加Ca²⁺后形成凝胶。SEM显示，Ca²⁺添加量为1.2%（w/v）时，水凝胶呈现最致密的三维网络结构；过量Ca²⁺导致网络塌陷和粘附状结构。SPAF-SA水凝胶的孔径比SPI-SA水凝胶更均匀、致密。

**3.3 FTIR分析**：FTIR显示，SPAF与SA之间通过氢键相互作用，酰胺I和II带发生红移，表明静电相互作用存在。Ca²⁺交联后，3600-3000 cm^-1吸收峰蓝移且强度增加，表明氢键增强和结构稳定性提高；1635 cm^-1附近峰强度变化与SA的COO-基团和Ca²⁺相互作用有关。

**3.4 XRD分析**：SA与SPAF复合后，2θ=11.2°特征峰消失，表明两者相互作用。添加Ca²⁺后，2θ=20°峰强度减弱，并在2θ=27°出现新峰，归因于Ca²⁺与SA羧酸基团的配位，证实了Ca²⁺-SA交联结构的成功形成。

**3.5 Zeta电位分析**：SPI和SPAF带正电，SA和SPAF-SA水凝胶带负电。随Ca²⁺添加量增加，Zeta电位绝对值逐渐降低，在Ca²⁺添加量为1.2%（w/v）时绝对值最小，表明Ca²⁺的静电屏蔽效应促进了组分间的聚集和均匀网络形成。

**3.6 热性能分析**：DSC显示单一吸热峰，表明SPAF与SA具有良好的热相容性。随Ca²⁺添加量从0.4%增加至2%（w/v），起始温度（T_o）和焓变（ΔH）先增后减，在1.2%（w/v）时达到最大值，对应最致密的网络结构和最强的相互作用。SPAF-SA水凝胶的热性能优于SPI-SA水凝胶，且无新吸热峰，表明未发生相分离。

**3.7 凝胶强度分析**：SPAF显著增强了SPAF-SA水凝胶的凝胶强度，相比SPI-SA水凝胶明显提高。Ca²⁺添加量为1.2%（w/v）时，凝胶强度达到最大值15.69 g/cm²，约为无Ca²⁺时的15倍。断裂力和断裂应变也在该添加量下达到最高，过量Ca²⁺导致结构塌陷，凝胶强度下降。

**3.8 线性流变学分析**：频率扫描显示，无Ca²⁺时体系呈流体状态（G'2+后呈类凝胶固态（G'>G"）。Ca²⁺添加量为1.2%（w/v）时，G'和G"达到最大值，损耗因子（tanδ）最小，表明凝胶强度最大。幂律模型拟合结果（K'和K"最大，n值小）一致。三区间触变性测试显示，所有含Ca²⁺水凝胶的恢复率均超过70%，在1.2%（w/v）时恢复率达97.5%，表现出优异的触变性。

**3.9 非线性流变学分析**：LAOS测试中，Ca²⁺添加量为1.2%（w/v）时，水凝胶在LVR内具有最高的G'和G"，临界应变（γ_c）较低但内聚能密度（E_c）最大，表明网络结构最稳定。在NLVR中，G"先上升后下降，表现出典型的弱应变过冲现象，对应氢键网络的断裂与重组。Lissajous曲线分析显示，随应变增大，弹性Lissajous曲线从窄椭圆逐渐变为四边形，在500%应变时出现自交叠二环，表明主要为粘性耗散；在1.2%（w/v）Ca²⁺下，峰值应力最高，弹性主导更强。

**3.10 SPAF-SA水凝胶的形成机制**：综合FTIR、XRD、Zeta电位、SEM和热性能结果，SPAF与SA通过氢键形成脆性网络，Ca²⁺与SA的G单元交联形成韧性网络，两者相互渗透。流变学测试表明，弱氢键先断裂耗散能量，强离子交联维持强度；在剪切力增大时，离子交联网络的再生速率超过破坏速率，导致过冲现象。

总结讨论部分：研究人员通过分析微观结构、热性能和流变行为，揭示了SPAF-SA复合网络水凝胶的形成机制，即脆性网络（氢键）与韧性网络（离子交联）的协同作用。该水凝胶在Ca²⁺添加量为1.2%（w/v）时达到最优网络结构，表现出最高的凝胶强度、热稳定性和触变性恢复能力。研究结论为SPAF-SA水凝胶作为食品质构增强剂提供了理论基础。

结论翻译：本研究通过将刚性SPAF与原位缓释SA-Ca²⁺基质结合，成功制备了一种基于植物蛋白的复合网络水凝胶。该体系利用SPAF与SA之间的氢键形成脆性网络，以及SA与Ca²⁺之间的离子交联形成韧性网络。网络的结构稳定性和能量耗散能力对内部离子交联状态敏感。Ca²⁺添加量为1.2%（w/v）时，在氢键和均匀“蛋盒”离子节点的协同作用下建立了优化的网络。随着剪切应力增加，脆性网络逐渐断裂以耗散能量，离子交联网络被破坏并重组以维持水凝胶强度。进一步增加剪切力会破坏内部网络结构，导致水凝胶转变为液态。水凝胶微观结构验证了流变学结果，致密的三维网络结构对应最高的凝胶强度。这些结果为进一步扩展SPAF-SA水凝胶体系作为功能性食品配料的应用提供了理论依据。