霍夫迈斯特效应对大豆分离蛋白-单宁酸-κ-卡拉胶三元凝胶的局部结构、网络力学和保水性的影响

《Food Chemistry: X》：Hofmeister effect on the local structure, network mechanics, and water retention of soy protein isolate-tannic acid-κ-carrageenan ternary gels

　　

本研究调查了不同浓度的Cl^?和SCN^?对大豆分离蛋白-单宁酸-κ-卡拉胶三元复合凝胶的结构特性和凝胶性质的影响。离子类型和浓度对凝胶聚集、力学强度、表面电荷和保水性产生显著影响。在10% KCl处理下，凝胶表现出最小粒径（382 nm）、最高硬度（2008 g）和最高绝对zeta电位（34.5 mV），而最大持水能力（91.5%）在20% KCl时观察到。对于KSCN处理的凝胶，最小粒径（450 nm）和最高硬度（848 g）在10% KSCN时观察到，最高绝对zeta电位（42.1 mV）在20% KSCN时，最大持水能力（87.1%）在25% KSCN时。总体而言，Cl^?比SCN^?产生更强且更致密的凝胶网络。这些发现证明了霍夫迈斯特效应在定制蛋白质基复合凝胶方面的潜力。

**论文解读：霍夫迈斯特效应对大豆分离蛋白-单宁酸-κ-卡拉胶三元凝胶结构、力学与保水性的调控机制**

**研究背景与问题**

水凝胶是由亲水大分子通过物理缔合或化学交联形成的三维网络，能够固定大量水分并展现一定粘弹性。蛋白质基水凝胶，例如大豆分离蛋白（soy protein isolate, SPI）凝胶，因其高营养、可调网络结构及原料来源丰富，常被用作结构质地调控和功能成分负载的基质。然而，单一SPI凝胶易出现网络结构不均匀、力学强度不足和持水能力有限等问题，限制了其实际应用。通过多酚、多糖与蛋白质之间的共价和非共价相互作用来调控蛋白质结构并改善功能特性，已成为广泛关注的研究方向。研究表明，添加适量多酚（如单宁酸，tannic acid, TA）和多糖（如κ-卡拉胶，κ-carrageenan, KC）可增强凝胶强度、使网络结构更致密。TA含有多个没食子酰基，可通过氢键、疏水相互作用与蛋白质结合，并在氧化条件下形成醌结构与蛋白质的氨基、巯基发生共价反应，从而改变蛋白质聚集和交联行为。KC是一种含硫酸基团的阴离子多糖，通过静电相互作用、氢键、水合作用和链缠结参与蛋白质凝胶网络的构建。因此，将TA和KC同时引入SPI体系，可结合多酚的多位点结合特性与多糖的流变调控作用，为构建SPI-TA-KC三元复合凝胶提供基础。

盐溶液浸泡可作为外部后处理方法，在不改变初始配方的条件下调控蛋白质水凝胶的微观结构、粘弹性、力学性能和持水能力。SPI和KC均含有带电基团，对体系的离子环境较为敏感。盐类型和浓度的变化会导致蛋白质聚集状态、多糖链缔合程度和凝胶网络结构的差异。霍夫迈斯特效应（Hofmeister effect）反映了不同离子对生物大分子水合、溶解和聚集行为的特异性影响。对于阴离子，Cl^?位于霍夫迈斯特序列的盐析侧，而SCN^?位于强盐溶侧。前者促进大分子脱水、疏水缔合和链聚集，后者则倾向于与大分子结合，可能削弱疏水相互作用并促进结构松散化。然而，现有研究主要集中于盐离子对单一蛋白质凝胶或蛋白质-多糖二元凝胶的影响，对SPI-TA-KC三元凝胶在不同盐类型和浓度下的结构及性质调控规律的系统研究仍缺乏。因此，需要从微观结构、微观形貌、流变学、质构和水分状态等方面系统评估盐处理后复合水凝胶的变化，以建立凝胶结构与宏观性质之间的关系。

**研究内容与主要结论**

研究人员以SPI、TA和KC为原料构建三元复合水凝胶，然后将其浸泡在不同浓度的KCl和KSCN（5–25%，w/v）中，在保持K⁺恒定的情况下比较Cl^?和SCN^?的调控效果。通过紫外光谱（UV spectroscopy）、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）、粒径、电位、表面疏水性和冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）表征凝胶的结构变化，并利用动态流变学、凝胶硬度、持水能力和低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR）评估盐类型和浓度对凝胶网络、质构和水分状态的影响。该研究旨在探索凝胶结构特征与宏观性质之间的关联，所用原料和改性方法有利于实现农业副产物的高值化利用并促进植物蛋白的应用。

**主要关键技术方法**

本研究采用的关键技术方法包括：紫外光谱（UV）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于分析分子间相互作用和二级结构变化；动态光散射（DLS）测定粒径、多分散指数（PDI）和zeta电位；溴酚蓝（BPB）结合法测定表面疏水性；Cryo-SEM观察凝胶微观形貌；动态流变学（频率扫描）测定储能模量（G′）和损耗模量（G″）；质构分析仪测定凝胶硬度；离心法测定持水能力（WHC）；低场核磁共振（LF-NMR）分析水分分布；以及基于质量平衡的称重法测定表观盐吸收量。所有样品均来自同一批制备的SPI-TA-KC三元凝胶，经不同浓度KCl或KSCN溶液浸泡处理。

**研究结果**

**3.1 紫外光谱的测定**：通过紫外光谱分析，发现离子处理导致吸收峰红移和强度先降后升，表明离子环境改变了蛋白质芳香族残基周围的微环境及组分间相互作用。SCN^?对蛋白质峰强度的影响大于Cl^?，符合霍夫迈斯特阴离子序列。

**3.2 傅里叶变换红外光谱的测定**：FTIR结果显示，所有处理样品的酰胺A带发生红移或蓝移且峰形变锐，反映分子间氢键减弱或破坏。KSCN处理组的酰胺I和酰胺II带红移更明显，表明SCN^?与CO和NH基团相互作用更强。KSCN处理凝胶在约2050 cm^?1处出现SCN^?的CN伸缩振动特征峰。

**3.3 表面疏水性的测定**：通过BPB结合量测定，KCl处理组表面疏水性先升后降，在10% KCl时达到最大值（增强10.26%），归因于盐析效应促进疏水位点暴露；超过20%后蛋白部分变性聚集导致表面疏水性下降。KSCN处理组表面疏水性整体下降且随浓度变化不显著（p?>?0.05），因为SCN^?作为离液离子破坏疏水相互作用，使疏水基团重新埋藏或分散。

**3.4 粒径、多分散指数（PDI）和zeta电位的测定**：KCl处理组粒径显著减小，最小为382 nm（10% KCl），PDI为0.23，归因于离子屏蔽效应和脱水作用导致网络收缩。KSCN处理组粒径先减后增，10% KSCN时最小为450 nm，PDI为0.17；超过20%后SCN^?的强水合能力和直接相互作用导致网络完全破坏，粒径增大。所有样品zeta电位为负，盐处理使绝对值显著降低（p?
**3.5 流变性质的测定**：所有样品G′均高于G″，表明形成弹性主导凝胶。KCl处理显著提高G′，20% KCl时G′和G″最大，归因于网络收缩和分子间作用增强。KSCN处理组G′在15%时达到最大，低浓度时离子屏蔽效应主导，10%时SCN^?破坏氢键作用开始显现，25%时破坏作用成为主导，G′显著下降。

**3.6 凝胶硬度的测定**：两种盐处理均显著提高凝胶硬度（p?
**3.7 凝胶持水能力的测定**：所有处理组持水能力显著降低（p?
**3.8 水分分布的测定**：LF-NMR显示，KCl处理使弛豫峰左移，表明水分子流动性降低，结合更紧密的水增加；峰变宽表明内部结构不均匀性增加。KSCN处理组T₂₂峰先窄后宽，低浓度时网络收缩使水分子更均一，高浓度时SCN^?的破坏作用导致结构不均匀性增大。

**3.9 冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）的测定**：Cryo-SEM观察显示，KCl处理促进网络收缩和致密化，10% KCl时形成均匀蜂窝状网络，与硬度峰值一致；高浓度时出现孔壁增厚和孔合并。KSCN处理网络更不均匀，出现大孔、裂隙和层状聚集体，整体连续性低于KCl处理组。

**3.10 表观盐吸收的测定**：两种盐的表观盐吸收质量随浓度增加显著上升（p?
**3.11 相关性分析**：距离相关分析显示，电位与持水能力的相关系数最高（0.825），表面疏水性与硬度（0.772）和G′（0.544）存在强关联，持水能力与G′（0.765）和硬度（0.521）相关，硬度与G′（0.710）高度一致。粒径与其他参数相关性普遍较低。

**结论与讨论**

本研究聚焦于SPI-TA-KC三元复合凝胶，通过改变KCl和KSCN浓度（保持K⁺为共同阳离子）研究了霍夫迈斯特阴离子对凝胶结构、质构和保水性的影响。结果表明，Cl^?和SCN^?对SPI-TA-KC凝胶产生显著不同的调控效果。盐处理降低了绝对电位，促进凝胶组分间更紧密接触和网络重排；粒径和BPB结合量的变化表明两种阴离子诱导的聚集行为和疏水位点暴露存在显著差异。KCl处理总体上促进网络收缩和结构致密化，10% KCl处理凝胶表现出最小粒径（382 nm）和最高硬度（2008 g）。相比之下，KSCN处理导致粒径非单调变化，10% KSCN处理凝胶硬度仅为848 g。所有样品均表现出弹性主导行为，G′始终高于G″，但KCl处理凝胶通常具有更高的G′和硬度值，表明KCl诱导的结构重排更有利于形成具有更高弹性和抗变形能力的有效网络。Cryo-SEM观察进一步支持了这些差异，表明KCl处理通常产生更致密、更连续的网络，而KSCN处理导致相对不均匀和局部破坏的微结构。这些微观结构差异与力学结果一致。尽管KSCN引起局部结构和表面疏水性更显著的变化，但这些变化并未转化为更大的宏观网络增强效果；相反，其增强效果相对较弱，表明局部结构扰动的程度不能直接等同于网络增强的程度。盐处理后的凝胶仍保持较高的持水能力，20% KCl组达到91.5%，25% KSCN组达到87.1%，但均低于未处理凝胶。低场核磁共振分析表明，盐处理改变了凝胶内水分的流动性和微环境，部分弛豫峰向更短的T₂值移动表明保留在凝胶网络中的水分流动性降低，而WHC的下降表明网络收缩可能同时排出了部分弱结合水。因此，T₂和WHC反映了水分行为的不同方面，即保留在凝胶内水分的流动性和凝胶在外力下保持水分的整体能力。凝胶网络的力学增强与保水性并非简单地同步变化。

与以往关于霍夫迈斯特效应在单一蛋白质体系或蛋白质-多糖二元体系中的研究不同，本研究系统考察了不同Cl^?和SCN^?浓度对SPI-TA-KC蛋白质-多酚-多糖三元复合凝胶的影响，并探讨了其结构特征（包括局部结构响应和聚集行为）与宏观性质（包括网络力学和保水性）之间的关联。需要注意的是，KCl和KSCN的比较基于相同质量浓度而非等摩尔浓度，实际离子浓度和离子强度不同，因此观察到的差异可能源于阴离子特异性、实际离子浓度和溶液整体物理化学性质的共同作用。此外，KSCN作为离液端代表阴离子，其残留水平和食品安全性需进一步评估。相比之下，KCl处理的凝胶结合了较高的硬度和良好的持水能力，显示出作为吞咽障碍导向凝胶食品候选基质的潜力，但需通过国际吞咽障碍饮食标准化倡议（IDDSI）的标准化测试以及盐残留、感官质量和消化特性评估进一步验证。