阿拉伯胶通过β-半乳糖苷酶水解进行结构修饰：咸味增强机制及其在钠还原中的潜在应用

《Food Hydrocolloids》：Structural modification of Gum Arabic by β-galactosidase hydrolysis: Mechanism of saltiness enhancement and potential application in sodium reduction

　　

摘要

在低钠食品设计中，如何在减少钠含量的同时保持人们对食物咸味的感知仍然是一个主要挑战。本研究通过β-半乳糖苷酶水解改性阿拉伯胶（GA），得到了酶改性的GA（β-GA），并从多糖结构、黏蛋白（Mu）相互作用和Na⁺转运的角度探讨了其增强咸味的机制。GPC-RI-MALS分析显示，β-GA的表观平均分子量从407 kDa降低到367 kDa，构象斜率从0.73变为0.81，表明其平均构象更为松散。β-GA的流体动力学尺寸也变小，傅里叶变换红外光谱和荧光光谱显示其糖苷和羟基环境发生了变化。在纯化的黏蛋白模型中，β-GA改变了聚集体的组织结构并降低了低剪切粘度；光谱分析证实了黏蛋白与多糖之间的非共价结合。动态透析实验表明，β-GA促进Na⁺的扩散能力比GA提高了8.63%，而体外口腔保留成像显示β-GA具有更强的示踪剂保留能力。时间强度分析和电子舌测量结果显示，β-GA增强了咸味强度并延长了整体感知时间。这些发现表明，β-半乳糖苷酶对GA多糖结构的修饰能够调节黏蛋白网络的组织结构和Na⁺的转运行为，为利用多糖增强咸味提供了物理化学基础。尚需在复杂的食品基质中进行进一步验证。

引言

在保持理想咸味感知的同时降低钠摄入量已成为开发更健康食品的主要挑战。过量摄入钠与高血压和心血管疾病密切相关，这推动了食品行业内减少钠含量的策略需求（Looi, 2023）。然而，直接减少钠含量往往会导致咸味减弱、味道释放延迟以及余味持续时间缩短，从而影响整体风味质量和消费者接受度（Bailey & Dhaun, 2024; Steffensen et al., 2018）。为解决这些问题，人们付出了大量努力来开发保留感官质量的钠减少方法。目前的策略主要包括替代矿物盐、风味协同作用、风味活性肽和增咸剂（Yang et al., 2024）。然而，这些方法仍存在一些局限性。例如，矿物盐替代品常常带来金属味或苦味，而风味协同剂则高度依赖于食品基质和口腔加工条件（Han et al., 2025; Lu Wei et al., 2022）。尽管咸味肽和增咸肽受到了越来越多的关注，但其复杂的制备过程和有限的工业可扩展性限制了实际应用（Le et al., 2022）。因此，开发能够通过调节钠离子的口腔转运和可用性来增强咸味的食品相容材料仍然具有很大的研究价值。

多糖胶体因其能够调节Na⁺在口腔加工过程中的释放、转运和保留而受到关注。先前的研究表明，包括羧甲基纤维素（Cook et al., 2018b）、明胶（Mosca et al., 2015）、阿拉伯胶（GA）和大豆皮多糖（Ye et al., 2025）在内的多糖胶体可以通过延长Na⁺在舌表面或唾液中的停留时间来提高咸味强度或延长咸味感知持续时间。其中，阿拉伯胶被认为是一种适合食品应用的增咸剂，其在液态和半固态食品系统中的性能已经得到验证（Li et al., 2019, 2020）。随后通过蛋白酶处理和碱性水解改变了阿拉伯胶的结构，低分子量的改性与在含黏蛋白系统中的Na⁺转运性能改善有关（Li et al., 2025; Ye et al., 2023）。

阿拉伯胶是一种复杂且异质的阴离子杂多糖，主要由阿拉伯半乳聚糖（AG，约占88.3%）、阿拉伯半乳聚糖-蛋白质复合物（AGP，约占10.4%）和糖蛋白（GP，约占1.3%）组成（Al-Assaf et al., 2005; Siddig et al., 2005; Wang et al., 2025）。这些组分在分子量、分支结构和蛋白质含量上存在差异。然而，以往的蛋白酶处理主要针对与蛋白质相关的组分，而碱性水解的结构选择性有限。因此，这些处理后观察到的分子量降低和Na⁺转运性能改善不能明确归因于蛋白质成分或碳水化合物链结构的变化。因此，富含阿拉伯半乳聚糖的多糖主链的贡献仍需进一步研究。

在口腔中，唾液作为一种动态保护屏障覆盖着硬组织和软组织，在调节口腔的物理化学环境中起着关键作用（Canon et al., 2018; Slomiany et al., 1996）。黏蛋白是唾液的主要成分，形成了一个高粘弹性的网络结构，显著影响风味化合物和离子在口腔中的转运行为（Ahmad et al., 2018）。该网络会增加质量传递的阻力，同时影响风味物质的扩散、保留和局部浓度（Sharma et al., 2020）。因此，咸味感知与黏蛋白层的渗透特性及其与外源性食品成分的相互作用密切相关。黏蛋白含有丰富的功能基团和交联结构，如唾液酸残基和二硫键，为外源性大分子提供了多种相互作用位点（Menchicchi et al., 2015）。较弱的分子间相互作用，如氢键和静电相互作用，可能会进一步导致黏蛋白聚集或微观结构重排，从而改变离子的扩散路径和转运效率。

酶法改性提供了一种无需引入额外食品安全问题的方法来调节阿拉伯胶的结构和功能。β-半乳糖苷酶可以选择性水解阿拉伯胶中的β-糖苷键，从而改变其分支结构和分子尺寸分布。这种结构修饰可能影响其流变行为、界面性质和与黏蛋白的相互作用能力，从而提高咸味强度、延长感知持续时间和改善口腔感官体验。以往与增咸相关的阿拉伯胶改性方法主要涉及蛋白酶处理或碱性水解，这些方法会对与蛋白质相关的组分和整体分子量分布产生显著影响。相比之下，本研究使用β-半乳糖苷酶针对阿拉伯胶中富含多糖的区域内的β-糖苷键进行改性，提供了一种通过调节碳水化合物链结构来调节阿拉伯胶功能的独特方法。因此，本研究假设β-半乳糖苷酶水解会降低阿拉伯胶的分子尺寸和分支相关的空间障碍，增加羟基/羧基的可及性，从而增强其与黏蛋白的相互作用。预期这些变化会形成更易于渗透的黏蛋白相关网络，促进Na⁺在口腔中的扩散和保留。基于这一假设，使用β-半乳糖苷酶对阿拉伯胶进行了水解，并系统地表征了其结构和物理化学变化。此外，通过时间强度分析、定量描述分析和电子舌测量评估了β-GA的增咸效果。以黏蛋白作为口腔唾液模型，全面研究了阿拉伯胶/β-GA与黏蛋白网络之间的相互作用以及对Na⁺扩散和保留行为的影响。本研究旨在阐明多糖介导的增咸作用背后的口腔加工机制，并为开发具有改善感官质量的低钠食品系统提供机制上的见解。

节片段

材料

食品级的阿拉伯胶来自中国泰安的Dingli可降解材料有限公司。为减少内源性金属离子（包括Na⁺和K⁺的干扰，使用14 kDa分子量截留值的透析膜对阿拉伯胶进行48小时的透析处理，然后进行冷冻干燥（Ye et al., 2023）。纯化后的阿拉伯胶中的残留钠含量通过电感耦合等离子体光学发射光谱仪（ICP-OES, ICPE-9820, Shimadzu Corporation, Kyoto）测定。

感官评估和电子舌分析

咸味感知是一个动态的感官过程，涉及口腔加工过程中的持续变化，而传统的静态感官评估只能提供关于味道演变和持续时间的有限信息（Zhang et al., 2026）。因此，采用时间强度（TI）分析来描述60 mM NaCl、GA-NaCl和β-GA-NaCl的动态咸味感知行为。

如图1B所示，所有样品显示出相似的咸味感知曲线特征。

结论

阿拉伯胶的增咸效果与其分子结构和多糖构象密切相关。与天然阿拉伯胶相比，β-半乳糖苷酶对阿拉伯半乳聚糖主链的改性产生了具有显著增咸效果的β-GA。β-GA有效促进了Na⁺在唾液黏蛋白层中的扩散和渗透，同时延长了钠离子在口腔表面的停留时间，这可能有助于提高钠离子的可用性。

作者贡献声明

刘强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，实验设计，数据管理。王敏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，资金申请，数据管理。邹玉峰：指导，方法论设计。郑 sailing：撰写 – 审稿与编辑，实验设计。侯玉婷：数据分析。宋家康：数据分析。韩天龙：指导，方法论设计，资金申请。刘登勇：指导。

伦理声明

所有参与者或其法定代表均已书面同意参与本研究并发表文章。参与者的隐私权得到尊重。

本研究遵循所在地区的相关法律、监管框架和指南进行。本研究获得了渤海大学伦理委员会的批准（批准编号：E202403002）。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

教育部科技产业合作与教育项目（2509230219, 2509234911）和渤海大学自然科学基金培育项目（0524XN097, 0526XN025）提供的财政支持。

刘强|王敏|邹玉峰|郑 sailing|侯玉婷|宋家康|韩天龙|刘登勇

渤海大学食品科学与工程学院，辽宁省金州市肉品创新中心，121013，中国