冷等离子体辅助改性魔芋葡甘聚糖通过非共价相互作用与乳清蛋白分离物介导油凝胶空间网络

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Cold plasma-assisted modification of konjac glucomannan for mediating spatial networks of oleogels by noncovalent interaction with whey protein isolate

　　

油凝胶是前景广阔的固体脂肪替代品，但其稳定性受限于薄弱的界面结构。本研究采用冷等离子体（CP）作为绿色改性方法，对魔芋葡甘露聚糖（KGM）进行改性，并增强其与乳清蛋白分离物（WPI）的相互作用，用于制备稳定的乳液模板油凝胶。超声改性KGM和TEMPO氧化KGM（USKGM和OXKGM）作为对照。结果表明，CP处理（6分钟）降低了羟基含量，重组了氢键，提高了溶解性和热稳定性，且未破坏多糖骨架。WPI-CPKGM复合物表现出最强的非共价相互作用，导致表面疏水性降低（从7146.30降至3524.30），Zeta电位绝对值最高（?25 mV）。乳化活性指数和稳定性指数分别提高了66.00%和16.10%。相应的乳液表现出较小的液滴尺寸、较窄的分布以及对热、紫外线和储存的增强抗性。由WPI-CPKGM稳定的油凝胶表现出优越的性能，具有最高的持油能力、硬度和粘弹性。这些改进可能归因于形成了更加有序的三维蛋白质-多糖网络和界面膜强化，流变学、微观结构和光谱学证据均支持这一结论。本研究证明，CP辅助改性KGM是设计油凝胶的有效策略。这些发现阐明了蛋白质-多糖油凝胶中的结构-功能关系，推动了其作为可持续固体脂肪替代品的应用。

**引言**

油凝胶是一种结构体系，将液态油固定在凝胶剂形成的不同一致性的三维网络中，由非极性液相（通常为植物油）和少量结构凝胶剂（< 10 wt%）组成（Hu & Meng, 2026）。作为固体脂肪的替代品，油凝胶不仅能降低过量摄入反式和饱和脂肪酸的风险，还能增强产品的质地、风味和营养价值（Yu et al., 2026）。此外，作为新兴的结构化胶体体系，油凝胶凭借其独特的半固体特性和对亲脂性化合物的优异负载能力，已演变为递送疏水药物和生物活性物质的极具前景的平台（Hu & Meng, 2026）。凝胶剂在决定油凝胶性能方面起着至关重要的作用。研究发现，大多数低分子量凝胶剂具有高可用性、成本低廉和强凝胶能力，但由其构建的凝胶是不稳定的，在长期储存过程中容易发生结晶。在凝胶剂的工业应用中，结晶会导致凝胶结构破坏，这对其在食品行业中的应用构成了限制。与低分子量化合物不同，聚合物由于其分子量分布和链间缠结，很少以晶体形式从溶液中析出，从而能够在高盐和极端pH条件下实现稳定的凝胶网络（Wang et al., 2023）。作为亲水性聚合物，具有优异界面活性的蛋白质能够因其两亲性结构自发扩散并吸附在油-水界面。然而，单一蛋白质的界面吸附动力学缓慢，且蛋白质无法形成致密的界面膜。界面空隙的存在使体系易受环境应力（如pH、离子强度、温度）影响，这降低了乳液的储存稳定性，并显著增加了制备的油凝胶中漏油的风险（Wang et al., 2023）。液态油向软固体和油凝胶的结构变化已被系统综述为脂肪替代的一种变革性策略（Yu et al., 2026），为乳液模板方法提供了基础框架。

乳清蛋白分离物（WPI）因其独特的功能特性而被广泛用作食品配料，包括凝胶、起泡、乳化、持水和增稠能力（Duan et al., 2025; Li et al., 2026; Li et al., 2026; Song et al., 2026）。近期研究表明，将多糖与蛋白质结合可以协同解决这些局限性，其作用机制是在界面和体相中运行的分层稳定机制。在油-水界面，蛋白质-多糖复合物可以通过非共价相互作用形成坚韧的粘弹性膜，这已由经典界面理论证实（Wang et al., 2023）。多糖的吸附诱导蛋白质分子构象重排，从而暴露出先前埋藏的疏水残基并增强界面吸附稳定性，连续相中未吸附的多糖分子通过氢键和缠结自缔合，构建出具有高强度的三维网络。这种体相网络与液滴表面突出的多糖层一起，产生显著的空间位阻效应，物理限制液滴运动并防止聚结（Luo et al., 2025; Zhang et al., 2024）。魔芋葡甘露聚糖（KGM）是从魔芋块茎中提取的线性多糖，其特征是富含羟基和独特的乙酰基取代基，被广泛用作乳化稳定的关键成分。其骨架由通过β-1,4糖苷键连接的葡萄糖和甘露糖单元组成，甘露糖与葡萄糖（M/G）摩尔比约为1.4–1.6:1，分子量范围为200至2000 kDa。乙酰基以取代度（DS）约为0.05–0.10随机取代在C6羟基位置（相当于每9–19个糖残基约含一个乙酰基）（Luo et al., 2025）。目前，对天然KGM的改性被广泛进行，以进一步探索其在界面行为方面的调控潜力和功能特性。已应用了不同的技术（如物理、酶处理和化学处理）。其中，物理方法是安全、环保和高效的改性方法。冷等离子体（CP）可以在没有化学品或溶剂的情况下改变多糖的结构和功能特性。通过在CP处理过程中高能电场下的载气电离，产生反应性氧和氮物种（RONS）（Wang et al., 2026）。高度瞬态自由基（·OH和·O??）、中等持久性物种（O?）以及相对稳定的物种（H?O?）可以由活性物种与水相互作用形成（Ge et al., 2026; Song et al., 2025）。这允许在非均相条件下于多糖表面发生氧化反应。引入的羧基增加了负电荷密度并增强了与蛋白质结构域的静电复合作用；同时，羰基和醛基使蛋白质侧链能够实现多点锚定（Chen et al., 2020）。TEMPO介导的氧化不同于采用次氯酸钠和过氧化氢作为氧化剂的异相氧化方法，它选择性地将近C6羟基转化为羧基，产生化学高度均匀的界面，但提供的可用分子间相互作用模式非常有限（Wu et al., 2022）。异相改性也不同于超声降解，后者虽然降低了分子量，但未引入新的含氧官能团，从而限制了其增强蛋白质与多糖之间结合力的能力（Li, Li, Geng, Song, & Wu, 2017）。已有研究表明了CP处理对多糖结构特性和溶解性的影响，但其对乳液模板油-凝胶体系中多糖与蛋白质界面协同作用的影响尚不清楚（Huo et al., 2024）。

具有强界面协同作用的蛋白质-多糖复合物可以形成厚实的界面膜和致密的三维网络，这对于增强油-凝胶系统的结构稳定性和功能性能至关重要。多糖颗粒的加入改变了蛋白质的排列，这可以限制连续相的运动并增强油凝胶的稳定性（Luo et al., 2025）。我们假设，CP辅助改性KGM可以通过活性物质介导的羟基氧化，在多糖表面引入各种含氧官能团，从而增强改性KGM与WPI之间的非共价相互作用。这些增强的分子间力促进了更稳定的WPI-CPKGM复合物的形成，并在连续相中构建更致密的三维网络。本研究的目的是探索CP辅助改性处理对KGM（CPKGM）的调控效果。作为对照，采用了超声辅助改性和传统TEMPO氧化方法对KGM进行改性（USKGM和OXKGM）。然后分别制备了由WPI-改性KGM复合物（WPI-OXKGM、WPI-USKGM和WPI-CPKGM）稳定的乳液。系统评估了乳液特性，主要包括粒径分布、形貌、结构、流变行为和稳定性。此外，利用WPI-改性KGM复合物制备了乳液模板油凝胶，并分析了其结构和功能变化。油凝胶的结构和功能表征通过多光谱技术、质构分析、持油能力和粘弹性评估进行了分析。结构强化赋予油凝胶高持油能力、机械强度以及对外部环境因子的稳定性——这些特性对于其作为可持续固体脂肪替代品有效发挥作用至关重要。

**材料与方法**

**材料**

WPI（纯度≥80%）购自上海源叶生物科技有限公司（中国上海）。USKGM和OXKGM由本实验室制备。大豆油购自北大荒公司（中国黑龙江）。KGM（纯度≥98%）购自湖北强森魔芋科技有限公司（中国湖北）。尼罗红和尼罗蓝购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。所用其他试剂均购自上海凌风公司。

**CPKGM的表征**

阐明了不同处理时间的CP辅助改性对KGM结构特性和理化性质的多维效应。如图1A所示，FTIR结果表明，天然KGM和CPKGM样品均保留了葡甘露聚糖的特征骨架。3440 cm?1和2924 cm?1处的吸收峰分别归因于葡甘露聚糖中羟基（-OH）和亚甲基（-CH?）的伸缩振动。

**结论**

本研究系统考察了CP辅助改性KGM对结构特性及其与WPI协同相互作用的影响，用于制备乳液模板油凝胶。CP处理通过引入含氧官能团、减少分子间相互作用以及增强溶解性和热稳定性，有效调控了KGM的理化性质，同时保持了多糖骨架。在所有处理中，CPKGM表现出最佳效果。

**作者贡献声明**

Song Gongshuai：撰写——初稿。Zhao Tian：数据整理。Xu Zhen：方法论。Zheng Fuping：资源。Zhang Mengna：撰写——审阅与编辑。Gong Jinyan：获取资金。

**伦理批准**

本文未包含任何针对人类参与者的研究。所有适用于动物使用和护理的指南均遵循机构、国家和国际标准。

**未引用参考文献**

Chizoba Ekezie, Sun and Cheng, 2017
Feng et al., 2025
Guo and Xiong, 2013
Liu, Shen, Yang and Lin, 2021
Sklias, Santos Sousa and Girard, 2021
Wang et al., 2025
Wang et al., 2025
Wang, Zhao, Jiang, Ban and Wang, 2023
Wang, Espert, Hernández, Salvador and Sanz, 2024
Wang et al., 2024
Wang, Chandrapala, Truong and Farahnaky, 2023
Zhang et al., 2025
Zhang et al., 2026
Zhang et al., 2026
Zhang, Liu and Wu, 2025

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

**致谢**

本研究得到浙江省自然科学基金（ZCLQN26C2003）、国家自然科学基金（32302223）、杭州自然科学基金（No. 2025SZRJJ2132）、浙江省自然科学基金（LZ24C200006）、浙江省重点科技项目（2024C04020）以及北京工商大学食品风味与健康交叉创新开放项目（Gongshuai Song|Tian Zhao|Zhen Xu|Fuping Zheng|Mengna Zhang|Jinyan Gong）资助。浙江省农产品生物化学加工技术重点实验室，浙江科技学院生物与化学工程学院，中国杭州310023。