利用金属 - 多酚网络（MPNs）调控乳清蛋白凝胶的消化动力学并增强其凝胶特性：对分子间相互作用力及微观结构的影响

《Food Hydrocolloids》：Harnessing metal-polyphenol networks (MPNs) to regulate the digestive kinetics and enhance gel properties of whey protein gel: The influence on intermolecular interaction force and microstructure

　　

**摘要**
乳清蛋白（WP）在食品营养领域具有显著的应用价值。然而，WP 具有消化速度快和凝胶特性受加工历史影响差异大等特点，这限制了其在工业生产中的应用。因此，本研究引入原花青素和钙离子作为模型多酚和金属离子，形成一种多用途的新型材料——金属 - 多酚网络（MPNs）。将具有强粘附性的 MPNs 添加到乳清蛋白分离物凝胶（GWPI）中，形成 MPNs 增强的 GWPI（GWPI@MPNs）。本实验首先阐明了原花青素和钙离子形成 MPNs 的机制以及 MPNs 与 WP 之间的分子相互作用。然后，确定了添加不同比例的 MPNs 对 GWPI@MPNs 消化动力学和凝胶特性的影响。消化率的指标包括水解度、消化过程的数字图像、SDS-PAGE 以及多肽分子量分布。凝胶特性包括质构特性、流变特性、变性行为、低场核磁共振和保水性。研究发现，添加适量的 MPNs 是控制 GWPI 消化速率并增强其凝胶特性的有效方法。其机制可能是 MPNs 增强了 WP 的分子间作用力，并使 GWPI 形成致密且均匀的微观结构。本研究开发的新型方法有望有助于克服 WP 的固有局限性，为其在食品工业中的应用增加新的与消化相关的功能价值。

**引言**
乳清蛋白（WP）是乳蛋白的重要组成部分，约占总蛋白含量的 20%。它含有多种生物活性物质，具有很高的营养价值（Zhang, Lin, et al., 2025）。与其他蛋白质相比，WP 含有大量的支链氨基酸（BCAAs）（亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸）和必需氨基酸（EAAs）。例如，WP 中亮氨酸的含量比酪蛋白高 64.71%，BCAAs 的含量比酪蛋白高 26.83%。BCAAs 占肌肉蛋白中氨基酸（AAs）的 35%，是促进 EAA 合成肌肉蛋白的必需物质（White & Newgard, 2019）。人体无法合成 BCAAs，只能从饮食中获取。因此，与摄入酪蛋白和大豆蛋白等其他蛋白质相比，WP 能更有效地增加血浆中亮氨酸和 BCAAs 的浓度，并提高肌肉的合成效率（He et al., 2025）。WP 还可以抑制肌肉蛋白的分解，缓解老年人少肌症的发展（Zhang, Zhang, et al., 2025）。此外，随着 WP 综合利用技术的发展，WP 的许多重要功能特性正被发现，如凝胶特性、乳化性和成膜性（Zhang, Lin, et al., 2025; Zhang, Xia, et al., 2025）。如今，WP 不仅被广泛用作生物活性物质递送的载体，还作为食品的增稠剂、稳定剂和食用膜，可以改善食品的质构和组织状态（de Paula et al., 2026; Zhang, Wang, et al., 2024; Zhang, Zhang, et al., 2024）。

然而，WP 有两个显著的特点：与常见的食品基质和加工条件下的明胶或卡拉胶相比，其消化速度快且凝胶强度低。处于天然状态的 WP 被认为是“快蛋白”，可在 30 分钟内排空胃内容物并转运至小肠，并在 60 分钟时在血浆中观察到 AAs 的吸收峰值（Leng et al., 2023）。处于天然状态的 WP 作为小蛋白颗粒，以有限的浓度悬浮，例如在健身饮料产品中。在短时间内吸收如此大量的 AAs 会导致严重的高氨基酸血症（Horstman & Huppertz, 2023）。因此，这种快速消化的特性使 WP 不适合在夜间或两餐间隔较长时摄入，因为这会降低其在增加肌肉合成和缓解少肌症方面的应用效果。此外，WP 的快速消化特性不能提供饱腹感，降低了其在体重管理蛋白粉或代餐粉中的应用价值。酪蛋白被认为是“慢蛋白”。摄入后，其消化时间较长，血浆 AAs 峰值相对平缓，血浆 AAs 浓度可持续升高长达 6 小时（Dupont & Tomé, 2020）。然而，由于 AAs 组成的差异，酪蛋白在促进肌肉蛋白合成和抑制肌肉蛋白分解方面的效果远不如 WP。目前，一些研究已将 WP 制成“酪蛋白样”凝胶，这在一定程度上实现了 WP 的慢消化（Leng et al., 2023）。然而，现有研究制备的 WP 凝胶存在凝胶强度低、质构特性差、消化速度快且难以控制其消化速率等缺点（Zhang, Lin, et al., 2025）。可以根据工艺条件和基质本身设计不同种类的 WP 颗粒。这些加工条件包括热处理、剪切、高压和均质（Dissanayake & Vasiljevic, 2009; C. Wang et al., 2020）。例如，经高压处理的乳清蛋白可用于低脂冰淇淋，以提高其膨胀率和泡沫稳定性（Lim et al., 2008）。这是因为高压处理可以破坏乳清蛋白分子内的疏水和静电相互作用，增加乳清蛋白的表面疏水性。此外，基质中的可溶性成分和蛋白比例是影响加工后 WP 的展开以及分子间/内相互作用和共价键建立的重要因素（Vasbinder et al., 2004; Yeboah et al., 2025）。这可能改善 WP 凝胶的质构特性。例如，在 90°C 下制备 30 分钟的 WP 凝胶的硬度和胶着度分别约为 62 g 和 58 g，远低于大豆蛋白与 WP 比例为 2:8 时制备的凝胶的 100 g 和 91 g（Yeboah et al., 2025）。WP 的这些天然特性限制了其在改善甜点、乳制品、饮料、烘焙食品等食品的质构和组织状态方面的进一步应用。如何控制 WP 凝胶的消化动力学并增强其凝胶特性是当前 WP 应用过程中急需解决的重要问题。

近年来，通过金属离子和多酚之间的螯合形成的多价自组装涂层引起了广泛关注。这些涂层被称为金属 - 多酚网络（MPNs）（Geng et al., 2022; Zhu et al., 2024）。MPNs 不仅能在几分钟内形成稳定的螯合网络，还能组装在具有不同表面拓扑结构和尺寸的各种蛋白质基质上（Li et al., 2022; Zhang et al., 2026）。例如，在一项最近的研究中，Wang 等人（2025）使用铝离子、锰离子和 EGCG 形成 MPNs，这些 MPNs 可以稳定地粘附在抗原性卵清蛋白的表面。金属离子可以通过多种方式与多酚相互作用，确保 MPNs 结构的稳定性，包括配位相互作用、阳离子 -π相互作用、氧化还原（REDOX）、动态共价键等（Lin et al., 2024）。此外，MPNs 中的多酚可以通过各种非共价力（氢键、疏水相互作用等）和共价相互作用与蛋白质进行复杂相互作用（Y. Zhang et al., 2023）。因此，在 WP 凝胶中添加 MPNs 后，MPNs 可能会与 WP 分子相互作用并改变 WP 凝胶的微观结构，最终控制消化速率并改善凝胶特性。

在此，选择原花青素（PC）和钙离子（Ca）作为模型多酚和金属离子来制备 MPNs。PC 和 Ca 是《中国居民膳食参考摄入量：2023 版》中建议摄入的有益物质。PC 具有强抗氧化性能，并具有保护心血管系统、改善微循环以及抗炎和抗菌等作用（Li et al., 2025）。Ca 具有调节神经传导、维持骨骼健康和确保肌肉收缩等多种重要功能（Brini et al., 2013）。因此，在本研究中，首先使用 PC 和 Ca 制备 MPNs，然后将其添加到乳清蛋白分离物（WPI）中以制备含有 MPNs 的乳清蛋白分离物凝胶（GWPI@MPNs），如方案 1 所示。然后，探讨了 MPNs 对 GWPI 消化动力学和凝胶特性的影响，并深入分析了 MPNs 的运作机制。该方法被认为具有以下优点：1) 该方法简单、安全且便于工业生产。MPNs 的构建以及 MPNs 与 WP 分子之间的相互作用是由熵和焓驱动的自组装。整个制备过程仅需约 30 分钟。此外，所用的原料 PC 和 Ca 价格便宜。反应过程中未添加化学试剂，且无副产物生成。2) 如后文所示，它可以精确控制消化速率和质构特性。通过精确控制 MPNs 的添加量，可以精确调节 GWPI 的消化速率和质构强度。可以根据不同食品的需求进行定制化设计，从而拓宽 GWPI 的应用范围。本实验开发的新型方法有望加速具有新消化相关功能的 WP 在工业生产中的应用。

**章节片段**
**材料**
WPI9410（蛋白质含量 91%）购自 Hilmar Cheese Company, Inc.（美国加利福尼亚州）。原花青素、无水氯化钙、六水合氯化镁、碳酸铵、L-苯丙氨酸、胰蛋白酶（猪胰腺）、胰蛋白酶抑制剂和 8-苯基萘 -1-磺酸铵（ANS）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。无水乙醇购自天津致远化学试剂有限公司。

**MPNs 的制备与表征**
PC 和 Ca 可以在温和条件下快速自组装成 MPNs。如图 1A-B 所示，PC 和 Ca 形成 MPNs 后，粒径显著增加（p < 0.001）。PC 含有大量的酚羟基（Lv et al., 2026）。因此，PC 带有强烈的负电荷（图 1C）。当与 Ca 结合时，负电荷被中和。因此，与 PC 相比，MPNs 的ζ电位显著升高（p < 0.001）（图 1C）。然后，相互作用

**结论**
本实验中，将 MPNs 作为一种新型功能性材料组分添加到 GWPI 中，以控制 GWPI 的消化动力学并增强其凝胶特性。首先，成功制备了 MPNs，其自组装机制是 PC 中的羟基与 Ca 之间的配位相互作用。MPNs 和 GWPI 通过复杂的氢键相互作用、疏水相互作用和部分共价相互作用结合在一起，这为 MPNs 在 WP 凝胶中发挥作用提供了基础。

**CRediT 作者贡献声明**
林盈盈：可视化。张雅飞：写作 - 审稿与编辑，写作 - 原稿。张震：形式分析。艾永健：监督。郭惠元：项目管理，资金获取。张雨宁：方法论。罗宇嘉：可视化。夏增辉：调查。卢瑶：软件。宋思佳：形式分析。全恒：验证

**未引用参考文献**
Lan et al., 2024; Wang et al., 2020; Zhang et al., 2023; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2024.

**利益冲突声明**
我们有完全访问本研究所有数据的权限，我们对本数据的完整性以及数据分析的准确性承担全部责任。此外，我们声明我们对本工作没有利益冲突。我们声明我们没有任何代表利益冲突的商业或关联利益与提交的工作有关。

**数据可用性声明**
支持本研究结果的数据可从通讯作者处合理请求获得。

**竞争利益声明**
? 作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本报告中所述的工作。

**致谢**
本工作得到北京市优秀青年科学基金项目（JWZQ2024101019）和中国教育部 111 计划（No.

B18053) 张亚飞|张震|夏增辉|卢瑶|张雨宁|罗雨嘉|宋思佳|全恒|林盈盈|艾永建|郭慧媛 中国农业大学食品科学与营养工程学院，中国 北京 100083