由纤维颤动引起的卵白蛋白结构重塑：低温凝胶网络及热机械性能的差异性甘油调控

《Food Hydrocolloids》：Fibrillation-Induced Compositional Remodeling of Egg White Protein: Differential Glycerol Regulation of Cryogel Networks and Thermomechanical Performance

　　

摘要

由食品蛋白质制成的冷冻凝胶，其宏观性质来源于前驱凝胶网络中的结构组织和分子间相互作用。本研究探讨了酸热诱导纤维化过程中卵白蛋白（EWP）的结构和成分变化，以及这些变化如何影响甘油（Gly）对蛋白质网络的后续影响。酸热处理将天然的球形EWP转化为富含β-折叠片的纤维状结构，同时引发蛋白质水解、蛋白质成分的重新分布以及表面相互作用位点的重组。这些变化导致形成了一个由天然蛋白质、纤维和重组蛋白质成分组成的异质复合凝胶网络，而不是主要由球形蛋白质聚集体构成的网络，从而改变了可用的分子间接触点和承重接头。因此，甘油在这两种网络中表现出不同的浓度依赖性效应。在天然EWP冷冻凝胶中，相对较低的甘油浓度就足以最大化网络的硬度；而含有EWPF的系统则需要更高的甘油浓度才能达到最大的杨氏模量和弯曲承重能力。这种最佳甘油浓度的变化与氢键环境更高的异质性以及纤维和蛋白质界面施加的更强结构约束有关。过量的甘油会增加分子流动性和热传递，最终降低网络的硬度和热绝缘性能。这些发现表明，纤维化不仅通过增强纤维结构来调节EWP冷冻凝胶，还通过改变成分和相互作用位点来调节蛋白质网络。

引言

食品蛋白质可以通过构象展开和分子间相互作用形成三维凝胶网络。随后对形成的凝胶进行冷冻和冻干处理，可以生成轻质多孔的蛋白质冷冻凝胶，使其能够用于生物活性化合物的加载、吸附和分离以及食品结构调控（Hellebois等人，2023年；Wei等人，2022年）。在从凝胶转化为冷冻凝胶的过程中，前驱凝胶网络作为基本的结构框架，直接影响结构的连续性和稳定性。冷冻过程中，冰晶的成核和生长将蛋白质排除在冻结相之外，使其集中在未冻结区域，导致凝胶网络的压缩、重排和局部富集。冻干过程中冰晶的升华最终形成一种多孔结构，其中富含蛋白质的部分构成了孔壁（Qin等人，2021年）。因此，冷冻凝胶的最终结构不仅受冰晶模板的影响，还受蛋白质构建块的性质、它们的组装状态以及网络在冷冻和冻干过程中保持结构的能力的影响。

蛋白质淀粉样纤维具有氢键稳定的跨β-折叠片结构，具有较高的轴向硬度和丰富的表面相互作用位点，使其成为构建和增强蛋白质冷冻凝胶网络的有吸引力的结构构建块（Chiti和Dobson，2017年；Knowles和Mezzenga，2016年）。与球形蛋白质聚集体相比，淀粉样纤维可以通过纤维重叠、缠结和多个接触点形成更连续的网络框架，从而有利于前驱凝胶在冷冻和冻干过程中的结构保持。Nystr?m等人（2017年）使用β-乳球蛋白淀粉样纤维制备了冰模板多孔支架，并证明纤维浓度和冷冻条件可以有效调节孔结构和弹性模量。基于淀粉样纤维的多孔材料随后被用于有机污染物吸附、导电压力传感和金属有机框架复合系统等领域（Han等人，2020年；Jia等人，2022年；Peydayesh等人，2020年）。然而，尽管淀粉样纤维具有较高的轴向硬度，但由于网络接头的分子流动性受限、局部应力集中和孔壁的可变形性有限，它们的干燥网络仍可能表现出明显的脆性。因此，采用了包括多糖渗透（Usuelli等人，2021年）、二氧化硅沉积（Cao等人，2019年）和高温碳化（Peydayesh等人，2022年）等策略来增强网络连通性或加固孔壁框架。但对于食品蛋白质系统而言，结构调控还需考虑组分的相容性、温和的处理条件以及材料的生物基特性。因此，使用能够直接与蛋白质相互作用的食物级小分子是调节食品蛋白质冷冻凝胶柔韧性的更合适策略。

甘油（Gly）是一种常用的食品级增稠剂，可以通过氢键与极性蛋白质基团相互作用，从而改善材料的柔韧性（Hadidi等人，2022年；Yan等人，2024年）。Jiang等人（2019年）表明，Gly可以调节基于淀粉样纤维的多孔支架的微观结构。Shan等人（2024年）通过单向冷冻浇铸进一步制备了甘油塑化的豆蛋白淀粉样纤维支架，并展示了Gly对孔结构、玻璃化转变行为、分子堆积和屈服行为的调节作用。然而，天然球形蛋白质和淀粉样纤维在构象约束、表面功能团的可达性和分子间相互作用环境方面存在显著差异。此外，纤维化过程中伴随的蛋白质水解、蛋白质成分的重新分布和相互作用位点的重组可能会进一步改变Gly与蛋白质网络的相互作用方式（Dong等人，2023年）。因此，Gly对天然蛋白质网络和含有纤维的复合网络可能会产生不同的浓度依赖性效应。在相同的甘油浓度下，直接比较这两种系统仍然很少，尤其是在纤维化引起的蛋白质成分和相互作用位点变化如何影响Gly对凝胶网络的调节方面。

基于这些考虑，选择卵白蛋白（EWP）作为模型系统来探讨两个相互关联的科学问题。首先，我们试图阐明蛋白质水解、蛋白质成分的重新分布以及酸热诱导纤维化过程中表面相互作用位点的变化如何重塑随后形成的热凝固凝胶的结构构建块和分子间连接。其次，我们比较了Gly对天然EWP网络和含有纤维化卵白蛋白（EWPF）的复合网络的差异调节作用，以阐明蛋白质成分和界面相互作用环境的变化如何影响Gly在网络形成和塑化中的作用。为此，系统地表征了EWP纤维化过程中蛋白质成分、构象、纤维形态和胶体性质的变化，并进一步将这些变化与Gly诱导的分子间相互作用变化、冷冻凝胶网络组织、热传递行为和机械响应联系起来。

节片

材料

卵白蛋白（EWP）来源于黑龙江中农兴和生物技术有限公司。硫黄素T（ThT）、三（羟甲基）氨基甲烷（Tris）、甘氨酸、乙二胺四乙酸（EDTA）、尿素、考马斯亮蓝G-250、考马斯亮蓝R-250、8-氨基-1-萘磺酸（ANS）和5,5'-二硫（2-硝基苯甲酸）（DTNB，Ellman试剂）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。非还原SDS-PAGE加载缓冲液（5倍浓度）和预制蛋白...

EWP的纤维化转变

如图1a所示，加热最初的0-4小时内，ThT荧光强度迅速增加，表明系统中有序的β-结构位点迅速积累（Ting Li等人，2021年）。此后，荧光信号继续增加，但增速明显放缓，在16小时时达到最大值，表明此时形成了最丰富的有序纤维状结构。当加热时间延长到20小时和24小时时，ThT...

结论

本研究表明，酸热诱导的纤维化不仅通过形成纤维状结构元素来调节EWP冷冻凝胶，还通过重塑蛋白质成分和相互作用位点环境来调节其性质。蛋白质的展开、部分水解和蛋白质成分的重新分布使前驱系统从以球形蛋白质为主的状态转变为包含天然蛋白质、富含β-折叠片的纤维和重组蛋白质物种的异质系统...

CRediT作者贡献声明

Jinghong Li：撰写 – 原稿撰写，数据验证。Minghui Zhao：正式分析，数据管理。Huajiang Zhang：撰写 – 审稿与编辑。Mengzhuo Liu：正式分析。Hanyu Li：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。Nan Zhang：方法学研究。

未引用参考文献

Li等人，2021年；Li等人，2026年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Zhang等人，2026年。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究中生成和分析的所有数据均包含在手稿中。如需，原始数据可向相应作者索取。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用ChatGPT 5.0来润色语言。使用该服务后，作者（Jinghong Li和Hanyu Li）根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

所有合作者均无需要声明的利益冲突。

致谢

作者衷心感谢中国黑龙江省自然科学基金（YQ2025C012）、国家自然科学基金（32502257）和中国博士后科学基金（2025M772977）的支持。

Jinghong Li|Minghui Zhao|Nan Zhang|Mengzhuo Liu|Hanyu Li|Huajiang Zhang

中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学食品科学学院，150030