用于吞咽困难管理的蛋白质淀粉样纤维 - 单宁酸复合水凝胶的超声纹理化工程

《Food Hydrocolloids》：Ultrasonically textured engineering of protein amyloid fibrils-tannic acid composite hydrogels for dysphagia management

　　## 摘要要点- 超声预处理导致β-LGF缩短和变细。- 超声预处理使β-LGF暴露出更多的疏水基团和巯基位点，从而与单宁酸（TA）相互作用。- 超声预处理改善了β-LGF-TA水凝胶的弹性和蠕变恢复性。- 超声预处理提高了水凝胶的硬度和持水力。- β-LGF-TA水凝胶覆盖了IDDSI分级3至5级，可用于吞咽困难（dysphagia）应用场景。---## 引言随着全球人口的快速老龄化，吞咽困难已成为影响老年人和神经系统疾病患者的重大公共卫生挑战（Liu et al., 2024）。吞咽功能受损不仅增加了误吸、肺炎和营养不良的风险，还给患者带来沉重的心理负担。为了提高这一脆弱人群的膳食安全性，亟需开发符合国际吞咽困难饮食标准化倡议（IDDSI）框架的质地定制食品。目前，大多数市售的吞咽困难食品依赖增稠剂或胶凝剂（Methacanon et al., 2021），如淀粉和黄原胶，来调节其流变特性。然而，传统的基于碳水化合物的增稠食品通常营养密度不足，并伴有黏腻的口腔感觉、风味释放差和结构稳定性有限等问题（Giura et al., 2021）。更重要的是，这些体系在口腔加工过程中可能发生脱水、收缩或碎裂，产生异质性颗粒，从而增加误吸风险。除了传统的增稠剂体系外，最近的综合分析强调了针对吞咽困难食品的新兴策略，包括质地改性基质和老年人群的个性化营养（B. Li et al., 2026）。因此，开发能够同时提供优质营养、良好机械性能和吞咽安全性的新型食品基质的兴趣日益增加。基于蛋白质的水凝胶因其高蛋白含量和可调的网络结构，被视为吞咽困难食品的有前景的基质（Hou et al., 2026）。其中，蛋白质淀粉样纤维因其高度有序的富含β-折叠结构、高纵横比和优异的机械性能，可作为构建稳定凝胶网络的功能性构建模块（Cao & Mezzenga, 2019）。近年来，蛋白质纤维与自然多酚形成的复合凝胶体系引起了广泛关注。先前的研究表明，来源于溶菌酶蛋白、豌豆蛋白和大豆蛋白的纤维可通过非共价相互作用（包括氢键、疏水相互作用和π-π堆积）与多酚相互作用，从而形成具有改善的机械性能和结构稳定性的复合凝胶（B. Hu et al., 2022; Z. Xu et al., 2022; Zhang et al., 2024）。除了其成胶能力外，来源于卵转铁蛋白等食品蛋白的蛋白质纤维还显示出有前景的生物活性，包括抗菌性能（Ye et al., 2026），进一步凸显了其在食品应用中的多功能潜力。与传统的增稠剂体系相比，蛋白质纤维-多酚水凝胶不仅提供高质量的蛋白质营养，还表现出增强的黏弹性、持水力和结构完整性，这可能有助于减少吞咽过程中的食团碎裂和咽部残留。然而，其在吞咽困难食品中的应用在很大程度上仍未被探索。并非所有多酚都能与蛋白质纤维形成水凝胶。迄今为止，表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和单宁酸（TA）等多酚已被报道参与蛋白质纤维基的凝胶化（B. Hu et al., 2018; Ma et al., 2024; Z. Xu et al., 2022），普遍认为此类多酚需要丰富的酚羟基（T. Xu et al., 2025）。单宁酸（TA）是一种天然存在的植物来源多酚，广泛存在于没食子、葡萄籽和其他植物加工副产品中。它来源丰富、可生物降解且对环境友好（Gül?in et al., 2010）。在结构上，TA由葡萄糖核心与多个没食子酰基基团酯化而成，含有大量酚羟基，能够与蛋白质进行多元相互作用。Zeng等（2024）制备了单宁酸结合的卵白蛋白淀粉样纤维水凝胶，并证明TA可通过氢键、疏水相互作用和π-π相互作用与卵白蛋白淀粉样纤维结合，从而促进更致密的纳米纤维网络形成，显著增强凝胶强度、热稳定性和抗氧化活性。然而，此类凝胶网络是否具备适合吞咽的安全、光滑食品质地特征尚不清楚。同时，不同结构和形貌的蛋白质纤维如何影响其与TA的组装行为及最终凝胶性能仍属未知。β-乳球蛋白（β-Lg）是乳清中含量最丰富的球状蛋白，具有极高的营养价值、良好的消化特性和优异的技术功能性。在酸性和加热条件下，β-Lg可通过部分水解和分子重排组装成淀粉样纤维，形成典型的富含β-折叠结构。凭借其丰富来源、良好的生物相容性以及形成均质稳定纤维结构的能力，β-乳球蛋白纤维（β-LGF）已成为食品级淀粉样纤维最具代表性的模型体系之一（Hoppenreijs et al., 2022）。β-LGF不仅表现出优异的机械性能和界面活性，还可作为凝胶网络形成的结构支架，为开发营养强化和结构稳定的功能食品提供了新的机遇。作为一种高效且环保的物理加工技术，超声产生强烈的空化和剪切力，可诱导蛋白质广泛展开。我们此前的研究表明，超声预处理通过促进分子链延伸、增加疏水基团暴露和增强β-折叠形成来加速纤维化过程。此外，超声可显著改变所形成纤维的结构、形貌和理化性质（K. Fu et al., 2025; Ni et al., 2025）。尽管取得了这些进展，关于超声调控的β-Lg纤维形貌如何影响纤维-单宁组装行为及最终水凝胶性能的信息仍然有限。因此，本研究旨在探究功率超声预处理对β-LGF纤维化行为、形貌和表面性质的影响，并阐明这些结构变化如何主导纤维-单宁组装和水凝胶形成。研究特别注重建立超声改性纤维与β-LGF-TA水凝胶质地特性之间的结构-组装-功能关系，以提供个性化吞咽困难食品设计的理性策略。---## 材料β-Lg（纯度≥95%，BioReagent级）和TA（纯度≥95%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（中国上海）。硫黄素T（ThT）购自索莱宝科技有限公司（中国北京）。8-苯氨基-1-萘磺酸购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）。除非另有说明，所有其他化学品均购自Sigma公司（美国）。### 超声预处理制备β-Lg纤维将β-Lg分散于去离子水中，制备2.5%（w/v）的溶液。---## ThT荧光分析ThT是一种特异性结合淀粉样纤维交叉β-折叠结构的荧光探针，广泛用于评估蛋白质纤维化的程度和动力学（K. Fu et al., 2025a）。如图S2所示，在酸性热条件下，所有样品均表现出特征性的S形纤维化曲线，包括滞后期、增长期和平台期，与之前的报道一致（Topuz et al., 2025）。所计算的纤维化速率常数（k）表明……---## 结论本研究调查了超声预处理对β-LGF-TA复合水凝胶结构和功能性质的影响，并建立了纤维结构特征、凝胶网络形成与吞咽相关质地性能之间的关系。TEM分析表明，随着超声能量输入的递增，β-LGF逐渐变短；而过度的超声预处理（U50-10）则导致以短纤维物种为主。此外，……---## CRediT作者贡献声明**张亮：** 概念构思。**王文军：** 撰写—审阅与编辑、资金获取、概念构思。**刘东红：** 概念构思。**田俊卿：** 撰写—初稿、方法论、调查、形式化分析、数据整理、概念构思。**徐佳通：** 数据整理。**徐聪怡：** 数据整理。**董琪荣：** 方法论。**陈海奇：** 概念构思。---## 未引用参考文献Xu et al., 2025.---## 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。---## 数据可用性数据可根据请求提供。---## 致谢本研究得到**国家重点研发计划**（2023YFD2101005）的经费支持。---田俊卿 | 陈海奇 | 董琪荣 | 徐聪怡 | 徐佳通 | 张亮 | 刘东红 | 王文军