盐离子种类和浓度对酸热诱导溶菌酶聚集行为及所得乳液稳定性的影响

《Food Hydrocolloids》：Effects of Salt Ion Identity and Concentration on the Acid-Heat-Induced Aggregation Behavior of Lysozyme and the Stability of the Resulting Emulsions

　　

• •
  金属离子的种类和浓度调节溶菌酶的聚集和结构。
• •
  二价离子比一价离子更强烈地促进溶菌酶纤维化。
• •
  Ca²⁺ 加速中期纤维积累和晚期束化。
• •
  用 30 mM Mg²⁺ 处理 72 小时形成的聚集体产生了最稳定的乳液。

引言

皮克林乳液由吸附在油水界面的微米或纳米级固体颗粒稳定，近年来因其对聚结的强抵抗力和有利的动力学稳定性而备受关注（Apostolidis 等，2024；Yang 等，2025a；Zhang 等，2022）。与主要依靠表面活性剂或可溶性蛋白通过降低界面张力来稳定的传统乳液不同，皮克林乳液依赖于油水界面上具有高解吸能的固体颗粒。这些颗粒在液滴周围形成坚固的物理屏障，从而限制液滴接触和聚结（Lv 等，2025；Xia 等，2021）。尽管无机和合成颗粒通常能提供有效的界面稳定作用，但由于对安全性和可食用性的担忧，它们在食品系统中的应用仍然有限（Xia 等，2021；Yan 等，2020）。因此，开发源自天然生物聚合物的食品级皮克林稳定剂已成为一个活跃的研究领域（Mwangi 等，2020）。蛋白质特别有前景，因为它们来源广泛、可食用、安全且营养价值高。此外，蛋白质能够响应温度、pH 值和离子强度的变化形成尺寸和形态可调的颗粒或聚集体（Xu 等，2023；Yan 等，2020）。然而，由天然蛋白衍生的颗粒并不总是能提供令人满意的界面稳定作用，因为它们的溶解度、分散性和乳化能力有限（Li 等，2026a；Lv 等，2025）。因此，对蛋白质进行结构调控以生成具有合适尺寸、良好分散性和足够界面适应性的颗粒，对于提高食品级皮克林乳液的稳定性至关重要（Zhang 等，2026a）。

溶菌酶是一种碱性球状蛋白，具有富含α-螺旋的天然结构和天然抗菌活性，在食品安全和保鲜应用方面显示出相当大的潜力（Chen 等，2022；Huang 等，2026；Huang 等，2025）。其结构表征完善，来源广泛，聚集行为易于调节，且极易形成淀粉样蛋白（Malik 等，2026；Roy 等，2024）。在酸热条件下，部分解折叠和疏水区域的暴露促进了α-螺旋向β-折叠的转变以及随后纳米纤维的成核、延伸和成熟（Chen 等，2023；Liu 等，2024；Zhao 等，2026a）。部分解折叠的溶菌酶分子最初结合成寡聚体和原纤维物种，随后延伸并成熟为纳米纤维。重要的是，纤维化并不一定消除溶菌酶的生物活性（Roy 等，2024）。尽管相关的构象变化可能会损害其天然酶活性，但由此产生的淀粉样聚集体可以通过非酶机制保留甚至增强抗菌活性，包括破坏细菌细胞壁和膜完整性（Bai 等，2025）。Wei 等（2021）报告称，溶菌酶纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出增强的抗菌活性。除了生物活性外，蛋白纳米纤维具有高长径比和优良的界面活性，这可能有助于其在油水界面的吸附和空间位阻屏障的形成。连续相中的纤维缠结可能进一步限制液滴移动和聚集（Han 等，2026）。Wang 等（2019）证明，溶菌酶纳米纤维及其与多糖的复合物可以稳定高内相乳液，而 Li 等（2020）利用黄原胶 - 溶菌酶复合纳米颗粒构建了皮克林乳液。综合这些发现，纤维状和颗粒状溶菌酶组装体都有助于乳液稳定。因此，控制溶菌酶的组装过程以生成具有合适形态、良好分散性和足够界面活性的聚集体，可能拓宽其作为食品级皮克林稳定剂的应用（Xu 等，2023）。

溶菌酶组装对 pH 值、温度、蛋白浓度和离子条件高度敏感，所有这些因素都可能指导纤维、寡聚体和颗粒状或无定形聚集体的形成（Chen 等，2022；Roy 等，2024；Zhao 等，2026a）。鉴于溶菌酶聚集体的形态和表面特性对其功能性能有重大影响，通过外部条件调节溶菌酶组装具有重要意义（Kummer 等，2021）。先前的研究表明，离子的种类和浓度均显著影响蛋白纳米纤维的形成和结构特征。Ji 等（2021）报告了 NaCl 对大豆蛋白纳米纤维形成的显著浓度依赖效应：相对较低的 NaCl 浓度促进纤维化，而进一步增加则削弱了这种效应甚至抑制纤维形成。Zhao 等（2024）进一步比较了不同离子对大豆蛋白纳米纤维形成的影响，观察到纤维化速率、纤维产率、纤维长度以及所产生凝胶性能存在显著的离子依赖性差异。离子价态和系统相应的离子强度可能通过静电屏蔽影响分子间相互作用，而不同的离子也可能表现出显著的离子特异性效应（Li 等，2024）。霍夫迈斯特序列通常用于描述离子特异性效应对蛋白质稳定性和聚集的影响，这些差异与离子水合以及与蛋白质表面功能基团的相互作用密切相关（Okur 等，2017）。Li 等（2024）进一步发现，由不同阳离子诱导的纤维化动力学和形态并不严格遵循简单的霍夫迈斯特顺序。在此基础上，考虑到对减盐和低盐食品配方的持续关注（Khan 等，2024），本研究选择了食品系统和生理环境中常见的 Na⁺、K⁺、Ca²⁺ 和 Mg²⁺，并采用 10、20 和 30 mM 的相对较低离子浓度，以比较不同价态离子的调节作用以及同价态内离子特异性差异对溶菌酶聚集的影响。我们假设，离子的种类和浓度将通过静电屏蔽、离子水合和离子特异性相互作用的差异，调节酸热条件下溶菌酶的聚集途径和结构演变，从而进一步影响所形成聚集体的乳液稳定性能。

因此，在不同浓度的 Na⁺、K⁺、Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 存在下，将溶菌酶在 pH 2.0 和 90 °C 下加热，以系统研究离子的种类和浓度如何影响其聚集行为和结构演变。使用浊度和粒径测量来监测聚集体的形成，而利用荧光光谱、傅里叶变换红外光谱、X 射线衍射和原子力显微镜来表征构象变化、淀粉样相关结构和聚集体形态。分别通过ζ电位测量和 TG-DSC 分析进一步评估了所得聚集体的胶体稳定性和热稳定性。随后，比较了不同离子条件下的成乳能力和短期储存稳定性。本研究为通过离子调控溶菌酶聚集体结构及其在食品乳液系统中的应用提供了理论基础。

章节摘要

材料

溶菌酶购自上海源叶生物科技有限公司（中国上海）。NaCl、KCl、CaCl₂ 和 MgCl₂ 购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（中国上海）。所有其他试剂均为分析纯，全程使用去离子水。

溶菌酶聚集体的制备

将溶菌酶溶解于去离子水（pH 2.0）中，并进行磁力搅拌直至完全溶解，以获得最终浓度为 20 mg/mL 的溶菌酶溶液。NaCl、KCl、CaCl₂ 和 MgCl₂ 分别

外观和浊度

浊度反映了系统内光散射聚集体变化，通常用作蛋白质聚集程度的初步指标（Takebe 等，2024）。随着加热进行，所有样品逐渐从最初的澄清溶液变为乳白色浑浊分散液，并伴有浊度总体增加（图 1）。这一观察表明，在 pH 2.0 和 90 °C 下长时间加热过程中溶菌酶逐渐聚集，导致聚集体的形成

结论

本研究系统研究了酸性加热条件下 Na⁺、K⁺、Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 及其浓度对溶菌酶聚集和乳液性能的影响。盐离子的调节作用主要取决于离子的种类和价态，而不是随浓度单调增加。一价离子的作用相对较小，而二价离子更强烈地调节溶菌酶构象重排和纤维结构演变。

撰写过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在准备本作品期间，作者仅使用 ChatGPT 来提高语言和可读性，未用于数据分析或图形生成。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容。作者对出版物的内容承担全部责任。

CRediT 作者贡献声明

张通： 撰写 - 审阅与编辑。 王军强： 方法论。 徐丽娜： 撰写 - 审阅与编辑，资源，资金获取。 张华江： 撰写 - 审阅与编辑，资源，资金获取。 张大： 软件，方法论。 方贤： 方法论，数据整理。 刘立伟： 撰写 - 初稿，方法论，资金获取，数据整理，概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究由 中国博士后科学基金 项目（2025M773008）、黑龙江省“双一流”学科新一轮协同创新成果项目（LJGXCG2024-P39）、黑龙江省现代农业产业技术协同创新推广体系岗位专家项目、黑龙江省“双一流”新一轮建设学科协同创新成果项目支持

刘立伟|张大|方贤|徐丽娜|张华江|张通|王军强