《Food Hydrocolloids》：Effect of pH and ionic strength on rheological and textural properties of fava bean protein–pea starch composite gels
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本研究探讨了pH（5–7）和离子强度（NaCl浓度0–0.5 M）对不同淀粉-蛋白比例（100:0至0:100）下蚕豆蛋白分离物（fava bean protein isolate）与豌豆淀粉（pea starch）复合凝胶的流变学（rheological）和
本研究探讨了pH（5–7）和离子强度（NaCl浓度0–0.5 M）对不同淀粉-蛋白比例（100:0至0:100）下蚕豆蛋白分离物（fava bean protein isolate）与豌豆淀粉（pea starch）复合凝胶的流变学（rheological）和质构（textural）特性的影响。热分析结果表明，NaCl提高了淀粉的糊化温度并增强了蛋白质的热稳定性，且蛋白质变性温度随NaCl浓度和pH的升高而增加。RVA糊化特性测试显示，在pH 7条件下，淀粉含量较高的凝胶表现出较低的峰值黏度，而蛋白质含量较高的凝胶在pH 7时黏度更高。质构分析（TPA）表明，NaCl在pH 5时增加了蛋白质凝胶的硬度，但在pH 7时降低了硬度。振荡流变学测量显示，蛋白质含量较高的凝胶在pH 5时表现出最高的储能模量（G′），并在pH 7时展现出更高的机械稳定性。ATR-FTIR光谱分析表明，复合凝胶中主要存在氢键相互作用，未检测到组分间共价键的形成。研究人员通过主成分分析（PCA）进一步确认，淀粉-蛋白比例是决定凝胶行为的主要因素，而pH和离子强度则在特定组成条件下发挥调控作用。研究结果为设计具有定制质构特性的高蛋白植物基结构化食品提供了理论依据。
### 蚕豆蛋白-豌豆淀粉复合凝胶：pH与离子强度对流变和质构特性的协同调控机制
#### 研究背景与目的
随着消费者对高蛋白植物基食品需求的持续增长，如何通过配方设计实现兼具营养价值和理想质构的产品已成为食品科学领域的重要课题。蛋白质与淀粉组成的混合生物聚合物体系因其可通过组成和加工变量的调节来改变机械和感官特性而被广泛应用。淀粉凭借其糊化、增稠和成胶能力成为质构的主要贡献者，而蛋白质不仅提供营养功能，还能通过聚集和分子间相互作用参与网络结构的形成。
蚕豆蛋白因其高蛋白含量、良好的营养特性及日益增长的工业可获得性而备受关注；豌豆淀粉则是一种高可用性的豆类淀粉，具有较高的直链淀粉含量和显著的增稠与成胶特性。两者的功能特性具有互补性，是研究蛋白质-淀粉在凝胶形成过程中相互作用的理想模型体系。然而，蚕豆蛋白与豌豆淀粉在凝胶形成过程中的相互作用机制仍未得到充分认识，特别是在食品应用相关的配方条件下。以往研究仅在未调节pH且无外加盐的条件下考察了不同总固形物含量对复合凝胶的影响，而淀粉-蛋白比例、pH和离子强度三者的联合效应尚未被系统研究。
在可调控的配方参数中，pH和离子强度尤为重要，它们直接影响蛋白质的带电状态和水合特性，进而调控蛋白质-淀粉相互作用。pH 5–7涵盖了酸性发酵植物基产品和近中性植物基肉制品等众多食品基质的pH范围，而NaCl作为常见添加剂通过改变离子强度影响生物聚合物相互作用。因此，本研究系统考察了pH（5–7）和NaCl浓度（0–0.5 M）对不同淀粉-蛋白比例下蚕豆蛋白-豌豆淀粉复合凝胶流变学和质构特性的影响，旨在阐明组成、pH和离子强度之间的相互作用如何决定凝胶网络结构与功能特性，为高蛋白植物基结构化食品的开发提供理论依据。
#### 研究概述与结论
研究人员以商业豌豆淀粉（NASTAR?, Cosucra, Warcoing, Belgium）和蚕豆蛋白分离物（Tendra?, Cosun, Dinteloord, The Netherlands）为原料，构建了五种淀粉-蛋白比例（100:0、75:25、50:50、25:75、0:100）的凝胶体系，在pH 5和pH 7以及0.0、0.3、0.5 M NaCl条件下系统表征了凝胶的理化性质。研究结果表明，淀粉-蛋白比例是决定复合凝胶流变、糊化和质构特性的首要因素，而pH和离子强度的调控效应在蛋白质含量较高的配方中表现得最为显著。pH 5条件下蛋白质富集凝胶呈现最高的G′值，归因于接近等电点（isoelectric point, IEP）时静电排斥减弱所促进的蛋白质聚集；pH 7时凝胶的机械稳定性更高，这与蛋白质溶解度增加和网络均质性改善有关。ATR-FTIR分析确认了复合凝胶中主要存在氢键相互作用，未检测到共价键形成。该研究揭示了pH和离子强度对凝胶性能的调控作用不能脱离组成而独立评估，淀粉-蛋白比例是控制高蛋白植物基食品质构和黏弹特性的关键配方变量。研究成果发表于《Food Hydrocolloids》。
#### 关键技术方法
研究人员使用了以下主要表征技术：（1）SDS-PAGE凝胶电泳分析蛋白质分子量分布；（2）蛋白质溶解度和ζ-电位测量表征静电特性；（3）调制差示扫描量热法（modulated differential scanning calorimetry, mDSC）测定淀粉糊化和蛋白质变性温度及焓变；（4）快速黏度分析仪（Rapid Visco Analyzer, RVA）测定糊化特性；（5）质构剖面分析（texture profile analysis, TPA）测定凝胶硬度、内聚性和回弹性；（6）振荡流变学测量表征储能模量（storage modulus, G′）、损耗模量（loss modulus, G″）及线性黏弹区（linear viscoelastic region, LVR）范围；（7）衰减全反射傅里叶变换红外光谱（attenuated total reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR）结合主成分分析（principal component analysis, PCA）解析分子间相互作用。各配方凝胶均独立制备3–5次以保证统计学可靠性。
#### 研究结果
**3.1 蚕豆蛋白分离物表征：蛋白质谱、溶解性与ζ-电位**
SDS-PAGE分析确认蚕豆蛋白分离物含主要贮藏蛋白，即7S豌豆球蛋白（vicilin）相关多肽（约50–60 kDa）和11S豆球蛋白（legumin）的酸性（约30–40 kDa）与碱性亚基（约15–25 kDa）。溶解度测试显示典型U型曲线，在pH 5.5（等电点）时溶解度最低；NaCl的加入在等电点附近产生“盐溶”效应，使表观等电点向pH 4偏移。ζ-电位测量表明，pH 7时ζ-电位约为?18至?19 mV，提供足够的静电排斥维持高溶解度；pH 5时ζ-电位趋近于零（?1至?2 mV），导致静电排斥减弱和蛋白质聚集增强。
**3.2 热性质**
mDSC结果表明，豌豆淀粉糊化温度（T
0、T
P、T
C）主要受离子强度调控，NaCl通过Na?的强烈水合作用减少自由水可用性，延迟糊化起始；而pH对淀粉糊化影响有限。蚕豆蛋白变性温度同时受pH和离子强度影响，NaCl提高变性温度（稳定化效应），pH 7条件下的变性温度高于pH 5。淀粉糊化在蛋白质变性开始前即已完成，说明两种组分的热转变存在先后顺序。
**3.3 糊化特性**
RVA测试显示，纯淀粉凝胶在所有条件下峰值黏度最高（约11,200–11,800 mPa·s）。蛋白质替代使峰值和最终黏度显著降低，超出单纯稀释效应，表明蛋白质限制淀粉颗粒膨胀并破坏淀粉基质连续性。在无盐条件下，淀粉富集凝胶（S75:P25、S50:P50）在pH 7时峰值黏度显著低于pH 5，归因于中性pH下蛋白质溶解度增加，增强蛋白质与淀粉及直链淀粉的相互作用；蛋白质富集凝胶（S25:P75、S0:P100）在pH 7时黏度更高，反映可溶性蛋白形成更均匀稳定的网络。NaCl在pH 5时增加黏度，在pH 7时效应减弱或略降低黏度。
**3.4 质构特性**
TPA分析表明，纯淀粉凝胶硬度最高。25%蛋白替代使硬度降低27–58%，蛋白质作为惰性填充物破坏淀粉网络连续性。在蛋白质富集凝胶中，pH 5且无盐时硬度低于检测限，pH 7时形成可测凝胶（0.19 N），说明pH 5时蛋白质聚集致使其形成松散连接结构。NaCl对硬度的影响依赖于pH：pH 5时轻微增加硬度，可能与盐诱导表观等电点位移有关；pH 7时降低硬度，归因于高离子强度阻碍网络形成。淀粉富集凝胶在pH 5时NaCl降低硬度，最低值出现在pH 5+0.5 M NaCl条件。蛋白质富集凝胶表现出较高内聚性但较低回弹性，表明网络内部连接增强但弹性减弱。
**3.5 振荡流变学**
温度扫描显示，纯淀粉凝胶G′最高。蛋白质掺入降低G′，尤其在中间比例时网络弱化最为明显。蛋白质富集凝胶在pH 5时G′最高且呈阶梯式增长，与pH 5接近蛋白质等电点促进聚集有关。频率扫描表明，纯淀粉凝胶可作为强弹性凝胶，tan δ低且几乎无频率依赖性；S75:P25和S50:P50在pH 7无盐条件下呈现G′/G″交叉、高tan δ和低复合模量（G*），为弱凝胶网络。蛋白质富集凝胶在pH 5时表现为弹性主导行为（tan δ 0.2–0.3），且S25:P75的G′和G″高于纯蛋白凝胶，表明淀粉有助于增强蛋白质网络。应变扫描显示，LVR随组成呈U型趋势：纯淀粉LVR最大，S50:P50最小，蛋白质富集凝胶介于其间。pH 5时蛋白质富集凝胶LVR较pH 7小，与等电点附近形成粗大致密但脆弱的聚集网络一致；将总固形物提高至20%可扩大pH 5条件下的LVR。
**3.6 ATR-FTIR光谱**
ATR-FTIR分析显示，复合凝胶中未出现新的特征峰或共价键相关信号。蛋白质掺入导致3000–3600 cm?1（O–H和N–H伸缩振动）吸收带发生红移（pH 5时从3275移至3254 cm?1，pH 7时从3287移至3256 cm?1），表明凝胶基质中氢键增强。1047/1022 cm?1比值随蛋白质含量增加而上升，1022/995 cm?1比值下降，但该变化可能部分反映蛋白质振动谱带的叠加贡献，应视为组成依赖性光谱变化的半定量指标。PCA显示PC1（87.5%方差）反映蛋白质-淀粉组成梯度，PC2（9.4%）与组成无关但可能相关于分子相互作用，pH效应总体为次要因素。
**3.7 流变、糊化与质构的多元趋势**
综合PCA分析表明，前三个主成分解释了94.0%的总方差。PC1（65.6%）主要反映淀粉-蛋白比例，从蛋白质富集凝胶的黏性主导行为向淀粉富集凝胶的弹性和坚硬凝胶过渡。PC2（16.6%）关联回弹性和最终G′，与总固形物含量相关。PC3（11.8%）与tan δ和回弹性相关。pH和NaCl浓度在各自组成组内产生的位移较小，进一步证实组成比例为凝胶行为的主要决定因素。
#### 讨论总结与研究结论
讨论部分指出，pH和离子强度对复合凝胶的影响强烈依赖于组成：淀粉富集体系在pH 5时更有利于黏度发展，蛋白质富集体系在盐-free条件下pH 7时黏度和硬度更高；而黏弹性响应方面，蛋白质富集凝胶在pH 5时G′最高，与低溶解度和低ζ-电位幅度下更强的蛋白质聚集和网络形成一致。不同分析手段捕捉了凝胶形成的互补侧面：mDSC显示淀粉糊化先于蛋白质变性，RVA、流变和质构测量反映了网络的后续发展，FTIR证实了非共价相互作用的性质。蛋白质导致黏度降低超出稀释效应，表明蛋白质添加干扰淀粉膨胀，低蛋白质含量时表现为填充效应，高含量时逐步破坏淀粉网络并成为主导相。
研究结论如下：本研究表明pH和离子强度对蚕豆蛋白-豌豆淀粉复合凝胶的影响强烈依赖于组成。淀粉-蛋白比例是决定流变、糊化和质构特性的首要因素，pH和离子强度施加了额外效应，且在蛋白质富集配方中最为显著。因此，pH和离子强度对复合凝胶黏弹性和机械性能的影响程度高度依赖于体系中蛋白质和淀粉的相对含量。这些发现表明，pH和离子强度可用于调控高蛋白配方中的凝胶特性，但其效应不能脱离组成而独立考虑。在植物基奶酪替代品等产品应用中，pH和盐含量由产品概念和相关功能需求决定而非可自由调节参数，因此淀粉-蛋白比例是控制最终质构和黏弹特性的重要配方变量。研究结果为设计具有定制质构特性的高蛋白植物基结构化食品提供了基础。未来研究应进一步探索潜在的分子机制，并评估这些关系在复杂食品基质中（特别是在脂肪存在下）以及产品相关的加工和储存条件下是否持续成立。
