天然低共熔溶剂诱导大豆蛋白分离物–黄原胶低共熔凝胶的形成：氢键供体类型及受体与供体摩尔比的影响

《Food Hydrocolloids》：Formation of soy protein isolate–xanthan gum eutectogels induced by natural deep eutectic solvents: Effects of hydrogen-bond donor type and acceptor-to-donor molar ratio

　　

• 氢键供体型别和摩尔比对低共熔凝胶性能的影响。• 基于果糖的天然深共熔溶剂改善了凝胶质构和非线性流变行为。• 氢键作用和疏水相互作用稳定了凝胶网络。• 天然深共熔溶剂在凝胶基质中诱导蛋白质重排和分子缔合。

引言

食品凝胶是通过生物大分子之间的物理或化学相互作用形成的三维网络体系，能够捕获大量水分，并赋予食品产品理想的质构、流变学和功能性特性（Cao & Mezzenga, 2020）。然而，食品凝胶的实际性能在很大程度上取决于其网络形成性生物大分子的组成和相互作用模式。蛋白质类凝胶，如大豆蛋白或乳清蛋白形成的凝胶，通常具有较好的营养价值、粘弹性和网络形成能力；但是，其机械强度、保水性（WHC）以及在加工或环境应力条件下的稳定性可能仍然不足（An & Li, 2026）。多糖类物质，如魔芋葡甘聚糖、角叉菜胶和黄原胶，具有优异的增稠、保水和稳定能力；然而，以多糖为主导的体系可能表现出有限的弹性和机械完整性，并且对环境条件仍然敏感。鉴于蛋白质和多糖功能的互补性，将两者结合提供了一种构建具有改善结构和功能特性的复合凝胶的有前景的策略。非共价相互作用有助于网络形成，从而提高所得凝胶的机械强度、保水性和环境稳定性（An et al., 2023）。

在各种蛋白质-多糖体系之中，基于大豆蛋白分离物（SPI）的复合凝胶受到了广泛关注，因为SPI具有较高的营养价值、良好的凝胶形成能力、良好的加工性和优异的生物相容性（Qian et al., 2026）。然而，天然SPI紧凑的球状结构和其反应性基团的有限可及性可能限制了分子间缔合，通常导致松散组织的凝胶网络，机械强度、保水性和环境稳定性不足（Xu et al., 2025）。多糖可以通过非共价相互作用（如氢键和静电相互作用）与蛋白质相互作用，在某些情况下还可以通过共价键形成蛋白-多糖复合物，增强网络强度和稳定性（Thivya et al., 2024）。在各种用于修饰SPI凝胶的多糖中，黄原胶因其高粘度、保水能力和优异的稳定性能而引起了广泛关注。作为一种由细菌发酵产生的阴离子微生物多糖，黄原胶可以增加连续相的粘度，并与蛋白链发生物理缠结，从而提高复合凝胶的流变性能和结构均匀性（Petri, 2015）。然而，在常规加工条件下，SPI与黄原胶之间的分子间相互作用主要受非共价力支配，需要进一步调控这些相互作用以改善凝胶网络完整性和机械性能（Muhoza et al., 2024）。

天然深共熔溶剂（NADESs）是通过氢键受体（HBAs）和氢键供体（HBDs）之间的氢键相互作用形成的低熔点混合物，其理化性质可以通过调节这些组分的类型和摩尔比来轻松调控（Chew et al., 2024）。与常规水相和有机介质相比，NADESs作为多功能且可持续的溶剂体系引起了越来越多的关注，因为它们具有低挥发性和高度可调的理化性质。与可能受限于挥发性、毒性和相对有限的溶剂设计性的常规有机溶剂不同，NADESs通过合理选择HBA/HBD组合、摩尔比和含水量，在定制极性、粘度、酸性和氢键环境方面提供了相当大的灵活性。这种组成灵活性使得溶剂微环境能够适应特定目标化合物的理化特性。因此，NADESs已被成功用于提取化学多样的天然产物，包括生物碱（Anmol et al., 2023; Kumari et al., 2025）、甜菊糖苷（Suresh, Singh, Sharma, et al., 2022）、倍半萜烯和精油成分（Aggarwal et al., 2023; Sharma et al., 2023）、酚类化合物（Anmol et al., 2024）和甾体皂苷（Suresh, Singh, Anmol, et al., 2022）。在这些应用中，适当配方的NADESs表现出相对于常规溶剂体系的有利提取效率或选择性，强调了NADES组成与目标化合物分子特征相匹配的重要性。综上所述，这些研究表明NADESs不仅仅是常规溶剂的替代品，而是高度可设计的介质，能够提供特定应用的分子环境。除了提取之外，这种可调性还为调控生物大分子体系中分子间相互作用和大分子组织提供了机遇。在此基础上，NADESs已被引入聚合体和生物聚合物基质中，以调节网络形成并构建基于NADES的凝胶，通常称为低共熔凝胶（Weerasinghe et al., 2024）。在这些体系中，液态NADES相被固定在由化学交联聚合物或物理组装的凝胶剂形成的三维网络中。网络结构可以通过共价键和/或非共价相互作用（如氢键、静电相互作用和π-π堆积）来稳定（Liang et al., 2024）。这些相互作用可能赋予基于NADES的凝胶不同于常规水凝胶的性质，包括增强的柔韧性、稳定性和机械适应性（Hu et al., 2025）。

在食品相关生物大分子体系中，多糖已作为天然基质被广泛探索用于制备基于NADES的凝胶、薄膜和涂层，因为它们具有凝胶形成能力、可降解性和结构可调性。将NADESs引入多糖基质中可能会通过氢键相互作用影响网络形成，为定制基于多糖材料的结构和功能特性提供了一种可行的策略。Smirnov等（2021）使用柠檬酸-胆碱盐酸盐NADES体系制备了自愈合壳聚糖薄膜，研究表明NADES相关的氢键网络有助于薄膜的柔韧性和自愈合行为（Smirnov et al., 2021）。Chew等（2024）使用NADES提取榴梿籽胶，并将提取的胶与NADES结合制备凝胶涂层，提高了体系的热稳定性和相容性。同时，优化配方被直接用作新鲜切割苹果的涂层，证明了基于糖类的NADES低共熔凝胶在食品相关涂层应用中的可行性。Filip等（2022）报道，含有胆碱盐酸盐-乳酸和胆碱盐酸盐-甘油NADESs的羟丙基纤维素凝胶对正常人类牙龈成纤维细胞表现出优异的生物相容性，在测试浓度范围内细胞活性接近100%。同样，Shanmugapriya和Kang（2025）开发了NADES-壳聚糖水凝胶，并通过细胞毒性相关评估证明了良好的生物相容性和低细胞毒性。这些发现支持了将NADESs引入基于生物聚合物的凝胶体系中的良好生物相容性和安全潜力，并为其潜在的食品相关应用奠定了基础。尽管取得了这些进展，目前的研究主要集中于以多糖为主导的体系，而NADESs在食品蛋白-多糖复合凝胶中的应用，特别是SPI-黄原胶体系，仍然有限。更重要的是，NADESs如何调控蛋白-多糖相互作用以及随后的凝胶网络形成仍不清楚。我们假设NADESs的组成，特别是HBDs的类型和摩尔比，可以通过改变系统的氢键环境来调节SPI和黄原胶的水合行为和分子缔合。这种调控预计会影响SPI-黄原胶复合凝胶的微观结构、流变行为和稳定性。

在本研究中，胆碱盐酸盐被用作氢键受体（HBA），甘油、果糖和乳酸被选作氢键供体（HBD），以不同摩尔比（1:1、1:2和1:3）制备NADES体系。胆碱盐酸盐是最常用的HBAs之一，而甘油、果糖和乳酸被选作代表性HBDs以构建具有不同理化微环境的NADESs。甘油作为含有多个羟基的多醇基HBD，可以提供丰富的氢键位点并有助于氢键网络形成，同时在生物大分子体系中发挥塑化作用。果糖作为含有高密度羟基的糖类HBD，可以提供丰富的氢键位点并有助于形成相对高粘度的NADES环境。乳酸作为同时含有羟基和羧基的有机酸基HBD，可以提供多个氢键位点并同时创造相对酸性的NADES环境。NADESs在调节SPI-黄原胶复合凝胶网络的形成、结构增强和稳定性方面的作用得到了系统研究。采用流变分析、低场核磁共振（LF-NMR）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）阐明了HBD类型和摩尔比对复合凝胶网络结构和稳定性的影响，以及NADES诱导强化的潜在机制。本研究为NADES介导的蛋白-多糖相互作用调控提供了新的见解，并为设计具有改善结构稳定性和功能性能的植物基复合凝胶提供了一条有前景的策略。

材料摘要

大豆蛋白分离物（SPI；蛋白质含量90%，脂质0.8%，碳水化合物2%）购自山东临沂生物制品有限公司（山东，中国）。黄原胶和甘油购自源叶试剂公司，胆碱盐酸盐、D-(?)-果糖和L-乳酸购自阿拉丁试剂公司（上海，中国）。8-苯氨基-1-萘磺酸（ANS）购自Sigma-Aldrich化学公司（密苏里州圣路易斯，美国）。所有试剂均为分析纯。

天然深共熔溶剂（NADESs）的制备

NADESs的理化性质

所有制备的NADESs均呈现为清晰均匀的液体，在4°C储存后未观察到可见结晶或相分离（图S1A），表明其具有良好的物理稳定性。NADESs的粘度和pH值得到了进一步测定，因为这些性质可能影响后续SPI-黄原胶凝胶形成的微环境。如图S1B所示，所有NADES体系的粘度显著高于对照组，其中C-F……

结论

本研究证明了基于胆碱盐酸盐的天然深共熔溶剂有效地诱导了大豆蛋白分离物-黄原胶低共熔凝胶的形成，其性能强烈依赖于氢键供体的类型和摩尔比。所有低共熔凝胶均形成了自支撑结构，其中胆碱盐酸盐-果糖体系，特别是在摩尔比为1:3时，表现出最优异的凝胶性能，包括改善的硬度、凝聚力、胶凝性和粘附性……

CRediT作者贡献声明

梁李：指导、资金获取。安琪：写作-审阅与编辑。李春金：写作-原稿、软件、方法学、概念化。

未引用参考文献

Sharma et al., 2023; Suresh et al., 2022。

利益冲突声明

作者没有利益冲突需要声明。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

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