随着全球人口的持续增长、自然资源的日益枯竭以及气候变化的严峻挑战,以动物为基础的传统食品生产体系正面临前所未有的压力[1]。与此同时,消费者对健康、营养、伦理和环境可持续性的关注日益提升,推动了全球食品消费模式的深刻变革。在这一背景下,植物基食品正以前所未有的速度崛起,以满足日益增长的消费需求[2]。它们不仅能提供人体必需氨基酸,还富含膳食纤维、维生素和矿物质,同时不含胆固醇和饱和脂肪,符合现代健康饮食的理念。
凝胶化是指蛋白质分子在特定条件下(如加热、酸化、酶促或离子诱导)通过变性、解离和重组,最终形成有序三维网络的过程[3]。在众多植物蛋白中,大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI)因其均衡的氨基酸组成、低成本和可持续性优势,被视为动物蛋白的理想替代品[4]。然而,单一SPI形成的凝胶往往硬度不足,难以满足消费者对植物基肉制品质构的要求,这极大限制了其在高品质产品中的应用。大量研究表明,添加不同种类的多糖均能显著改善SPI凝胶的质构、流变特性和保水性[5]。高酯柑橘果胶(high-methoxyl citrus pectin,HMP)是一种天然的阴离子多糖,绿色安全且易于获得,高甲氧基含量赋予HMP更高的稳定性与生物利用度[6],它能通过疏水作用、静电作用等与蛋白质结合[7],形成稳定复合物,从而改善凝胶性能。
目前,针对HMP与SPI相互作用的系统性研究仍相对不足。HMP在SPI凝胶体系中的作用机制尚不明确,特别是其添加量如何精确调控凝胶的网络结构、质构特性和流变行为,尚未得到充分阐明。明确HMP的最佳添加量,并揭示其在分子水平上与SPI的相互作用机制,对于指导高品质SPI-HMP复合凝胶产品的开发具有重要的理论价值和实践意义。因此,本研究通过优化SPI凝胶制备工艺并确定HMP的最佳添加量,深入探究二者协同作用对复合凝胶的质构特性、保水性及稳定性的影响,从根本上改善SPI凝胶的性能缺陷。本研究的开展,不仅能为开发口感优良、质地稳定的新型植物基食品提供关键技术支持,提升SPI的应用价值与市场竞争力,推动植物基行业发展;更能进一步揭示蛋白质与多糖间的相互作用机制,丰富食品科学的理论体系,并为大豆加工产业的资源高效利用与效益提升提供重要的理论与数据支撑。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
HMP(有效成分99%),河南中辰生物科技有限公司;SPI(有效成分90%),临沂山松生物制品有限公司;亮氨酸、邻苯二甲醛、β-巯基乙醇、十二烷基硫酸钠(均为分析纯),北京索莱宝生物科技有限公司;甲醇(分析纯),阿拉丁生化科技股份有限公司;四硼酸钠(分析纯)、KBr(色谱纯),国药集团有限公司。
1.2 仪器与设备
JB-B10002电子分析天平,赛多利斯科学仪器有限公司;CM-5分光测色计,日本柯尼卡美能达控股公司;HR-1流变仪,美国TA仪器公司;TMS-Pro质构分析仪,美国FTC公司;TDL-5-A台式离心机,上海安亭科学仪器有限公司;TU-1901紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限公司;Centeifuge5424高速冷冻离心机,艾本德股份公司(Eppendorf);Tensor 27红外光谱仪,德国布鲁克公司。
1.3 实验方法
1.3.1 凝胶制备工艺单因素试验设计
1.3.1.1 加热温度的确定
将2.50 g SPI与0.08 g HMP共同溶解于20 mL蒸馏水中,于室温下搅拌2 h。随后,将混合液移入10 mL注射器并密封管口。分别于75、80、85、90、95 ℃水浴中加热30 min。热处理后,样品立即经冰水浴冷却至室温,随后于4 ℃静置12 h。质构分析均在样品平衡至室温后进行。
1.3.1.2 SPI添加量的确定
将0.08 g HMP与不同质量SPI(2.00、2.25、2.50、2.75、3.00 g)共同溶解于20 mL蒸馏水中,于室温下搅拌2 h。随后,将混合液移入10 mL注射器并密封管口,于85 ℃水浴加热30 min,热处理后,样品立即经冰水浴冷却至室温,随后于4 ℃静置12 h。质构分析均在样品平衡至室温后进行。
质构数据中的硬度能直接反映出凝胶抵抗外力压缩的能力[8],进一步体现出蛋白质分子间的交联密度和网络结构完整性;同时弹性、胶黏性和咀嚼性对产品的口感有重要影响。因此,按照质构各数据重要程度,设置硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性的权重占比分别为40%、20%、20%、20%。
1.3.2 复合凝胶色差测定
将2.50 g SPI与不同质量HMP(0、0.04、0.06、0.08、0.10 g)共同溶解于20 mL蒸馏水中,于室温下搅拌2 h。随后,将混合液移入10 mL注射器并密封管口,于85 ℃水浴加热30 min,热处理后,样品立即经冰水浴冷却至室温,随后于4 ℃静置12 h。将SPI-HMP复合凝胶切成15 mm厚的薄片,使用分光测色计对复合凝胶的L*值(亮度值)、a*值(红度值)、b*值(黄度值)进行测定。
1.3.3 复合凝胶静态流变特性测定
参照全鹏飞等[9]的方法,将2.50 g的SPI分别与0、0.04、0.06、0.08、0.10 g的HMP于20 mL蒸馏水中混合并搅拌均匀,4 ℃冷藏12 h。测定前需将样品恢复至室温,取3 mL左右的样品置于流变仪圆形样品台的中心,压下探头至板间隙为1 mm,用刮刀除去多余样品,然后开始测定。设置参数:温度25 ℃、剪切频率0.1～100 rad/s。记录剪切应力τ(Pa)随剪切频率γ(1/s)的变化,并拟合幂律方程,计算如公式(1)所示:
τ=K×γn
(1)
式中:K,稠度系数,Pa·sn;n,流动行为指数。
1.3.4 复合凝胶质构测定
SPI-HMP复合凝胶的质构特性,包括硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性,是通过配备100 N测力传感器的质构分析仪来测定的。使用直径为36 mm的圆柱形探头,设置仪器参数:探头距离样品表面高度15 mm,挤压距离5 mm,检测速度60 mm/min,起始力最小为0.2 N,测试前、后速度120 mm/min。每次放置高度20 mm的样品,记录数据。
1.3.5 复合凝胶持水度分析
参考Peyrano等[10]的方法。取约15 mm的凝胶并记录凝胶质量m0(g)、离心管和凝胶总质量m1(g),25 ℃ 4 000 r/min离心6 min,除去离心管内水分后,记录离心管及凝胶总质量m2(g)。通过称量离心前后样品的质量确定持水度,计算如公式(2)所示:
持水度
(2)
1.3.6 复合凝胶游离氨基含量测定
参考Chen等[11]的方法。采用邻苯二甲醛分光光度法,以亮氨酸为标准进行定量分析。取200 μL样品(2 mg/mL),加入4 mL邻苯二甲醛试剂,充分混匀,于35 ℃反应2 min,反应结束后,利用紫外可见分光光度计在340 nm波长处检测溶液的吸光度,以蒸馏水作为空白对照,记录吸光度值。
1.3.7 复合凝胶傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared,FTIR)分析
参考李丹等[12]的方法。首先在测量前将样品进行冷冻干燥处理,将处理后的复合凝胶研磨、过筛,然后加入KBr研磨混合压制成薄片,采用FTIR仪进行全波段扫描,测量范围为4 000～500 cm-1,记录数据,并利用Peak Fit 4.12软件进行傅里叶去卷积处理,分析SPI中二级结构含量变化。
1.4 数据处理
Origin 2021用于数据统计与绘图工作,Excel 2019用于数据处理,IBM SPSS Statistics 27用于对数据进行显著性分析,设置显著性水平(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 加热温度对复合凝胶质构的影响
加热温度是影响SPI与HMP复合凝胶质构特性的关键因素。如图1所示,当加热温度为85 ℃时,复合凝胶的质构综合得分最高(100分)。在此条件下,SPI蛋白亚基发生适度变性,发生充分解离与重新排列,从而暴露出更多相互作用位点,有利于与HMP分子构建致密且稳定的凝胶网络结构,从而使凝胶的硬度、弹性、胶黏性及咀嚼性达到最佳平衡[13]。当温度较低(75～80 ℃)时,SPI变性不完全,其亚基解离不充分,导致无法与HMP形成完整的复合凝胶网络,致使质构特性降低。反之,当温度过高(90～95 ℃)时,SPI蛋白亚基过度变性,自身发生过度聚集,影响与HMP的有效结合[14];同时HMP的共价键可能发生断裂,其固有的凝胶性能被削弱,这破坏了两者间的有效相互作用,同样不利于形成理想的凝胶结构[15]。在SPI添加量为2.50 g、HMP添加量为0.08 g时,复合凝胶质构特性最佳时的加热温度为85 ℃。
图1 加热温度对复合凝胶质构的影响
Fig.1 Effect of heating temperature on texture of composite gels
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 SPI添加量对复合凝胶质构的影响
SPI的添加量显著影响复合凝胶的质构特性。如图2所示,当SPI添加量为2.50 g时,复合凝胶的质构综合得分最高(96.99分)。在此添加量条件下,适量的SPI提供了充足的蛋白质分子,其氨基酸残基能够通过氢键、疏水作用及静电相互作用与HMP的糖苷键有效结合,从而构建稳定的凝胶网络[16]。当SPI添加量不足时(2.00～2.25 g),蛋白质浓度过低,导致可供形成的交联位点不足,无法构建完整、连续的凝胶网络,致使质构特性显著下降[17]。相反,当SPI添加过量时(2.75～3.00 g),过高的蛋白质浓度会导致分子间距离过近,引发SPI分子自身的过度聚集,这种占主导作用的蛋白-蛋白相互作用破坏了两相间的协同作用,从而形成粗糙或不均匀的凝胶结构,最终降低了复合凝胶的质构性能[18]。因此,在加热温度85 ℃、HMP添加量为0.08 g时,复合凝胶质构特性最佳时SPI添加量为2.50 g。
图2 SPI添加量对复合凝胶质构的影响
Fig.2 Effect of SPI addition amount on texture of composite gels
2.3 不同HMP添加量对复合凝胶特性的影响
2.3.1 不同HMP添加量对复合凝胶色泽的影响
复合凝胶的色泽是其内部微观结构、大分子间的相互作用以及在加工过程中发生的化学反应协同作用的结果,直接影响人们对于复合凝胶产品的接受度[19]。如图3所示,随着HMP添加量增加,L*值在0.08 g时达到峰值(60.07),这归因于HMP与SPI通过氢键和静电作用形成了均一的三维网络,有效降低了光散射效应[20];然而当添加量继续增至0.10 g时,由于分子间竞争水分导致凝胶结构疏松[21],L*值回落至56.76。a*值随着HMP的添加从-1.71升高至-1.39,轻微下降至-1.50后又升高至-1.16,总体呈上升趋势,表明绿色调显著减弱。该现象源于HMP的甲酯基与SPI疏水区域结合,抑制了蛋白质分子过度聚集,促使发色基团从疏水微环境转移至亲水界面,最终引起吸收光谱红移[16]。同时,b*值从8.51持续上升至10.75,这与美拉德反应程度增强直接相关[22]。随着HMP用量增加,其还原糖基团与SPI分子链上的游离氨基在热处理过程中反应加剧,促进了黄色类黑精色素的生成,从而显著增强了体系对黄光的反射能力,Ma等[23]的研究表明,高酯果胶与蛋白质游离氨基之间的美拉德反应会促进二者相互作用,提高复合物的功能特性。Wang等[24]利用美拉德反应促进HMP与豌豆蛋白的结合,用以提高复合物对特定物质的递送能力。
图3 HMP添加量对复合凝胶色差的影响
Fig.3 Effect of HMP addition amount on color difference of composite gels
2.3.2 不同HMP添加量对复合凝胶静态流变特性的影响
如表1、图4所示,5组SPI-HMP复合凝胶样品的剪切应力随剪切速率的增大而增大,并且所有决定系数R2均大于0.99,模型拟合度极高;同时n值均小于1,这说明样品存在剪切稀化现象[9]。随着HMP添加量的升高,n值呈现显著递减趋势,剪切稀化效应增强,非牛顿流体特性增强。K值反映了流体在单位剪切速率下的剪切应力大小,5组复合凝胶样品的K值升高表明HMP的添加导致分子链间氢键和疏水相互作用增强,流动阻力增大,显著提高了凝胶体系的稠度[25]。低剪切黏度随HMP添加量先升后降,过量 HMP 破坏其与SPI配比平衡,引发局部结构缺陷致黏度回落;且 HMP 的添加会增强SPI-HMP 复合凝胶分子相互作用,使其结构变得复杂,易受剪切破坏而黏度降低,剪切变稀行为更显著[26],此黏度变化体现凝胶网络从优化到平衡的过程。
表1 HMP添加量对复合凝胶静态流变特性的影响
Table 1 Effect of HMP addition amount on static rheological properties of composite gels
参数0 g0.04 g0.06 g0.08 g0.10 g斜率(n)0.2030.1850.1720.1580.142K/(Pa·sn)38.561.2101.9135.3168.7低剪切黏度/(Pa·s)29.435.957.965.865.5决定系数(R2)0.9910.9930.9950.9960.994幂律模型拟合τ=38.5·γ0.203τ=61.2·γ0.185τ=101.9·γ0.172τ=135.3·γ0.158τ=168.7·γ0.142
图4 HMP添加量对复合凝胶静态流变特性的影响
Fig.4 Effect of HMP addition amount on static rheological properties of composite gels
2.3.3 不同HMP添加量对复合凝胶质构的影响
硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性是表征复合凝胶质构特性的关键参数,其变化可反映不同HMP添加量的影响。如图5所示,随着HMP添加量从0 g增加到0.08 g,复合蛋白凝胶的质构得分从57.37分上升至99.85分。HMP分子可通过氢键、疏水相互作用等与SPI形成更为紧密有序的网络结构,随着HMP添加量增加,更多分子参与网络构建,分子间作用力增强,凝胶网络结点数增多,结构更加紧密,质构特性随之增强[27]。当HMP添加量达到0.10 g时,质构得分降低至87.18分,这是由于大量HMP吸附在SPI颗粒表面产生较强排斥力,使颗粒粒径增大,导致颗粒间无法紧密堆积,Chen等[28]的研究得出相似的结果,随着亚麻籽胶多糖浓度的持续增大,SPI复合凝胶的硬度降低,粒径增大;同时过度聚集可能造成体系内部应力分布不均,在局部形成薄弱区域,从而破坏原本有序的网络结构[29]。
图5 HMP添加量对复合凝胶质构的影响
Fig.5 Effect of HMP addition amount on texture of composite gels
2.3.4 不同HMP添加量对复合凝胶持水度的影响
持水度能清晰反映凝胶网络结构中多糖分子和蛋白质分子之间的结合状况,是凝胶的主要功能特性之一[30]。如图6所示,当HMP添加量为0 g时,持水度最低为77.22%且与其他组存在极显著差异(P<0.01),表明未HMP添加时凝胶水分保留能力较弱。添加HMP后,SPI-HMP复合凝胶的持水能力均有所提升,这是由于HMP中羟基与SPI的极性基团(氨基、羧基)通过氢键结合,直接增加体系的有效水合位点,且均匀分布的疏水基团甲酯基可维持HMP分子的舒展构象,扩大亲水基团的水合面积,使更多水分以结合水形式存在于分子周围;此外甲酯基与蛋白疏水区域结合及物理缠绕,形成更均匀、致密的三维网络,网络孔径随HMP添加量增加而减小,使水分以截留水形式被束缚在凝胶孔隙中[31]。当HMP添加量为0.08 g时,持水度最高为86.09%,这是由于HMP适当占据蛋白质空隙,缩小凝胶网络孔隙结构[20],从而增强凝胶持水能力。而HMP添加量为0.10 g时,SPI-HMP复合凝胶的持水度轻微下降(85.77%),这可能是由于过量的HMP导致多糖自聚集,破坏了蛋白质-果胶间的相互作用,导致相分离并提高游离水比例,最终削弱整体保水性能。
图6 HMP添加量对复合凝胶持水度的影响
Fig.6 Effect of HMP addition amount on water-holding capacity of composite gels
2.3.5 不同HMP添加量对复合凝胶游离氨基含量的影响
吸光度值与游离氨基含量呈正相关,游离氨基含量的变化可间接表征SPI与HMP之间的分子间相互作用强度,以及蛋白质自聚集和交联程度[11]。如图7所示,随着HMP添加量的增加,SPI-HMP复合凝胶的吸光度值逐渐降低,表明体系中游离氨基逐渐减少。这反映出SPI与HMP的分子间相互作用增强,SPI的氨基与HMP羟基通过分子间作用力紧密结合,导致氨基被包埋或参与交联;此外,在高温加热过程中,部分游离氨基与HMP的还原糖基团发生美拉德反应[22],该结果与色差分析中b*值随HMP添加量升高而上升的趋势一致。
图7 HMP的添加量对复合凝胶游离氨基含量的影响
Fig.7 Effect of HMP addition amount on free amino group content in composite gels
2.3.6 不同HMP添加量对复合凝胶FTIR的影响
如图8所示,SPI-HMP复合凝胶主要特征峰包括:酰胺A带,N—H伸缩振动3 500～3 100 cm-1,该区域吸收峰较宽,反映氢键作用;酰胺Ⅰ带,C
O伸缩振动(1 690～1 650 cm-1),是SPI的主要特征峰,反映蛋白质的二级结构;酰胺Ⅱ带,由N—H弯曲和C—N伸缩振动共同作用(1 550～1 530 cm-1)。添加HMP的复合凝胶,其3 343 cm-1处峰形变宽,说明HMP羟基(—OH)与蛋白氨基(—NH2)形成分子间氢键增多,部分N—H基团被包埋进入凝胶网络中心,导致吸光度减弱,与添加HMP后游离氨基含量变化趋势一致。
图8 复合凝胶FTIR分析
Fig.8 Fourier transform infrared spectroscopy analysis of composite gels
由表2可知,随着HMP添加量的增加,α-螺旋相对含量呈先减后轻微增大趋势,而β-折叠相对含量先增加后保持不变,表明当HMP添加量≤0.08 g时,随着HMP的添加,有利于将蛋白质中的α-螺旋转化为β-折叠[27]。α-螺旋减少表明SPI的疏水区域与极性基团更多暴露,HMP通过与蛋白质疏水区域或极性基团结合,更易使螺旋结构解旋,转变为β-折叠;β-折叠更易形成分子间氢键,促使蛋白质聚集增加,有利于凝胶化[32]。当HMP添加量超过0.08 g时,诱导形成β-折叠的SPI肽链或HMP上的有效作用位点已趋于饱和,网络骨架构建完成,β-折叠相对含量不再增加。此外,随着HMP添加量增加,无规则卷曲占比持续递减后轻微回升,表明HMP导致蛋白质无序结构比例降低,显著提升蛋白质二级结构的有序性。
表2 HMP添加量对复合凝胶二级结构相对含量的影响 单位:%
Table 2 Effect of HMP addition amount on relative content of secondary structure of composite gels
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
HMP添加量/gα-螺旋β-折叠β-转角无规则卷曲016.86±0.05a32.45±0.04e34.65±0.03e16.05±0.09a0.0413.78±0.03b33.90±0.02d37.50±0.05b14.85±0.02b0.0613.70±0.03c34.18±0.02c37.70±0.03a14.29±0.02c0.0812.00±0.01e38.01±0.03a36.91±0.08d13.09±0.05d0.1012.32±0.02d38.01±0.03a37.40±0.05c13.10±0.02d
3 结论
本研究以SPI和HMP为原料,采用单因素试验对复合凝胶的制备工艺进行优化,并系统考察HMP添加量对凝胶特性及其相互作用机制的影响。结果表明,SPI-HMP复合凝胶的最佳工艺条件为:加热温度85 ℃、SPI添加量2.50 g、HMP添加量0.08 g。在此条件下,SPI与HMP可形成均匀且稳定的三维网络结构,凝胶的硬度、弹性、胶黏性及咀嚼性均达到最佳水平。该复合凝胶的持水度最高可达86.09%,α-螺旋结构相对含量下降至12.00%,β-折叠结构相对含量上升至38.01%,稠度系数显著提高,剪切稀化现象增强。FTIR分析进一步表明,HMP通过其甲酯基团与SPI的疏水区域结合,并借助羟基形成最大程度的氢键网络,在分子水平上驱动蛋白质构象由无序向有序转变,从而协同增强凝胶的整体性能。本研究成功建立了SPI-HMP复合凝胶体系,揭示了HMP通过氢键、疏水作用等非共价相互作用与SPI结合,促使蛋白质二级结构向更为有序的β-折叠构象转变,进而形成致密网络结构,最终显著提升凝胶性能的作用机制。该研究不仅为植物基食品中SPI-HMP复合凝胶的应用提供了可靠的工艺参数与理论依据,也为开发高稳定性与功能性的植物蛋白-多糖复合胶体材料提供了新思路。
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