pH值调节曲德拉胶-马铃薯蛋白复合凝胶的微观结构及理化性质

《Food Hydrocolloids》：pH modulating the microstructure and physicochemical properties of curdlan-potato protein composite gels

　　

余晓文|滕文秀|宋双|吴春华|文成荣

中国大连理工大学食品科学与技术学院，国家海洋食品加工与安全控制工程技术研究中心，海洋食品深加工协同创新中心，SKL实验室，大连116034

摘要

开发基于蛋白质-多糖复合凝胶的脂肪替代品是生产更健康食品产品的关键策略。然而，曲德拉兰（CR）和马铃薯蛋白（PP）的物理化学性质和微观结构组织都受到pH值变化的显著影响。为此，我们使用了1 M NaOH、1 M HCl和4 M HCl溶液系统地研究了不同pH条件对曲德拉兰-马铃薯蛋白（CP）复合分散体系的凝胶性质、流变行为和稳定性的影响，同时进行了微观结构和分子相互作用的变化表征。结果表明，碱性pH条件有利于形成柔韧且相容的凝胶，而酸性环境则促进形成刚性且含有颗粒的凝胶。然而，在PP的等电点（pI）附近，分散体系的稳定性会降低。微观结构分析显示，在酸性条件下，曲德拉兰形成了一个粗糙的框架，并与PP交织在一起，形成了一个密集的网络。相比之下，在碱性条件下制备的凝胶形态不够清晰。增加HCl浓度可以增强凝胶强度；然而，强酸处理显著降低了持水能力（WHC）和冻融稳定性，而温和的酸化处理对WHC没有显著影响。在碱性条件下，组分的部分解离和分子展开导致粘度升高。相反，高酸性环境会引起组分的聚集和沉淀，从而增大颗粒尺寸。这两种现象都显著降低了ζ电位，破坏了静电稳定性，最终影响了体系的稳定性。这些发现为食品工业通过精确调节pH值来定制CP凝胶的质地和功能提供了宝贵的见解。

引言

过量摄入脂肪与肥胖和冠心病等慢性疾病的风险增加有关（Sun等人，2015年）。因此，开发更安全、更健康的脂肪替代品以满足现代消费者对低脂饮食的需求已成为食品科学领域的前沿研究方向和关键焦点。通过共价和非共价相互作用形成的蛋白质-多糖复合物可以为基于多糖的胶体赋予优异的功能特性，如乳化、保水和凝胶化（Wang等人，2023年；Zhao等人，2023年）。它们还能有效模仿脂肪在食品中的关键属性，如质地、口感和外观，从而复制其感官特性。蛋白质的凝胶化和乳化特性与多糖的凝胶化能力相结合，使其能够作为脂肪替代品（de Carvalho, Fazani Cavallieri, & Kawazoe Sato, 2025年；Qin等人，2025年）。然而，蛋白质-多糖相互作用受pH条件调节。在酸性条件下，蛋白质带正电荷，通过静电吸引与阴离子多糖形成聚集体，从而增强乳化等功能特性（Zhang等人，2024年）。相反，在碱性条件下，蛋白质带负电荷，与阴离子多糖发生静电排斥，同时可以与阳离子多糖结合（Gentile, 2020年）。因此，通过调节pH值可以精确控制蛋白质和多糖之间的相互作用，从而有针对性地控制其复合凝胶的形成和功能。

曲德拉兰（CR）是一种细菌多糖，具有优异的性能，包括凝胶化能力、稳定性、持水能力（WHC）、抗菌活性和不可代谢性，这使其在食品、包装、生物医学、药物输送和组织工程等领域具有广泛的应用潜力（Ganie等人，2024年；Lu等人，2025年；Sun等人，2015年）。作为一种非常有前景的脂肪替代物质，曲德拉兰在研究中已经证明了其有效性。（Cui等人，2022年）证实，它与大豆蛋白分离物的结合可以模拟猪油的质地和口感。CR已被制成乳化微凝胶颗粒，在低脂香肠中实现了高达40%的脂肪替代（Hou等人，2025年）。CR的凝胶化不仅受温度影响，在55-60°C时形成热可逆凝胶，在80-90°C时形成不可逆凝胶（Xiao等人，2017年），还受pH值影响。CR在中性或酸性条件下保持稳定，但在碱性环境中其螺旋结构会解离，溶解度的增加会改变凝胶化性质。虽然已有大量研究集中在通过pH调节获得碱中和的CR凝胶上，但关于不同pH条件下形成的凝胶之间的差异的系统研究仍然很少。（Xu等人，2021年）发现，碱中和处理有效减小了曲德拉兰三螺旋聚集体的颗粒尺寸，并使自由三螺旋结构的相对含量增加了约199%。这种变化与曲德拉兰在碱性条件下的分子间和分子内氢键断裂以及中和过程中自由三螺旋结构的再生密切相关（Xu等人，2021年）。值得注意的是，CR的pH依赖性构象转变也可能影响其与其他物质的复合凝胶。目前，pH对这类复合凝胶的调控机制尚不清楚，相关研究可以为开发具有可控性能的基于曲德拉兰的复合凝胶材料提供理论支持，这是该领域未来的关键研究方向。

马铃薯蛋白（PP）是一种富含营养的成分，含有全部18种氨基酸，在营养价值上优于许多植物蛋白（Hu等人，2024年）。它具有优异的凝胶化、发泡和乳化性能（Roberts-Harry, Macias-Rodriguez, & Velikov, 2026年；Schmidt等人，2018年）。在水中加热会诱导构象变化，暴露出疏水基团，从而在超过临界蛋白质浓度时引发聚集和不可逆的凝胶网络形成（Andlinger等人，2021年）。作为一种典型的两亲性物质，PP的结构和性质对pH值非常敏感。大多数PP组分的等电点（pI）范围为pH 4至5（Schmidt, Larsen, & Hammersh?j, 2017年）。先前的研究表明，PP分散体的溶解度（Van Koningsveld等人，2001年）和乳化性能（Tan, Wannasin, & McClements, 2023年）随pH值显著变化。然而，不同pH值下的凝胶化性质仍不甚清楚（Liu等人，2021年）。

总之，曲德拉兰-马铃薯蛋白（CP）复合凝胶是一种有前景的脂肪替代材料（Teng等人，2024年），但其性能受pH值的依赖性影响仍有待阐明。因此，我们使用定量NaOH和HCl溶液通过梯度方法系统地调节了CP分散体的pH值。通过测量溶解度、粘度、颗粒大小分布和ζ电位来表征复合分散体的稳定性。系统地研究了复合凝胶的弹性模量（G?）、粘性模量（G?）、凝胶强度、WHC和冻融稳定性。此外，还使用了低场核磁共振（LF-NMR）、冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）和傅里叶变换红外（FTIR）光谱来阐明pH值对水分分布、微观结构网络和复合凝胶中相互作用的影响。本研究最终旨在确定CP凝胶形成的pH调控机制，以期为脂肪替代系统的合理设计提供关于多糖-蛋白质相互作用的见解。

章节片段

材料

马铃薯蛋白（食品级，蛋白质含量90.41%，淀粉含量10.2%，水分含量3.99%）和曲德拉兰（食品级，纯度90%，水分含量4.37%）分别从陕西太爱生物科技有限公司和江苏东辉生物科技有限公司采购。罗丹明B和钙荧光白分别从上海Sigma-Aldrich公司和上海茂康生物科技有限公司购买。所用化学品包括

分散体中的蛋白质溶解度

PP和CR之间的相互作用受它们各自的溶解度影响。作为一种典型的两亲性分子，PP的溶液性质受pH值的显著影响。如图1a所示，酸处理显著降低了PP的溶解度（p < 0.05），而碱处理显著提高了其溶解度（p < 0.05）。1 M NaOH（pH 10.1）处理下的溶解度最高（97.5%），而4 M HCl（pH 4.1）处理下的溶解度最低（1.5%），这一趋势与之前的研究结果一致

结论

在这项研究中，我们研究了pH值对复合凝胶体系的凝胶性质、流变行为和稳定性的影响，重点关注微观结构和分子相互作用的变化。结果表明，碱性处理使PP分子伸展和CR解离，导致溶解度和粘度增加，以及复合分散体的颗粒尺寸减小。相反，酸处理增加了颗粒

CRediT作者贡献声明

文成荣：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。吴春华：撰写——审稿与编辑，可视化。宋双：撰写——审稿与编辑。滕文秀：方法学，实验研究。余晓文：撰写——初稿，正式分析

Qi等人，2025年；Zhang等人，2017年。

作者声明没有可能影响本文工作的财务或非财务利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：32572497）的财政支持。作者衷心感谢大连理工大学测试中心的仪器支持。