《Food Hydrocolloids for Health》：Combination of whey protein isolate and Sargassum sp. extract on microstructure, tribological properties, and in vitro protein digestibility of reconstituted high-protein beverage models
编辑推荐：
食品成分相互作用很重要，因为它们影响食品的性质及其消化率。研究人员研究了不同蛋白质浓度和Sargassum sp.提取物组合对用水重组后获得10%或15%蛋白质含量（作为高蛋白饮料模型）的粘度（viscosity）、润滑特性（lubrication prope
食品成分相互作用很重要，因为它们影响食品的性质及其消化率。研究人员研究了不同蛋白质浓度和Sargassum sp.提取物组合对用水重组后获得10%或15%蛋白质含量（作为高蛋白饮料模型）的粘度（viscosity）、润滑特性（lubrication properties）和体外蛋白质消化率（in vitro protein digestibility）的影响。将低浓度（5% w/v，命名为5W）或高浓度（10% w/v，命名为10W）的乳清分离蛋白（whey protein isolate, WPI）与Sargassum sp.提取物（使用不同的热水提取方法：50±5°C，SE-LT或70±5°C，SE-HT）组合，然后在75±5°C下加热3分钟，再冷冻干燥（lyophilization）。用水重组后，5W+SE-LT和5W+SE-HT样品表现出类似牛顿的流动行为（Newtonian-like flow behavior），具有独立的粒径，从而改善了润滑特性并促进了快速蛋白质消化率。然而，10W+SE-LT和10W+SE-HT样品基于其较大粒径和较高粘度的剪切稀化行为（shear-thinning behavior），具有最佳的润滑特性和延迟的蛋白质消化率。傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）结果揭示了两种浓度之间在酰胺I区（Amide I region）内的明显构象转变。5W（+SE-LT/HT）样品主要特征为松散的β-折叠（beta-sheet）聚集体，而10W（+SE-LT/HT）样品则表现出无规卷曲（random coil）结构占优势。因此，使用不同蛋白质浓度和Sargassum sp.提取物组合的制备方法在决定食品样品的最终性质和营养消化率方面发挥了作用，这些结果可进一步用于质地改良食品（texture-modified foods）。
## 论文解读
### 研究背景与问题
食品成分间的相互作用是影响食品物理性质和营养消化率的关键因素。在高蛋白液体饮食中，例如针对吞咽困难或特定疾病管理设计的饮料，其口感（如厚度、顺滑度、滑腻感）不仅由粘度决定，还与摩擦学特性（tribological properties）密切相关。乳清分离蛋白（whey protein isolate, WPI）在热处理过程中会发生变性聚集，高蛋白浓度会促进形成较大的聚集体，增加粘度，但同时也可能导致摩擦系数升高，降低润滑感，并影响蛋白质的消化速率。已有研究表明，多糖的引入可以改变蛋白质聚集行为，改善润滑性能，例如瓜尔豆胶和果胶能降低摩擦系数。然而，关于褐藻马尾藻属（Sargassum sp.）提取物（富含岩藻多糖、海藻酸盐、褐藻多酚等活性成分）在高蛋白体系中对微观结构、润滑特性和蛋白质消化率的影响，仍缺乏系统研究。因此，本研究旨在探索不同蛋白浓度与马尾藻提取物的组合如何调控重组高蛋白饮料模型的最终特性，为设计具有特定质构和消化特性的功能食品提供依据。
### 研究内容与结论
研究人员通过将两种浓度的WPI（5%和10% w/v）与两种热水提取温度（50°C和70°C）得到的马尾藻提取物混合，经加热（75°C，3 min）和冷冻干燥后，再用水重组为10%或15%（w/v）蛋白含量的饮料模型。系统评价了样品的微观结构、粒径、稳态剪切流动行为、傅里叶变换红外光谱（FTIR）特征、摩擦学性能以及体外蛋白质消化率。主要结论如下：低浓度蛋白（5W）与提取物结合后，形成较小且分散的聚集体，呈现牛顿流体行为，改善了润滑性并促进了快速蛋白质消化；高浓度蛋白（10W）与提取物结合后，通过耗尽絮凝形成更大聚集体和高粘度，呈现剪切稀化行为，获得最佳润滑性能但同时延迟了初始阶段的蛋白质消化。FTIR分析显示，低浓度样品中β-折叠结构增多（松散聚集体），高浓度样品中无规卷曲结构占优。这些发现表明，通过调整蛋白浓度和提取物组合，可以有效调控食品的质构和营养消化特性。该论文发表在《Food Hydrocolloids for Health》。
### 主要关键技术与方法
1. **样品制备与重组**：采用两种蛋白浓度（5%和10% w/v）的WPI，与两种温度（50±5°C和70±5°C）热水提取的马尾藻提取物（SE-LT和SE-HT）混合，于75±5°C加热3 min后冷冻干燥，再用水重组为10%或15% w/v蛋白含量的液体模型。马尾藻样品采集自泰国甲米兰塔岛Bakantiang海滩。
2. **粒径与流变学测定**：使用激光粒度仪（Mastersizer 3000）测定体积平均直径（D[4,3]）；使用流变仪（MCR 302）在37°C下进行稳态剪切测试（0.1–1000 s
-1），获取粘度与流动行为。
3. **傅里叶变换红外光谱（FTIR）**：通过FTIR（Tensor 27）在400–4000 cm
-1范围内分析冻干样品的蛋白质二级结构变化，并对酰胺I区（1600–1700 cm
-1）进行高斯曲线拟合。
4. **摩擦学性能测试**：使用流变仪配备球-三销钉（聚二甲基硅氧烷材料）系统，在37°C、1 N负载下测定摩擦系数（μ），滑动速度1–1000 mm/s。
5. **体外蛋白质消化**：采用标准化静态体外消化法（Minekus等，2014），经口腔（SSF+α-淀粉酶）、胃（SGF+胃蛋白酶）和肠（SIF+胰酶、胆汁盐）阶段，在不同时间点取样，通过邻苯二甲醛（OPA）法测定游离氨基含量（以亮氨酸当量表示），评估蛋白质消化率。
### 研究结果
#### 3.1 样品特征与微观结构
通过光学显微镜观察发现，低蛋白浓度（5W）样品中添加马尾藻提取物后，蛋白质聚集体呈细小分散颗粒；而高蛋白浓度（10W）样品中添加提取物后，形成了更大的聚集体。研究人员认为，高浓度下蛋白-蛋白相互作用（疏水作用、二硫键）以及蛋白-多糖相互作用共同促进了聚集。
#### 3.2 粒径
激光粒度仪测定结果显示，提高制备时的蛋白浓度（5W→10W）使蛋白粒径几乎增大两倍。添加马尾藻提取物进一步增加了粒径，尤其在高蛋白浓度（10W）和高温提取物（SE-HT）条件下效果最显著。研究人员将此归因于耗尽絮凝（depletion flocculation）机制：多糖的存在提高了周围渗透压，促使蛋白粒子间聚集，且高多糖含量的SE-HT效果更强。重组密度从10%增至15% w/v时，低蛋白组（5W+SE-LT/HT）粒径也显著增加，但高蛋白组（10W）受到高体积分数的限制。
#### 3.3 流动行为
低蛋白浓度（5W）加提取物样品在不同剪切速率下粘度基本不变，呈现类牛顿流体行为，表明颗粒分散良好。高蛋白浓度（10W）加提取物样品则表现出明显的剪切稀化行为，粘度随剪切速率增加而下降，说明聚集体能沿流动方向取向。此外，10W+SE-HT样品的粘度显著高于其他组，归因于耗尽絮凝导致的更大聚集体和颗粒拥挤效应。重组密度提高仅略微影响高蛋白组的粘度。
#### 3.4 FTIR分析
FTIR光谱分析显示，与纯蛋白相比，添加提取物后，5W样品的酰胺I带（~1651 cm
-1）和酰胺II带（~1537 cm
-1）强度增加，而10W样品则强度降低。高斯拟合表明：5W样品中松散的β-折叠含量较高，α-螺旋含量降低更明显；10W样品则以无规卷曲结构为主。此外，在1159 cm
-1和1078 cm
-1处的C-O-C和C-O伸缩振动增强，证实了多糖与蛋白通过氢键、疏水作用等形成了复合物。结论是低蛋白浓度更有利于蛋白-多糖复合物的形成和结构重排。
#### 3.5 润滑特性
摩擦系数测定表明，添加提取物后样品的润滑性普遍优于纯蛋白样品。其中，10W+SE-LT和10W+SE-HT样品在滑动速度1 mm/s时摩擦系数最低（分别约0.32和0.29），比纯10W降低约20%。研究人员分析，这是由于高蛋白样品中无规卷曲结构的灵活性以及剪切诱导的取向，形成了有效的表面分离膜。而5W样品中刚性β-折叠聚集体限制了变形能力，导致摩擦系数较高，但5W+SE-HT在中高速时仍表现出改善。粒径和粘度与摩擦系数并非简单线性相关，粒子可变形性至关重要。
#### 3.6 体外蛋白质消化率
消化实验显示，初始阶段（0 min），纯10W样品游离氨基含量高于纯5W，可能因为大聚集体更易受胃蛋白酶作用。添加提取物后，5W样品的蛋白质消化率在消化前期显著提高，而10W样品的消化率则被延迟。FTIR分析提示，5W中松散的β-折叠结构增加了肽键可及性；10W中的无规卷曲结构暴露了疏水区域，在酸性胃相中促进蛋白-蛋白相互作用，从而限制了酶解。此外，将重组蛋白浓度从10%增至15% w/v后，所有样品的消化率均下降，与颗粒拥挤效应一致。
#### 3.7 变量相关性分析
Pearson相关分析表明，添加马尾藻提取物与粒径（r=0.76, p<0.01）和粘度（r=0.53, p<0.01）显著正相关，与摩擦系数（r=-0.5至-0.6, p<0.05）和初始蛋白消化率（r=-0.45, p<0.05）显著负相关。粒径增大与粘度升高高度相关（r=0.90, p<0.01），并有利于降低摩擦系数，但同时与初始消化率呈中等负相关（r=-0.54, p<0.01）。
### 讨论与结论
本研究揭示了蛋白浓度与马尾藻提取物组合对高蛋白饮料模型理化性质和消化特性的调控机制。低蛋白浓度下，提取物中的多糖和多酚干扰蛋白聚集，促进形成松散的β-折叠聚集体和蛋白-多糖复合物，导致类牛顿流动、改善润滑并加速初始消化；高蛋白浓度下，提取物通过耗尽絮凝产生大尺寸聚集体和高粘度，同时诱导以无规卷曲为主的结构，赋予剪切稀化行为，从而获得最佳润滑性能，但延迟了初始消化阶段。因此，通过选择不同的蛋白浓度和提取条件，可以定制化设计具有特定口感和蛋白释放速率的质地改良高蛋白饮料。
**研究结论翻译**：本研究提供了关于使用不同浓度的乳清分离蛋白及其与Sargassum sp.提取物（含多糖和多酚）组合对食品性质影响的见解。低蛋白浓度（5% w/v）与Sargassum sp.提取物组合（5W+SE-LT和5W+SE-HT）产生了较小尺寸的蛋白质聚集体和较低的粘度。基于FTIR分析，多糖和多酚的掺入干扰了蛋白质聚集过程，促进了酰胺I区内松散或无序β-折叠的形成以及蛋白-多糖复合物的生成，进而导致了所观察到的牛顿流体行为。这种结构修饰改善了润滑性能，同时增强了初始阶段的蛋白质消化率。然而，最佳的润滑性能出现在使用高蛋白浓度（10% w/v）掺入Sargassum sp.提取物（10W+SE-LT和10W+SE-HT）制备的样品中。这些样品因耗尽絮凝机制而具有较大的蛋白质颗粒尺寸和高粘度。无规卷曲结构的优势，结合较大的颗粒尺寸，共同促成了所观察到的剪切稀化行为。这些特性协同增强了体系的润滑性能，同时延迟了消化初始阶段的蛋白质消化率。因此，这些特性将改善吞咽过程中的润滑性能，使得该食品模型适用于设计具有定制化蛋白质消化率的高蛋白饮料（10%和15%高蛋白含量）。
