《Food Bioscience》：pH-Regulated Pectin-Protein Purees Tailored by Protein Molecular Architecture for Dysphagia-Friendly Food Design
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果胶-蛋白质体系在pH 3.6和6.3下通过静电作用、疏水相互作用及氢键调控网络组装与流变特性，发现SC和MCC系统因可逆静电交联和钙桥形成呈现高弹性与润滑性，而WPI系统因弱静电结合导致结构松散。研究建立从蛋白质构象到宏观质地与润滑性的多尺度调控机制，为设计吞咽安全型果胶基食品提供理论依据。
王西同|孙苏豪|范朝阳|刘晓霞|张慧婷|胡金华|周鹏
江南大学食品科学与技术学院，中国江苏省无锡市214122
摘要
果胶-蛋白质糊状物的结构和功能受蛋白质结构和pH值的影响，但构象、网络组装与口腔功能之间的联系仍不清楚。本研究探讨了球状乳清蛋白分离物（WPI）、无序酪蛋白钠（SC）和胶体微胶粒酪蛋白浓缩物（MCC）在pH 3.6和pH 6.3条件下如何调节富含果胶的糊状物的组装、流变性和润滑性。在pH 3.6时，蛋白质与果胶之间的电荷差异驱动的静电复合作用在SC和MCC系统中形成了有凝聚力和弹性的网络，而WPI与果胶基质的相互作用较弱。在pH 6.3时，静电吸引力的减弱使得主要相互作用转变为疏水结合和氢键作用，从而形成了更柔软、更具润滑性的结构。微观结构观察显示，SC和MCC系统中存在密集的絮凝团簇，而WPI系统中则形成了细长的网络。流变学和摩擦学分析表明，蛋白质构象和界面复合作用是决定宏观纹理和润滑行为的关键因素。总体而言，这些发现为设计基于pH值调节的果胶-蛋白质糊状物提供了从分子到宏观的框架，超越了仅基于粘度的吞咽困难食品标准。
引言
多糖-蛋白质相互作用在定义乳液、凝胶和糊状物等软质食品的结构、稳定性和质地方面起着关键作用。这些相互作用将分子组织与宏观功能联系起来，控制着粘弹性、润滑性和口腔感知——这些都是设计功能性及质地改良食品的关键参数。在碳水化合物聚合物中，果胶、淀粉和纤维素代表了水果和蔬菜基系统的典型结构框架，它们在电荷密度、链柔韧性和水合行为上存在显著差异。将蛋白质引入这些基质中提供了一种分子策略，可以重新配置网络组装、调节流变性，并提高营养和感官性能。
在基于淀粉的系统中，糊化颗粒通过氢键和疏水结合与球状或植物来源的蛋白质相互作用，从而改变粘度、屈服应力和分解动力学（Mirazimi等人，2022年；Scott & Awika，2023年；Yang等人，2019年）。在富含纤维的基质中，蛋白质主要通过物理包裹或弱氢键来增强纤维支架并改善水分保持能力（Krajewska等人，2025年）。相比之下，富含果胶的系统通过半乳糖醛酸链之间的氢键和疏水结合形成类似凝胶的网络（Lin等人，2016年；Said等人，2023年）。果胶的高阴离子电荷密度使其能够与蛋白质发生独特的静电复合作用，这种相互作用在淀粉和纤维素系统中不存在（Chevalier等人，2019年；Schmitt & Turgeon，2011年）。重要的是，果胶-蛋白质系统中的静电相互作用不仅驱动结合或相分离，还显著调节蛋白质聚集和凝胶化行为，从而塑造宏观纹理。静电吸引力可以通过将蛋白质分子集中在带电的多糖链上来促进受控的蛋白质聚集，增加局部蛋白质-蛋白质接触，同时防止不受控制的沉淀。这种由静电介导的聚集已被广泛认为是蛋白质凝胶化的关键前兆，尤其是在需要避免过度硬度的吞咽困难食品相关的软质、弱交联网络中。然而，尽管蛋白质在水果基基质中普遍存在，但它们在不同pH条件下重新组织果胶网络的分子机制仍知之甚少。
果胶主要由α-(1→4)-连接的D-半乳糖醛酸残基组成，具有可变的甲基酯化程度，表现出强烈的pH依赖性离子化和自组装（Gawkowska等人，2018年）。在酸性pH（<4.0）下，羧基的质子化减少了链间排斥，促进了与带正电荷蛋白质的静电复合作用（Salleh等人，2022年）。接近中性时，脱质子化增加了电荷排斥，使相互作用转向氢键和疏水结合（Paoletti & Donati，2023年）。这种pH调节的静电环境不仅控制了多糖的构象，还调节了蛋白质聚集途径。根据蛋白质的分子结构，聚集可能通过链缠结、团簇形成或胶束介导的结合进行，每种方式都会产生不同的网络拓扑和质地结果。这些聚集模式越来越被认为是根据特定的口腔加工要求（包括安全吞咽和可控的食团流动）来定制食品质地的决定性因素。除了聚集外，牛奶蛋白还为基于果胶的网络引入了不同的交联机制。在SC系统中，瞬态静电和缠结介导的连接作为可逆的物理交联，实现了对弹性和润滑性的pH响应调节。在MCC系统中，胶束超结构和钙介导的桥接提供了更持久的交联点，在不同pH条件下赋予结构稳定性和水分保持能力。这种特定于蛋白质的交联行为与植物蛋白或中性多糖系统报道的交联行为有根本不同，特别有利于设计质地可控的、针对吞咽困难的食品。虽然果胶-蛋白质混合物的pH依赖性已经得到充分证实，但蛋白质分子结构在调控这些组装中的具体作用仍不清楚。选择pH 3.6来代表蓝莓和其他浆果基糊状物的内在酸性，在实际食品系统中常见富含果胶的基质。相比之下，选择pH 6.3作为接近中性条件，高于所研究牛奶蛋白的等电点，从而最小化静电吸引力，便于研究与质地改良和吞咽困难食品配方相关的非静电相互作用模式。区分球状、无序或胶体蛋白质构象如何调节果胶网络的形成对于水果基基质的分子设计至关重要。牛奶蛋白提供了一个结构多样的研究平台：乳清蛋白分离物（WPI）包含具有pH敏感电荷分布的紧凑球状蛋白质；酪蛋白钠（SC）由灵活的、本质上无序的链组成，能够进行广泛的缠结；而胶体微胶粒酪蛋白浓缩物（MCC）则由磷酸钙纳米簇稳定的胶体组装（Holt等人，2013年），表现出跨长度尺度的层次相互作用。这种从球状到胶体的分子多样性为了解蛋白质构象和电荷拓扑如何决定果胶网络组装、粘弹性和润滑性提供了独特的机会。
先前的研究报道了牛奶蛋白-果胶系统在pH值（Wusigale等人，2020年；Maroziene & de Kruif，2000年）、离子强度（De Kruif等人，2004年）和蛋白质类型（De Kruif等人，2004年）变化下的相分离、复杂共聚集和凝胶化现象；尽管这些工作阐明了基本的分子尺度相互作用机制，但它们并未直接将这些过程与剪切下的微观结构演变或与口腔加工相关的摩擦学（润滑）性能联系起来。因此，一个明确将蛋白质分子结构和界面复合作用与基于果胶的复合材料的机械和润滑性能联系起来的多尺度框架仍然缺乏。
因此，本研究独特地整合了蛋白质分子结构、pH调节的相互作用机制和多尺度功能表征，建立了从分子到宏观的框架，将果胶-蛋白质组装与粘弹性和润滑性能联系起来。通过将蛋白质视为结构调节剂而非组成添加剂，这项工作超越了传统的结构-性能相关性，朝着对质地和口腔润滑设计的机制理解迈进。
材料
冷冻蓝莓购自Sam’s Club（中国无锡），果胶含量为0.46%（湿基）：酯化程度≤47.77%。乳清蛋白分离物（WPI，蛋白质含量91.50%，乳糖含量0.00%，灰分含量2.80%，水分含量5.70%，脂肪含量1.50%）来自中国上海的Fuxin Industrial Co., Ltd。胶体微胶粒酪蛋白浓缩物（MCC；蛋白质含量91.81%，碳水化合物含量0.00%，灰分含量6.46%，水分含量5.76%，脂肪含量1.64%）来自美国的Leprino Foods Company。酪蛋白钠（SC，蛋白质含量90.61%，灰分含量3.79%）...
IDDSI评估强调了蛋白质和pH值在吞咽安全调节中的作用
IDDSI测试中样品的表观流动性和行为是吞咽安全的关键指标。宏观观察（图1A1和1A2）显示了蛋白质-果胶系统之间的不同状态转变。果胶对照组（P）和WPI强化系统（P-WPI）在pH 3.6和6.3下均保持液态。相比之下，MCC强化系统（P-MCC）在两种pH条件下都呈现糊状、不流动的外观。值得注意的是，SC强化糊状物（P-SC）表现出明显的...
结论
本研究系统地阐明了蛋白质分子结构与pH依赖的相互作用模式如何共同调节果胶-蛋白质水果糊状物的组装、粘弹性质和口腔润滑行为。通过结合流变学、摩擦学和微观结构分析，我们证明了环境pH值调节了静电吸引力、疏水结合和氢键之间的平衡，从而重塑了果胶网络的组织...
CRediT作者贡献声明
张慧婷：正式分析，数据管理。胡金华：写作-审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。周鹏：研究，概念构思。王西同：写作-初稿，软件，方法学，正式分析。孙苏豪：软件，方法学。范朝阳：正式分析，数据管理。刘晓霞：监督，概念构思
未引用的参考文献
Wusigale和Luo，2020年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
数据可用性
所有呈现的数据都在正文中和补充信息中进行了详细列表。所有原始数据可应要求向作者索取。
利益冲突声明
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致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32072240）的财政支持。
