开发用于吞咽困难患者的口腔崩解蛋白泡剂：钙螯合剂的影响

《Food Hydrocolloids》：Engineering orally disintegrating protein puffs for dysphagia diets: Impact of calcium chelators

本研究通过加入钙螯合剂（如SHMP、STPP、CPP、CA）调控乳清蛋白浓缩物（MPC）蓬松体的内部钙交联结构，显著提高孔隙率（至84%以上）和孔径（>100μm），加速口腔湿化和结构崩溃，形成低粘附性食团，为吞咽困难人群设计营养型食品提供理论框架。

　　

作者：张若宁 | 中杰 | 像毛 | 西德·S·H·里兹维

中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京，中国

摘要

设计在口腔中具有可控分解行为的富蛋白材料是一个挑战，尤其是对于吞咽困难者来说。本研究通过使用钙螯合剂（六偏磷酸钠（SHMP）和三聚磷酸钠（STPP）、酪蛋白磷酸肽（CPP）以及柠檬酸（CA）在超临界流体挤出过程中调节内部钙交联，工程化了乳蛋白浓缩物（MPC）泡剂的口腔分解行为。观察到这些螯合剂的加入重新配置了泡剂的微观结构。这一过程使泡剂的孔隙率从68%增加到超过84%，并形成了平均直径超过100 μm的较大孔洞。这种工程化的结构加速了水合动力学并降低了基质的硬度。因此，螯合剂在30秒内引发了泡剂的结构崩解。此外，这种方法还形成了一种以可控膨胀和软化为主的分解路径。这也导致形成了一个具有良好凝聚性和低粘附性的团块，从而提高了吞咽安全性，这与传统基于淀粉的商业泡剂的高粘附性浆料形成了鲜明对比。多变量分析确定了孔隙率和接触角是快速分解的关键因素。值得注意的是，天然螯合剂（CPP）表现出与合成螯合剂相当的良好口腔分解性能，突显了其作为清洁标签替代品的潜力。通过将螯合剂诱导的网络修饰与口腔特性联系起来，本研究为设计适合吞咽困难人群的具有定制分解特性的食品提供了一个框架。

引言

开发能够自我分解的口服食品是向包括婴儿和老年人等脆弱群体提供安全有效营养的关键策略。在商业上，这一需求主要通过基于淀粉的泡状谷物来满足，但这些食品往往缺乏对婴儿发育至关重要的高质量蛋白质以及减缓老年人肌肉萎缩所需的营养（Guo等人，2024；Mitra、Zhou和Rizvi，2022）。此外，基于淀粉的泡状谷物在吸水后会形成粘性浆料，这可能带来显著的吞咽风险。为了解决这个问题，我们团队之前的工作使用超临界流体挤出（SCFX）这一低温工艺开发了高蛋白泡剂，该方法能够保持高蛋白含量并提升加工后的营养价值（Arora和Rizvi，2022a；Iqbal、Hosseini和Rizvi，2024）。

MPC泡剂提供了一种营养丰富的替代品，但由于乳蛋白基质的固有特性，其快速口腔分解是一个挑战（Arora和Rizvi，2022）。这一困难源于多种相互作用，这些相互作用稳定了蛋白质网络，阻碍了其重新水合（Arora和Rizvi，2022）。首先，主要障碍是钙桥接的蛋白质网络的内在强度（即胶体磷酸钙），它形成了物理上限制分解的基质（Lorenzen和Ahrné，2025）。其次，酪蛋白蛋白质的固有疏水性加剧了这一问题。这些蛋白质富含非极性氨基酸，在粉末制造（喷雾干燥）过程中形成了非共价疏水相互作用，导致MPC的溶解度较差（Mimouni、Deeth、Whittaker、Gidley和Bhandari，2010）。最后，挤出过程中的热机械应力进一步诱导了这些蛋白质-蛋白质相互作用，形成了更致密的基质，阻碍了快速的结构崩解（Zhou、Mitra、Melnychenko和Rizvi，2021）。因此，最小化这些预先存在的（钙和疏水性）以及过程诱导的相互作用是设计快速分解泡剂的关键前提。

众所周知，MPC基质的固有结构刚性和低溶解度导致了其缓慢的分解。这个问题主要是由于酪蛋白胶束的聚集，这些胶束由胶体磷酸钙（CCP）交联稳定（Xu等人，2016）。CCP与游离离子钙一起代表了牛奶系统中的两种主要钙形式（Xu等人，2016）。克服这一结构挑战的有效策略是引入钙螯合剂来改变蛋白质-蛋白质相互作用（de Kort、Minor、Snoeren、van Hooijdonk和van der Linden，2011；Garcia、Alting和Huppertz，2023）。钙螯合剂（如六偏磷酸钠（SHMP）通过从CCP中螯合钙离子来发挥作用，从而破坏蛋白质桥接并诱导酪蛋白聚集体的解离（Garcia、Alting和Huppertz，2023）。这种结构修饰还可以直接改善水合性能。例如，先前的研究表明，将SHMP加入MPC泡剂中可使它们的吸水能力提高三倍，并降低水合后的压缩强度（Arora和Rizvi，2022；Iqbal、Uhrin和Rizvi，2024）。虽然这些发现证实了螯合剂能够有效软化泡剂结构，但控制这种改性结构在口腔中的分解（即口腔分解和团块形成）的机制尚未明确。这些知识对于控制口腔分解体验至关重要。

泡状食品的口腔分解是一个多阶段过程，涉及表面润湿以及微观结构和机械性能的变化（Vilgis，2024；Boehm、Yakubov、Stokes和Baier，2019）。理想情况下，泡剂结构在润湿后应迅速变软且易碎，以便更容易分解成有凝聚性的可吞咽团块（Guo等人，2024）。这一过程由唾液对泡剂的表面润湿启动，该过程受基质成分的亲水性控制（Hu、Wang、Hwang、Colosqui和Cubaud，2021）。随后，液体渗透速率受产品微观结构的控制，高孔隙率有助于快速、毛细驱动的吸收和细胞壁的塑化（Cao等人，2018）。最后，这种水合基质的机械性能决定了水合泡剂对咀嚼力的响应。因此，硬度较低的产品在咀嚼过程中更容易分解，并产生更小的食物颗粒（Pangborn和Lundgren，1977）。虽然已知钙螯合剂可以通过降低水合基质的硬度来改变MPC泡剂的最终质地（Arora和Rizvi，2022），但泡剂在唾液中的分解机制仍大多未被探索。目前尚不清楚这些螯合剂如何影响唾液润湿或改变孔隙网络，从而影响水合、分解和最终吞咽。系统地阐明这些过程对于设计针对特定人群的优化分解性能的蛋白质泡剂是必要的。

先前的研究发现，螯合剂破坏了钙介导的交联，使蛋白质的二级结构从有序排列转变为更无序的链状（Power等人，2019）。这种分子重构增强了挤出过程中的熔融延展性，形成了有利于快速水合的开放孔结构。我们假设这些螯合剂可能在挤出过程中破坏蛋白质桥接（图1）。然而，这些分子层面的变化如何转化为口腔环境中的分解行为和团块形成仍不清楚。因此，本研究的目的是探讨不同的钙螯合剂如何改变基于MPC的泡剂的微观结构并控制其动态口腔分解行为。本研究旨在：（1）表征螯合剂对泡剂微观结构和机械性能的影响；（2）量化口腔处理阶段，包括唾液润湿、唾液吸收速率以及在模拟机械力下的分解；（3）评估团块的性能以评估其可吞咽性；（4）开发一个将结构性能与口腔分解联系起来的定量模型。为了实现这些目标，将螯合剂改性泡剂的性能与两种对照组进行了比较：一种不含螯合剂的MPC泡剂和一种商业基于淀粉的泡剂。通过阐明螯合剂工程结构与分解之间的内在联系，本研究为设计适合特殊饮食需求的营养密集型食品提供了基础。

材料

乳蛋白浓缩物（MPC80；80%蛋白质，5%乳糖）购自Cayuga Milk Ingredients（美国纽约州奥本）。蒸馏单甘酯（Dimodan）购自Danisco-Dupont（美国特拉华州威尔明顿）。食品级六偏磷酸钠（SHMP）、三聚磷酸钠（STPP）、酪蛋白磷酸肽（CPP，纯度99%）和柠檬酸（CA）购自Akersunder Herbs（中国上海）。所有其他化学品和试剂均为分析级，来自sigma（美国密歇根州）。

蛋白质泡剂的制备

A

宏观结构和微观结构

不同钙螯合剂的添加显著影响了泡剂的宏观外观和内部多孔结构（图2）。宏观上，对照组的MPC泡剂表面光滑但不均匀（图2A和图S1）。相比之下，MPC-SHMP和MPC-CPP泡剂的表面更白且更均匀，而MPC-CA泡剂的外表面则更粗糙且半透明。显微分析显示，这些外部

结论

本研究证明，通过调节内部网络可以工程化基于蛋白质的泡剂的口腔处理行为。在挤出过程中加入钙螯合剂将缓慢分解的乳蛋白基质转变为高度多孔的结构，孔隙率从68%增加到超过84%，细胞直径从42 μm增加到超过100 μm。这些微观结构的改进促进了唾液的快速渗透和基质软化，从而加速了

作者贡献声明

像毛：撰写 – 审稿与编辑，监督。西德·S·H·里兹维：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。张若宁：撰写 – 初稿，数据整理，概念构思。中杰：监督，方法学

未引用参考文献

de Kort等人，2012；Zhang等人，2024。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了纽约州农业部和市场的支持，项目编号为C208832。我们感谢中国 Scholarship Council（授权号202406350186）和国家自然科学基金（编号32272471）对张若宁在康奈尔大学期间的支持。