不同半乳甘露聚糖对大豆蛋白凝胶流变性能和结构的影响

《Food Research International》：Influence of different galactomannans on the rheological properties and structure of soy protein gel

本研究探究不同甘露糖/半乳糖比值（M/G）的卡拉胶、豆胶等在等温条件下对大豆分离蛋白（SPI）热诱导凝胶流变特性和微观结构的影响。结果表明，添加甘露聚糖可降低凝胶化起始温度，M/G比值升高的甘露聚糖（如LBG）能形成更致密的层状微观结构，显著提升凝胶的屈服应力、触变性及结构恢复能力，为蛋白-多糖复合凝胶设计提供新策略。

　　

周向祺|张秦|张燕|兰天|王静|隋晓楠

中国哈尔滨市东北农业大学食品科学学院，邮编150030

摘要

本研究旨在探讨半乳甘露聚糖（GM）中甘露糖/半乳糖（M/G）比例对中性pH条件下大豆分离蛋白（SPI）热诱导凝胶的流变性质和结构的影响。流变结果表明，添加GM可使SPI凝胶的初始凝胶化温度（T_gel）降低多达30.59%（SPI-LBG）。多维流变分析显示，SPI凝胶的凝胶性质显著改善，且与添加的GM的M/G比例呈正相关。通过扫描电子显微镜观察发现，GM的加入促进了SPI凝胶中致密层状微结构的形成，从而增强了屈服应力、触变性和结构恢复能力（LBG > TG > GG > FG）。本研究为蛋白质-多糖凝胶提供了分析框架，并为利用半乳甘露聚糖在中性条件下改善传统热诱导蛋白质凝胶基食品提供了实用策略。

引言

在食品加工中，软材料在外力作用下的抗变形能力和恢复能力至关重要（Jeddou & Bouallegue, 2025; Pawde & Dave, 2025）。这种能力决定了材料在储存和消费过程中是否能够进行泵送、混合、填充、挤出或3D打印同时保持其形状和质地（Jeddou & Bouallegue, 2025）。抗变形能力和恢复能力通常通过测量触变性和屈服应力来评估（Li, Wang, Ma, & Zhang, 2023; Mewis & Wagner, 2009; Xu, Wang, Yuan, & Zhang, 2024）。触变性通常通过滞后环分析和三区间触变性测试（3ITT）进行表征（Mewis & Wagner, 2009）。屈服应力并非一个固定的材料常数，其测量值受所用测量方法的影响很大（Xu et al., 2024）。此外，在使用不同方法（如振幅扫描、阶跃剪切率和应力梯度测试）进行测量时，仪器对微结构的破坏机制不同，导致软材料的屈服行为出现变化（Xu et al., 2024）。这些流变性质本质上是非线性的，超过线性粘弹性范围会逐渐破坏其微观结构（Kasapis & Bannikova, 2017; Kulichikhin & Malkin, 2022）。因此，理解这种非线性流变响应对于合理设计具有优异加工性能和目标感官特性的软食品至关重要。

植物蛋白因其优良的功能特性而被广泛用于软食品中，其中大豆分离蛋白（SPI）表现尤为突出（Manna et al., 2024; Rini et al., 2025）。SPI的功能特性包括凝胶化、乳化性和起泡性，其凝胶化特性在食品工业中得到广泛应用（Rolandelli, Ozturk, Velasquez Giraldo, Hamaker, & Campanella, 2025; Sui, Zhang, & Jiang, 2021）。根据凝胶形成的不同机制，凝胶可分为热诱导凝胶、酶诱导凝胶、酸诱导凝胶等（Guldiken, Stobbs, & Nickerson, 2021; Tang, Roos, & Miao, 2024）。在中性pH下制备的热诱导凝胶由单一蛋白质形成，对外部干扰的抵抗力较弱，容易受到外部环境变化的影响（Brito-Oliveira, Cavini, Ferreira, Moraes, & Pinho, 2020），这导致凝胶连续三维网络结构发生不可逆损伤的临界应力值较低，即其屈服应力较低（Xu et al., 2024），从而限制了其应用范围（Guo et al., 2018）。

半乳甘露聚糖（GM）是一种中性水溶性多糖，常用于改善弱凝胶的凝胶性能。其主链由甘露糖单元组成，侧链由半乳糖单元组成（Chouana et al., 2017; Lesnichaya, Aleksandrova, Sukhov, & Rokhin, 2013; Prajapati et al., 2013）。根据来源不同，常见的GM有葫芦巴胶（FG）、塔拉胶（TG）、瓜尔胶（GG）和槐胶（LBG）（Xie, Yuan, Zhang, Wu, & Ai, 2023）。不同来源的GM在M/G比例上存在差异（Pawar & Lalitha, 2014）。

先前的研究表明，GM与蛋白质在不同M/G比例下的相互作用会影响相分离，从而影响中性pH条件下的凝胶形成过程（Brito-Oliveira et al., 2020; Monteiro & Lopes-da-Silva, 2017; Monteiro, Rebelo, B., & Lopes-Da-Silva, 2013; Tavares, Monteiro, Moreno, & Lopes da Silva, 2005）。此外，不同M/G比例的GM还会影响淀粉基凝胶和 shepherd's purse 凝胶的质地（Chen et al., 2025; Kang et al., 2024; Xie et al., 2023）。然而，这些研究主要关注GM的M/G比例对中性pH下不同基质凝胶的线性粘弹性和相分离现象的影响，而对GM的M/G比例对热诱导SPI凝胶的非线性屈服行为、触变性和结构恢复能力的影响关注较少。此外，SPI-GM凝胶中微观结构变化、水分分布和多尺度力学性质之间的关系尚未得到充分阐明。

因此，本研究探讨了不同M/G比例的半乳甘露聚糖对中性pH下热诱导大豆分离蛋白凝胶的流变性质、水分分布和微观结构的影响。通过系统地将线性和非线性流变性质与结构特征关联起来，我们旨在开发具有增强屈服应力、触变性和水分保持能力的SPI-GM复合凝胶，以应用于食品软材料。

材料

实验中使用的材料包括：SPI（干基蛋白质含量90.2%）、瓜尔胶（GG，M/G比例=1.62:1，分子量：4.3 × 10⁵ Da）和槐胶（LBG，M/G比例=3.89:1，分子量：3.1 × 10⁵ Da），均购自上海Aladdin生物技术有限公司（中国上海）；葫芦巴胶（FG，M/G比例=1.18:1，分子量：3.4 × 10⁵ Da）和塔拉胶（TG，M/G比例=2.74:1，分子量：3.5 × 10⁵ Da）购自浙江天河食品生物有限公司（中国温州）。

凝胶形成

图1显示了在不同半乳甘露聚糖（GM）添加下，SPI混合物在温度扫描过程中的储能模量（G′）和损耗模量（G′′）的变化。添加GM的SPI-GM混合物在加热阶段达到特定温度后G′增加，表明其凝胶化开始时间早于对照组，对照组仅在85°C时G′增加（见图1a）。在冷却阶段，所有混合物的G′在某个拐点后急剧上升。

结论

本研究系统分析了SPI-GM凝胶的流变性质，阐明了其机械行为与微观结构之间的关系。将GM加入SPI凝胶中可降低链的展开程度和初始凝胶化温度，而增加GM的M/G比例可提高凝胶的粘弹性和持水能力及强度。这些改进归因于与较高M/G比例相关的层状结构的形成和密度增加。

作者贡献声明

周向祺：撰写初稿、方法学设计、数据整理、概念构思。张秦：方法学设计。张燕：实验研究。兰天：实验研究。王静：实验研究。隋晓楠：撰写、审稿与编辑、监督。

未引用参考文献

Bird, Armstrong and Hassager, 1987

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：U22A20548）和海南省科技专项基金（项目编号：ZDYF2025XDNY065）的资助。同时，我们也感谢黑龙江省自然科学基金（项目编号：YQ2023C018）提供的优秀青年基金支持。