《Current Research in Food Science》：Enhanced gelling properties in fish gelatin by refined and semi-refined κ-carrageenan
编辑推荐：
本研究针对鱼明胶凝胶性能不足的瓶颈问题，通过系统比较精制与半精制κ-卡拉胶的改性效果，揭示了硫酸基含量对凝胶增强的关键作用。研究发现高硫酸基含量的精制κ-卡拉胶可通过促进氢键与疏水相互作用，构建更致密凝胶网络，为功能性亲水胶体分子设计提供理论依据。
鱼明胶作为哺乳动物明胶的理想替代品，因其符合特定宗教文化需求且来源可持续而备受关注。然而，鱼明胶中脯氨酸和羟脯氨酸含量较低，导致其难以形成稳定的三螺旋结构，凝胶性能远逊于哺乳动物明胶。这一缺陷严重限制了鱼明胶在食品、医药和化妆品等高附加值领域的应用。为解决这一难题，研究人员尝试通过多糖改性等绿色手段提升鱼明胶的凝胶性能，其中κ-卡拉胶因其优异的凝胶能力和生物相容性成为研究热点。但现有研究多聚焦于不同类型卡拉胶的改性效果，对精制程度差异（如半精制SC与精制RC）引起的组成变化（如硫酸基含量、杂质水平）及其与改性效能的关联机制尚不明确。
为系统解析SC与RC对鱼明胶凝胶特性的差异化影响机制，研究团队以罗非鱼鱼明胶为基质，分别添加不同浓度（0.05%-0.2%）的SC和RC制备复合凝胶体系。通过凝胶强度测定、质构分析、流变学测试等手段评估宏观性能，并结合硫酸基含量定量、化学作用力分析、Zeta电位与粒径测定、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等微观技术揭示结构演变规律。
关键技术方法
研究通过凝胶强度测定和质构剖面分析（TPA）评估宏观力学性能；采用流变学温度扫描与表观粘度测试表征凝胶形成过程及流变特性；利用钡 chloride-明胶法量化SC与RC的硫酸基含量；通过尿素和SDS（十二烷基硫酸钠）选择性破坏实验解析氢键与疏水相互作用贡献；结合Zeta电位/粒径分析、FTIR、XRD和SEM从电荷特性、分子构象、晶体结构及微观形貌多尺度阐明机制。
3.1. 凝胶强度
SC与RC均能显著增强鱼明胶凝胶强度（p < 0.05），但作用趋势迥异：SC在0.15%浓度时达到峰值（489.47±9.71 g），过量添加反而导致强度下降；而RC的增强效果呈浓度依赖性，0.2%添加时凝胶强度升至584.84±14.31 g。进一步扩展浓度实验表明，RC在0.8%时强度可达1137.16±3.78 g。这种差异归因于SC中较高的杂质含量（31.43%）干扰有效相互作用，而RC的高纯度（杂质19.46%）与高硫酸基含量为其优势奠定基础。
3.2. 质构剖面分析
RC改性凝胶的硬度、胶黏性和咀嚼性均显著优于SC组（p < 0.05），0.15% RC添加时硬度达1255.05±35.49 g。但两组样品的弹性与内聚性无显著变化，表明鱼明胶自身弹性主导了凝胶的恢复特性，卡拉胶的引入主要强化网络刚性而非改变弹性本质。
3.3. 流变学行为
温度扫描显示，随SC/RC浓度增加，复合体系的储能模量（G′）和损耗模量（G″）显著提升，凝胶化温度与熔化温度同步升高。RC组的热稳定性更优，0.1%添加时凝胶化温度已达21.13±0.13°C，超越SC组0.2%添加的效果（21.02±0.07°C）。表观粘度测试中，所有样品均呈现剪切稀化行为，且RC改性体系在相同剪切速率下粘度更高，证实其分子间相互作用更强。
3.4. 硫酸基含量测定
RC的硫酸基含量（23.25%）显著高于SC（19.95%）。数据拟合分析表明，硫酸基含量与改性鱼明胶的凝胶强度、硬度、凝胶化温度及熔化温度均高度相关（R2=0.99），明确硫酸基为关键调控因子。
3.5. 化学作用力分析
尿素破坏实验显示氢键是凝胶主要稳定力，但高浓度SC/RC下氢键作用略有减弱。值得注意的是，RC在0.2%浓度时疏水相互作用显著增强，补偿了氢键的弱化，成为维持高凝胶强度的主导机制；而SC组无此现象，揭示RC可通过机制转换实现更广浓度范围内的有效改性。
3.6. Zeta电位与粒径分析
SC/RC的引入均使鱼明胶Zeta电位降低，SC组电位中和更显著（-0.38±0.10 mV），可能与其杂质携带的负电荷有关。粒径分析表明复合体系形成大分子聚集体，SC组粒径峰值（1791.56±109.30 nm）略大于RC组（1672.00±67.73 nm），但过高浓度时聚集体尺寸回落，暗示聚集形态重组。
3.7. FTIR光谱分析
酰胺A带（～3400 cm-1）的红移证实SC/RC增强了氢键网络，但高浓度时因空间位阻效应导致氢键减弱。RC组在疏水作用强化下仍保持高凝胶强度，印证其多机制协同优势。酰胺I带（～1640 cm-1）蓝移提示β-折叠结构增加，分子构象适应性调整。
3.8. X射线衍射分析
所有样品在8°和20°处显示特征衍射峰，分别对应三螺旋结构和左旋螺旋。随SC/RC浓度增加，8°峰强度降低，表明三螺旋含量减少。RC虽更显著抑制螺旋形成，但其通过强静电交互与链缠结物理强化，仍实现凝胶性能提升，凸显硫酸基介导的静电相互作用主导增强效应。
3.9. 微观结构分析
SEM显示RC改性凝胶网络更致密均匀，0.15%浓度时孔径最小；而SC组高浓度下出现结构松散与不均匀现象，与杂质干扰结论一致。
研究结论与意义
本研究通过多尺度分析阐明精制κ-卡拉胶（RC）相较于半精制产品（SC）在增强鱼明胶凝胶性能方面的显著优势。RC的高硫酸基含量（23.25%）和低杂质特性使其能通过静电作用高效促进分子交联，并在高浓度下触发疏水相互作用主导的机制转换，有效补偿氢键弱化，构建稳健凝胶网络。该发现不仅为鱼明胶改性提供了优选策略，更建立了硫酸基含量与凝胶性能的定量关联模型，为功能性亲水胶体的分子设计提供了可预测的理论框架。论文发表于《Current Research in Food Science》，对食品工业开发高性能胶体配料、降低生产成本（SC价格仅为RC的2/3）具有重要指导意义，同时为医药、化妆品领域的载体材料创新提供了新思路。
