《Food Research International》：Maillard conjugation of jackfruit seed protein by dextran: structural modulation toward enhanced gelation and 3D printing performance
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木薯种子蛋白通过麦拉尔反应修饰后，在pH9.0和JSP/dextran比例2:1时形成结构更优的凝胶网络，显著提升热诱导凝胶性能和3D打印性能，为热带种子蛋白的高值化应用提供新策略。
王宏|朱轩|侯一飞|吴彩欣|苗玉辉|陈凌云|Eang Chorney|黄照贤|江连洲
中国海南省海口市海南大学食品科学与工程学院海南省食品与功能性食品重点实验室，邮编570228
摘要
菠萝蜜种子是一种未被充分利用的热带副产品，其中含有营养价值高的蛋白质，但菠萝蜜种子蛋白（JSP）通常具有有限的热诱导凝胶化特性，这限制了其在基于凝胶和3D打印食品系统中的应用。通过美拉德反应，在中性（pH 7.0）和微碱性（pH 9.0）条件下，将JSP与右旋糖酐进行糖基化处理，同时改变JSP与右旋糖酐的比例。结构分析表明，在pH 9.0、JSP与右旋糖酐比例为2:1的条件下（9G-2），共价接枝与分散相关的界面性能达到了良好的平衡，同时伴随着构象组织和热响应的调节。9G-2的热诱导凝胶表现出增强的凝胶化性能，包括更高的持水能力、致密的均匀微观结构以及有利于挤出打印的粘弹性特性，这些都与凝胶网络中分子间相互作用的更优分布有关。基于挤出的3D打印实验进一步证明，当JSP蛋白浓度为6%和7%（w/w）时，9G-2凝胶能够形成光滑的丝状物，具有高形状保真度和良好的自支撑能力。总体而言，本研究阐明了反应pH值和JSP与右旋糖酐比例如何调节美拉德糖基化过程，进而影响JSP的凝胶网络结构及其在打印中的应用性能，为利用热带种子蛋白制造基于植物的食品提供了可持续的策略。
引言
来自可持续来源的功能性蛋白质是现代食品科学的重要推动力，这一领域受到日益严峻的环境压力、饮食变化以及对植物基蛋白质需求的推动（Singh等人，2023年）。在蛋白质的众多特性和功能中，其凝胶化作用以及形成粘弹性凝胶的能力尤为重要，这支持了从肉类替代品到三维（3D）食品打印等多种应用（Kim等人，2024年）。在这些先进应用中，打印结构的精确度、完整性和稳定性主要由蛋白质的凝胶化过程及形成的凝胶网络流变学决定（Lin等人，2023年）。同时，蛋白质的分子结构和分散相关特性（如溶解度）是网络形成的基础，从而影响后续的凝胶化性能。
大多数现有研究集中在大豆、豌豆和小麦等传统植物蛋白来源上，包括它们的凝胶化和3D打印应用（Akharume等人，2021年）。随着对植物基食品需求的持续增长，人们越来越关注超越传统作物的蛋白质资源多样化。在此背景下，农业工业副产品成为有前景的替代蛋白质来源，既具有功能性潜力，又具有可持续性优势。从椰子加工副产品（Yang等人，2024年）和油籽粕（Min等人，2022年）中回收的蛋白质经过适当结构修饰后，其功能性得到了提升。
在这些潜在的未充分利用的资源中，菠萝蜜（Artocarpus heterophyllus Lam.）种子尤其具有吸引力。菠萝蜜加工会产生大量种子废弃物，占其重量的8-15%，其中大部分被丢弃（Madruga等人，2014年）。这些种子含有大量的抗性淀粉（Santhosh & Sarkar，2022年）以及具有抗氧化和降压活性的植物化学物质（Ulloa等人，2017年）。值得注意的是，菠萝蜜种子含有约20%的干物质蛋白质，但目前这部分蛋白质几乎未被利用（Zhang等人，2019年）。开发这种蛋白质资源有助于减少浪费并实现生物质的价值化，同时为食品结构应用提供可再生、低影响的蛋白质来源。
菠萝蜜种子蛋白（JSP）具有相对均衡的氨基酸组成，尤其是赖氨酸含量较高（Zhang等人，2019年）。JSP主要由谷蛋白组成，其中含有丰富的疏水结构域和强非共价相互作用，导致其分子结构较为刚性且易于聚集（Ulloa等人，2017年）。因此，JSP的功能性较差，如溶解度低、凝胶化能力有限，严重限制了其在基于凝胶的结构和3D打印食品产品中的直接应用。这些固有的结构限制表明，需要从分子层面进行改性以释放JSP的功能潜力。
美拉德类型的蛋白质-多糖结合是一种强大、环保且无毒素的蛋白质改性方法。共价结合显著提高了蛋白质的溶解度、热稳定性、空间位阻和空间排斥作用，从而促进基于蛋白质的均匀、坚硬的凝胶网络的形成（Akharume等人，2021年）。作为中性且亲水的多糖，右旋糖酐能够有效改善水分保持能力并抑制蛋白质之间的相互作用（Spotti等人，2019年）。研究表明，与右旋糖酐的美拉德结合显著改善了植物蛋白（Duan等人，2025年）和乳蛋白（Karbasi等人，2019年）的功能性。美拉德结合的效率取决于反应条件，这些条件调节了氨基的可及性和反应性，以及多糖接枝所创造的空间环境。然而，对于像JSP这样容易聚集的蛋白质来说，目前尚不清楚反应pH值和蛋白质-多糖比例如何共同调节糖基化效率及随后的热诱导凝胶化行为，也不清楚可控的美拉德结合是否能够有效将JSP转化为适用于3D打印等新兴应用的功能性凝胶材料。
因此，本研究通过系统改变pH值（7.0和9.0）和JSP与右旋糖酐的比例，探讨了JSP与右旋糖酐的美拉德糖基化反应。在多个长度尺度上对糖基化引起的结构变化进行了表征，并评估了其对胶体行为、凝胶化特性、流变性能和基于挤出的3D打印的影响。这项工作揭示了JSP的结构-功能-可打印性之间的关系，并提出了一种将热带水果加工副产品转化为高价值、可打印食品生物材料的可持续策略。
材料
新鲜菠萝蜜（Artocarpus heterophyllus Lam.）种子从中国海南省海口市的当地市场购买。种子从成熟果实中手工分离后立即进行处理以供进一步使用。右旋糖酐（分子量约40 kDa）购自Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.（上海，中国）。蛋白质测定试剂盒（Bradford法）来自Yuanye Biotechnology（上海，中国）。本研究中使用的所有其他试剂和溶剂均为分析级。
菠萝蜜种子蛋白（JSP）的制备
菠萝蜜
糖基化程度（GD）和褐变强度
如图1A所示，GD和褐变强度均显著受到pH值和JSP与右旋糖酐比例（P < 0.05）的影响。在pH 9.0、JSP与右旋糖酐比例为1:1、2:1和3:1的条件下，样品的GD值分别为29.56%、33.07%和25.72%，显著高于pH 7.0条件下的值（24.08%、18.15%和21.50%）。褐变强度也表现出类似的趋势（图1B），在pH 9.0条件下的吸光度值（0.046、0.050和0.025）高于pH 7.0条件下的值。
结论
本研究开发了一种基于美拉德反应的糖基化策略，利用超声提取的菠萝蜜种子蛋白（JSP）和右旋糖酐来调节JSP的分子和超分子结构。在碱性条件下，Schiff碱的形成加速，共价接枝效率提高，从而实现了可控的部分展开、高度增强的微域流动性以及更紧凑的分子间连接网络的形成。在所有配方中，
CRediT作者贡献声明
王宏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，正式分析，概念构思。
朱轩：撰写 – 原稿，实验研究，正式分析，数据管理。
侯一飞：实验研究，数据管理。
吴彩欣：实验研究，数据管理。
苗玉辉：实验研究，数据管理。
陈凌云：撰写 – 审稿与编辑，方法学。
Eang Chorney：撰写 – 审稿与编辑，方法学。
黄照贤：监督，项目管理，资金支持
未引用参考文献
Alrosan等人，2022
Resendiz-Vazquez等人，2017
Shrestha等人，2023
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
本项目得到了海南大学研究启动基金（编号XJ2300006252）和海南省重点研发项目（编号ZDYF2025XDNY065）的支持。
