黄原胶与核桃蛋白的相互作用：丙酮酸基团对黄原胶侧链的影响

《Carbohydrate Polymers》：Xanthan gum-walnut protein interactions: The influence of pyruvate groups on xanthan gum side chains

本研究通过调节xanthan gum（XG）中吡咯基含量，探究其对XG与核桃蛋白（WP）相互作用的影响。结果表明，降低吡咯基含量显著降低增稠能力，而中等替代水平增强复合物弹性，分子模拟显示11S-XG结合亲和力最高。该研究为开发适合吞咽障碍患者的XG调控植物蛋白产品提供理论依据。

　　

安子诺（Zinuo An）|梁文生（Wensheng Liang）|刘振斌（Zhenbin Liu）|李宏波（Hongbo Li）|张佳怡（Jiayi Zhang）|姚立山（Lishan Yao）|田路（Lu Tian）|朱晓琳（Xiaolin Zhu）|莫海珍（Haizhen Mo）|胡亮斌（Liangbin Hu）

陕西科技大学食品科学与工程学院，中国西安，710021

摘要

了解黄原胶（XG）与植物蛋白之间的相互作用对于开发吞咽困难患者的饮食至关重要。XG是许多用于此目的的增稠剂的关键成分，在其中丙酮酸基团起着重要作用。尽管如此，人们对丙酮酸基团如何影响XG-蛋白相互作用的研究却很少。在本研究中，将核桃蛋白分离物（WP）与不同丙酮酸含量的XG样品（分别为4.42%、2.47%和0.17%，记为XG₁和XG₂）混合。丙酮酸含量的降低显著降低了增稠能力，粘度从32.85 Pa·s（XG）降至22.70 Pa·s（XG₁；减少了30.9%）和4.96 Pa·s（XG₂；减少了84.9%）。WP-XG混合物的粘度分别为30.87 Pa·s、18.43 Pa·s和4.95 Pa·s，表明在中等丙酮酸替代水平下弹性增强最为明显。宏观摩擦学研究表明，脱丙酮酸化后摩擦力增加（μ分别为0.51、0.64和0.65），而胶体结果则显示复合材料的表面电荷稳定（ζ电位为-38.00至-35.67 mV）。光谱和热分析支持了部分脱丙酮酸化时分子间网络最强的结论，分子模拟进一步表明存在依赖取代基和亚基的结合，其中11S-XG的亲和力最高（-8.9 kcal·mol^-1）。这项研究为开发具有理想性能的XG调控植物蛋白产品提供了理论基础。

引言

全球老年人口正在迅速增长，预计65岁及以上的人口比例将从2022年的10%上升到2050年的16%（Liu等人，2024年）。吞咽困难是一种与年龄相关的综合征，影响了10%至33%的老年人（Thiyagalingam等人，2021年）。一项基于EAT-10的调查报告指出，65-74岁人群中19.5%、75-84岁人群中26.6%、85岁及以上人群中45.0%存在吞咽困难，尤其是高龄人群的比例显著增加（Igarashi等人，2019年）。吞咽困难不仅增加了营养不良、脱水和吸入性肺炎的风险，还降低了老年人的生活质量（Banda等人，2022年）。随着全球人口老龄化加速，咀嚼和吞咽功能受损的人数也在迅速增加，从而对专门为吞咽困难患者设计的饮食和改良食品产生了巨大需求。

在针对吞咽困难患者的食品领域，基于植物蛋白的配方因其相对完整的氨基酸供应、较低的饱和脂肪含量以及含有多酚和膳食纤维等生物活性成分而备受青睐（Ma等人，2024年；Zhang等人，2025年；Zhou, Wang等人，2025年）。在各种植物蛋白中，核桃蛋白（WP）因其富含18种氨基酸和多种微量营养素（如生物活性肽）的营养组成而脱颖而出，适用于制备软凝胶、稳定乳液和改善持水能力（Li等人，2023年；Ma等人，2024年）。鉴于这些营养和功能特性，WP可能是一种有前景的植物蛋白，可用于开发吞咽困难患者的饮食（Li等人，2023年；Qin等人，2024年；Rajaram等人，2017年）。

在适合老年人的易吞咽食品中，黄原胶（XG）被广泛使用，主要是因为其显著的增稠和剪切稀化特性、对唾液酶的稳定性以及对酸性和碱性条件的耐受性（Yabe等人，2025年）。值得注意的是，0.6%和0.8%（w/v）的XG溶液在50 s^-1下的表观粘度分别为280 mPa·s和733 mPa·s，这表明可以通过调整浓度来达到临床相关的粘度水平（Yang等人，2024年）。作为对比，2.0%（w/v）的苹果果胶的粘度为258 mPa·s，而XG-果胶复合材料可以进一步改变粘度和粘弹性。此外，XG和羧甲基纤维素（CMC）溶液在加入唾液后表现出相似的稳定稳态剪切粘度，但在口腔加工相关的拉伸行为上有所不同，XG通常表现出更明显的剪切稀化和类固体流变特性（Choi等人，2014年；Wang等人，2021年）。与基于淀粉的增稠剂相比，XG对唾液酶的稳定性更好，且不易降解。它已成为专门为吞咽困难患者设计的增稠剂的核心成分，例如日本的“Softias”和美国的“ThickenUP”。市场报告通常将吞咽困难增稠剂分为基于淀粉和基于胶的产品，并估计基于胶的增稠剂占吞咽困难饮食增稠剂市场的45%（《吞咽困难饮食增稠剂市场》，2025至2035年市场规模和份额预测）。值得注意的是，由于其良好的稳定性和吞咽性能，XG在基于胶的增稠剂中得到广泛应用（Hadde等人，2021年）。XG已被用于改良多种适合吞咽困难患者的食品的吞咽特性，如树莓粥（Charoensri等人，2024年）、蔬菜混合物（Hassan等人，2024年）和猪肉（Dick等人，2020年）。XG是一种由Xanthomonas campestris产生的细胞外多糖；其主链由β-(1→4)-D-葡萄糖组成，每隔一个葡萄糖残基在O-3位置连接有一个由D-甘露糖-D-葡糖醛酸-D-甘露糖组成的三糖侧链，其中内部的甘露糖通常在O-6位置被乙酰化，末端甘露糖在C-4/C-6位置可以被丙酮酰化（Liu, Chen等人，2025年；Liu, Li等人，2025年）。XG中的丙酮酸残基主要分布在约30-40%的末端甘露糖单元上，其比例取决于生产菌株、环境和后续的化学修饰（Abbaszadeh等人，2015年）。位于螺旋外部的丙酮酸基团可以延长侧链并增加负电荷密度，从而显著影响XG的分子构象及其与其他物质的相互作用（Wu等人，2019年）。例如，丙酮酸显著影响XG与胶体物质（如魔芋葡甘露聚糖KGM）的相互作用（Qiao等人，2023年）。根据XG的构象转变温度（受丙酮酸基团影响），XG可以通过螺旋或无规卷曲构象与KGM相互作用（Abbaszadeh等人，2015年；Qiao等人，2023年）。关于KGM/XG系统的研究表明，根据丙酮酸含量存在两种结合类型——A型和B型（Qiao等人，2024年）。总之，XG中的丙酮酸基团对其构象转变、剪切稀化行为及其与其他胶体物质的相互作用至关重要（Cheetham & Nik Norma，1989年；Wu等人，2019年）。

XG在许多植物蛋白凝胶食品中起着关键作用，例如大豆蛋白-XG系统可以抑制蛋白质聚集并改善凝胶化/增稠效果（Wang等人，2025年），鹰嘴豆蛋白-XG系统可以优化混合凝胶的流变性和质地（Shaabani等人，2018年）。在初步研究中，我们观察到XG通过减少口腔和喉咙中的滞留感和粘附感，一致改善了由WP、豌豆蛋白和可食用真菌等成分制成的食品的咀嚼和吞咽便利性（Liu, Chen等人，2023年；Xing等人，2022年）。尽管许多研究表明XG通过非共价力（静电、氢键、疏水作用）或空间阻碍或共价键与蛋白质相互作用，这些作用受到多糖电荷密度和构象的显著影响（Cortez-Trejo等人，2022年；de Jong & van de Velde，2007年），但人们对丙酮酸或乙酰基团对黄原胶分子侧链的影响了解较少。丙酮酸基团通过羧基解离增加了多糖的整体电荷密度，并由于其位于侧链末端，显著改变了电荷的空间分布和体积，从而调节了XG的物理化学性质和构象（Abbaszadeh等人，2015年；Erten等人，2014年）。因此，可以合理推测丙酮酸基团对XG-蛋白相互作用及由此产生的凝胶性质有显著影响。然而，尽管关于XG-蛋白系统的文献很多，但明确探讨丙酮酸基团如何调节这些相互作用的研究仍然很少。据我们所知，只有一篇文献报道将XG中的丙酮酸含量从5.20%降至0.10%会显著改变XG-豌豆蛋白凝胶的流变性和吞咽相关性质：当NaCl浓度从0升至0.8 mol/L时，硬度分别下降了93.8%和62.3%（Liu, Chen等人，2025年），但背后的相互作用机制尚不清楚。阐明这种依赖丙酮酸的相互作用的分子基础对于定制适合吞咽困难患者的植物蛋白食品的质地和安全性至关重要。我们假设降低XG中的丙酮酸含量可以调节其电荷密度和构象，从而重新分配其与7S和11S核桃蛋白亚基之间的结合，并在各个尺度上重组WP-XG网络，中等丙酮酸含量可以产生具有最强弹性、稳定小复合材料和平衡润滑性的WP-XG结构。

在本研究中，基于我们之前的发现，即丙酮酸基团显著影响XG-植物蛋白复合凝胶的性质及其咀嚼和吞咽特性，我们进一步使用WP作为代表来研究其背后的机制。我们制备了不同丙酮酸含量的XG系列，并与WP以受控的比例和pH值混合。我们评估了pH依赖的稳定性和胶体特性（浊度、DLS、ζ电位）、分子结构和构象（FTIR、TGA、圆二色性、内在荧光）、整体流变性和宏观/微观尺度润滑性（销盘法、摩擦力显微镜）。还通过对接和分子动力学研究了WP与天然XG和完全脱丙酮酸化XG之间的结合机制。这项工作旨在为开发具有理想质地和吞咽特性的XG调控植物蛋白产品提供理论基础。

材料

核桃蛋白（WP）购自中国陕西省西安市西安国豪生物技术有限公司；其组成为95.09%的蛋白质、1.20%的灰分和3.00%的水分。黄原胶（XG）购自中国山东省福丰集团有限公司，水分含量为7.3%，纯度为99%，总氮含量为0.5%，灰分为10.7%。溴化钾和无水乙醇（分析级）购自中国上海市Macklin生化有限公司。草酸购自Kermel Chemical Reagent Co.

稳态剪切行为和表观粘度

粘度是分子内和分子间摩擦的宏观表现，摩擦力越大，粘度越高。XG的分子摩擦由其结构和构象决定，这两者共同决定了链的持久长度（Brunchi等人，2014年；Liu, Li等人，2025年）。如图1A所示，所有系统在低剪切速率下都表现出明显的剪切稀化现象，随着丙酮酸基团的逐步去除，表观粘度依次降低

结论

本研究阐明了XG中的丙酮酸含量如何控制WP复合物的多尺度行为。首先，降低丙酮酸含量降低了粘度和动态模量，使行为趋向于粘性；添加蛋白质在中等替代水平下恢复了应变弹性。其次，随着丙酮酸的去除，构象转变温度升高，而在蛋白质结合后进一步上升。摩擦学研究表明，脱丙酮酸化后宏观摩擦力增加，而FFM显示...

CRediT作者贡献声明

安子诺（Zinuo An）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，概念化。梁文生（Wensheng Liang）：正式分析，数据管理。刘振斌（Zhenbin Liu）：监督，资金获取。李宏波（Hongbo Li）：软件，方法学。张佳怡（Jiayi Zhang）：方法学。姚立山（Lishan Yao）：正式分析。田路（Lu Tian）：软件，正式分析。朱晓琳（Xiaolin Zhu）：软件，资源。莫海珍（Haizhen Mo）：验证，监督。胡亮斌（Liangbin Hu）：可视化，验证，监督。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢陕西省重点研发计划（2025QCY-KXJ-078）和陕西省农业科技创新项目（NYKJ-2025-(XA)05）的财政支持，使我们能够进行这项研究。