没食子酸包封技术改变了钙诱导的杰克豆蛋白冷凝胶的流变学、结构和功能特性

《Food Control》：Gallic acid encapsulation modulates the rheological, structural and functional properties of calcium-induced jack bean protein cold-set gels

冷-set凝胶通过调节CaCl2浓度和添加鞣酸（GA）优化杰克豆蛋白（JP）的凝胶结构及功能，高浓度CaCl2增强凝胶弹性模量，而GA的引入降低摩擦系数并提升GA保留率（56.1%）。微观结构显示10 mM CaCl2诱导的JP凝胶具有更均匀的聚集结构，而GA浓度影响凝胶致密性。体外消化证实10 mM CaCl2/JP凝胶释放GA更高效，且分子对接表明GA与JP主要通过氢键和静电作用结合。

　　

Feyisola Fisayo Ajayi|Kwan-Mo You|Sajid Maqsood|Da Chen

普渡大学食品科学系，美国印第安纳州西拉斐特市农业商城大道745号，邮编47907

摘要

由植物蛋白制成的冷凝胶是生物活性物质的理想载体，但目前尚不清楚包封剂对凝胶结构和性能的影响。本研究中，以没食子酸（GA）作为模型包封剂，使用变性杰克豆蛋白（JP）作为凝胶前体，并加入10或20 mM的CaCl₂来形成冷凝胶。流变学实验表明，20 mM CaCl₂诱导的凝胶具有更高的储存模量（G′），而加入GA后，G′有所降低。摩擦学测量结果显示，GA的包封作用降低了10 mM和20 mM CaCl₂诱导的凝胶的摩擦系数。在含有0.05% GA的20 mM CaCl₂诱导的凝胶中，GA的保留率最高（56.1%），这归因于分子间相互作用的增强以及更紧密的凝胶结构的形成；而10 mM CaCl₂诱导的凝胶则表现出更好的持水能力。扫描电子显微镜观察发现，10 mM CaCl₂诱导的JP凝胶中存在较小且更均匀的聚集体，而GA含量较高的凝胶则形成了更粗糙但更紧密的网络。体外消化实验显示，10 mM CaCl₂/JP凝胶具有更高的GA释放率和抗氧化活性。分子对接分析表明，GA与JP之间的相互作用主要是通过氢键和静电作用实现的。这些发现表明，不同的CaCl₂和GA浓度可以系统地调节JP冷凝胶的物理化学和功能特性，支持其作为可定制的基质用于酚类化合物的包封和缓释。

引言

随着人们对健康生活方式的重视日益增加，将天然、有益健康的化合物纳入饮食中的兴趣也随之增强。其中，作为植物次生代谢产物的多酚类化合物因其已知的生物活性（Sahraeian, Rashidinejad, & Golmakani, 2024）和广泛的可用性（Catalkaya et al., 2020; Yoshioka, Ohishi, Nakamura, Fukutomi, & Miyoshi, 2022）而受到特别关注。没食子酸（GA）是一种典型的酚类化合物，具有抗氧化、抗炎、抗真菌和抗肿瘤活性（Hazrati & Madadlou, 2021）。然而，像许多酚类化合物一样，GA在光照、高温和碱性条件下会降解（Oliver, Vittorio, Cirillo, & Boyer, 2016），这可能会影响其加工过程中的生物活性。直接将其添加到食品中还可能带来明显的苦味和涩味（Hazrati & Madadlou, 2021），从而限制消费者的接受度。

包封技术可以保护酚类化合物免受氧化和降解，从而保持其生物活性并减少不良风味（Chen, Zhao, Bao, & Liang, 2024）。传统的包封方法，如乳化、复合凝聚和喷雾干燥被广泛使用（Jia, Dumont, & Orsat, 2016），但这些方法通常需要较高的能量输入、热处理和/或专门的过程控制。冷凝胶作为一种有前景的替代方案，为热敏感和氧敏感的生物活性化合物提供了多孔的包封基质（Cao, Wang, Lin, Ding, & Han, 2024; Hazrati & Madadlou, 2021）。在冷凝胶化过程中，蛋白质通常首先在远低于其等电点的pH值下进行热变性，然后通过酸（Cao & Xiong, 2017; Xu & Zhou, 2024）、金属离子（Zhang, Chen, & Campanella, 2024）或酶促凝集剂（Liu et al., 2024）等试剂引发凝胶化。钙离子是有效的交联剂，因为它们可以中和蛋白质上的静电排斥力并连接相邻的负电荷位点，促进三维网络的形成（Chen et al., 2024; Kuhn, Cavallieri, & da Cunha, 2011; Zhang et al., 2023）。钙离子的浓度直接决定了最终凝胶的粘弹性和功能性。低浓度的CaCl₂由于交联不足会产生较弱的凝胶（Chen et al., 2024），而过量的CaCl₂则会导致形成大的、粗糙的聚集体（Xiao et al., 2021），从而在最终凝胶中产生裂纹（Yang et al., 2022）。这种浓度依赖性行为在大豆（Lu, Lu, Yin, Cheng, & Li, 2010）和乳清蛋白（Hongsprabhas & Barbut, 1997）的冷凝系统中也有报道。

除了钙离子外，酚类化合物的存在也会影响植物蛋白的凝胶化过程。例如，在酸性和中性环境中向豌豆蛋白中添加酚类化合物会削弱凝胶的强度（Chen, Stone, Ilavsky, & Campanella, 2024）。从葵花籽蛋白中去除酚类化合物后，凝胶的强度会增加（Malik & Saini, 2017）。然而，在葵花籽蛋白中也有相反的观察结果，即在碱性条件下，酚类化合物以剂量依赖的方式增强了凝胶的强度（Jia, Sethi, van der Goot, & Keppler, 2022）。尽管如此，大多数关于酚类化合物对植物蛋白凝胶化影响的研究都集中在热凝胶化系统上，而关于冷凝胶化的信息仍然有限。迄今为止，只有少数研究探讨了酚类化合物在冷凝胶中的相互作用，主要是通过姜黄素和绿原酸在斑豆蛋白（Aliabbasi, Emam-Djomeh, Askari, & Salami, 2021）和榛子蛋白冷凝胶（Wang et al., 2025）中的包封作用。然而，在这些研究中，冷凝胶化是通过葡萄糖酸δ-内酯（GDL）而非Ca²⁺介导的交联来实现的。这两种方法依赖于不同的凝胶化机制，这可能限制了从GDL诱导系统得出的结论直接应用于Ca²⁺诱导的凝胶。因此，阐明酚类化合物对Ca²⁺诱导的植物蛋白冷凝胶化的影响至关重要。

杰克豆蛋白（JP）来自Canavalia ensiformis，是一种未充分利用的豆类蛋白来源，富含天冬氨酸和赖氨酸、精氨酸等碱性氨基酸，其表面疏水性和油结合能力优于大豆蛋白（Costa et al., 2025）。杰克豆的主要储存蛋白是vicilins（约29–33 kDa）和11S型legumins（约19 kDa）（Ajayi, Mudgil, & Maqsood, 2024），这两种蛋白都具有热诱导的凝胶化能力（Ajayi et al., 2024; Costa et al., 2025）。与大豆蛋白和豌豆蛋白相比，JP含有更高比例的非极性氨基酸，这可能为疏水相互作用提供更多的位点（Costa et al., 2025），这是稳定蛋白质凝胶网络的主要分子力之一。此外，植物蛋白中疏水残基和带电残基的平衡分布已被证明有助于离子诱导的凝胶化过程中的蛋白质-蛋白质相互作用（Shen, Du, Wu, & Li, 2022）。尽管具有这些有利特性，但JP作为生物活性化合物包封基质的潜力尚未得到充分探索。因此，我们假设JP中疏水残基和带电残基的平衡分布有助于增强Ca²⁺诱导的冷凝胶的形成。

在本研究中，首先提取并搅拌变性杰克豆蛋白以生成冷凝胶化的前体，然后加入0.05-0.2%（w/w）的GA。通过使用10 mM或20 mM的CaCl₂来引发凝胶化。对所得到的冷凝胶进行了流变学、摩擦学、微观结构和持水能力的表征。还评估了蛋白质的消化率、GA的保留率和生物可利用性。通过分子对接预测了GA和JP之间的潜在相互作用位点和分子力。本研究的结果突显了JP作为冷凝胶形式的功能性营养素载体的潜力。

材料

没食子酸（纯度>98%以上）、氯化钾、2,2-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（ABTS）、1,1-二苯基-2-吡啶基肼（DPPH）、Trolox（纯度97%）购自Fisher Scientific（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。分析级o-苯甲醛（OPA）、氯化钙（CaCl₂）、十二烷基硫酸钠（SDS）、2-巯基乙醇、盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）和无水甲醇购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。

冷凝胶的振幅、频率和流动扫描

使用10 mM CaCl₂诱导的冷凝胶形成了自支撑结构（图1a）。当在凝胶化前加入没食子酸（GA）时，所有GA浓度下的凝胶都更呈液态。这一趋势与先前的观察结果一致，即多酚类化合物会通过破坏网络连续性来削弱豌豆蛋白的凝胶化（Chen et al., 2024）。在杰克豆蛋白冷凝胶中，这种削弱效应更为明显。

结论

总之，本研究开发了基于杰克豆蛋白的冷凝胶，用于包封没食子酸（GA）。增加CaCl₂浓度增强了凝胶的强度，而加入GA则产生了相反的效果。高离子交联促进了有效的包封和GA的保留，主要是由于更强的蛋白质-蛋白质相互作用和更密集的网络结构。过量的GA会导致形成大的聚集体和更密集的微观结构，从而对凝胶的性能产生负面影响。

利益冲突声明

作者声明本研究不存在利益冲突。

作者贡献声明

Kwan Mo You：撰写——审稿与编辑、方法学、数据分析。Feyisola Fisayo Ajayi：撰写——初稿、方法学、实验设计、数据分析、数据管理。Da Chen：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。Sajid Maqsood：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金获取

未引用参考文献

Chen et al., 2024.

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢阿联酋大学通过AUA-UAEU奖学金（12R300）提供的博士奖学金支持，以及Good Food Institute（授权号：22-PB-US-FCA-1-333）提供的财务支持，用于购买一些化学品和消耗品。