《Food Hydrocolloids》：Protein-Driven Interfacial Engineering Shapes Fat Networks and Mechanical Resilience in Frozen Colloids
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本研究探讨不同乳蛋白（WPI、MCC、MPC、SMP）在低剪切冷冻下对乳浊液多尺度网络形成及稳定性的影响，发现高密度蛋白系统（MCC、MPC）通过致密蛋白相维持结构，而低覆盖系统（WPI、SMP）依赖脂肪网络，蛋白质调控脂肪架构形成多尺度 hierarchy，为无乳糖冷冻产品设计提供机制指导。
周倩|范照义|孙宝晓|刘晓霞|张慧婷|胡金华|周鹏
江南大学食品科学与技术学院，中国江苏省无锡市214122
摘要
蛋白质在指导冷冻胶体系统的界面组装和层次结构形成中起着关键作用，然而蛋白质分子结构与宏观稳定性之间的机制联系仍不甚清楚。本文研究了不同的乳制品蛋白质——乳清蛋白分离物（WPI）、胶束酪蛋白浓缩物（MCC）、乳蛋白浓缩物（MPC）和脱脂奶粉（SMP）如何在低剪切力冷冻条件下调控无乳糖冷冻充气乳液的多尺度网络形成。蛋白质的结构和柔韧性调节了界面堆积与周围网络机械强度之间的关系。界面覆盖度较低的样品（WPI、SMP）通过形成广泛的脂肪聚集体网络来稳定乳液，而富含酪蛋白的样品（MCC、MPC）则依赖于致密的蛋白质基质，其宏观抗熔化能力主要由脂肪网络的大变形韧性决定，而非体积粘度。微观结构分析证实，蛋白质主导的脂肪架构模板决定了气泡的组织方式，并限制了冰晶的形成，从而建立了支撑结构完整性的多尺度层次结构。这些发现揭示了蛋白质驱动的界面工程作为控制网络形成和稳定性的主导机制，为设计新一代无乳糖、高蛋白冷冻甜点提供了机制框架。
引言
尽管蛋白质在决定胶体食品的结构和稳定性方面起着核心作用，但其在复杂多相系统中的界面行为仍不完全清楚（Goff等人，2025年）。在冰淇淋等冷冻充气乳制品中，蛋白质必须在多个界面上同时相互作用，包括空气-水、油-水和冰-水界面，在这些界面上它们会组装成非平衡网络（Murray，2020年）。冰核形成与生长、空气掺入与分散以及蛋白质吸附与重排等过程发生在不同的时间尺度上，但它们共同决定了产品的最终微观结构和宏观质地（Dickinson，2003年；Singh，2011年）。
蛋白质在界面上的行为受其分子结构、构象灵活性、疏水性和亲水性残基分布以及表面电荷的调控（Zhang等人，2022年）。小而移动的蛋白质能迅速扩散到界面，而较大或球形的蛋白质则迁移较慢，但可以形成更密集、更具弹性的界面膜，从而赋予机械强度（MacRitchie，1978年）。柔性蛋白质在吸附后容易展开，暴露出疏水基团，降低界面张力；而紧凑的球形蛋白质则需要更高的能量才能重新排列。表面电荷通过静电排斥调节液滴间的相互作用，影响聚集和乳液的稳定性（An & Zheng，2025年）。这些分子特性共同决定了界面膜的形成和整体流变性质，最终决定了各个尺度上的结构完整性（Zhang等人，2022年）。在其他软物质复合系统中，如聚合物和纳米结构多层组装中，也观察到了类似的结构-功能关系，其中界面组织在决定宏观功能方面起着决定性作用（Xu等人，2022年；L. Xu等人，2024年；Xu等人，2020年）。
在冰淇淋等冷冻充气系统中，这些分子效应的层次相互作用尤为明显，界面和整体结构紧密耦合。加热时，乳清蛋白分离物（WPI）会展开并聚集，形成弹性界面膜，稳定气泡（Zhou等人，2021年）。胶束酪蛋白浓缩物（MCC）由柔性胶体组装而成，在界面上有效扩散，形成连续的三维网络（de Groot等人，2025年；Yan等人，2024年）。乳蛋白浓缩物（MPC）结合了这两种特性，酪蛋白和乳清蛋白质通过巯基-二硫键相互作用交联，增强界面膜（Vasbinder & de Kruif，2003年）。相比之下，含有乳糖和矿物质的脱脂奶粉（SMP）可能会干扰蛋白质的扩散并改变乳清相的粘度，从而影响脂肪的聚集和空气的保持（Tvorogova等人，2023年）。这些界面吸附动力学、膜力学和整体流变性的差异最终决定了冷冻乳液的稳定性、部分聚集和抗熔化能力。
虽然高剪切力的工业加工可以掩盖这些由蛋白质主导的机制（Huppertz等人，2011年），但家用冰淇淋机的广泛使用以及对低能耗加工的日益关注强调了在低剪切条件下研究冷冻乳液的重要性。温和的加工方式可以观察到蛋白质分子结构的内在贡献，而不会受到强烈机械能量的干扰。此类研究揭示了单个蛋白质如何调控界面组装、网络形成和宏观稳定性，这在传统的工业剪切条件下是难以观察到的。尽管商业冰淇淋生产经过数十年的优化，大多数配方仍然依赖SMP作为多功能基础，其中成分的复杂性——由于蛋白质群体的异质性和非蛋白质固体的存在——可能会影响蛋白质的聚集动态和竞争性界面吸附，从而掩盖了特定蛋白质结构在指导结构方面的内在作用。在低剪切力、家庭适用的条件下重构无乳糖乳制品系统，为解析这些效应提供了独特的机会，揭示了控制胶体组装和稳定性的基本机制。在这些系统中，结构形成主要由蛋白质的内在界面活性和自组装能力驱动，而非机械能量输入。因此，了解去除乳糖如何改变蛋白质驱动的胶体演化过程既具有基础性意义，又直接关系到下一代无乳糖冷冻甜点的设计。
我们假设不同乳制品蛋白质的分子结构调控了界面组装和整体网络形成的动态，从而控制了无乳糖冷冻充气乳液的多尺度结构组织和宏观稳定性。为了验证这一假设，我们比较了WPI、MCC和MPC在低剪切力、无乳糖条件下的界面吸附、脂肪部分聚集、流变行为、微观结构和熔化特性。有意采用低剪切力实验设计作为简化模型系统，以将蛋白质驱动的界面组装和脂肪网络形成与剪切主导的破碎和重构分开，从而能够直接探究结构-功能关系。通过连接分子、界面和宏观尺度，本研究为高蛋白、无乳糖冷冻乳制品的合理设计建立了机制框架，为开发结构优化的无乳糖冷冻甜点提供了理论指导。虽然实验模型采用低剪切力、家庭适用的条件，但所识别的蛋白质驱动的组装机制是基本的且可转移的，因此在工业加工中仍然适用，其中剪切率和热历史主要调节网络发展的动力学和形态，而不是改变潜在的界面组织机制。
材料
脱脂奶粉（SMP；含乳糖54.5%，脂肪0.9%，蛋白质32.9%，矿物质7.9%，水分3.8%）来自Anchor（新西兰）。乳清蛋白分离物（WPI；含蛋白质90%，乳糖0%，脂肪0.86%，灰分2.42%，水分4.35%）来自Fonterra Co-operative Group Ltd.（新西兰）。胶束酪蛋白浓缩物（MCC；含蛋白质90%，碳水化合物0%，脂肪1.64%，灰分6.46%，水分5.76%）由Leprino Foods Co., Ltd.（美国）提供。乳蛋白浓缩物（MPC；含蛋白质85%）
流变特性
粘度是反映冰淇淋混合物流动阻力的关键参数，直接影响冷冻和搅打过程中的空气掺入和气泡稳定性。粘度过高的混合物会阻碍充气，而粘度过低的混合物则会破坏气泡膜的完整性并促进气泡聚集。因此，了解蛋白质分子结构如何调控流动行为对于优化无乳糖冷冻乳液的加工性能至关重要（
结论
本研究阐明了蛋白质分子结构如何调控无乳糖冷冻充气乳液的多尺度结构稳定性的机制途径。研究发现了一种基本的稳定性机制权衡：以酪蛋白为主的系统（MCC、MPC）通过致密的蛋白质富集连续相来实现稳定性，而界面覆盖度较低的系统（WPI、SMP）则通过广泛的脂肪网络来实现稳定性。
界面层
CRediT作者贡献声明
孙宝晓：形式分析。范照义：写作——审稿与编辑，软件处理。张慧婷：软件处理，方法学研究。刘晓霞：方法学研究，形式分析。周鹏：监督，概念构思。胡金华：写作——审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。周倩：写作——初稿撰写，形式分析
利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
胡金华和周倩感谢南阳理工大学的胡晓教授和卢勇博士提供的宝贵专业知识，这提升了我们对流变学的分析水平。本研究得到了国家自然科学基金（编号：32072240）的财政支持。
