干燥温度引起的蛋白质构象变化对豌豆淀粉与螺旋藻复合凝胶中分子间相互作用及凝胶化过程调控的影响

《Carbohydrate Polymers》：Impact of drying temperature-induced protein conformational changes on the regulation of intermolecular interactions and gelation in pea starch- Spirulina composite gel

豌豆淀粉-螺旋藻复合凝胶的干燥工艺优化及其机理研究。采用真空冷冻干燥等五种方法处理螺旋藻，探究其对豌豆淀粉凝胶持水性（4.96 g/g）、咀嚼性（29.78 gf）及感官品质（4.51）的影响。研究表明低温干燥（VFD）通过保留β-折叠结构（30.55%）和形成g-g-g共价网络（44.99%），显著提升凝胶弹性模量（G′）和水分分布特性（T??=21.05 ms）。

　　

苏克瑞|史秉宇|赵安琪|张北晓|范志豪|穆罕默德·乌斯曼|王琦|段学静|董汉宇|阿耶莎·沙希德|徐静亮

郑州大学化学工程学院，中国郑州，450001

摘要

为了解决豌豆淀粉凝胶质地较弱和快速回溶的问题，本研究探索了使用螺旋藻作为蛋白质增稠剂。研究了五种低至高温的生物质干燥方法（真空冷冻干燥（VFD）、喷雾干燥（SD）、真空干燥（VD）、热风干燥（HAD）和微波干燥（MD），以了解它们对复合凝胶结构特性的影响。结果证实，干燥温度对蛋白质完整性和凝胶功能具有关键作用。低温干燥（VFD）产生的可溶性蛋白质含量最高（345.49?mg/g），并且具有优异的持水能力和持油能力（WHC：4.96?g/g，OHC：6.97?g/g）。VFD过程中天然蛋白质构象的保持（β-折叠片=30.55%；α-螺旋=20.36%）使得复合凝胶致密均匀，具有最佳的咀嚼性（29.78 gf）、最高的感官接受度（4.51）、理想的水分分布（T??=21.05?ms；A??=92.41%）、最高的弹性模量（G′）和最低的tan δ值。此外，VFD凝胶的峰值粘度（2918.85?cP）低于MD凝胶（4189.90?cP）和对照凝胶（4305.23?cP），这有助于通过抑制淀粉膨胀、疏水相互作用驱动的网络形成以及随后的氢键和有序二硫键（g-g-g=44.99%）稳定来形成以蛋白质为主的弹性网络。本研究为开发高性能淀粉凝胶提供了合理的策略。

引言

豌豆淀粉作为一种成本效益高的凝胶剂，在植物性食品中受到了广泛关注。然而，由于其高直链淀粉含量，豌豆淀粉往往因快速回溶、稳定性差和抗剪切稀化能力弱而难以实际应用。对豌豆淀粉的改性是当前研究的重点领域（He, Dai等人，2023年），以调节基于淀粉的凝胶的结构特性。在这方面，多糖-蛋白质组合已被广泛研究（Cheng等人，2024年；Karimi等人，2025年）。添加外源蛋白质有效地改善了淀粉的保水性、凝胶形成能力和质地（Wang, Ge等人，2025年），因为这调节了分子间力、疏水相互作用、二硫键和氢键（Zou等人，2025年）。尽管淀粉-蛋白质相互作用的重要性得到了广泛认可，并且已有大量研究集中在大米蛋白-大米淀粉（Wu等人，2023年）、豌豆蛋白-豌豆淀粉（Kuang等人，2025年）和大豆蛋白-玉米淀粉（Zhao等人，2025年）的组合上，但相关研究仍主要限于传统植物资源。

螺旋藻作为一种非传统的天然蛋白质膳食纤维，最近在多糖系统的改性中受到了关注（Fan等人，2025年）。例如，向小麦粉中添加2%的螺旋藻后，由于B/C-LMS、HMS和β-折叠片蛋白含量的增加，小麦面条的硬度从4893 gf提高到6937 gf，抗拉强度从244.5 gf提高到464.2 gf（Su等人，2024年）。同样，Jia等人（2025年）报告称，向大米淀粉中添加2–6%的小球藻和螺旋藻有助于形成致密的凝胶结构，但浓度增加（8–12%）会因降低粘弹性而削弱凝胶结构。

需要注意的是，复合凝胶的多糖-蛋白质相互作用以及最终的质地特性和流变性能受螺旋藻构象状态的控制（Gao等人，2022年）。作为温度敏感化合物，螺旋藻的蛋白质含量可能会发生热诱导的构象变化。因此，在生物质干燥过程中的温度和加工条件的差异可能对螺旋藻蛋白质的营养和结构特性产生不利影响。Ahmed和Kumar（2022年）观察到，高压干燥可以通过破坏细胞壁有效地将微藻的液态悬浮行为转化为固态凝胶行为。同样，Van De Walle等人（2024年）报告称，搅拌薄膜干燥小球藻可以有效改善其凝胶化、溶解性和持水能力，而冷冻干燥则更有利于保持蛋白质和多糖含量。Wang, Yin等人（2023年）进一步报告称，对螺旋藻悬浮液进行热预处理后进行高速剪切均质化，可以通过诱导形成致密均匀的多糖-蛋白质网络来有效提高水凝胶的硬度和紧凑性。这些研究强调了加工条件在调控微观特性方面的重要性。然而，研究人员尚未建立植物淀粉糊化行为与微藻理化性质之间的因果关系。这将为豌豆淀粉复合凝胶的结构改进提供关键信息。

基于此，本文假设通过添加螺旋藻可以改善豌豆淀粉凝胶的糊化行为和流变性能，而多糖-蛋白质分子间作用的强度将取决于螺旋藻的理化性质。为了阐明豌豆淀粉-螺旋藻复合凝胶的凝胶化特性，本研究独特地阐明了温度诱导的二级和三级结构变化如何影响分子间作用的分子机制。随后，研究了这些作用对多糖-蛋白质网络、质地特性、流变行为和水分分布的影响。本研究的结果为开发新型、可持续且功能优越的纯素食品产品提供了重要基础。

材料

新鲜的螺旋藻（编号2020000103）来自郑州大学化学工程学院的内部培养设施。商业食品级豌豆淀粉（CAS编号：9005-25-8，批次编号：31637，许可证编号：SC.12341072600083）从上海新亮生物技术有限公司（中国上海）购买。该淀粉符合GB/T 38572–2020《食用豌豆淀粉》的标准。为了确保实验基底的质量，对淀粉进行了详细表征

螺旋藻粉末的颜色特性

色度测量和叶绿素含量（图1A, B）显示与干燥温度有直接相关性。在所有测试的干燥方法中，VFD提供了最高的颜色保护，样品呈现最亮和最绿色的颜色（52.35?L*，?27.39?a*，24.42?b*），以及最小的ΔE值（56.18），这直接对应于该样品的高叶绿素含量（5.82?mg/g）和叶绿素/b比率（2.60），表明色素降解最小。这与（Zhao等人，2025年）的研究结果一致

结论

本研究证实了豌豆淀粉的分子间相互作用模式/凝胶化行为与温度诱导的蛋白质构象变化之间的直接相关性。低温干燥（VFD）下的受控展开有助于保持β-折叠片结构、稳定的g-g-g构象和丰富的活性巯基团，这些成分通过两阶段凝胶化机制支持稳定且均匀的蛋白质-多糖网络的形成

CRediT作者贡献声明

苏克瑞：撰写——原始草稿，可视化，方法学，研究，正式分析。史秉宇：软件，数据管理。赵安琪：撰写——审阅与编辑，监督。张北晓：撰写——审阅与编辑。范志豪：软件，正式分析。穆罕默德·乌斯曼：正式分析，数据管理。王琦：撰写——审阅与编辑。段学静：撰写——审阅与编辑。董汉宇：撰写——审阅与编辑。阿耶莎·沙希德：撰写——审阅与编辑，监督，

未引用的参考文献

Guo等人，2025

Sun和Xiong，2014

Tan等人，2017

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报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2025YFE0120700）、河南省重点研发项目（251111310200）、河南省重点研发计划（242102321053）以及牧源实验室基金会（12116022401和N12116522401）的支持。