《Food Hydrocolloids》：From gels to high-moisture extrudates: pH and 11S:7S globulin ratio govern multiscale structure formation
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为探究高水分挤出（HME）生产植物基肉类产品时，大豆蛋白分离物和浓缩物的结构形成机理，研究人员通过小角散射和流变学等技术，系统研究了pH值和11S与7S球蛋白比例对热致凝胶多尺度聚集路径的影响。研究揭示了在等电点附近形成颗粒状凝胶，远离等电点时以纤维状聚集为主，以及7S球蛋白增强挤出物各向异性的关键作用，为优化植物蛋白肉类替代品的质构和结构提供了科学指导。
随着植物基饮食的兴起，利用高水分挤出技术生产口感、质地接近真肉的植物蛋白肉制品成为研究热点。然而，要实现理想的纤维状结构和肉类口感，关键在于理解加工过程中蛋白质如何“组装”成复杂结构。作为最主要的原料，大豆蛋白分离物和浓缩物主要由两种球蛋白组成——分子量较大的大豆球蛋白（属于11S球蛋白家族）和分子量较小的β-伴大豆球蛋白（属于7S球蛋白家族）。这两种成分在加热时如何聚集、如何形成凝胶网络，以及这些行为如何影响最终挤出产品的结构和质构，其内在联系尚未完全阐明。尤其是在不同的酸碱度（pH）和不同比例混合条件下，这两种蛋白的协同与竞争效应如何决定从纳米到微米尺度的结构形成，更是缺乏系统研究。理解这些基本机制，是理性设计下一代植物肉产品、精准调控其口感与营养的关键。
为了解决这些问题，研究人员在《Food Hydrocolloids》期刊上发表了一项研究，旨在阐明pH和11S:7S球蛋白混合比例如何调控分离的大豆球蛋白在受控（非挤出）条件下的聚集路径和热致凝胶化行为，并将这些行为与高水分挤出条件下形成的多尺度结构相关联。
研究者主要运用了多种关键技术方法。首先，他们通过基于pH的沉淀法，在实验室和中试规模分离并富集了11S和7S大豆球蛋白组分，并对这些组分进行了蛋白质组成和Zeta（ζ）电位表征。为了研究凝胶化行为，他们制备了不同pH值和不同11SF:7SF混合比例（w/w，从100:0到0:100）的12%（w/w）蛋白质分散体，并加热形成热致凝胶，随后对其进行了流变学测量以评估凝胶的储存模量（G'）和损耗模量（G“）。最关键的结构表征工具是小角散射技术，包括（超）小角X射线散射（(U)SAXS）和小角中子散射（SANS）。(U)SAXS用于表征从纳米到微米尺度的结构，通过统一Beaucage模型或宽峰模型对散射数据进行拟合，提取了回转半径（Rg）、关联长度（CL）和团簇强度（CS）等关键参数，以量化不同条件下的聚集状态。SANS则进一步用于表征挤出物的结构，通过扇形平均和勒让德级数展开分析，获得了平行和垂直于挤出方向的散射数据以及向列相有序参数，从而评估了挤出物的各向异性结构。
3.1. 分级11S和7S大豆球蛋白的表征
通过蛋白质组成分析，确认了实验室和中试规模制备的11S富集组分（11SF）和7S富集组分（7SF）具有可比性。ζ电位测量显示，两种组分的零迁移点（ζ=0）分别出现在pH~5.10（11SF）和pH~4.90（7SF）附近，接近文献报道的等电点（pI）。在pI以上，7SF的|ζ|值增加更快，表明其表面负电位的积累更为迅速。
3.2. pH对凝胶形成的影响
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3.2.1. 外观与流变学特性
热致凝胶的外观和流变性能表现出明显的pH依赖性。在接近pI时，凝胶不透明、呈颗粒状；远离pI时，凝胶则变得更均质、半透明。相应地，两种组分的储能模量（G'）和损耗模量（G”）均在各自pI附近达到峰值，然后向酸性和碱性pH移动时下降。11SF在更宽的pH范围内保持了较高的G'值，而7SF的峰值则出现在更窄的pH区间内。
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3.2.2. 利用(U)SAXS研究分散体和凝胶的多尺度结构
利用(U)SAXS研究了从纳米到微米尺度的结构变化。在高Q区域（> 0.06 ?-1），分散体显示出清晰的11S和7S球蛋白本征形状因子振荡，加热凝胶化后该振荡消失，表明蛋白质发生（部分）解折叠和聚集。在中Q区域（0.002 < Q < 0.07 ?-1），远离pI的分散体中存在一个肩状特征，反映了静电排斥和短程吸引的相互作用，该特征在凝胶中依然存在，但随着pH远离pI变得更为尖锐并向低Q移动，表明加热促进了短程吸引和更有序结构的形成。
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3.2.3. 散射数据分析：pH对中间尺度特征尺寸和团簇强度的影响
通过对(U)SAXS数据拟合定量分析了pH的影响。中间尺度特征尺寸（Rg2或 关联长度CL）在pI附近最小（~12–16 nm），在pH 8.6时最大（11SF和7SF的CL分别增至~25 nm和~20 nm），表明远离pI时形成了更大、更伸展的聚集体或纤维。团簇强度（CS）在pI附近最高，在pH向两端移动时下降，这与流变学中观察到的G'峰值位置一致，说明在pI附近形成了致密的、接触点更多的网络。
3.3. 11S:7S比例对pH 7时凝胶和挤出物结构的影响
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3.3.1. pH 7时的凝胶形成
在固定pH 7条件下，考察了11SF与7SF不同混合比例对凝胶流变学和结构的影响。随着7SF比例的增加，凝胶的G'呈现显著的非单调变化：从纯11SF到含25% 7SF时，G'急剧下降；在50:50比例时G'最低；随后在75%和100% 7SF时，G'又有所上升，但仍低于纯11SF凝胶。SANS数据显示，纯11SF凝胶具有最高的团簇强度（CS），而添加7SF后CS显著降低，表明7S球蛋白的引入削弱了网络连接。
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3.3.2. 11S:7S比例对高水分挤出物各向异性的影响
关键发现在于，虽然少量添加7SF会削弱静态凝胶的强度，但在HME过程中却能显著增强挤出物的结构各向异性。小角中子散射的扇形平均分析表明，随着7SF比例从0%增加到100%，平行于挤出方向的散射强度（I∥）相对于垂直方向（I⊥）不断增强，向列相有序参数S也随之增加。这表明在剪切和拉伸流场下，7S球蛋白促进了蛋白质网络的可变形性和排列取向，而11S球蛋白则通过二硫键交联提供了网络强度。两者的协同作用对于在高水分挤出条件下形成高度各向异性的纤维状结构至关重要。
综合各项研究结果，可以得出以下核心结论与重要意义：pH和11S:7S球蛋白比例共同调控着大豆蛋白从热致凝胶到高水分挤出物的多尺度结构形成路径。在等电点附近，两种球蛋白均形成颗粒状凝胶，其中7S富集凝胶因其更小的聚集体创造了更高的单位体积接触密度而表现出更高的刚度。远离等电点时，纤维状聚集占主导，11S富集凝胶因形成更粗、连接更紧密的纤维束而变得刚度更高。特别重要的是，在pH 7（常用于食品加工的pH条件）下，研究揭示了11S和7S球蛋白在静态凝胶化和动态挤出过程中的互补作用：在静态凝胶中，即使少量7S球蛋白也会削弱网络的机械强度；然而在高水分挤出过程中，相同比例的7S球蛋白却能显著增强产品的结构各向异性。这阐明了7S球蛋白主要贡献于熔体的可变形性和排列能力，而11S球蛋白则通过共价交联（如二硫键）提供网络加固。因此，要实现最佳的纤维质构，需要11S和7S球蛋白的平衡配比，从而在可加工性（由7S促进）和网络强度（由11S提供）之间取得平衡。这项研究不仅建立了热致凝胶化与挤出过程之间的结构形成关联，更重要的是为基于大豆蛋白的植物肉产品提供了明确的配方和工艺指导原则，即通过调控原料的球蛋白比例和加工环境的pH，可以理性设计并预测最终产品的多尺度结构与质地，推动植物基肉类替代品向更逼真、更优质的方向发展。
