从莎草（Cyperus esculentus）中提取的淀粉和蛋白质在基于酪蛋白的凝胶形成过程中发挥着不同的作用：这些成分在微观结构、质地以及蛋白质间的结合相互作用中的作用机制已被阐明

《Food Hydrocolloids》：Starch and proteins derived from Cyperus esculentus contribute to casein-based gel formation in different roles: Mechanism Elucidation in microstructures, textures, and binding interactions

虎杖淀粉（CES）和蛋白质（CEP）与酪蛋白复合凝胶的相互作用机制研究。通过模拟酸奶系统分析发现，CES通过疏水作用和孔隙占据增强凝胶结构，最佳比例为酪蛋白:CES=1:0.8；CEP在低浓度（<1:0.025）提升稳定性，高浓度导致相分离。研究揭示了两者与酪蛋白的不同作用机制及协同优化路径。

　　

Jing Li|张汉宇|刘成成|王玉堂|马辉|刘学波|杨曦|孙立军

中国西北农林科技大学食品科学与工程学院

摘要

在本研究中，将Cyperus esculentus的淀粉（CES）和蛋白质（CEP）与酪蛋白结合，制备了复合凝胶，并在模拟的富含酪蛋白的食品凝胶系统（例如酸奶）中对其凝胶行为进行了表征。研究发现，疏水相互作用是稳定酪蛋白-CEP和酪蛋白-CES凝胶的主要驱动力，但CES和CEP与酪蛋白的相互作用机制不同。具体而言，由于其支链结构和高粘度，CES能够有效占据酪蛋白凝胶的孔隙并与酪蛋白相互作用。随着CES含量的增加，酪蛋白-CES凝胶的表面疏水性、结晶度和β-折叠含量增加，从而增强了凝胶结构、持水能力和质地性能。当酪蛋白与CES的比例超过1:0.8时，这种效果更为显著。另一方面，CEP对酪蛋白凝胶的影响很大程度上取决于其浓度：低浓度时可以填充凝胶孔隙从而改善凝胶质地，而高浓度则会导致明显的相分离。当酪蛋白与CES的质量比低于1:0.025时，增加CEP的量可以提高凝胶结构的稳定性；当质量比超过1:0.025时，增加CEP会导致逐渐的相分离，这对改善凝胶性能不利。总体而言，CES和CEP可以作为天然成分来改善富含酪蛋白的凝胶产品，但需要优化其添加比例以达到理想的凝胶性能。

引言

Cyperus esculentus（俗称虎坚果）是一种多年生草本植物，属于莎草科。它广泛分布于温带和亚热带地区，具有很强的适应性以及较短的生长期（Liu等人，2024；Li等人，2025；Wang等人，2022）。在欧洲，Cyperus esculentus被视为健康食品，因为它富含不饱和脂肪、必需氨基酸、甾醇和膳食纤维。在中国，它被认定为一种新的食品资源（Lenická等人，2025）。Cyperus esculentus的块茎被用来制作一种名为Cyperus esculentus牛奶（CEM）的甜味坚果风味饮料，该饮料也富含上述营养成分。此外，CEM不含麸质或胆固醇，已被证明具有多种健康益处，如改善肠道健康、调节血糖和降低血压（Abdulrasheed等人，2023）。

在含有CEM的食品中，虎坚果酸奶作为一种新型的本地乳制品替代品最近受到了关注，其中部分牛奶被CEM替代，然后进行乳酸发酵（Liu等人，2024）。与传统牛奶相比，CEM具有更佳的感官特性，并具有潜在的健康益处。值得注意的是，其无乳糖且不含牛奶蛋白，特别适合乳糖吸收不良或对牛奶蛋白过敏的人。酪蛋白是牛奶的主要蛋白质成分，也是酸奶和奶酪等发酵乳制品中干物质的主要组成部分。通常情况下，牛奶中的酪蛋白主要以胶束形式存在（Sun等人，2016）。在乳制品加工过程中施加的酸性条件或酶处理可以减少酪蛋白胶束之间的静电排斥，导致胶束聚集和分子间交联，最终形成凝胶系统或固体聚集体。因此，通过聚集酪蛋白胶束形成三维（3D）网络结构被认为可以赋予发酵乳制品理想的质地和稳定性（Du等人，2025；Goel等人，1999；Xia等人，2024）。早期研究报道，CEM可以作为酸奶中的有益添加剂，稳定凝胶质地并丰富风味。由于CEM中的两种主要营养成分是淀粉和蛋白质（本研究中分别为14.5克/升和11.8克/升），CEM对酸奶凝胶性能的影响可能来源于其淀粉和蛋白质成分（Liu等人，2024）。据报道，糊化淀粉可以增稠酸奶的质地，提高其持水能力、凝聚力和稳定性，这主要归因于酸奶系统中的改性非共价相互作用，包括氢键、疏水相互作用、静电相互作用和范德华力（Du等人，2025；Goel等人，1999）。同时，将外源蛋白质添加到酸奶凝胶中会对产品质量产生广泛的影响，这取决于所涉及蛋白质的性质和浓度（Zhao等人，2024）。在复合凝胶基质中，不同蛋白质之间的分子力可能导致相分离、协同作用或聚集。最近有报道称，在山羊奶酸奶中添加豌豆蛋白可以形成更紧密、更坚固的凝胶网络，从而提高最终产品的硬度和持水能力（Qin等人，2025）。然而，在绿豆蛋白/酸奶蛋白复合系统中，过量添加绿豆蛋白可能会对凝胶性能产生负面影响（Yang等人，2021），因此需要精确控制蛋白质的比例。

在我们之前的研究中，我们报告了CEM可以通过浓度依赖的方式调节酸奶的凝胶行为（Liu等人，2024），但具体机制尚不清楚。因此，本研究假设CEM在特定比例下对酸奶凝胶的形成有积极作用。我们研究了CES和CEP成分如何与牛奶酪蛋白相互作用以促进凝胶网络的发展，并阐明了其背后的机制。本研究建立了一个理论框架，用于理解CEM成分如何调节凝胶行为。具体而言，CES以剂量依赖的方式逐步增强了质地和流变特性，最终趋向于弹性凝胶表型。相比之下，CEP表现出双相效应：初始时增强凝胶性能，随后随着浓度增加逐渐减弱，最终导致相分离。因此，精确优化CES与CEP的比例对于实现理想的凝胶功能至关重要。通过分析凝胶特性和分子间力，我们揭示了CES/CEP增强酪蛋白凝胶性能的分子机制（图1）。本研究为在发酵乳制品中应用Cyperus esculentus的功能成分提供了理论基础，并为开发具有改进结构特性的酪蛋白基产品提供了指导。从成本效益的角度来看，建议直接使用整个CEM粉末，尽管需要对添加比例进行严格优化。

材料

Cyperus esculentus及其块茎由叶河金峰农业科技有限公司（中国喀什）提供。牛乳酪蛋白（CAS 9000-71-9，编号218680-M）、葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）、ANS和Ellman试剂购自Sigma-Aldrich公司（美国圣路易斯）。此外，-己烷、罗丹明B染料和无水乙醇购自上海阿拉丁化工有限公司（中国上海）。Tris（羟甲基）氨基甲烷、甘氨酸和二硫苏糖醇也由该公司提供

复合凝胶的外观和质地特性

评估了不同添加水平下CES和CEP对酪蛋白基复合凝胶宏观外观和质地特性的影响。制备的酪蛋白基复合凝胶表现出预期的外观特征（图2A和B）。具体来说，酪蛋白-CES凝胶在外观颜色上没有明显差异，而酪蛋白-CEP凝胶随着CEP含量的增加逐渐变黄，这可能是由于其内在成分的作用

结论

在本研究中，成功提取并表征了Cyperus esculentus的淀粉（CES）和蛋白质（CEP），并将每种成分加入酪蛋白中形成酸诱导的复合凝胶。具体而言，随着CES比例的逐渐增加，酪蛋白-CES凝胶的质地特性得到改善，尤其是当酪蛋白与CES的质量比超过1:0.8时。相比之下，酪蛋白-CEP系统表现出明显的阈值限制行为。

CRediT作者贡献声明

Jing Li：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。Hanyu Zhang：可视化，验证，数据管理。Chengcheng Liu：验证，软件，方法学，研究。Yutang Wang：监督。Hui Ma：项目管理，资金获取。Xuebo Liu：监督。Xi Yang：可视化，验证，方法学，正式分析，数据管理。Lijun Sun：

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32172204）的支持。作者感谢生命科学研究核心服务（LSRCS），西北农林科技大学的帮助，包括使用CLSM进行表征（Xiaorui Liu）。