《Food Hydrocolloids》：Effect of sodium caseinate composition and properties on transglutaminase-mediated gelation behavior
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不同来源酸钠的pH、钠含量、颗粒大小分布及摩尔质量离散指数影响TGase介导的凝胶强度，调整这些参数可优化凝胶性能，应用于食品和生物材料领域。
Jing Lu|Siyi Gu|Zhan Bao|Zhaojun Wang|Maomao Zeng|Zhiyong He|Qiuming Chen|Jie Chen
江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国无锡214122
摘要
本研究系统地探讨了不同来源的酪蛋白酸钠的物理化学性质、粒径分布和聚集状态如何影响转谷氨酰胺酶（TGase）介导的凝胶强度。结果表明，不同的酪蛋白酸钠样品表现出显著的凝胶行为差异，这主要归因于它们在水溶液中的离子环境和聚集状态的不同。相关性分析确定pH值、钠含量、粒径和粒径分布是TGase介导凝胶形成的关键决定因素。所有这些因素都会影响酪蛋白酸钠在水溶液中的构象特性和聚集状态，从而导致小而均匀的聚集体在粒径层面具有更强的酶促交联能力。原子力显微镜和扫描电子显微镜进一步证实，均匀分布的小酪蛋白酸钠聚集体能够促进高效的TGase介导的交联反应，形成致密的凝胶结构。改性实验表明，调整pH值、添加NaCl以及进行超声处理可以显著改善初始凝胶强度不足的样品的凝胶质量和稳定性。值得注意的是，钠含量≥1.5%、pH值>7且摩尔质量分散度低的样品表现出特别出色的酶促凝胶性能。这些发现为定制具有增强功能和结构特性的酪蛋白酸钠凝胶提供了实用策略，在食品加工和生物材料领域具有广泛的应用前景。
引言
近年来，随着食品类似物和3D打印蛋白质基食品的兴起，转谷氨酰胺酶（TGase）介导的蛋白质凝胶化因其能够生产环境可持续且安全的蛋白质水凝胶而受到了广泛关注（Ross等人，2022年）。已经探索了多种蛋白质用于酶促水凝胶的形成，包括酪蛋白酸钠（Abbate等人，2019年）、乳清蛋白（Pei等人，2025年）、蛋清蛋白（Tian等人，2024年）、明胶（Baggio等人，2022年）、大豆蛋白（Mao等人，2023年）、豌豆蛋白（X. D. Sun & Arntfield，2011年）、小麦蛋白（J.-S. Wang等人，2007年），以及蛋白质混合物，如蛋清蛋白与乳清蛋白分离物（Altaf等人，2025年）、大豆蛋白分离物与乳清蛋白（S. Liu等人，2025年）和大豆蛋白分离物与明胶（G. Liang等人，2025年）。
尽管TGase介导的交联已被广泛证明可以改善蛋白质凝胶的性能——包括凝胶强度、弹性和凝胶化速率——但凝胶行为可能因蛋白质来源和预处理方法的不同而有所差异。例如，TGase介导的豇豆蛋白分离物和豇豆白蛋白凝胶表现出比热诱导凝胶更高的硬度、弹性和持水能力（Zhao等人，2025年）。同样，用TGase交联热变性的蛋清蛋白可以增强质地分析参数、断裂应力和断裂应变，形成更强且更有弹性的3D网络结构（Alavi等人，2020年）。然而，蛋白质来源、品种或预处理方法的差异会显著影响凝胶性能。在大豆蛋白系统中，不同地区的大豆品种之间的氨基酸组成不同，导致凝胶性质也有所不同，而pH值调整和热预处理也会强烈影响凝胶行为（X. Wang等人，2018年；P. Sun等人，2023年）。在牛奶蛋白系统中，骆驼奶凝胶的储能模量（G’）和损耗模量（G’’）低于牛奶凝胶，而柠檬酸三钠预处理可以增强凝胶化（Kamal等人，2017年；Chen等人，2019年）。明胶系统也表现出显著的变化，A型和B型明胶水凝胶在机械性能和网络结构上存在差异；添加单宁酸和超声预处理可以进一步提高凝胶强度（Y. Liu等人，2020年；Ma等人，2026年）。这些发现表明，TGase介导的凝胶行为不仅受酶剂量、反应时间和氨基酸组成（特别是赖氨酸和谷氨酰胺含量）的影响，还受蛋白质的二级结构、聚集状态和反应位点的可及性的影响。
酪蛋白酸钠由αs1-、αs2-、β-和κ-酪蛋白组成，通常通过酸沉淀乳胶状酪蛋白，然后进行碱中和和干燥制得（Wusigale等人，2020年）。其组成、结构和聚集状态可能因来源和制造工艺而异。例如，比较牦牛奶和牛牛奶来源的酪蛋白酸钠发现粒径、二级结构和亚基组成存在显著差异（Hu等人，2024年）。在酪蛋白酸钠的制造过程中，几个步骤会显著影响其结构组成。这些步骤包括酸沉淀过程中胶体磷酸钙的溶解、NaOH的添加速率以及碱溶解酸酪蛋白时的最终pH值，以及应用于蛋白质的干燥方法（Broyard & Gaucheron，2015年）。总体而言，这些因素会影响酪蛋白酸钠的粒径分布和稳定性。酪蛋白酸钠广泛用于基于凝胶的食品中，既作为凝胶剂，也用于促进酶促凝胶化，从而改善酸奶等产品的质地和功能特性（H. Zhang等人，2023年），并提高低盐香肠和其他肉类系统的凝胶性能（Pietrasik & Jarmoluk，2003年）。尽管如此，关于其组成、结构和聚集如何影响TGase介导的凝胶化的研究仍然有限。
本研究调查了不同商业来源的酪蛋白酸钠水溶液的物理化学性质和聚集体颗粒形态对TGase介导的凝胶强度的影响。目的是阐明市售酪蛋白酸钠批次间变异的根源以及由此产生的实际凝胶性能差异，从而为TGase在酪蛋白酸钠基系统中的应用和优化提供更精确的理论基础。
材料
酪蛋白酸钠样品来自Fonterra合作社集团有限公司（新西兰奥克兰）、Dairy Co. LLC（乌克兰基辅）、Arrabawn合作社有限公司（爱尔兰Nenagh）、Royal FrieslandCampina N.V.（荷兰Amersfoort）、Armor Protéines（法国Saint-Brice-en-Coglès）、甘肃和正县华龙乳制品有限公司（中国甘肃）和甘肃华安生物技术集团（中国甘肃），这九个样品的详细信息见表3。
矿物质含量分析
在酪蛋白酸钠凝胶化过程中，矿物质组成和系统pH值是影响蛋白质间分子相互作用的关键因素。如图1 A所示，九个样品的钠含量存在显著差异（p < 0.05）。样品c的钠含量最高，其次是样品b和h，而样品i的钠含量最低。较高的钠含量通常表明蛋白质分子中更多的羧基被中和形成了钠离子。
结论
酪蛋白酸钠因其乳化和凝胶化性能而被广泛使用，但来源和干燥方法的差异会改变其组成、颗粒特性和聚集行为，最终影响TGase介导的交联和凝胶性能。结果表明，虽然样品之间的氨基酸组成没有显著差异，但关键物理化学参数（包括pH值、钠含量和摩尔质量分散度指数）存在显著差异。
作者贡献声明
Jing Lu：撰写——初稿、研究、数据分析。Siyi Gu：撰写——初稿、数据分析。Jie Chen：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、资金获取。Zhiyong He：软件应用、数据分析。Qiuming Chen：验证、监督、资金获取。Zhaojun Wang：资源准备、数据分析。Maomao Zeng：方法学、数据分析。Zhan Bao：方法学、数据分析
未引用的参考文献
Ruis和Venema，无日期；Winter和Chambon，1986年；Zhang等人，
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了第14个国家五年重点研发计划（项目编号2024YFF1106500）和江南大学食品科学与资源国家重点实验室研究计划（编号SKLF-ZZB-202515）的支持。
