植物蛋白-亲水胶体软固体的多尺度表征：流变学、摩擦学与黏膜黏附在质地控制配方中的关联研究

《LWT》：Multiscale Characterization of Plant Protein-Hydrocolloid Soft-Solids: Linking Rheology, Tribology, and Mucoadhesion in Texture-Controlled Formulations

　　

基于亚麻籽和火麻籽的配方通过结合稳态与动态流变学、触变性、反向挤出、摩擦学及离体黏膜黏附技术进行了研究。流动行为采用Herschel-Bulkley方程建模，屈服应力（yield stress）范围为1.4至17.8 Pa，50 s-1下的表观黏度范围为0.7至2.9 Pa·s，凸显了结构策略对流动活化及低剪切抗力的影响。力学频谱揭示了弱凝胶样行为（储能模量G’ > 损耗模量G’’），其网络强度与频率依赖性具有配方依赖性。结构恢复与大变形响应进一步区分了蛋白质-亲水胶体的相互作用。摩擦学揭示了独特的边界润滑至流体动力润滑的转变及配方依赖的摩擦系数。离体黏膜黏附测试显示分离力在0.03至0.5 N之间，证明了仅靠整体流变学无法预测的界面保留机制。亲水胶体的加入主要调控了低剪切条件下的润滑与黏附，而蛋白质组成则调节了网络连接性与恢复动力学。整合屈服应力、黏弹性、摩擦与黏膜黏附实现了配方依赖性性能的定量图谱化，为设计具有可调机械与界面特性的质地控制软固体提供了结构-功能框架。

论文解读：植物蛋白-亲水胶体软固体的多尺度结构与界面性能关联研究

本研究由意大利米兰大学环境科学与政策系的Laura Piazza与Giorgio Innocenzo Ascrizzi共同完成，相关成果发表于食品科技领域知名期刊《LWT》。该研究针对植物基软固体食品在口腔加工过程中的复杂物理化学行为，构建了一个结合宏观流变、介观摩擦与微观界面相互作用的多尺度表征框架。

研究背景与动机

随着植物基食品的兴起，亚麻籽和火麻籽等富含蛋白质的原料因其凝胶形成能力和乳化潜力备受关注。然而，传统的软固体表征往往过度依赖稳态剪切黏度，这无法全面捕捉弱凝胶体系在口腔环境中的真实表现。软固体在口腔内的行为不仅受整体流变学支配，还强烈依赖于受限条件下的润滑特性以及与口腔黏膜的黏附相互作用。以往研究多局限于单一组分的独立分析，缺乏将不同蛋白质来源与多种亲水胶体结构策略置于统一实验框架下的比较研究。因此，本研究旨在通过整合流变学、摩擦学、机械变形及离体黏膜黏附测量，阐明配方变量如何调控块状机械响应与界面性能。

关键技术方法

研究人员选取了富含多糖的亚麻籽粉与富含蛋白质为主的火麻籽粉作为模型蛋白源，通过添加羧甲基纤维素（CMC）、高酰基结冷胶（GHA）或水解酶（Viscozyme?、Pectinase?）制备了十种质地改性纯化物。研究采用了Herschel-Bulkley模型拟合流动曲线，通过三区间触变测试（3ITT）评估结构恢复，利用球-三板几何结构的摩擦学测试绘制Stribeck曲线，并采用反向挤出试验评估压缩下的宏观结构。此外，研究使用猪的舌、软腭和食管黏膜组织进行了离体黏膜黏附测试，量化了峰值分离力（Peak）和黏附功（W_ADH）。

研究结果

3.1 植物蛋白-亲水胶体软固体的流动特性

通过对流动曲线的分析发现，所有样品均表现出明显的剪切稀化行为。GHA和CMC显著提高了屈服应力（σ₀）和稠度指数（K），其中GHA的效果最强，表明其形成了致密的弱凝胶网络。相比之下，酶处理（VISC和PECT）降低了σ₀和K，增加了流动行为指数（n），表明网络因水解作用而被破坏，趋向于流体状。在50 s^-1的口腔加工参考剪切速率下，GHA配方的表观黏度最高，符合IDDSI（国际吞咽障碍饮食标准化倡议）的极厚级别（Level 4）。

3.2 触变行为与剪切下的结构恢复

三区间触变测试（3ITT）显示，所有配方均表现出较高的恢复率。GHA结构化的纯化物恢复率高达94%，显示出优异的网络重建能力。酶处理样品虽然黏度较低，但仍保持了相对较高的恢复值，表明即使在部分网络被破坏的情况下，低剪切条件下仍能维持一定的结构连接性。

3.3 离体黏膜黏附与界面保留行为

黏膜黏附测试结果表明，黏附力具有显著的基质和组织特异性。在三种猪黏膜组织中，软腭的黏附参数最高，其次是舌头，食管最低，这与组织表面的粗糙度和形貌梯度有关。在所有组织中，GHA均产生了最高的分离力和黏附功，证实了其在增强界面保留方面的双重作用。亚麻籽基配方在所有组织上的黏附力普遍高于火麻籽基配方，而酶处理则显著削弱了黏附强度。

3.4 反向挤出分析与压缩下的宏观结构质地

反向挤出结果显示，亚麻籽基配方比火麻籽基配方表现出更高的挤出力和正面积（机械内聚性），这与亚麻籽较高的持水能力和可溶性纤维含量有关。GHA显著增加了挤出力和负面积（黏附功），而酶处理则降低了这些值，反映出基质软化。屈服应力（σ₀）与挤出力之间存在明显的相关性，证实了更强的内部网络需要更大的力才能启动变形。

3.5 介观尺度的纯化物流变学

动态振荡测试揭示了所有配方的弱凝胶特征（G’ > G’’）。亚麻籽基纯化物表现出更高的G’值和更低的频率依赖性，表明其网络结构更强且连接更紧密。通过Bohlin弱凝胶模型定量分析发现，亚麻籽配方的配位数（Z）和凝胶强度（A_f）普遍高于火麻籽配方。GHA显著提高了Z值，证实了其在增强颗粒间连接性方面的作用。

3.6 摩擦学：界面行为的补充

摩擦学测试生成的Stribeck曲线显示，所有配方均经历了边界润滑、混合润滑和流体动力润滑三个区域。GHA配方在整个速度范围内表现出最高的摩擦系数（μ），表明其网络结构在界面处产生了较大的阻力；而酶处理样品的摩擦系数最低，显示出优异的润滑性能。这表明摩擦行为不仅受黏度驱动，还与聚合物吸附和网络重排有关。

结论与讨论

该研究明确指出，传统的基于黏度的表征不足以描述植物蛋白软固体的口腔加工行为。研究发现，亲水胶体（特别是GHA）主要调控低剪切稳定性、润滑性和界面保留，而蛋白质来源（亚麻籽与火麻籽）则决定了网络强度和结构恢复动力学。

研究结论强调，在营养学约束（高蛋白、低钠）下设计的配方，其口腔行为主要由结构策略决定。通过整合屈服应力、黏弹性、摩擦学和黏膜黏附数据，研究人员建立了配方依赖性性能的定量图谱。其中，亚麻籽蛋白结合高酰基结冷胶（GHA）的体系在机械性能和界面性能之间提供了最平衡的表现。这项研究为质地控制软固体的工程设计提供了一个完整的结构-功能框架，弥合了配方设计与口腔加工功能之间的鸿沟。