《LWT》：Spray-drying pretreatment enabled low-alkaline, highly transparent egg white gels: pH-dependent dual mechanisms in aggregation behavior and gel network formation
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为应对传统透明蛋清凝胶所需强碱性导致的品质劣化问题，本研究探讨了喷雾干燥预处理作为降低所需pH值的策略，尽管其机制尚不明确。研究人员系统研究了不同碱性条件下，喷雾干燥预处理对凝胶透光度、蛋白质聚集和凝胶动力学的影响。结果表明，在pH 9.5条件下，由喷雾干燥预
为应对传统透明蛋清凝胶所需强碱性导致的品质劣化问题，本研究探讨了喷雾干燥预处理作为降低所需pH值的策略，尽管其机制尚不明确。研究人员系统研究了不同碱性条件下，喷雾干燥预处理对凝胶透光度、蛋白质聚集和凝胶动力学的影响。结果表明，在pH 9.5条件下，由喷雾干燥预处理蛋清粉制备的凝胶实现了57.55%的透光度，与未经处理的蛋清凝胶在强碱性条件下的透光度（58.61%， pH 11）相当。此外，蛋清粉凝胶的透光度随着pH升高而增加，这由不同的机制所主导。在中度碱性条件下（pH 9.5-10），蛋清粉凝胶的透光度达到57.55-70.71%。这主要是因为喷雾干燥预处理增加了蛋清聚集体尺寸并减慢了凝胶网络形成，从而促进了有序凝胶网络的形成。在强碱性条件下（pH 10-11），蛋清粉凝胶的透光度上升至78.87-87.12%，这主要是因为喷雾干燥预处理显著抑制了碱诱导的蛋清蛋白肽段的聚集，最终形成了具有较大孔径和高持水性的凝胶网络。这些发现表明，喷雾干燥预处理将是一种无需强碱性即可生产高价值透明蛋清凝胶的有前景的策略。
研究背景、问题与研究目的
在生物医学和智能包装等先进应用领域，因其天然来源、可食用性和生物相容性，透明蛋清水凝胶具有重要前景。传统的蛋清高透明凝胶通常在强碱性条件下实现，这归因于碱处理通过增强蛋白质表面的静电排斥来抑制无序的蛋白质聚集，使蛋白质变性快于聚集，随后蛋清蛋白有序重排形成均匀的三维网络。然而，这种通常需要pH > 11的传统碱介导策略，不可避免地导致凝胶质地柔软并带有明显的异味，从而限制了实际应用。因此，在更温和的碱性条件下实现蛋清凝胶的高透明度仍然是一个主要挑战。针对这一问题，已有多种改善蛋清凝胶透明度的方法被探索，包括物理、化学和酶学修饰。但化学修饰存在安全问题，酶处理对修饰过程控制有限，而干热处理能耗高。与干热相比，喷雾干燥（SD）因其操作简单和干燥效率高，是一种更具成本效益的工业技术。研究人员的初步实验表明，由喷雾干燥蛋清粉制备的水凝胶显示出比由天然蛋清制备的更高的透光度，这表明SD可能改善蛋清凝胶透明度。先前研究表明，SD促进了蛋白质聚集体的有序重组，形成更均匀、更致密的凝胶网络，从而增强了蛋清凝胶的凝胶强度。而有序、均匀的网络结构正是高透明蛋清凝胶的结构基础。因此，研究人员假设SD处理可以通过调节蛋白质聚集和凝胶网络形成，降低碱诱导透明蛋清凝胶所需的碱性条件。然而，SD在多大程度上降低了透明蛋清凝胶形成所需的碱性条件及其潜在机制尚不清楚。因此，本研究旨在阐明SD降低透明蛋清凝胶所需碱性条件的机制，并为在更温和碱性条件下设计高透明度蛋清水凝胶提供理论依据和实践指导。本论文发表在《LWT》期刊上。
关键研究方法
本研究采用的主要技术方法包括：样本制备（蛋清来自供应商，经预处理和喷雾干燥制成蛋清粉）；凝胶制备与处理（在不同pH条件下制备碱热诱导的蛋清和蛋清粉凝胶）；颗粒尺寸分布分析（使用激光衍射粒度分析仪测量）；热聚集动力学分析（采用浊度法评估，并使用特定模型拟合计算关键动力学参数）；扫描电子显微镜观察（观察凝胶的微观结构，包括孔径和分布）；小振幅振荡剪切流变学测试（监测凝胶形成过程中的储能模量和结构发展速率）；凝胶特性评估（包括溶胀比、质构剖面分析等）；以及光透光度测量（通过紫外-可见分光光度计定量，并通过目视外观定性评估）。所有实验均进行三次重复，并使用统计学方法进行显著性分析。
研究结果
3.1. 蛋清和蛋清粉的粒径分布
通过测量蛋清和蛋清粉在不同pH下的粒径分布，研究人员发现随着pH升高，两者均显示较小颗粒比例增加、较大颗粒比例降低，表明碱处理促进了大蛋白簇解聚成较小聚集体。与蛋清相比，蛋清粉表现出较小尺寸颗粒比例较低、较大尺寸聚集体比例较高的特点，这表明喷雾干燥预处理加速了单体和寡聚体向大尺寸聚集体的转化。这与喷雾干燥预处理诱导聚集体成核的结论一致。
3.2. 蛋清和蛋清粉的热聚集动力学
通过对蛋清和蛋清粉在不同pH下的热聚集动力学分析，研究人员发现聚集曲线均呈典型的S形。蛋清粉的聚集动力学曲线始终低于蛋清，表明在热处理过程中蛋清粉的聚集程度低于蛋清。最大聚集程度（Amax）值在pH 9.5时达到峰值，随后在pH 10.0下降，表明蛋清和蛋清粉的聚集程度随着pH升高先增后减。在强碱性条件下，蛋清和蛋清粉的Amax值均下降，这可能归因于蛋清蛋白在过高pH下的水解。
3.3. 蛋清和蛋清粉的凝胶形成过程
通过监测储能模量随时间的变化，研究人员发现蛋清和蛋清粉凝胶的G′均随pH升高而降低，且蛋清粉凝胶的G′始终低于蛋清凝胶。利用结构发展速率分析发现，在不同碱性条件下，蛋清粉表现出与蛋清不同的SDR变化模式：在中度碱性条件下，其凝胶网络形成阶段的SDR比蛋清更快；在强碱性条件下则更慢。而在凝胶网络强化阶段，蛋清粉的SDR始终低于蛋清，表明喷雾干燥预处理显著减慢了凝胶网络强化。这强调了网络形成阶段的SDR和最大SDR是决定凝胶网络致密性和强度的关键。
3.4. 蛋清和蛋清粉凝胶的微观结构
通过扫描电子显微镜观察，研究人员发现蛋清和蛋清粉凝胶的孔径均随pH升高而逐渐增大。在pH 9.5以上，蛋清粉凝胶表现出比蛋清凝胶更大的孔径、更均匀的孔径分布和更深的孔道，且这种结构差异随pH升高而加剧。这归因于喷雾干燥诱导的预变性促进了后续蛋白质重组为更有序的结构。这种大而有序的多孔结构减少了光散射，为高透明度提供了有利的微观结构基础。
3.5. 蛋清和蛋清粉凝胶的凝胶特性
在溶胀能力方面，蛋清和蛋清粉凝胶的溶胀比均随pH升高而显著增加，且蛋清粉凝胶的溶胀比在所有pH条件下均约为蛋清凝胶的两倍，显示出其优异的持水能力。这可能与喷雾干燥预处理增加了蛋清蛋白亲水基团的暴露以及形成扩张的微结构有关。在质构特性方面，蛋清和蛋清粉凝胶的硬度和咀嚼性均随pH升高而降低。蛋清粉凝胶在所有碱性条件下硬度均显著低于蛋清凝胶，表明其蛋白质聚集程度较低，这可能有助于其更高的透明度。内聚性方面，蛋清凝胶的内聚性随pH升高而逐渐增加，而蛋清粉凝胶的内聚性在pH 11时先增后降，表明过度碱性条件会降低其交联密度。回弹性方面，蛋清和蛋清粉凝胶的回弹性均随pH升高而增加，但在不同pH范围内，两者回弹性的比较结果不同，这与喷雾干燥预处理在过强碱性下加速凝胶网络破坏有关。
3.6. 蛋清和蛋清粉凝胶的透明度
通过目视外观和透光度测量评估透明度。在视觉上，未经处理的蛋清凝胶仅在pH 11时透明，而蛋清粉凝胶在pH ≥ 9.5时即透明。透光度数据显示，蛋清和蛋清粉凝胶的透光度均随pH升高而显著增加，且蛋清粉凝胶的透光度在所有pH下均显著高于蛋清凝胶。透光度的增加归因于碱性条件下大蛋清蛋白质聚集体的分散，而蛋清粉凝胶更高的透明度则与热处理过程中形成丰富的可溶性聚集体有关。
3.7. 相关性分析
通过相关性分析，研究人员发现透光度与溶胀比、内聚性和回弹性呈正相关，而与蛋清的最大聚集程度、最大结构发展速率、储能模量、硬度和咀嚼性呈负相关。这表明较低的聚集程度与降低的凝胶硬度和弹性相关，从而提高了碱热诱导蛋清凝胶的透明度。同时，最大聚集程度对凝胶特性有关键影响，它与硬度、咀嚼性和储能模量呈正相关，与溶胀比、内聚性和回弹性呈负相关，且与最大结构发展速率呈显著正相关。
讨论与结论
讨论部分总结
研究人员在讨论部分通过一个机制示意图综合阐述了喷雾干燥预处理在不同pH条件下增强碱热诱导蛋清凝胶透明度的双重机制。蛋清凝胶在pH 9-10时高度不透明，仅在pH 11时变得透明。喷雾干燥预处理不仅在不同pH条件下显著提高了蛋清凝胶的透光度，还将透明度的pH阈值降低至9.5。然而，喷雾干燥增强透明度的主要机制因pH而异。在pH 9时，喷雾干燥起主导作用，它通过增大聚集体尺寸减缓蛋清聚集，并显著减慢凝胶网络强化阶段的凝胶化速率，从而促进形成具有更均匀孔径分布的凝胶网络，减弱光散射。在中度碱性条件下，喷雾干燥和碱处理产生协同效应，喷雾干燥通过增大聚集体尺寸减缓聚集，碱处理诱导蛋白质展开并增加溶解度，两者共同加速了蛋清粉凝胶网络形成阶段，并产生孔径更大、分布更均匀的凝胶网络。在强碱性条件下，碱处理是主导因素，它导致蛋清蛋白质降解为肽段，从而急剧减缓了蛋清聚集和凝胶化，形成了具有较大孔径的网络。在此基础上，喷雾干燥预处理进一步降低了蛋清的聚集和凝胶化速率，促进了更松散、孔径更大的蛋清粉凝胶网络的形成。
研究结论翻译
本研究阐明了喷雾干燥预处理在不同pH条件下如何增强碱热诱导蛋清凝胶的透明度。未经处理的蛋清凝胶仅在强碱性条件下（pH 11）变得透明，而喷雾干燥预处理将透明度阈值降低至pH ≥ 9.5，并以pH依赖的方式增加透光度。在所有碱性条件下的共同机制是，喷雾干燥降低了蛋清粉的聚集和凝胶化速率，从而促进了具有更大孔径的有序蛋清粉凝胶网络的形成。然而，主导机制是pH依赖的。在中度碱性条件下，喷雾干燥主要通过显著降低凝胶化速率来促进透明蛋清粉凝胶的形成。在强碱性条件下，碱处理主要诱导了透明蛋清凝胶的形成，而喷雾干燥则通过抑制碱生成肽段的聚集，进一步增加了蛋清粉凝胶的透光度。未来工作应侧重于在结构-功能-应用框架内开发多功能蛋清凝胶，特别是具有增强机械性能和视觉响应性的智能材料。
