Na+和Ca2+对基于虎坚果油和乳清蛋白-亚麻籽胶的油凝胶的影响：分子间相互作用与结构稳定性

《Food Chemistry》：Divergent effects of Na+ and Ca2+ on tiger nut oil-based whey protein–flaxseed gum oleogels: intermolecular interactions and structural stability

　　

赵家琪|陈张莲|刘文娣|张红红|王家志|魏长青|吴洪斌|赵毅|刘文宇

新疆维吾尔自治区石河子市石河子大学食品科学与技术学院农产品加工与质量控制重点实验室（部委省共建），邮编832000

摘要

盐离子在调节乳清蛋白分离物-亚麻籽胶（WPI-FG）复合虎坚果油基油凝胶的网络结构中起着关键作用。本研究通过调整Na⁺/Ca²⁺类型和浓度初步选择了合适的体系。CLSM结果显示，Ca²⁺形成的网络比Na⁺或无离子对照组更致密、更稳定。在37.5 mmol/L的浓度下，该油凝胶表现出85.85%的油脂结合能力和可涂抹性。FTIR光谱表明Ca²⁺与–OH/–COO^?基团之间存在潜在的弱相互作用，这可能与配位结合有关。XRD分析显示该体系具有非晶结构，并且短程有序性有所提高。Zeta电位结果表明Ca²⁺具有更强的静电中和效应。在60°C下加速储存后，Ca²⁺改性的油凝胶的PV和TBARS值降低，体现了其更好的抗氧化稳定性。这些发现阐明了离子调控的WPI–FG油凝胶的结构-功能关系，为开发可持续的固体脂肪替代品提供了初步的材料级支持。

引言

油凝胶化技术已成为一种有前景的技术，它能够将液态油脂固定在一个独特的三维凝胶网络中。这种方法赋予体系类似固体脂肪的物理性质，而无需引入反式脂肪酸，从而解决传统脂肪应用中健康与功能性之间的固有矛盾。因此，它已成为食品科学和脂质工程领域的重要研究方向（Miao等人，2025年）。这项技术的发展和应用是由与传统固体脂肪相关的长期行业挑战所驱动的，这些挑战涉及健康风险以及液态植物油的功能性限制。传统固体脂肪在调节产品质地、口感、储存稳定性和风味释放方面起着不可或缺的作用（Farooq、Ahmad、Zhang和Zhang，2023年；Miao等人，2025年）。然而，大量的医学和营养学研究表明，这些脂肪通常含有大量的饱和脂肪和反式脂肪酸，过量摄入会显著增加心血管疾病、肥胖和糖尿病等慢性代谢疾病的风险（Miao等人，2024年）。这一显著的健康问题 directly 推动了食品行业积极探索新型健康脂肪替代品。植物油由于其高不饱和脂肪酸含量而具有显著的 nutritional 优势，是传统固体脂肪的理想替代品。然而，它们的应用面临两个主要限制：首先，其在室温下的液态特性导致缺乏加工所需的塑性和结构性能，无法直接用于人造黄油或起酥油等产品；其次，其高不饱和脂肪酸含量使其在加工或储存过程中容易氧化变质，从而影响风味并可能产生有害化合物（Miao等人，2025年）。因此，当前脂质材料设计的关键挑战在于将液态植物油转化为同时具备固体脂肪功能特性的系统，同时保留其 nutritional 优点。油凝胶技术的出现为此提供了可行的途径。

虎坚果油是一种高油酸含量的植物油，具有重要的 nutritional 和健康价值，是油凝胶中脂质相的理想原料。其脂肪酸组成以油酸为主，占67.7%–74.6%，其次是棕榈酸和亚油酸。这一组成与橄榄油非常相似，使其成为优质食用油，也是进口橄榄油的潜在替代品（H. Li等人，2021年）。除了有益的脂肪酸组成外，虎坚果油还富含生物活性化合物，如甾醇（主要为β-谷甾醇）、维生素E、多酚和类胡萝卜素。其多酚含量达到16.5 mg/100 g，是葵花籽油的3.3倍（Rehab & El Anany，2012年）。关于健康益处，相关研究表明虎坚果油具有积极效果：摄入虎坚果油可以降低血清低密度脂蛋白胆固醇并提高高密度脂蛋白胆固醇，从而降低心血管疾病的风险（Ibitoye、Aliyu和Ajiboye，2018年）。一项小鼠喂养实验表明，当虎坚果油与椰子油以7:3的比例混合时，可以显著降低小鼠的血清总胆固醇水平（El-Anany & Ali，2012年）。此外，虎坚果油还结合了优异的营养价值和抗氧化稳定性（Ezeh、Gordon和Niranjan，2016年），使其成为油凝胶中脂质相的理想选择。

在各种油凝胶制备方法中，利用蛋白质和多糖的乳化模板方法因其操作简单、成分天然和结构可控而成为研究焦点（Patel & Dewettinck，2016年）。乳清蛋白分离物（WPI）是一种常见的基于蛋白质的凝胶剂，具有广泛的应用前景，因为它可以形成连续的聚合物网络以实现凝胶化（Bailey、Fanelli和Stein，2023年；M. Zhang、Fan、Liu、Huang和Li，2022年）。亚麻籽胶（FG）是一种天然阴离子多糖，具有出色的增稠和稳定性能。FG主要由中性糖和尿酸组成，具有优异的增稠和乳化性能（Galván等人，2018年）。当与蛋白质结合时，它可以形成协同复合网络，显著提高油凝胶的机械强度和油脂保持能力。值得注意的是，作为常见食品添加剂的盐离子在蛋白质-多糖复合体系的凝胶化过程中起着关键的调节作用（W. Q. Xu等人，2025年）。现有研究表明，钠离子的调节可以改变WPI凝胶的结构：在低离子强度下形成细致透明的凝胶，而在高离子强度下形成粗糙不透明的凝胶，同时提高油凝胶的模量和结构稳定性（de Vries、Hendriks、van der Linden和Scholten，2015年）。相反，钙离子可以通过与阴离子多糖形成“蛋盒”结构以及与蛋白质形成“钙桥”来增强乳化凝胶的稳定性（Min等人，2024年；Ye等人，2024年）。

目前关于Na⁺和Ca²⁺在乳清蛋白分离物-亚麻籽胶（WPI-FG）复合油凝胶中的差异调节机制的研究有限，它们对宏观性能的影响尚未得到系统阐明。尽管离子诱导的凝胶化现象已为人所知，但单价和二价阳离子是否会导致蛋白质-多糖油凝胶的不同结构，以及这些结构差异如何决定功能性能，仍不清楚。

为了解决这一空白，我们假设Na⁺和Ca²⁺可能对WPI-FG网络产生不同的调节作用：Na⁺倾向于通过非特异性静电筛选诱导蛋白质聚集，而电荷密度较高的Ca²⁺可能通过静电交联或类似配位的相互作用促进网络致密化。本研究系统比较了虎坚果油基WPI-FG油凝胶体系中离子的特定效应，旨在开发一种用于调控结构脂质的离子调节策略，作为固体脂肪替代品。

我们首先初步选择了WPI和FG的浓度以形成稳定的油凝胶，然后使用不同浓度的Na⁺和Ca²⁺对凝胶网络进行改性。通过FTIR、XRD、TGA、流变学、油脂结合能力和加速氧化测试，我们表征了其微观结构、热性能、流变性能和功能特性。本研究揭示了Na⁺和Ca²⁺的不同效应，并提供了支持潜在分子机制的证据，表明离子调节、网络结构和功能性能之间的关系。这些发现可能为设计具有改进功能性能的稳定固体脂肪替代品提供有益的见解。

章节片段

材料

虎坚果油购自中国新疆三立粮油有限公司。乳清蛋白分离物（WPI，纯度≥90%）和亚麻籽胶（FG，供应商提供的纯度≥90%）购自上海源业生物科技有限公司。Nile Blue A、Nile Red和正丁醇购自上海麦克林生化有限公司。硫代巴比妥酸和硫氰酸铵购自北京普思生物技术有限公司。

外观和油脂结合能力

油脂结合能力（OBC）是油凝胶内部网络紧密程度的指标。乳清蛋白分离物（WPI）和亚麻籽胶（FG）分子之间形成的网络限制了油脂的流动性，这种分子间网络的强度直接关系到OBC。较高的OBC反映了更强的凝胶结构和更密集的网络（Meng、Qi、Guo、Wang和Liu，2018b）。如图1(a)所示，WPI浓度显著

结论

本研究探讨了乳清蛋白分离物（WPI）、亚麻籽胶（FG）和盐离子（Na⁺、Ca²⁺浓度对油凝胶性能的影响，并对初步选定的样品进行了表征。结果表明，在WPI浓度为2.0%时，油脂结合能力（OBC）达到83.25%；进一步增加WPI浓度会削弱网络结构并降低OBC。在FG浓度为0.7%时，OBC超过85%，形成了防止油脂泄漏的稳定网络。

CRediT作者贡献声明

赵家琪：撰写 – 原始稿，可视化，数据整理。陈张莲：可视化，概念化。刘文娣：撰写 – 原始稿，可视化，概念化。张红红：可视化，概念化。王家志：正式分析。魏长青：撰写 – 审阅与编辑，可视化，概念化。吴洪斌：监督，项目管理，数据整理。赵毅：撰写 – 审阅与编辑。刘文宇：监督，项目管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了XPCC重点科学技术研究项目（项目编号2024AB031）、XPCC指导性科学技术计划项目（项目编号2022ZD015）、天山人才培育计划（项目编号2023TSYCCX0123）以及脂肪和油脂深度加工及营养安全创新团队（项目编号NCG202301）的支持。