基于结冷胶与鹰嘴豆水优化无明胶棉花糖配方及其分子模拟研究

《Food Science & Nutrition》：Optimization and Molecular Simulation of Gelatin-Free Marshmallow Formulation Using Gellan Gum and Aquafaba

　　

本研究旨在通过使用植物基鹰嘴豆水与结冷胶替代动物源性明胶，优化棉花糖类产品的配方。研究人员采用响应面法(Response Surface Methodology, RSM)进行配方优化，依据密度及总体可接受度确定最优配方。在优化配方中，作为明胶替代物的鹰嘴豆水与结冷胶的添加率分别为0.71%和0.50%。研究人员将棉花糖样品与含明胶的对照组棉花糖(CM)进行了比较。此外，利用分子对接技术进一步探究了鹰嘴豆水与结冷胶之间的相互作用。预测的最稳定分子构象结合能评分为?9.8 kcal/mol，表明二者之间存在有利的相互作用。优化配方(OFM)样品的水分活度、密度及终止温度(Tend)值分别为0.56、0.84 g/cm3和81.65°C，均高于CM样品。尽管两组配方均未使用着色剂，但OFM与CM样品的颜色值存在显著差异(p < 0.05)。偏光显微镜(PLM)图像显示，CM样品中的颗粒尺寸较OFM样品更大且更显著。流变学分析表明，OFM样品表现出比CM样品更高的粘度及更优异的粘性流体特性。

研究背景与意义

随着消费者环保意识的提升及对气候变化的关注，食品工业正逐渐向植物基方向转型以减少碳足迹。传统棉花糖依赖动物源性明胶作为发泡剂和稳定剂，然而明胶的生产主要源于猪皮和牛皮，这不仅引发了素食主义者及犹太教、伊斯兰教等特定饮食群体的伦理与宗教顾虑，还存在病原体污染的风险。因此，开发能够替代明胶的植物基胶体组合成为糖果行业的重要课题。鹰嘴豆水(Aquafaba)是豆类烹饪过程中产生的副产品，富含水溶性多糖和蛋白质，具有良好的发泡、乳化及凝胶特性；结冷胶(Gellan Gum)则是一种在高浓度下仍具功能性的微生物胞外多糖，常作为胶凝剂和增稠剂使用。本研究首次将二者结合应用于无明胶棉花糖的开发，旨在通过响应面法优化配方，并结合分子模拟揭示其相互作用机制，为植物基软糖的工业化生产提供理论依据。本研究成果发表于《Food Science & Nutrition》。

主要关键技术方法

研究人员采用响应面-中心复合设计(CCD)优化配方，以鹰嘴豆水和结冷胶为自变量，密度和感官评价为响应值。实验设立对照组（含6.9%牛源明胶）与优化组（无明胶）。在理化分析方面，测定了水分活度(a_w)、密度、色差（L、a、b*）、玻璃化转变温度(DSC)及微观结构(PLM)。分子层面采用AutoDock Vina进行分子对接模拟，选取鹰嘴豆主要蛋白11S Legumin (PDB: 3KSC)和7S Vicilin (PDB: 7U1I)与结冷胶进行对接。流变学特性通过Herschel-Bulkley模型拟合，质构特性通过质构剖面分析(TPA)测定，并由20人组成的感官评价小组进行9点享乐评分。

研究结果

3.1 密度与感官

感官评价结果显示，随着结冷胶用量的增加，样品的外观、风味、质构及粘附性评分均有所上升。口融速率随鹰嘴豆水比例增加而加快，但随结冷胶比例增加而减慢。由于鹰嘴豆水带有特有的豆腥味和黄色，过高的添加量会降低总体接受度，因此优化过程需在最低密度与最高总体接受度之间寻求平衡。

3.2 无明胶棉花糖配方的优化确定

通过Design-Expert软件分析，确定最优配方为：鹰嘴豆水0.71%、结冷胶0.50%、糖粉68.79%、水30%。对照组配方为：明胶6.90%、糖粉66.0%、水27.1%。

3.3 水分活度

优化组(OFM)的水分活度(a_w)为0.84±0.01，显著高于对照组(CM)的0.75±0.01。这是由于制备鹰嘴豆水溶液所需的水量多于明胶溶液，导致OFM结合了更多水分，这与前人关于亲水胶体增加产品持水性的研究结果一致。

3.4 密度

OFM的密度为0.56±0.01 g/cm³，显著高于CM的0.41±0.01 g/cm³。密度的增加通常与空气混入量减少有关，表明植物基蛋白在发泡能力上虽接近动物明胶，但在维持泡沫体积方面略有不足。

3.5 颜色

尽管未添加色素，两组样品颜色仍存在显著差异。OFM的亮度(L)增加归因于结冷胶的特性，而黄度(b)增加则源于鹰嘴豆水本身的淡黄色。OFM的饱和度(C*)也显著高于CM。

3.6 热行为

差示扫描量热法(DSC)分析显示，OFM的终止温度(T_end)为81.65°C，显著高于CM的57.4°C；OFM的焓变(ΔH)高达205.12 J/g，远高于CM的0.58 J/g，表明植物基复合物形成了不同的热稳定性结构。

3.7 微观结构

偏光显微镜(PLM)观察发现，CM样品中的晶体颗粒更大且更明显，而OFM的颗粒边界更清晰。灰度共生矩阵(GLCM)分析进一步证实，CM具有粗糙、异质性的微观结构（对比度高），而OFM结构更平滑、均匀且规则（同质性高）。

3.8 分子对接

分子对接模拟预测11S Legumin与结冷胶的结合能为?9.8 kcal/mol，7S Vicilin为?7.2 kcal/mol，均为负值，表明相互作用在热力学上是有利的。11S Legumin通过氢键（Gln516, Asn1031等）和疏水作用（Phe894, Lys1010）与结冷胶结合；7S Vicilin则通过氢键和盐桥（Arg331）结合。这种紧密的分子网络解释了OFM较高的粘度，但也因其缺乏明胶特有的三螺旋弹性结构，导致了较低的硬度和弹性。

3.9 流动行为

流变学测试表明OFM表现出更高的粘弹性。根据Herschel-Bulkley模型，OFM的一致性指数(K)为3.948 Pa·sⁿ，远高于CM的0.836 Pa·sⁿ；OFM的屈服应力(σ₀)高达88.452 Pa，表明其需要更大的力才能发生形变，机械强度更高，结构更稳定。

3.10 质构

质构剖面分析(TPA)显示，OFM的硬度为238.50 g，显著低于CM的786.04 g。OFM的弹性(Springiness)显著降低，但回复性(Resilience)、内聚性(Cohesiveness)无显著差异。咀嚼性(Chewiness)的降低意味着OFM口感更软嫩，不同于传统棉花糖的坚韧口感。

3.11 感官

除质构和口融速率外，OFM与CM在外观、风味及总体喜爱度上无显著差异。OFM较慢的口融速率与其较高的仪器硬度值相关。

总结与结论

本研究成功利用鹰嘴豆水与结冷胶替代了棉花糖中的动物明胶。优化配方中鹰嘴豆水与结冷胶的添加量分别为0.71%和0.50%。分子对接揭示了鹰嘴豆蛋白与结冷胶间稳定的相互作用（结合能低至?9.8 kcal/mol），这赋予了产品高粘度与良好的机械强度。然而，该植物基组合未能完全复制明胶特有的稳固泡沫结构，导致成品密度较高、质地较软且具有较好的涂抹性。虽然较高的水分活度可能缩短货架期，但这也意味着该产品可作为冷食甜点或蛋糕夹心使用。本研究为开发新型植物基糖果提供了重要的配方与理论支持。