M.C. Cortez-Trejo | R. Román-Doval | L. Abadía-García | K. Cruz-Aldaco | S.L. Amaya-Llano
乳清蛋白凝胶因其营养价值、生物相容性以及在温和条件下形成结构化网络的能力而成为食品科学中具有前景的材料。与热固化系统相比，冷固化凝胶能够保留热敏化合物，实现靶向释放，并降低能源需求，为可持续和清洁标签的食品加工提供了优势。尽管有这些优点，大多数综述都集中在热诱导的凝胶化过程上，而冷固化的乳清蛋白系统却未得到充分研究。本综述探讨了传统的冷固化机制以及创新策略，包括酶促交联、混合系统、纤维组装以及超声波、欧姆加热和纳米材料增强等新兴技术。特别强调了加工条件、微观结构和流变行为之间的关系，以及其在营养保健品包封、益生菌保护、风味稳定、3D食品打印和活性包装等应用中的潜力。同时考虑了感官性能和消费者接受度问题，并讨论了与可扩展性、重复性和食品使用相关的监管方面的挑战，并概述了未来工作的方向。本文提供了当前知识的更新概述，突显了冷固化乳清蛋白凝胶的相关性，架起了基础蛋白质科学和技术创新之间的桥梁。
乳清蛋白来源于奶酪生产，在食品工业中因其营养价值和功能性特性而受到广泛认可。美国FDA将其归类为“普遍认为安全”（GRAS）物质，其生理作用超出了传统的肌肉发育和体重管理功能（Cava等人，2024年）。这些作用包括抗氧化、抗癌、抗菌、抗炎和免疫调节作用，以及对肠道微生物群的积极调节（Gallo等人，2024年）和改善营养吸收（Saubenova等人，2024年）。此外，乳清蛋白还能刺激肥胖或2型糖尿病患者的胰岛素释放，表明其在代谢疗法中的潜在作用（Lesgards，2023年）。从乳清蛋白中提取的生物活性肽具有降压、抗氧化和抗菌等特性（Pires等人，2021年）。因此，乳清蛋白分离物（WPI，蛋白质含量≥90%）和浓缩物（WPC，蛋白质含量25-80%）常被添加到饮料、乳制品和植物基配方中。
从技术角度来看，乳清蛋白以其表面活性、生物相容性和生物降解性而著称（Jiang等人，2024年）。它们的一个独特特点是能够形成凝胶。在更广泛的背景下，含蛋白质的水凝胶已成为多功能软材料，其结构和功能可以通过选择蛋白质来源和加工条件来控制。蛋白质的展开和聚集可以形成具有可调机械、热和流变特性的三维网络（Malik等人，2023年）。蛋白质浓度、pH值、离子强度、温度和变性程度等因素起着关键作用（Totosaus等人，2002年）。不同的凝胶化途径决定了网络的稳定性和性能，从而扩展了其在食品、生物医学和农业领域的应用范围（Malik等人，2023年）。在食品中，乳清蛋白凝胶在乳制品基质、肉类替代品和低脂配方中具有重要意义（Li等人，2022年；Santhapur等人，2024年）。
乳清蛋白凝胶可以通过两种主要方法制备：热固化凝胶化和冷固化凝胶化。热固化凝胶化通常在较高的蛋白质浓度和高温（超过90°C）下进行，此时蛋白质的广泛变性和聚集会导致加热过程中直接形成网络（Wang等人，2023年）。相比之下，冷固化凝胶化是在温和条件下形成凝胶的，无需在网络形成过程中施加高温和持续加热。传统方法包括乳清蛋白经过预热处理（通常为70-90°C）后再凝胶化，而最近的方法也扩展到了利用新兴技术辅助的过程（例如欧姆加热、微波、超声波，这些技术可能引起局部或整体加热），以及无需热预处理的方法。因此，冷固化凝胶化具有显著优势，因为它所需的能量较低，并且适用于热敏营养保健品，如维生素和益生菌（Alavi等人，2018年；Chen等人，2006年）。因此，乳清蛋白冷固化凝胶被认为是清洁标签食品设计和可持续配方的高吸引力基质（Bryant & McClements，1998年）。
经典的冷固化过程分为两个阶段：首先，在低于凝胶化阈值的浓度下通过加热使蛋白质部分展开并聚集，然后通过添加盐或使用葡萄糖-δ-内酯（GDL）等试剂进行控制酸化来诱导凝胶化（Brodkorb等人，2016年；Ju & Kilara，1998年）。凝胶的结构和功能特性随pH值、离子强度、蛋白质浓度和所采用的诱导途径而变化。尽管有几篇综述讨论了乳清蛋白的凝胶化（Brodkorb等人，2016年；Falsafi等人，2022年；Foegeding等人，2002年；Wagner等人，2020年），但大多数研究都集中在热固化凝胶上，冷固化系统相对较少被研究。Bryant & McClements（1998年）等人的基础性贡献描述了传统冷固化凝胶化的分子机制，但没有预见后续的发展，包括酶促交联、混合生物聚合物配方以及由新兴技术或非热方法实现的替代凝胶化途径。
本文旨在概述当前关于冷固化乳清蛋白凝胶的知识，重点关注其分子机制、结构和流变特性及其在食品应用中的相关性。特别关注新兴策略、技术前景和监管考虑因素，这些因素影响了它们的实际应用，突显了它们作为多功能、结构化材料的潜力，符合当前食品领域的健康、可持续性和创新趋势。
要理解冷固化凝胶形成的机制，重要的是要考虑乳清蛋白的组成和分子结构。乳清蛋白是一种由球状蛋白组成的异质混合物，其中β-乳球蛋白（β-Lg，约58%）和α-乳白蛋白（α-La，13-25%）最为丰富，还包含牛血清白蛋白（BSA）、乳铁蛋白、免疫球蛋白和糖巨肽等次要成分（Kilara & Vaghela，2018年；Mehra等人，2021年）。
乳清蛋白的冷固化凝胶化是指在温和条件下形成凝胶网络，而不需要在凝胶化步骤中施加高温。实际上，在网络形成之前，可以通过多种途径诱导蛋白质聚集，包括热和非热方法。下面总结了目前报道的冷固化系统的机制。
乳清蛋白的冷固化凝胶化对蛋白质浓度、pH值、酸化类型和动力学、离子强度以及与共溶剂（包括多糖、其他蛋白质、脂质、多酚和生物活性分子）的相互作用的变化敏感。这些参数决定了蛋白质聚集体的组装途径和最终网络的机械性能。虽然下面指出了一般趋势，但在推断时需要谨慎，因为改性情况可能有所不同。
冷固化乳清蛋白凝胶的微观结构和流变特性与聚集途径和凝胶化前形成的蛋白质组装类型密切相关（Donato等人，2011年；Kuhn等人，2010年）。一般来说，透明的凝胶由有序的线性聚集体形成，而随机的大聚体会形成不透明的网络（Bryant & McClements，1998年）。在传统的冷固化凝胶中，内部结构由通过聚集体间键连接的蛋白质聚集体组成。
开发了输送系统来保护敏感的生物活性化合物免受食品加工过程中的降解、消化酶的作用以及不良环境条件（包括氧化、温度波动、pH变化和光照）的影响。
冷固化凝胶的一个显著特点是它促进了蛋白质的展开，从而暴露出可以与生物活性化合物相互作用的官能团。这些相互作用包括氢键、离子键、静电作用等。
尽管乳清蛋白冷固化凝胶通常会从结构和功能性能方面进行评估，但它们在实际食品中的成功应用最终取决于消费者的感官感知和监管可行性。
从总体来看，食品中的感官感知与食品基质的微观结构密切相关。食品系统可以描述为复杂的胶体结构，其中蛋白质、多糖和水的空间组织不仅决定了...
尽管过去十年的文献大幅增加，但仍有一些挑战限制了冷固化乳清蛋白凝胶的广泛工业应用。这些限制大多源于凝胶化机制本身的物理化学性质。冷固化网络主要是通过蛋白质聚集后交联形成的，这意味着最终的性质取决于前体聚集体的结构和相互作用以及凝胶化条件。
乳清蛋白的冷固化凝胶化不应被视为单一机制，而是一系列结构驱动的组装途径。在过去的几十年中，凝胶网络是通过不同的分子事件序列形成的；在某些系统中，聚集体在凝胶化之前形成，随后相互连接；而在其他系统中，聚集和网络形成几乎同时发生，即使是从天然蛋白质开始的。因此，凝胶化步骤...
Silvia Amaya Llano：撰写——审稿与编辑、可视化、资源整理、概念化。
K. Cruz-Aldaco：撰写——审稿与编辑、可视化。
L. Abadía-García：撰写——审稿与编辑、可视化。
R. Román-Doval：撰写——初稿撰写、研究。
M.C. Cortez-Trejo：撰写——初稿撰写、可视化、研究、概念化。
Bihola等人，2026年；Cavallieri和Cunha，2009年；Cubides等人，2019年；Liu等人，2019年；RCSB蛋白质数据库，2025年；RCSB蛋白质数据库，2025年。
克雷塔罗自治大学支持了这项工作[资助编号FQU202407]。
☒ 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
