设计大豆蛋白淀粉样纤维-高甲氧基果胶复合凝胶作为潜在的吞咽困难辅助食品:重点探讨其相互作用机制及其输送性能

时间:2026年5月26日
来源:Carbohydrate Polymers

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冯建玲|杨博文|韩旭|童小红|余殿宇|王欢|姜连洲中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学食品科学学院,150030摘要本研究构建了一种以吞咽障碍饮食为导向的复合凝胶系统,该系统通过大豆蛋白淀粉样纤维(SAF)与高甲氧基果胶(HMP)交联形成。研究考察了不同pH值和复合比例下复合凝胶的相

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冯建玲|杨博文|韩旭|童小红|余殿宇|王欢|姜连洲
中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学食品科学学院,150030

摘要

本研究构建了一种以吞咽障碍饮食为导向的复合凝胶系统,该系统通过大豆蛋白淀粉样纤维(SAF)与高甲氧基果胶(HMP)交联形成。研究考察了不同pH值和复合比例下复合凝胶的相互作用方式、结构及性质。结果表明,HMP通过非共价作用及其多糖链的立体障碍作用改善了SAF的凝胶性能。其中,pH 7.0组凝胶的网络孔径更小,结构比pH 2.0组更为均匀。随着SAF与HMP体积比的降低,复合凝胶从蛋白质基转变为多糖基,分子间作用力的大小和三维网络结构也发生了变化。特别是pH 7.0-SAF-HMP-1:1的凝胶具有最佳的水分保持能力(91.37±2.14%)、流变性能、质地特性和润滑性能。根据国际吞咽障碍饮食标准化倡议,pH 7.0-SAF-HMP-1:1被列为5级食品,可作为潜在的过渡性食物。此外,在姜黄素浓度为3 mg/mL时,该凝胶的包埋率(83.62±1.27%)、生物利用度和稳定性均达到最佳。这些研究为开发适用于吞咽障碍患者的理想凝胶和功能性食品提供了理论基础。

引言

吞咽障碍是一种常见疾病。由于人口老龄化,吞咽困难已成为全球性的社会问题。老年人由于生理功能下降,常常出现咀嚼和口咽功能障碍,从而增加了误吸或窒息的风险,严重影响其生命和健康(Chen等人,2024年)。随着人口老龄化,开发用于治疗吞咽障碍的功能性食品变得尤为重要。目前,通过开发增稠和改性的食品(包括液态、软质或固体形式),可以增强吞咽障碍患者的安全性和营养需求(Lin等人,2025年)。软凝胶食品是一种典型的改性食品,其柔软顺滑的质地使其成为理想的吞咽障碍饮食选择。
多糖和蛋白质是食品加工行业中广泛使用的生物大分子材料,可用于设计吞咽障碍食品。蛋白质富含营养,而多糖具有良好的增稠效果。在特定条件下,蛋白质与多糖的复合体通过调节它们之间的相互作用可以形成具有优异性能的水凝胶(Henriette & Keith,2016年)。在蛋白质-多糖复合系统中,pH值和复合比例是决定凝胶结构和功能的关键因素。Liu等人(2026年)研究了多糖浓度和pH值对大豆种皮多糖-大豆蛋白分离物(SPI)复合凝胶的影响,发现大豆种皮多糖通过疏水作用和氢键促进了SPI分子之间的连接,形成了紧密堆积的凝胶网络,从而改善了凝胶性能。此外,Zhang等人(2023年)研究了不同pH条件对橙柄菇多糖-乳清蛋白分离物复合凝胶性能的影响,发现随着pH值的升高,凝胶表面从粗糙颗粒状转变为光滑状,高pH值的凝胶具有更高的热稳定性和水分保持能力(WHC)。
特别是在低pH条件下加热处理后,SPI会形成大豆蛋白淀粉样纤维(SAF)。SAF具有高度有序且独特的结构,即交叉β结构(Cao & Mezzenga,2019年)。与普通大豆蛋白相比,SAF通常不具有过敏性,并含有小分子肽,这些肽具有抗氧化和免疫调节等生物活性。蛋白质淀粉样纤维的极长长度和灵活性使其能够在低于原始蛋白质凝胶临界浓度的情况下形成凝胶网络(Zhao等人,2026年)。SAF具有优异的流变性能、界面活性和稳定性,适用于改善食品质地、嵌入营养成分和开发功能性食品(Zhou等人,2024年)。果胶是一种天然的大分子多糖,由半乳醛酸糖链、鼠李糖醛酸糖链和木糖醛酸糖链组成,具有增稠作用,可以调节蛋白质凝胶的强度。根据果胶侧链羧基的甲氧基化程度,果胶可分为高甲氧基果胶(DM≥50%,HMP)和低甲氧基果胶(DM<50%,LMP)(Yan等人,2023年),其中HMP易于形成凝胶,常用作稳定剂、凝胶剂和增稠剂。HMP凝胶的形成受两种非共价作用类型的控制:甲氧基团之间的疏水作用以及仲醇基团与未解离羧基之间的氢键(Abboud, Iacomini, Simas, & Cordeiro,2020年)。HMP富含疏水性的甲氧基或乙酰基,可与蛋白质中的疏水氨基酸相互作用,有效促进蛋白质凝胶化(Yang等人,2022年);因此,HMP在改善蛋白质性能和凝胶化方面也有巨大潜力。通过调节系统的pH环境和蛋白质纤维与多糖的复合比例,有望构建出具有优异释放特性的凝胶载体。这些载体由于其致密的网络结构和高的成分嵌入效率,适用于输送具有关键生理活性的天然成分。姜黄素不仅具有显著的抗氧化、抗炎和抗菌作用,还在辅助治疗慢性疾病方面具有潜力。然而,姜黄素的不稳定性和极低的溶解度使其在储存和消化道环境中容易发生化学降解,限制了其生物利用度和健康效益。凝胶释放系统可以通过保护姜黄素免受化学降解来实现控释,从而提高其生物效果(Cheng等人,2024年)。
因此,我们提出了一种假设:通过调节系统的pH值和组成比例,可以促进SAF与HMP的交联,增强它们之间的相互作用,从而构建出富含生物成分的高营养复合凝胶系统,用于吞咽障碍饮食。本文通过HMP与SAF结合(无需交联剂)构建了这种复合凝胶系统,并研究了其对姜黄素稳定释放的影响。利用光谱学、扫描电子显微镜(SEM)和分子间作用力分析等方法探讨了SAF-HMP复合凝胶的结构特征和相互作用方式。通过水分保持能力(WHC)、低场核磁共振(LF-NMR)、流变学、国际吞咽障碍饮食标准化倡议(IDDSI)测试、口腔摩擦学和质地特性等方法研究了其凝胶性能。这些研究为进一步优化SAF的应用和开发高营养价值的理想吞咽障碍凝胶系统提供了重要指导。

章节摘录

材料

脱脂大豆片由宜海嘉瑞食品有限公司提供;姜黄素来自宇然生物科技有限公司,其分子量(Mw)为210,830 Da,半乳醛酸含量为71.86±2.54%,酯化度为65.06±2.12%,CAS编号为9000-69-5。HMP的分子量通过凝胶渗透色谱法测定(见补充数据中的图S1和图S2)。

大豆蛋白淀粉样纤维的特性

如图1A所示,中性pH下的SPI为球形蛋白质。在极端酸性条件下,蛋白质分子部分变性,单个颗粒有轻微聚集现象。未加热的蛋白质呈球形颗粒,颗粒聚集较大。进一步加热后,这些结构逐渐转变为丝状纤维结构。本实验中加热时间为24小时,这是因为蛋白质亚基迅速

结论

pH处理和复合比例的变化改善了凝胶性能。pH 7.0组凝胶的结构更稳定,凝胶网络的孔径比pH 2.0组更小。随着HMP体积比的改变,低浓度的HMP填充了蛋白质基凝胶网络的空隙,逐渐形成了紧密堆积的凝胶网络结构。过量的HMP增加了立体障碍,降低了相互作用力,破坏了网络结构。

CRediT作者贡献声明

冯建玲:负责撰写初稿和实验研究。杨博文:软件开发。韩旭:概念策划。童小红:方法学设计及数据管理。余殿宇:资源获取。王欢:实验监督。姜连洲:资金筹措。

未引用的参考文献

Min, Ma, Kuang, Huang和Xiong, 2022
Torres等人,2019
Wang, Yang, Li-Sha和Chen, 2021
Yi等人,2021

利益冲突声明

作者声明在本研究中不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了以下项目的支持:第14个国家重点研发计划(2024YFA0918300)、国家自然科学基金(32302128)、国家博士后科学基金(2025M782984)以及黑龙江省自然科学基金(LH2024C028)。

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