综述：生物聚合物/亲水胶体作为凝固型酸奶胶凝剂的作用：机制、相互作用与表征

发酵乳制品的营养与功能品质在全球备受推崇，这主要归因于亲水胶体（hydrocolloids）/生物聚合物（biopolymers）之间复杂的相互作用。尽管研究人员对相互作用的理解已取得巨大进展，但亲水胶体在酸奶中的应用仍面临诸多未解问题，尤其是在加工特性与营养优势相关的机制方面。3D打印等前沿技术为解析亲水胶体的作用、优化生产工艺、改善其感官与健康特性提供了广阔前景。此外，由于酸奶的品质与凝胶形成机制密切相关，该机制仍需深入研究。生物聚合物/亲水胶体之间的相互作用对酸奶配方设计中结构的构建与质地的形成至关重要。同时，含有非相互作用生物聚合物的产品需严格调控，因其可能引发分配相分离（segregative phase separation），显著影响最终体系的稳定性与品质。本综述将聚焦于多糖与酪蛋白胶束（casein micelles）相互作用的分子细节——这对赋予酸奶产品结构至关重要。研究人员将评估牛奶蛋白与不同多糖通过相互作用或不相容性生成新型微观结构的潜力。此外，本文概述了典型凝固型酸奶（set-type yogurt）凝胶的形成过程，探讨了主要成分（包括生物聚合物）及其在凝胶内的相互作用（蛋白质-多糖相互作用机制）对凝胶形成与行为的影响。本综述分析了静电相互作用、氢键、疏水相互作用等相互作用机制及相关结构变化，为有效提升酸奶这一重要乳制品的凝胶性能提供了新的机遇与理论指导。

1. 1.
   引言
   酸奶作为全球消费最广泛的乳制品之一，营养价值极高，尤其富含优质蛋白与必需矿物质。从技术角度看，酸奶生产的核心变量是蛋白质凝胶化，该过程通过变性乳清蛋白（whey proteins, WP）与κ-酪蛋白分子间的二硫键交联得到强化。这些胶体通过与酪蛋白相互作用，影响蛋白质分子的聚集与凝胶化，赋予酸奶所需的均一性与黏稠度。例如明胶与乳清蛋白通过热诱导变性及后续聚集形成稳定的凝胶网络，海藻酸盐则在酸性环境中通过与多价阳离子相互作用发生胶凝。酸奶的pH、糖含量与酯化程度均会影响果胶的胶凝特性。此外，亲水胶体可与含果粒等成分的复配酸奶体系产生协同效应，形成更均一稳定的食品体系。
   凝固型酸奶直接在包装容器中发酵，经冷却后储存食用；而搅拌型酸奶、希腊酸奶等则在大罐中发酵后泵送、过滤、均质，再与水果或风味物质混合冷却。加工步骤的顺序、条件与组合因企业与产品而异，剪切强度的增加会导致流变特性（黏度、弹性、硬度降低）发生变化，储存过程中的凝胶重组会发生“再构”（rebodying）现象，部分恢复流变特性。加工步骤的顺序、温度及剪切强度均会影响强搅拌型酸奶的特性及其储存期间的演变。
   凝胶微观结构与凝固型或搅拌型酸乳凝胶的质构变化密切相关，网络交联密度、孔径、网络异质性或蛋白质颗粒尺寸的变化是表征凝胶的主要结构特征，与酸凝胶特性显著相关。研究表明，添加不同量的M. dodecandrum Lour.可改善搅拌型酸奶的风味，0.25%~0.50%不溶性大豆纤维可显著优化搅拌型酸奶的微观结构，使其比凝固型酸奶拥有更均一的网络与更少的开放乳清通道，有利于凝胶网络的持水。这一现象源于天然功能性成分可增稠酸奶、充当酪蛋白胶束网络的锚定点，提升其持水能力并优化微观结构，也可能使微观结构形成更致密的结构、更均一的蛋白质聚集体及更少的孔隙与通道。
   变性温度会特异性影响酸化过程中β-乳球蛋白与κ-酪蛋白间二硫键（disulphide bonds, DSBs）的交联，可能导致乳清蛋白包被的酪蛋白胶束形成。此外，温度、时长及所用微生物发酵剂的蛋白水解活性均会显著影响凝胶强度。这些技术要求使得从不同乳源生产具有高紧密凝胶网络结构、奶油香气、良好口感且储存期间乳清析出少的优质酸奶存在挑战。
   亲水胶体（生物聚合物）常作为稳定剂添加到乳基中，以获得理想的质构特性并避免乳清分离。食品工业中亲水胶体可用作增稠剂、胶凝剂、水分控制剂，一定程度上也可用作乳化剂。增稠与胶凝是其两大主要稳定机制，天然树胶、淀粉、果胶、琼脂等胶凝物质可通过构建基于酪蛋白网络的互穿三维（three-dimensional, 3D）结构赋予酸奶质地。
   外部干预可调控凝胶的结构与性能，例如增稠剂与发酵剂产生的胞外多糖（exopolysaccharides）相互作用可改善凝胶质构或黏度；热处理或pH变化通过破坏蛋白质空间结构、暴露疏水基团加速凝胶化；均质减小蛋白质与油滴粒径、酶处理通过蛋白质水解或交联稳定乳液体系，均可改善凝胶特性。预期效果包括改善发酵与流变行为、提升持水能力（water-holding capacity, WHC）与机械特性、减少脱水收缩（syneresis）。
   尽管已有进展，但高蛋白酸奶的结构-功能关系仍不明确，尤其是蛋白质组成、矿物质含量、酪蛋白胶束水合与体积、发酵剂类型、温度（发酵、热处理、配料加工）、pH及加工工艺的影响尚不清楚。此外，蛋白质-蛋白质、蛋白质-矿物质、蛋白质-乳糖相互作用对高蛋白低脂体系中蛋白质聚集与网络形成的影响也未被揭示。鉴于乳制品基质研究的快速发展，亟需进一步探究影响下一代高品质高蛋白酸奶生产的因素。本文将涵盖凝固型酸奶凝胶的制备方法、凝胶组分、其对酸奶凝胶（yogurt gels, YGs）的影响及分子相互作用，并梳理当前提升酸奶凝胶特性的技术与成果，最后讨论该领域的障碍与发展潜力，可为调控凝固型酸奶特性提供策略。本研究旨在解析生物聚合物/亲水胶体诱导的凝固型酸奶网络的形成、微观结构与分子相互作用，并通过改变酸凝胶温度阐明网络凝胶化顺序对性能及相关机制的影响，深化对生物聚合物凝胶化过程中质构形成机制的理解，助力提升凝固型酸奶网络品质。
2. 2.
   凝固型酸奶凝胶：形成机制与挑战
   κ-酪蛋白表面形成的毛发层、空间排斥、水化层与负电荷共同维持pH 6.5~7时酪蛋白胶束的稳定性。胶束由亚胶束构成，亚胶束是通过盐桥与疏水相互作用（hydrophobic interactions, HPIs）结合的球形酪蛋白聚集体，通过无定形磷酸钙区域连接，限制了酪蛋白分子几乎所有区域的流动性，仅κ-酪蛋白的C端区域以柔性“毛发”形式存在于胶束外侧。亚胶束分为含κ-酪蛋白与不含κ-酪蛋白两类。随着pH降低，胶体磷酸钙分解会导致酪蛋白胶束特性剧烈变化，更低pH下盐桥形成增加。温度效应同样显著：低温下胶束体积增大，可能源于β-酪蛋白毛发伸出；高温（>70℃）下部分酪蛋白组分柔性增加。酪蛋白胶束极稳定，但条件变化可能导致其聚集或溶解。
   凝胶通常由聚集形成。分形絮凝（fractal floc）形成理论被用于解释凝胶化时间对聚集颗粒体积分数的高度依赖性。κ-酪蛋白毛发产生的空间排斥维持蛋白质稳定，防止聚集；但不同酪蛋白胶束的毛发接触可能引发胶束长期相互作用并聚集。温度升高时可能形成盐桥或共价键（化学交联），疏水相互作用参与的可能性较低。聚集速率受空间排斥与静电排斥共同影响，二者决定了不同胶束中酪蛋白分子接触足够长时间以形成键的概率。当pH从约6.7降至4.6时，胶束上的κ-酪蛋白层坍塌，酪蛋白胶束间的静电与空间排斥减弱，引发酸凝胶化。随着接近酪蛋白胶束胶体的等电点（isoelastic point, pI），这种机制促进胶束间相互吸引。同时，胶束内的胶体磷酸钙（colloidal calcium phosphate, CCP）溶解度增加。范德华引力、静电相互作用、疏水相互作用、氢键等吸引力与该过程共同塑造牛奶凝胶的发育与结构。
   CCP因酸性溶解导致酪蛋白颗粒解体，进而形成链与丛状结构，颗粒以特定方式再聚合形成网络结构，最终生成典型的酸诱导蛋白质凝胶。乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）发酵产酸促使蛋白质聚集，凝胶网络构建主要分为两个过程：（i）发酵前，蛋白质经预热变性（展开）后部分聚集；（ii）LAB在厌氧环境下将糖转化为乳酸，pH下降使蛋白质净电荷与静电排斥减少，在pI处形成可溶性蛋白质聚集体，最终构建有序的3D凝胶结构。
   LAB发酵过程中蛋白质与胞外多糖通常共存，二者的相互作用常影响聚合物的功能特性。混合多糖与蛋白质的水溶液中，分子相互作用与热力学不相容驱动相分离。若无分子间相互作用，两种聚合物会因相互排斥（热力学不相容）发生相分离。疏水相互作用、静电相互作用与范德华力共同作用形成蛋白质/多糖复合物，该复合物可促进聚集相分离或保持可溶性。酸奶独特的结构与质构（流变学）很大程度上归因于其理化特性，而这些特性取决于组分间的分子相互作用。
   研究人员常通过体积排阻色谱、场流分离结合激光光散射、浊度或单体二级/三级结构的光谱探针实验观测聚集形成的动力学。动力学以单体浓度相对于初始值的比例m的时间依赖性表示，若聚集物种在实验中保持溶解，聚集体的重均分子量（weight-average molecular weight, M_w^agg）也是区分聚集动力学路径的有用量。除定性或半定量替代m与M_w^agg外，多数监测聚集的方法也可转化为与上述两量等价的参数。可溶性聚集体指可直接与单体整合的任何聚集体物种，不暗示特定尺寸阈值，仅实际观测显示聚集体分子量升高时溶解度可能下降。
   固定温度、压力与溶剂组成下，单体损失的动力学通常可用表观反应速率系数k_obs与表观反应级数ν的幂律方程描述，k_obs可能包含 unfolding 平衡常数K_un、成核前体形成常数K_1,x的贡献，仅当为真正的 unfolding 限制型聚集时才等于单一速率系数。给定总单体浓度下， unfolding 自由能增加会降低K_un，进而降低R单体的浓度，减少R单体添加到已存在聚集体的速率，因此当R单体热力学不利时， unfolding 自由能变化会显著影响k_obs。此外，k_obs依赖于K_d，K_d升高会抑制可逆前体向不可逆聚集体的转化。
   酸奶被视为可截留大量液相的半固体发酵乳制品，其网络由脂肪、蛋白质与多糖交联形成，影响最终产品的风味、质构、结构与总固形物含量。蛋白质被认为是酸奶结构的主要成分，牛奶总蛋白含量约3.48%，其中80%为酪蛋白（α_s1、α_s2、β、κ组分），20%为乳清蛋白。酪蛋白通过疏水相互作用与二硫键的物理相互作用，以及与乳清蛋白的相互作用赋予酸奶形状。发酵过程中酸化（pH降至pI）与酶促反应使酪蛋白常形成凝胶，通过氢键捕获乳清。
   酸奶的全球流通与货架期对其市场接受度至关重要，冷藏（4~6℃）下酸奶的货架期约为16~21天。黏度波动与脱水收缩是加工后或储存期间酸奶主要的物理缺陷。脱水收缩（syneresis）指连续酸奶网络中截留的乳清（血清）被排出，本质是凝胶网络通过增强颗粒-颗粒连接点发生重排。牛奶凝胶化是牛奶从牛顿流体转变为半固体或固体产品的过程，形成的蛋白质网络可将血清截留在孔隙中。酸奶抗脱水收缩的稳定性由凝胶的持水能力与刚度决定。凝固型酸奶极易发生脱水收缩，搅拌型酸奶也易发生，主要源于凝胶刚度不足。脱水收缩由两类因素驱动：（i）影响凝胶网络持水能力的物理（网络密度、形成、稳定性）与化学（导致水化学失活的因素）参数；（ii）促进水从凝胶网络中移除的因素，如网络内应力（网络重排、快速冷却、酸化）与网络外应力（振动、切割凝胶）。
   亲水胶体常被添加到酸奶中以延长货架期、改善质构。其长链分支分子更易与水相互作用，降低基质区域的水流动，减少脱水收缩；同时与乳乳成分相互作用提升其水合程度，使乳成分形成连接网络阻碍水的自由流动。适宜的热处理（时间与温度匹配）可提升乳清蛋白的变性程度，使其通过疏水相互作用与酪蛋白胶束结合，降低疏水性，提升持水能力。热处理通常对脱水收缩有积极影响，但加热不足或未加热的牛奶会形成结构较弱的酸奶凝胶，更易出现脱水收缩。配方不合理、总固形物含量低（若均质则蛋白质与脂肪含量低）、热与均质工艺不足、接种菌种不当、发酵时间/温度不合适、营销运输环节缺陷均可能导致酸奶脱水收缩。
   研究发现不同添加量的不溶性柠檬皮纤维会影响酸奶中酪蛋白的凝胶化，伴随分子间作用力（氢键、静电相互作用、疏水相互作用、二硫键）的动态变化，这些力共同稳定酪蛋白凝胶的3D网络。柠檬皮纤维可能诱导蛋白质分子构象变化，增加巯基（-SH）与疏水区域的暴露，促进二硫键与疏水相互作用形成；同时降低静电相互作用的重要性，增强氢键作用。酸奶pH接近酪蛋白pI时，酪蛋白分子氨基与羧基的质子化与解离状态最利于氢键形成，柠檬皮纤维还可能局部提高酪蛋白含量，强化氢键作用，同时酪蛋白表面电荷下降，削弱静电相互作用。结果表明，促进酪蛋白凝胶形成的主要作用力是疏水相互作用与二硫键，柠檬皮纤维可强化这两种力。
   针对黑米发酵酸奶中营养素与酸奶蛋白质的相互作用研究，研究人员选择酪蛋白（α1-CAS、α2-CAS、β-CAS）与乳清蛋白（β-乳球蛋白）作为蛋白质大分子，选择β-葡聚糖、木聚糖、对香豆醇、松柏醇、芥子醇、花青素分别作为淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、花青素的配体进行分子对接分析。结果显示β-葡聚糖与木聚糖对不同蛋白质的结合能通常较高，表明分子结合相互作用较弱；而花青素与木质素组分（对香豆醇、松柏醇、芥子醇）结合能较低，表明具有强结合特性，其中花青素与对香豆醇与β-乳球蛋白的结合能最低。这表明黑米发酵释放的木质素低分子片段与花青素可通过暴露更多酚羟基与苯环结构，与牛奶蛋白形成更强的价键，改善酸奶的凝胶化与质构稳定性。酸奶发酵过程中花青素的产生也会促进分子结合，且发酵过程中pH变化可能促进松柏醇/芥子醇的-OH与β-乳球蛋白的-NH₂或-COOH形成静电复合物，从而降低乳清沉淀。
3. 3.
   含清洁标签亲水胶体的植物基酸奶
   随着素食与清洁标签食品需求的增长，天然可持续成分正被研究作为动物脂肪的替代品。黏质（mucilages）作为从多种植物来源提取的亲水胶体，因其独特的高持水能力、乳化与胶凝特性成为可行替代品。黏质的持水与胶凝特性使其成为乳制品的可行植物基脂肪替代品，7.5% w/v奇亚籽黏质补充的低脂酸奶（脱脂乳基）相比对照组，脱水收缩更少，且在21天储存期内理化特性保持稳定，这归因于黏质中羟基与水形成强氢键带来的优异胶凝与持水特性。
   植物蛋白对酪蛋白凝胶的影响呈浓度依赖性：高浓度会导致显著相分离，低浓度可填充凝胶孔隙改善质构。当酪蛋白与植物蛋白质量比<1:0.025时，增加植物蛋白可提升凝胶结构稳定性；当比例超过1:0.025时，增加植物蛋白会引发渐进式相分离，不利于改善凝胶性能。总体而言，植物蛋白可作为天然成分改善富酪蛋白凝胶产品，但需优化添加量以获得理想凝胶品质。
   从分子层面理解蛋白质的形成机制是有效改善植物基酸奶凝胶品质的关键，包括明确参与凝胶形成的亚基、二级结构变化及3D网络结构的构建过程。大豆蛋白及其酸诱导凝胶因在植物基酸奶中的广泛应用已被广泛研究，研究人员既探索了改善大豆酸奶胶凝特性的方法，也阐明了大豆分离蛋白（soy protein isolate, SPI）的酸诱导凝胶形成机制。酸诱导凝胶90%由球状蛋白构成，具有独特的二级与三级结构，发酵过程中大豆分离蛋白的结构会发生变化：发酵后最大吸收波长升高、蛋白质荧光强度降低，表明发酵改变了蛋白质结构；发酵过程中β-折叠与β-转角数量显著增加，α-螺旋与无规卷曲数量显著下降，这些二级结构的变化促进了大豆分离蛋白的凝胶化，β-折叠含量更高的蛋白质形成更致密的凝胶网络，且凝胶中β-折叠含量与凝胶刚度呈强正相关。
   谷物与假谷物因独特的风味与营养成分也被用于制备植物基酸奶替代品。燕麦蛋白因蛋白质含量高（约15%）、溶解度优于其他谷物蛋白，受到消费者青睐，是植物基酸奶的潜在原料。燕麦蛋白浓缩物制备的植物基酸奶常形成冷固化凝胶，具有渗流网络结构：酸化前的热处理破坏燕麦蛋白六聚体结构，部分单体结合亚基，pH下降时这些单体与亚基因排斥力降低形成成核位点，线性合并形成原纤维，最终构建凝胶渗流网络。
4. 4.
   酸奶凝胶中的生物聚合物
   生物聚合物包括细菌、植物与动物来源的亲水胶体，通过吸水溶胀或在特定条件下形成凝胶网络结构。亲水胶体被添加到食品体系中以改变质构、提升稳定性、降低脂肪或热量，可用作稳定剂、乳化剂、脱水收缩控制剂、增稠剂、胶凝剂或加工助剂，还可用于封装生物活性物质。常见用于酸奶的亲水胶体包括黄原胶、卡拉胶、瓜尔胶、刺槐豆胶、果胶、海藻酸盐、阿拉伯胶与明胶。刺槐豆胶与瓜尔胶均为半乳甘露聚糖，仅与牛奶蛋白发生分配型相互作用。黄原胶是杂多糖，重复五糖单元构成主链，因含乙酸与丙酮酸基团属于阴离子多糖。κ-卡拉胶与牛奶蛋白（尤其是κ-酪蛋白与乳清蛋白）存在强静电相互作用，卡拉胶是高度硫酸化的多糖，ι-与κ-卡拉胶在温度下降时发生线圈-螺旋转变，产生热可逆凝胶化，该过程需要牛奶中天然存在的K⁺与Ca²⁺等阳离子参与。其增稠与胶凝特性由其分子量（Mw）、单体类型、结构中的官能团、侧链的类型、数量与分布决定。
   多糖基酸奶电荷中性或负电，而明胶等蛋白基酸奶的电荷随体系pH变化可正可负。关于蛋白质-多糖复合物的作用，部分研究认为可溶性复合物对凝胶强度至关重要，也有研究认为结合聚集体是关键。具体而言，牛奶加热至pH<6.70时，κ-酪蛋白主要保留在酪蛋白胶束表面，变性乳清蛋白倾向于通过二硫键、疏水相互作用与静电相互作用附着在胶束外层的κ-酪蛋白上，形成胶束结合复合物；而加热至pH≥6.70的弱碱性环境