美拉德糖基化榛子蛋白作为牛轧糖泡沫中蛋清替代物：流变学、质构及微观结构研究

摘要：本研究考察了美拉德(Maillard)型糖基化榛子蛋白共轭物作为植物基替代物取代牛轧糖充气泡沫(aerated nougat foams)中蛋清粉(egg white powder)的应用。榛子蛋白分离物(hazelnut protein isolate, HPI)在优化的湿热条件下分别与阿拉伯胶(gum arabic, GA)或海藻酸钠(sodium alginate, SA)进行共轭反应制得HPI–GA和HPI–SA，并以25%、50%、75%及100%的替代水平（相对于对照组蛋清粉用量）取代蛋清粉。通过宏观形貌与表观密度(apparent density)、稳态剪切流动行为（幂律模型，power-law modeling）、频率依赖黏弹性（储能模量G′/损耗模量G″）、质构（涂抹性与反向挤出，spreadability and back extrusion）、光学显微结构及衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(attenuated total reflection–Fourier transform infrared spectroscopy, ATR–FTIR)评估泡沫性能。用未改性天然HPI替代蛋清导致泡沫结构弱化，表现为密度升高、黏度/稠度系数(consistency index, K)降低及机械抗力下降。相比之下，两种糖基化共轭物均改善了泡沫结构化能力与变形抗性，其中HPI–SA对泡沫结构的增强效果最为显著，尤其在25%–50%替代水平下，泡沫性质接近蛋清对照组同时保持气泡分散稳定。FTIR特征谱图支持多糖组分及更强水合相关相互作用在共轭体系中的贡献。研究结果表明，糖基化榛子蛋白特别是HPI–SA是牛轧糖泡沫形成过程中颇具前景的蛋清功能性替代品。

《Glycosylated Hazelnut Protein as Egg White Alternatives in Nougat Foams: Rheology, Texture, and Microstructure》论文解读

该研究发表于《Food Science & Nutrition》（Food Sci. Nutr.）。目前食品工业中蛋糕、冰淇淋及牛轧糖(nougat)等充气食品依赖蛋清蛋白(egg white protein)优良的界面吸附与成膜能力来维持泡沫稳定性，但蛋清存在致敏性、动物福利争议、价格波动及可持续性不足等问题，促使研究人员寻找植物基替代蛋白。榛子蛋白分离物(hazelnut protein isolate, HPI)来源广泛且适合清洁标签，但其天然形式发泡与稳泡能力远弱于蛋清。已有研究表明美拉德(Maillard)型蛋白质–多糖共价共轭可改善植物蛋白溶解性、界面活性及流变学特性。然而糖基化榛子蛋白在复杂真实食品体系——特别是牛轧糖充气糖果基质中的应用尚未见系统研究。为此，研究人员通过湿热法制备HPI与阿拉伯胶(gum arabic, GA)及海藻酸钠(sodium alginate, SA)的Maillard型共轭物(HPI–GA、HPI–SA)，以不同比例(25%–100%)替代牛轧糖泡沫配方中的蛋清粉，系统评价其宏观形貌、表观密度、稳态剪切与动态黏弹性、质构特性（涂抹性与反向挤出）、光学显微结构及ATR–FTIR分子结构特征，探讨糖基化榛子蛋白作为牛轧糖泡沫中蛋清替代物的可行性及最优替代水平，并阐明其结构–功能关系。研究结果表明，HPI–SA在25%–50%替代水平下能维持接近蛋清对照组的泡沫性质，是较优的植物基替代方案，对开发清洁标签充气糖果具有重要意义。

主要关键技术方法

研究人员以土耳其Tombul品种脱脂榛仁制备HPI（蛋白含量80.15%），按蛋白‑多糖比6%(w/w)分别与SA和GA进行湿热Maillard共轭反应获得HPI–SA与HPI–GA。以含0.47%(w/w)蛋清粉的充糖果糖基质为对照，用HPI、HPI–GA或HPI–SA按25%、50%、75%、100%质量比例替代蛋清粉制备牛轧糖泡沫(nougat foam)。表征方法包括：体积‑质量法测定表观密度；旋转流变仪锥板系统行稳态剪切（幂律模型Ostwald–de Waele拟合，得稠度系数K与流动行为指数n）及频率扫描（1–100 rad/s，应力1 Pa）测储能模量G′与损耗模量G″；质构分析仪行涂抹性（Spreadability Rig）测硬度与剪切功及反向挤出（back extrusion）测峰值力与正向面积；光学显微镜观察气泡尺寸与分布；ATR–FTIR（600–4000 cm⁻¹）分析分子相互作用。数据经单因素方差分析与Tukey检验(p<0.05)。

3.1 Macrostructural Appearance and Apparent Density of Nougat Foam（牛轧糖泡沫的宏观形貌与表观密度）

对照组泡沫表面均匀呈奶灰色。完全用天然HPI替代后泡沫不均匀且粗糙；含HPI–GA与HPI–SA的泡沫外观改善，25%替代时最接近对照组。表观密度测定显示对照组最低(0.54 g/mL)，天然HPI随替代比例升高密度急剧增大，表明充气效率差；HPI–GA与HPI–SA在≤50%替代时密度缓慢上升（HPI–SA 25%为0.60 g/mL，50%为0.63 g/mL），接近对照组值，说明SA共轭有助于维持气泡截留与较低密度，验证了其较好的界面稳定与保气能力。

3.2 Rheological Behaviors of Nougat Foam（牛轧糖泡沫的流变学行为）

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  3.2.1 Steady Shear（稳态剪切）：所有样品呈剪切变稀(shear-thinning)，符合幂律模型(R²≥0.98)。25%–50%替代时HPI–GA与HPI–SA黏度接近对照组，天然HPI黏度显著降低(K值小)；75%–100%替代时HPI–SA仍保持较高表观黏度与K值，n值略高于天然HPI，表明糖基化特别是与SA共轭增强了网络结构与抗剪切变形能力。
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  3.2.2 Dynamic Viscoelastic（动态黏弹性）：各配方G″＞G′，总体表现为黏主导的结构化液体。天然HPI替代使G′降低，表明内部结构弱；HPI–GA与HPI–SA在≤50%替代时G′升高且G′与G″差值缩小，尤以HPI–SA提升最明显，说明共轭物部分强化泡沫网络，其中SA共价结合促进更强分子间作用与水合，提高抵抗振荡变形的能力。

3.3 Texture Analysis of Nougat Foams（牛轧糖泡沫的质构分析）

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  3.3.1 Spreadability（涂抹性）：对照组硬度和剪切功较高；天然HPI大幅降低二者值（100% HPI最弱）。HPI–GA与HPI–SA显著提高硬度与剪切功，HPI–SA在50%替代时达最大值（硬度2564.67 g，剪切功1954.23 g·s），超过对照组，显示SA共轭形成更紧密、抗变形泡沫基质。
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  3.3.2 Back Extrusion（反向挤出）：趋势与涂抹性一致。天然HPI使峰值力与正向面积下降，100% HPI最低；HPI–SA样品峰值力与正向面积最高（50%替代时达峰值），再次证实HPI–SA共轭赋予泡沫最强抗压/抗拉变形能力与内聚性。

3.4 Microstructural Imaging（微观结构成像）

光学显微镜显示对照组气泡细小均匀分散。25%替代时HPI–GA与HPI–SA气泡分布较均匀近似对照；50%替代时HPI–GA出现局部大气泡与聚并迹象，而HPI–SA仍维持较致密连通微结构，气泡较好地嵌入连续相中，说明SA共轭提供更强的界面膜与体相支撑，抑制气泡聚并与粗化，与较低表观密度、较高G′及质构抗力结果吻合。

3.5 FTIR（衰减全反射‑傅里叶变换红外光谱）

~3290 cm⁻¹处O–H/N–H伸缩振动宽带在HPI–SA样品中更宽更强，表明氢键增强及多糖引入提升水合能力；~1642 cm⁻¹（酰胺I带，amide I）强度在50% HPI–SA中略增，提示更强氢键及蛋白‑多糖相互作用；~1021 cm⁻¹处C–O–C/C–O伸缩振动峰在共轭样品中增强，确证多糖组分成功整合入泡沫网络。FTIR从分子水平佐证共轭诱导的水合增强与界面层凝聚，支持宏观与流变改善现象。

讨论与结论翻译

研究人员指出，天然HPI无法匹配蛋清稳泡能力，而Maillard糖基化显著提升榛子蛋白发泡与稳泡性能，其中HPI–SA效果优于HPI–GA，机制包括多糖共价接枝增大流体力学体积、增强水结合、强化蛋白界面膜黏弹性及体相间相互作用。25%–50%替代水平可在保持充气性的同时获得接近蛋清对照组的泡沫结构与机械强度，被认定为适宜替代比例。后续将在含脂肪‑可可相的乳化型牛轧糖体系中进一步研究。结论如下：本研究证明糖基化榛子蛋白共轭物可作为牛轧糖加工泡沫形成阶段蛋清蛋白的有效功能性替代品。用天然HPI替代蛋清粉使泡沫结构弱化（表观密度升高、机械抗力与流变强度降低）。相反，与GA或SA的美拉德共轭明显增强榛子蛋白的稳泡性能——表现为改善的宏观形貌、受控的表观密度、更强的质构抗力及增强的稳态剪切与动态黏弹行为。所测体系中HPI–SA共轭物表现最优，尤在25%和50%替代水平，泡沫性质最接近蛋清对照组，兼具充足充气性、更好结构完整性、变形抗力与微观稳定性。微观结构与ATR–FTIR结果支持蛋白‑多糖更强相互作用、水结合增加及更凝聚泡沫网络的贡献。因此25%和50%被确定为维持均衡泡沫结构与功能性的最适替代水平，榛子蛋白经蛋白‑多糖共轭改性后在充气糖果体系中具工业化应用潜力。