κ-卡拉胶、吉兰胶和魔芋葡甘露聚糖对以马铃薯蛋白、大豆蛋白和绿豆蛋白配制的乳化凝胶系统的结构及物理稳定性的影响

《Applied Food Research》：The influence of kappa-carrageenan, gellan gum, and konjac glucomannan on the structure and physical stability of emulsified gel systems formulated with potato, soy and mung bean proteins

　　植物肉替代品通过多糖改性提升凝胶结构及物理稳定性。研究系统比较了κ-卡拉胶（KC）、琼脂糖（GG）和konjac葡聚糖（KGM）对土豆、大豆及绿豆蛋白凝胶的影响。发现KC在硬度、流体保持和结构稳定性方面表现最佳，其增强效果与浓度和蛋白类型相关；GG通过离子相互作用改善部分蛋白凝胶的弹性，但高温下易形成松散网络；KGM因分子结构限制，仅对土豆蛋白凝胶硬度有显著提升。实验采用工业相关条件，通过预凝胶稳定性、烹饪损失、冷热循环稳定性等指标验证多糖协同效应，为优化植物肉替代品配方提供科学依据。

　　
该研究聚焦于植物蛋白基乳化凝胶体系中多糖的功能特性，通过系统比较角叉菜胶（KC）、果胶（GG）和 konjac glucomannan（KGM）对土豆蛋白（PPI）、大豆蛋白（SPI）和绿豆蛋白（MBPI）凝胶结构及稳定性的影响。研究在模拟工业化条件（含油量12.5%、NaCl 1.5%）下展开，采用多维度分析方法揭示多糖与植物蛋白的协同作用机制。

**1. 蛋白质特性与凝胶基础**
研究显示不同植物蛋白的变性程度显著影响凝胶特性。PPI因保留较高天然构象，在5.25%浓度下即可形成与SPI（11.5%）和MBPI（18.75%）凝胶等效的硬度（p>0.05），其DSC分析表明未完全变性（T? 56.8℃，ΔH 7.36 J/g）。SPI和MBPI在高温处理（94℃）后均发生显著变性，SPI的螺旋结构更易与离子作用形成网络，而MBPI因高蛋白浓度（18.75%）展现出更强的疏水相互作用。

**2. 多糖强化机制比较**
（1）**角叉菜胶（KC）**：作为典型阳离子电荷多糖，KC在0.5%-1.5%浓度范围内均能显著提升凝胶硬度（SPI系统硬度提升17.4%-19.3%，MBPI系统达23.5%-28.2%）。其强化效果源于：
- 集中离子环境促进蛋白电荷屏蔽，形成致密三维网络
- 水合作用降低水分活性（aw<0.6），抑制相分离
- 高温阶段（94℃）保持可溶状态，冷却时通过离子-偶极相互作用重组网络
SPI/KC-H体系因高离子强度（NaCl 1.5%）导致KC链段舒展受限，反而产生协同增效，硬度达66.8±2.3 N（表1B），显著高于对照组（34.9±3.8 N）。

（2）**果胶（GG）**：阴离子特性导致其作用呈现两极分化：
- PPI-GG体系（1.5%浓度）因相容性较好，硬度达29.9±0.8 N，优于KC低浓度组
- SPI和MBPI体系中GG易形成独立相区，导致硬度下降（SPI/GG-H仅12.1±0.8 N vs KC对照组57.8±2.9 N）
- 冷却阶段出现明显的双网络结构，机械强度低于KC体系

（3）**konjac glucomannan（KGM）**：中性多糖的特殊行为：
- 仅PPI-KGM-H体系（1.5%浓度）因形成氢键复合物使硬度达29.4±1.5 N
- SPI系统因蛋白质-多糖电荷排斥无法形成自支撑凝胶（烹饪损失>90%）
- MBPI体系中低浓度KGM（0.5%）通过空间位阻效应降低冻融损失12.7%（图8C）

**3. 稳定性强化策略**
（1）**预凝胶稳定性**：SPI和MBPI体系在添加0.5% KC后离心残留液减少40%-60%，归因于多糖的增稠效应（CPS值达2.1×103 Pa·s?）提升连续相粘度。PPI体系因天然溶解度高，需1.5% KC（CPS 4.3×103 Pa·s?）才达到等效稳定性。

（2）**热力学稳定性**：KC在高温阶段（94℃）仍保持G'值（3.2×103 Pa）较稳定，而GG和KGM在此温度下G'值骤降至0.8×103-1.2×103 Pa，表明其热稳定性更优。SPI/KC体系在冷却阶段（20℃）G'值提升37%，显示更好的动态弹性恢复能力。

（3）**环境适应性**：
- 冷藏稳定性：KC在SPI和MBPI体系中分别降低冷储存滴水损失至8.2%（对照组18.7%）和5.3%（对照组14.2%）
- 冻融循环：高浓度KC（1.5%）使SPI冻融损失降低至9.4%（对照组21.3%），MBPI体系通过高离子强度（NaCl 1.5%）与KC协同作用，冻融损失率仅6.8%
- 果胶在MBPI体系中通过离子-氢键双网络结构，使冻融损失率降至8.2%（表8F）

**4. 作用机制差异**
（1）**离子相互作用主导型（KC）**：在SPI和MBPI体系中，KC的硫酸基团（-SO??）与阳离子蛋白表面（SPI带负电，MBPI带正电）形成强静电屏蔽，同时通过水合作用固定水分子（水结合率提升23%-35%）。在PPI体系中，由于蛋白质高度可溶（溶解度达92%），KC需达到1.5%浓度才能通过空间位阻促进蛋白聚集。

（2）**氢键网络构建型（GG/KGM）**：GG的支链结构（1→3/1→4连接）在PPI体系中通过氢键桥接（每mm2 2.8×10?个氢键）形成致密网络，而SPI体系中因GG的负电荷与SPI变性后的正电荷区域产生排斥，导致相分离（油滴尺寸从2.1μm增至5.7μm）。

（3）**三维共价网络（KGM）**：在PPI体系中，KGM通过部分去乙酰化（61.1%）形成β-折叠富集区，与PPI的α-螺旋形成互补结构（R-squared 0.87）。但未处理KGM在SPI体系中因电荷不相容导致油水分离（乳化体积分数从89%降至72%）。

**5. 工业化应用启示**
（1）**配方优化**：SPI体系推荐KC 0.5%-1.5%组合（硬度35-68 N），MBPI体系需1.5% KC（硬度88.7 N）或0.5% GG（硬度79.2 N）。
（2）**工艺控制**：最佳成型温度需考虑多糖特性，KC在85-94℃区间稳定性最佳，而GG需在50-60℃完成预凝胶化。
（3）**稳定性提升**：冻融保护需采用"多糖+电解质"复合策略，如MBPI体系KC（1.5%）+NaCl（1.5%）组合，使冻融损失率<7%。

**6. 研究局限性**
（1）未考察不同pH（4.5-7.5）对多糖功能性的影响
（2）未分析脂肪晶体结构（如KC诱导的脂肪结晶形态）
（3）冻融循环次数限制（仅3次），长期储存稳定性待验证

该研究为植物基肉制品开发提供了关键参数：角叉菜胶在复杂蛋白体系中具有最优普适性（SPI-MBPI适用性指数0.83），而konjac glucomannan需在特定pH（6.8±0.2）和离子强度（0.15 M NaCl）下才有效。这些发现为产业化提供了理论支撑，例如推荐SPI-KC 0.5%-1.5%体系可达到商业肉丸（硬度60-80 N）标准。