双蛋白凝胶的形成机理及其在食品加工中的应用

徐潼 丁俭 李彭 严曲 方勇

摘要：双蛋白作为理想的食品成分，在高蛋白食品配方中变得越来越具有吸引力。与单一的蛋白凝胶相比，双蛋白凝胶具有更好的质地特性、持水性和热稳定性，其凝胶特性的增强机制主要归因于蛋白质之间增加的链缠结、非共价相互作用以及亲水基团和水之间的相互作用。文章总结了双蛋白凝胶的制备方法、形成机理、理化特性以及在食品加工中的应用进展，并展望了双蛋白凝胶在食品领域的应用前景，旨在为双蛋白新型营养健康产品的开发应用提供参考。

关键词：双蛋白凝胶；理化特性；形成机理；食品加工

中图分类号：TS201.7 文献标志码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230127

基金项目：国家青年科学基金项目（32101995）；国家粮食领域青年人才支持计划（LQ2018301）；江苏省高等学校重点学科建设项目（PAPD）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX21_1530）。

Research on formation mechanism and application of dual-protein gels in food processing

Xu Tong， Ding Jian， Li Peng， Yan Qu， Fang Yong

（ College of Food Science and Engineering/ Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety， Nanjing University of Finance and Economics， Nanjing， Jiangsu 210023 ）

Abstract： Dual-protein is becoming increasingly attractive as an ideal food ingredient in high protein food formulations. Compared with single-protein gels， dual-protein gels have better textural properties， water holding capacity， and thermal stability， and the enhancement mechanism of their gel properties is mainly attributed to the increased chain entanglement， non-covalent interactions between biopolymers， as well as interactions between hydrophilic groups and water. The article summarized the preparation methods， physicochemical properties， gelation mechanism and application progress of dual-protein gels in food. The article outlooked the application prospects of dual-protein gels in the food field， aiming to provide the reference for the development and application of new dual-protein nutrition and health products.

Key words： dual-protein gels， physicochemical properties， formation mechanism， food processing

近年來，我国重视食物营养健康产业，提出加大双蛋白食物及强化双蛋白工程等重大项目实施力度[1]。国务院办公厅印发的国民营养计划（2017—2030年）中指出，针对不同人群的健康需求，着力发展保健食品、营养强化食品、双蛋白食物等新型营养健康食品，并且强化双蛋白工程等重大项目实施力度[2]。以优质动物、植物蛋白为主要营养基料，加大力度创新基础研究与加工技术工艺，开展双蛋白工程重点产品的转化推广[3]。

在食品工业中，许多食品以凝胶的形式存在，或者本质上就是一种凝胶[4]。近年来，凝胶类相关食品因其高含水量、低热量、诱人的口味和增强饱腹感的特性而在市场上越来越受欢迎[5]。与单一的蛋白质凝胶相比，双蛋白凝胶在调节凝胶质地方面通常更有效[6]。大多数食品是含有不同种类蛋白的混合物体系，不同蛋白间的相互作用对食品品质有重要影响，通过不同种蛋白的复配，调控体系的凝胶性，对赋予食品独特的营养价值、形态、风味以及质地等特征更具有重要意义[7-8]。所以本文通过对双蛋白凝胶的制备方法和凝胶化机制进行归纳，并对双蛋白凝胶在食品中的应用进行综述，以期为新型双蛋白凝胶产品的开发应用提供参考。

1 双蛋白凝胶的制备

蛋白质是日常生活中常见的食品原料和人体能量来源，种类繁多，具有重要的营养价值和功能性质[9]。可以利用不同种类和不同性质的蛋白质制备各种各样具有不同结构、风味的食品，且不同蛋白间的相互作用对食品品质有重要影响[10]。其中，蛋白质的凝胶性是常被用来制备食品的重要性质之一，凝胶性使得蛋白质能够形成特定的网络结构，也使得其形成的凝胶具有较强的可塑性[11]。蛋白质能够通过多种方式形成凝胶体系。目前，双蛋白凝胶的制备方法主要分为加热-冷却法、酶诱导交联法和离子诱导交联法。

1.1 加热-冷却法

在加热-冷却过程中，首先将混合的蛋白悬浮液加热以确保蛋白的完全分散和水合，然后在室温或冰箱温度下冷却以获得双蛋白凝胶。加热-冷却法操作简单，成本低[12]，且可适用于几乎所有种类的蛋白质。对于不同结构的蛋白质形成凝胶的加热温度不同，线性蛋白（例如，明胶蛋白）的加热温度为40～60 ℃，例如明胶蛋白，然而球蛋白（例如，大豆蛋白和乳清分离蛋白），需要90～95 ℃才能形成凝胶，因为球状蛋白需要更多能量来暴露其内部疏水基团，并随后通过疏水相互作用形成凝胶网络[13]。利用加热-冷却法制备的双蛋白凝胶类型，加热温度和时间以及冷却温度和时间如表1所示。

1.2 酶促交联法

双蛋白凝胶可以通过蛋白分子的酶催化交联来实现。酶诱导凝胶具有特异性强、反应速率快以及安全无污染等优点，在食品工业中得到普遍应用[18]。转谷氨酰胺酶（TGase）、漆酶和辣根过氧化物酶（HRP）是制备复合凝胶常用的酶，因为它们具有高效、特异性和温和的反应条件[19]。其中应用最广泛的是谷氨酰胺转氨酶（TGase）。TGase可以催化谷氨酰胺和赖氨酸残基之间的化学反应，TGase诱导的交联反应可以改善质地、稳定性和水合能力，不会改变食品的风味和营养品质[18]。Sun等[20]研究表明TGase可用于改善豌豆蛋白/肌原纤维蛋白凝胶性能，促进两种蛋白的相互交联。在双蛋白凝胶的酶法制备中，有两种常用的方法：一步法和两步法。一步法是通过将酶直接添加到蛋白混合物中，然后冷却混合物形成的[21]，适用于单一酶诱导凝胶系统。相比之下，两步法适用于双酶顺序交联的凝胶体系，即先用一种酶形成一层网络，再加入另一种酶形成另一层网络，得到最终的双蛋白凝胶。

1.3 离子诱导交联法

离子诱导凝胶化通常用于获得含有聚电解质的复合凝胶，其中离子作为交联剂通过与生物聚合物带电基团的静电相互作用介导凝胶结构的形成（例如，羧基）[22]。有多种离子已广泛用于形成复合凝胶，例如铁离子（Fe3+）、钙离子（Ca2+）、钠离子（Na+）和钾离子（K+）。总体而言，各种金属离子形成的离子键强度如下：三价离子>二价离子>一价离子[23]。为了产生离子诱导的复合凝胶，可以采用两种方法：第一种是离子添加法，在制备过程中，将一种离子添加到蛋白混合溶液中；第二种是浸渍法，将先前形成的凝胶浸入含有特定离子的溶液中以获得凝胶[24]。前一种方法可用于制备水凝胶珠，而后一种方法更适合获得均匀的热不可逆凝胶[25]。在离子交联热可逆水凝胶时，离子添加法和浸渍法均适用[26]。

2 双蛋白凝胶的形成机制

双蛋白凝胶具有良好的质构、流变特性以及保水性等物理特性，因此阐明双蛋白凝胶的凝胶化机制至关重要。双蛋白凝胶的制备过程影响其结构，进而影响功能特性，这可以进一步控制双蛋白凝胶的质地，从而为拓展复合蛋白的应用奠定基础[27]。

蛋白质凝胶的形成是一个复杂的过程，通常涉及几个阶段，例如变性、聚集和网络形成。在双蛋白凝胶的形成过程中，涉及到两个重要的过程。第一个与双蛋白凝胶中单个蛋白质凝胶网络的形成有关[28]。第二个涉及多层网络间可能的相互作用，例如氢键、静电和疏水相互作用，这可能导致更密集的交联网络。几种分子间/分子内相互作用与蛋白质凝胶的形成有关，包括非共价相互作用（例如氢键、疏水相互作用和静电相互作用）和共价相互作用（即二硫键）[28]。

双蛋白凝胶的制备过程可能会受到各种因素的影响，包括蛋白质的分子量、蛋白浓度、离子强度、酶、温度和pH值[29]。可以通过操纵这些影响因素来调节蛋白质肽链的分子内和分子间相互作用，影响所获得的凝胶的微观结构，并最终确定它们的机械性能[30]。一般来说，增加蛋白质的分子量和浓度有助于形成更致密、更紧凑的凝胶网络，从而提高凝胶的机械強度[31]。

双蛋白混合后形成凝胶的类型可根据形成凝胶的机制进行分类。两种蛋白进行混合，如果其中一种蛋白浓度在自身可形成凝胶的临界浓度之下，那么该蛋白可能会担当非凝胶组分的角色[32]。双蛋白凝胶可以根据非凝胶组分蛋白在连续相蛋白凝胶网络中的分散情况，分为两种填充型凝胶：一是某种蛋白以散布的颗粒填充于连续相蛋白凝胶网络中（图1 A）。二是蛋白以可溶状态填充于单相凝胶网络中（图1 B）[33]8。另外，双蛋白凝胶可根据两种蛋白间的相互作用分为以下3种凝胶网络：一是当两种蛋白间进行相互作用产生了物理结合，那么充当非凝胶组分的蛋白可能会通过非特异性作用随机吸附在连续相蛋白凝胶网络中（图1 C）；二是两种蛋白可能会发生共聚合形成杂合单一的凝胶网络（图1 D）；三是当两种蛋白各自独立建立凝胶网络结构，形成相互穿插贯穿的聚合网络（图1 E）[33]8。

3 双蛋白凝胶的理化特性

双蛋白凝胶具有良好的理化特性，特别是质构特性、热稳定性和持水性[34]。这些理化特性在决定食品的质地、口感和风味保存方面发挥着重要作用[22]。双蛋白凝胶的口感更加令人愉悦，例如肉制品的柔软多汁、果冻糖果的韧性以及豆腐和面条的顺滑和嚼劲[4]。从化学上讲，这些令人愉悦的口感特征主要归因于蛋白质之间增加的链缠结、非共价相互作用（例如，氢键、范德华力和静电相互作用）以及亲水基团和水之间的相互作用（例如，羟基、羧基、氨基、醛和羰基）[35]。对于酶促交联的双蛋白凝胶，由于引入共价反应位点，β-折叠含量的增加有利于高分子量聚合物的形成，从而增加双蛋白凝胶的弹性和韧性[36]。双蛋白凝胶的物理特性受各种内部因素（例如，蛋白质的分子量、大小和构象）和外部因素（例如，pH、温度、交联剂的类型和浓度）的影响[37]。

3.1 质地特性

与单一的蛋白凝胶相比，双蛋白凝胶表现出更好的质构特性，包括硬度、弹性、咀嚼性、黏附性、内聚性和回弹性。Zhang等[11]研究发现大豆蛋白-蛋清蛋白凝胶的硬度和弹性均高于单一的大豆蛋白凝胶，主要是由于两种蛋白质之间良好的分子相互作用以及更加致密的微观结构。此外，Sun等[14]发现添加花生分离蛋白可增加鸡胸和鸡腿肉盐溶蛋白的持水能力、凝胶强度和弹性。Wu等[17]在对大豆蛋白和鳕鱼蛋白复合凝胶体系的研究中发现，与鳕鱼蛋白凝胶相比，大豆蛋白-鳕鱼蛋白凝胶的强度更大，且当大豆蛋白的比例增加时，双蛋白凝胶中无序结构的空隙减少，凝胶具有更加紧密均匀的网络结构。

3.2 熱稳定性

蛋白凝胶食品的热稳定性在很大程度上决定了它们的加工性能。以蛋白凝胶为基础的食品，如面条、包装豆腐和肉类类似物，需要通过加热灭菌以延长保质期。此外，它们通常在使用前需要经过烹饪和煮沸过程[38]。因此，有必要在生产双蛋白凝胶时评价其热稳定性。双蛋白凝胶通常比单一蛋白凝胶具有更高的玻璃化转变温度 （Tg）、熔化温度 （Tm）、起始分解温度 （Td） 和焓[39]。

3.3 持水性

持水性可以显著影响蛋白凝胶产品的口感和经济价值，并且可以揭示凝胶体系中蛋白—蛋白和蛋白—溶剂的相互作用。例如提高持水性可以改善豆腐产品的外观、弹性和烹饪特性[40]。肉制品的保水能力直接影响其色泽、多汁性和嫩度[41]。总体而言，相较于单一蛋白凝胶，双蛋白凝胶具有更密集的交联网络，因而其持水性更高。这些特性使双蛋白凝胶在减少水分流失、保持新鲜度、赋予固态酸奶顺滑的口感等方面更具优势[42]。

4 双蛋白凝胶在食品加工中的应用

4.1 在面制品中的应用

随着生活水平的不断提高，人们对营养有了更好的认知和更高的需求，双蛋白凝胶是将不同来源的蛋白质通过简单复配后，营养价值高于原单一蛋白产品，因此，双蛋白凝胶更加符合目前“新营养科学”的理念。小麦蛋白为原料的面制品是我国居民主要的日常主食之一，但小麦蛋白中缺乏赖氨酸，为了平衡面制品中的氨基酸，通常可以在面制品中添加大豆蛋白。汪亚强等[43]利用TG酶将富含赖氨酸的大豆蛋白和富含谷氨酰胺的小麦蛋白进行混合交联，不仅平衡了各种必需氨基酸含量，在营养价值上完美互补，而且有助于形成质地较好的凝胶，复配得到的双蛋白凝胶弥补了小麦蛋白中赖氨酸含量较低的缺陷，使得蛋白质的效用比大大提高[9]。刘鑫硕等[44]利用蛋清蛋白与马铃薯蛋白制备双蛋白凝胶，与单一的马铃薯蛋白凝胶相比，双蛋白凝胶中的蛋氨酸含量明显增加，马铃薯蛋白通过与蛋清蛋白复配，可以拓展其在面制品加工中的应用。

4.2 在肉制品中的应用

蛋白质对于食品复杂体系的质地、风味、品质等尤其是食品凝胶的形成机理具有十分重要的意义，将其他蛋白作为功能性成分应用在肉制品中，可通过形成双蛋白凝胶基质和乳化稳定体系，防止脂肪和汁液向肉制品表面迁移分离，起到吸油保水，提高出品率和改善口感的作用[33]1。大豆蛋白与肌原纤维蛋白复配得到的双蛋白凝胶由于其较强保水性，常被应用到火腿肠、香肠、午餐肉等制品中，以达到增加产品的热稳定性，减少产品的蒸煮损失率[49-50] ；蛋清蛋白与鱼肉蛋白复配，可以使得鱼丸凝胶产品保持原有的风味，且可以改善食品的弹性和质地[47]。Tome等[15]研究表明，在鳕鱼蛋白凝胶中添加豌豆蛋白可使蛋白凝胶质地更柔软，弹性更小。Chao等[48] 研究发现，在碎牛肉中添加豌豆蛋白，制成的牛肉饼更柔软、更嫩。目前，双蛋白凝胶已被应用到3D打印肉制品中，当单独打印肌原纤维蛋白凝胶时，打印出的产品，支撑性不强且容易坍塌。相比之下，双蛋白基凝胶具有出色的可印刷性、出色的可挤出性和高形状保真度，研究发现双蛋白作为3D打印的起始材料比单一蛋白更具优势[49]。此外，凝胶的流变特性（例如，剪切变稀和蠕变行为）在控制3D打印结构的分辨率和形状保真度方面发挥着重要作用[49-50]。石蕊[51]研究发现添加大豆分离蛋白可以提高双蛋白猪肉糜的凝胶性能，改善3D打印双蛋白猪肉糜打印特性，大豆分离蛋白可做肉制品打印的塑型剂，对3D打印肉制品的加工极为有利。

4.3 在乳制品中的应用

随着人们对健康的日益关注，消费者们期待从优质乳制品中获得更好的营养和健康益处[3]。优质的动物蛋白和植物蛋白进行复配能够优势互补，发挥各自的生理调节功效，从而起到改善人体健康的作用[52]。有研究[53]发现，与单一乳清蛋白相比，将大豆蛋白与乳清蛋白混合可以增强酸奶的凝胶特性，增强乳蛋白的热稳定性，提高酸奶的品质。因此，以大豆蛋白替代部分牛奶生产酸奶，既可以提高双蛋白酸奶的营养价值，又可以降低生产成本，还可以缓解我国牛奶资源紧张的局面。双蛋白酸奶将成为未来乳品工业市场开发的新热点[54]。

5 结论与展望

双蛋白凝胶具有独特的营养特性和优良的功能特性，且集优质动植物蛋白的丰富营养和风味于一体，符合当代新营养科学创新理念，同时可以帮助优化我国居民膳食营养结构，对于满足人们对优质蛋白日益增长的需求具有重要意义。目前，双蛋白凝胶已广泛应用到面制品、肉制品以及乳制品中，对食品生产加工具有非常重要的意义，但是仍需要积极拓展双蛋白凝胶的应用范围。可通过调控不同来源的蛋白质来制备具有不同功能的双蛋白凝胶，例如用双蛋白凝胶作为载体包埋营养物质，以期达到保护和缓释的效果。未来，深入研究融合现代技术，制备精准互作营养的双蛋白凝胶对食品加工领域具有更加重要的现实意义。

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