基于静电相互作用的蛋清蛋白—多糖多尺度复合体系构建及应用研究

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本研究受到吉林省科技厅科技发展计划项目《蛋粉加工与品质提升关键技术研究》(20190301015NY)资助。蛋白质和多糖是食物中重要大分子物质,二者的复合凝聚物在食物结构调控及生物活性物质递送材料设计等方面具有良好的应用潜力,是当前新型功能性食品开发的重要方向。蛋清蛋白(EWP)是食品加工中的常见配料,在西式餐饮、烘焙等行业广泛用作增稠剂、胶凝剂和乳化剂。硫酸化多糖因其分子表面具有极高负电荷的硫酸基团,表现出优异的生物活性及良好的加工特性,在生物制药及食品加工领域应用广泛。然而,目前EWP与硫酸化多糖的相互作用研究不足,针对二者复合凝聚行为及复合凝聚物功能特性挖掘有限,相关工作亟待开展。本研究首先选取EWP中含量最丰富的卵白蛋白(OVA)和结构已知的硫酸葡聚糖(DS)作为研究对象,探究OVA与DS复合凝聚相行为及静电相互作用机制,明确形成可溶性复合物最优条件;并以此为依据,构建EWP/DS可溶性复合凝聚体系,分析DS对EWP热致凝胶行为影响,明确EWP/DS静电复合热致凝胶强度、微观结构及消化特性的相关性及调控策略;此外,构建以OVA/DS为壁材的包埋递送体系,探究OVA/DS复合体系在微纳米尺度对姜黄素包埋率及缓释效果影响;最后,利用DS调控极碱处理后的EWP热聚集体尺寸并结合TGase酶制备冷凝胶,探究EWP/DS冷凝胶在生物活性物质包埋递送方面的潜力,为提升硫酸化多糖综合利用度及开发新型蛋清蛋白/多糖复合食品配料提供了新思路。本文的主要研究内容和结论如下:(1)本研究首次揭示了OVA与DS静电相互作用机制。利用浊度滴定法分析OVA/DS复配比和盐浓度对OVA/DS复合凝聚相行为的影响,通过CLSM、流变学、ITC阐明OVA/DS相互作用机制。结果表明OVA/DS复合物主要由强静电相互作用驱动形成,当OVA/DS复配比从1:1增加到5:1时,浊度曲线上未出现p Hφ2和p Hmax。OVA/DS复合凝聚的最佳复配比为10:1,表现出最高的粘弹性。复合物的特征p H与OVA/DS复配比呈正相关。低盐浓度会促进复合物的形成,而进一步增加盐浓度(50–400 m M),静电屏蔽效应会导致OVA与DS的结合能力减弱,复合凝聚物表现出较低的粘弹性。同时盐会降低OVA的凝胶化转变温度,促进蛋白质聚集。ITC结果表明,在p H 7.0时DS仍可以通过静电相互作用与天然OVA结合,化学计量结合比约为1:4。(2)基于EWP/DS的静电复合机制探究了DS对热诱导EWP凝胶特性的影响,同时分析了EWP/DS复合凝胶的消化特性。研究表明,EWP/DS复合物间的静电吸引力和静电排斥力平衡显著影响热诱导凝胶的空间网络结构和凝胶强度。p H 4.0时,EWP与DS间的强静电吸引力会诱导形成较大粒径的蛋白质聚集体,显著降低凝胶强度和持水能力。p H 7.0时,EWP与DS间存在较弱的静电吸引力会促进蛋白质交联,形成致密的凝胶网络结构,从而增强了凝胶强度,并获得透明水凝胶。此外,DS可以抑制EWP热诱导凝胶的体外消化,具有良好的延迟胃排空和促进饱腹感的潜力。(3)基于中性条件下OVA与DS的静电复合机制构建负载CUR的OVA/DS纳米颗粒。结果表明,OVA/DS复配比为1:1是纳米颗粒的最佳制备条件,该纳米颗粒具有最小的粒径约为370.2 nm。CUR主要通过氢键、疏水相互作用、静电相互作用与OVA结合进入蛋白质的疏水核心,DS则通过静电相互作用与OVA结合,在纳米颗粒表面形成一层致密的多糖外壳。XRD结果表明当CUR包埋于OVA/DS纳米颗粒内部后,CUR的晶型结构消失,表现出无定形结构,说明纳米颗粒具有优异的CUR包封能力,有利于提高CUR的水溶性。此外,纳米颗粒具有良好的p H稳定性、热稳定性和贮藏稳定性,可以有效地抑制CUR降解。在模拟消化中,OVA/DS纳米颗粒可以有效延缓CUR的释放,累积释放曲线遵循Higuchi模型。(4)利用GDL和TGase协同制备EWP冷凝胶作为热敏活性物质的递送体系,并通过DS调控冷凝胶的机械性能。结果表明,极碱热处理可以避免EWP低浓度下的凝胶化,是EWP聚集体制备的有效途径。提高EWP的预热温度有利于蛋白质结构的展开,并促进与DS通过静电相互作用结合形成较大粒径的致密复合物,有利于加快冷凝胶的形成。此外,GDL和TGase协同可显著提高冷凝胶特性,控制DS的添加量可调节冷凝胶机械性能。EWP/DS(85℃)-10-TG冷凝胶的凝胶强度约为EWP(85℃)冷凝胶的7.68倍,并具备良好的p H响应溶胀性。而且DS可以有效地抑制冷凝胶的消化并延缓CUR的释放。
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