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蛋白基水凝胶通常是以蛋白质和水分作为原料制备形成的一种含高水分的三维聚合物网络，此凝胶体系能够抵抗一定压力下的形变，并在一定程度上保持其自身独特的结构形态。蛋白凝胶常需要添加一些物质作为改良剂，如蛋白、多糖、盐离子等，通过提高原料间相互作用来促进优良有效的三维凝胶网络形成。膳食纤维因其种类繁多以及对机体代谢和慢性疾病的有益作用，已作为一种提高蛋白凝胶性能的添加剂被研究者关注。
为了准确掌握膳食纤维在蛋白凝胶中的研究及应用进展，哈尔滨商业大学廉文涛、黄雨洋、朱秀清*等概述了膳食纤维的结构及功能特性，综述了膳食纤维添加对于凝胶的凝胶特性和分子结构的影响，总结了膳食纤维影响蛋白凝胶机制和纤维-蛋白复合凝胶在工业生产中的应用，以期为膳食纤维-蛋白凝胶产品的研究开发提供参考。
1.膳食纤维的结构及功能特性
膳食纤维被定义为植物中天然存在的、提取或合成的，不能被人体小肠消化吸收，在大肠可全部或部分发酵的对人体有健康功效的碳水化合物。依据其在水中的溶解性，可将其分为水溶性膳食纤维(包含果胶、抗性淀粉、β-葡聚糖等)和水不溶性膳食纤维(通常包括纤维素、木质素和大部分的半纤维素等)。
膳食纤维的结构
天然膳食纤维来自于植物细胞壁，是食品加工的重要原料。其化学组成主要包括三大部分：纤维素类纤维状碳水化合物、果胶及半纤维素类基料碳水化合物和木质素类填充类化合物。
如图1所示，纤维素是β-葡聚糖以1,4-糖苷键连接的直链大分子物质，多种线性分子链依靠分子间氢键结合成束，结晶结构不连续，非结晶结构内氢键结合力较弱，易被溶剂破坏。半纤维素是带有各种不均一分支的碳水化合物聚集体，根据其一级结构，半纤维素可分为4 类：木聚糖、木葡聚糖、甘露聚糖和葡萄糖醛酸阿拉伯糖木糖。木质素是由对香豆醇、松柏醇、芥子醇3 种醇单体通过碳-碳键和醚键等连接而成的生物大分子，根据其单体的区别，可将木质素分为紫丁香木质素、愈疮木基木质素和对-羟基苯基木质素3 种类型。果胶是由半乳糖醛酸通过α-1,4-糖苷键连接而成的多聚物，主要由半乳糖醛酸、鼠李糖、半乳糖和阿拉伯糖组成。目前，普遍将果胶分子分为鼠李半乳糖醛酸聚糖I、鼠李半乳糖醛酸聚糖II、同型半乳糖醛酸聚糖和木糖半乳糖醛酸聚糖4 类。
膳食纤维的功能特性
膳食纤维来源广泛、结构复杂，不同种类的膳食纤维由于组成和结构不同，其功能特性也存在明显差异。
水合特性：膳食纤维的水合特性包括吸水性和膨胀性。膳食纤维优良的水合性质与其结构密切相关，其多糖链能够形成多孔结构，同时含有的大量亲水基团可通过氢键作用来吸收和保持水分。膳食纤维能够吸收自身质量1.5～25.0 倍的水分，并发生膨胀，同时由于其在人体内的不消化性，故可以增加人体饱腹感。
吸附特性：膳食纤维结构上所含有的大量活性基团可与重金属离子、胆汁酸和胆固醇等物质发生化学反应，通过吸附作用来抑制人体对于有害物质的吸收。膳食纤维也可通过提高自身孔隙率和比表面积来增强对重金属离子等的吸附能力，纤维素和半纤维素对重金属的吸附能力强，而木质素对重金属的吸附能力相对较弱。
持油特性：膳食纤维结构上含有大量的亲油基团，具有良好的持油能力，可以吸收自身质量数倍的油脂。膳食纤维的持油性与其表面性质、电荷密度和亲水性纤维成分有关，适量摄入膳食纤维可使机体具有低胆固醇活性，促进机体健康。
黏性与胶凝性：膳食纤维含有大量的羟基，能够以氢键、离子相互作用和疏水相互作用等非共价键作用通过物理交联的方式形成凝胶网络结构；或以纤维素分子链之间或与其他组分间形成共价键的化学交联方式形成纤维素凝胶。
调节人体肠道：肠道微生物群落的组成受人体饮食习惯影响。膳食纤维被认为是肠道微生物群的营养来源，可以促进部分微生物的生长繁殖。同时，肠道微生物又以膳食纤维为原料发酵产生大量的短链脂肪酸，进而抑制致病菌的生长繁殖。所以，膳食纤维摄入可以通过调节肠道微生物群的组成和微生物多样性来促进人体健康。
预防疾病：膳食纤维的摄入已被证实可以使血糖和胰岛素反应平缓。膳食纤维摄入后会影响人体内部的糖代谢和脂代谢，且大量可溶性膳食纤维导致更快的初始体外脂肪消化。同时膳食纤维也可通过刺激肠道蠕动、增加排便量等方式来降低血糖血脂水平，从而预防糖尿病和心血管疾病。此外，不同分子结构、溶解度和化学修饰的膳食纤维对血糖降低和脂质消化有不同的延迟作用。
2.膳食纤维对蛋白凝胶特性的影响
在凝胶制品中添加各种膳食纤维，利用其自身的保水性、吸附性、胶凝性和不影响风味等功能特性，可以改善产品的最终质地。
对动物性蛋白凝胶特性的影响
表观颜色：颜色是表征食品外观最重要的指标之一，很大程度上影响消费者对于食品的选择。凝胶色度的变化通常有3 个影响因素：1）原料自身的颜色；2）光的散射；3）美拉德反应。
持水特性：在蛋白凝胶的开发利用中，持水性是具有重要意义的指标，良好的持水能力可以使凝胶保持优异的状态。从水分分布来看，膳食纤维的添加提高了肌原蛋白的凝胶强度和持水能力，促进凝胶网络结构的形成，加速了凝胶基质中游离水向固定化水的转化。
质构特性：质构特性中囊括的硬度、弹性、咀嚼性等指标在一定程度上可反映出凝胶的品质，有助于选取合适机械强度的凝胶。
流变特性：蛋白凝胶的流变学可以通过动态流变仪测定，以储能模量（G’）和损耗模量（G”）来表征。研究发现G’的变化范围和速率随纤维含量的增加而增加。比较研究了β-葡聚糖对酸化过程中乳凝胶流变学的影响，发现β-葡聚糖添加量为1%时，在接近酪蛋白等电点的pH值下，酸化60 min后G’开始显著升高。
稳定特性：在凝胶应用过程中，稳定性是凝胶的重要特性，涉及酸碱稳定性和贮藏稳定性等。复合凝胶在其等电点附近主要通过静电相互作用形成，随着pH值的增加，果胶与乳清浓缩蛋白之间的静电相互作用逐渐减弱，而疏水相互作用不断增强，综合分析得出，复配比为1∶5、pH值为6.0时凝胶化效果最佳。
对植物性蛋白凝胶特性的影响
凝胶孔隙度：在凝胶热处理过程中，随着温度的升高，水分和空气在凝胶体系中的混乱度提升，破坏凝胶的紧密度并增大孔隙率。膳食纤维的添加致使凝胶网络具有更完整和致密的整体结构。添加膳食纤维后，由于纤维自身的亲水性，可将多余水分吸收，从而达到减少水通道的目的，进而体现在凝胶孔隙度的显著降低、均匀致密三维凝胶网络的形成。但纤维的改善能力也是有限的，当蔗糖膳食纤维添加过量时，阻隔在蛋白质分子之间，影响蛋白质的交联和聚集，凝胶硬度不合格，导致整体可接受性不理想。
持水特性：在植物性蛋白凝胶中可观察到和动物性蛋白凝胶相似的结果。膳食纤维的加入可以有效地提高凝胶体系的持水能力。从水化性能的发现结果来看，互穿网络凝胶具有较大的持水能力，可能是因为持水性膳食纤维属于多糖，其葡萄糖基上拥有许多亲水羟基，能够形成氢键，有效地结合水分子，使得水分被包裹在蛋白凝胶网络之中，不易渗出。但是纤维的存在对于凝胶持水性的影响并不都是有益的。
成胶特性：凝胶的成胶性能包括成胶产量、成胶时间和成胶浓度等，其也是影响凝胶质构特性的重要因素。豆腐凝胶的产量随着膳食纤维含量的增加而提高。等浓度的大豆分离蛋白-甲壳素纳米纤维复合凝胶的成胶时间更短，成胶浓度更低。同时，由于纤维被填充在凝胶基质中，促进了更均匀和稳定结构的形成，提高了凝胶强度和硬度。
流变特性：流变学有助于确定凝胶的物理化学特性，G’也被称为弹性模量，代表凝胶的弹性，G”也被称作黏性模量，代表凝胶的黏性。将大豆分离蛋白和大豆皮可溶性膳食纤维制备成新型双交联凝胶，研究发现凝胶的G′和G”随时间延长均呈现先急剧上升后逐渐稳定的趋势，且G′始终大于G”，这是溶胶-凝胶转化的一个典型特征，说明其均具有弹性和凝胶状行为，且凝胶性能随时间延长而增加。
稳定特性：热重法是研究凝胶热稳定性最常用和有效的手段。研究发现麦麸纤维的加入使得复合凝胶的热降解温度升高，说明麦麸纤维和大豆分离蛋白之间有较强的交联，所形成更稳定的网络结构有利于凝胶热稳定性的提高。
3.膳食纤维对蛋白凝胶影响的机制
蛋白质分子结构
凝胶的特性变化很大程度上取决于蛋白质的结构，而膳食纤维的添加对蛋白质的二级结构有一定的影响。这种由纤维添加而引起的变化主要是由于蛋白质的脱水作用，膳食纤维既可以作为凝胶蛋白基质的脱水剂，也可以作为凝胶蛋白基质β结构形成时释放的水分吸收剂。
分子相互作用力
在凝胶制备过程中，凝胶的形成与组分间的相互作用存在极大关联。蛋白质属于两性分子，膳食纤维也有阴阳离子多糖之分，两者在适当pH值条件下，可通过静电相互作用增强交联，从而影响蛋白凝胶质地。此外，还可通过添加盐离子来影响凝胶成型过程中的相互作用力。钙离子在蛋白质间形成钙桥，通过暴露蛋白质的疏水基团，促进蛋白质和纤维的结合来增强疏水相互作用和氢键作用。
膳食纤维对蛋白凝胶的影响机制
从蛋白溶液到热诱导凝胶化的制备过程中，蛋白质受热变性，疏水基团暴露，展开的蛋白质分子通过疏水相互作用聚集形成三维网络，水分被蛋白凝胶网络捕捉并固定在网络内部，但仍存在少量的水分游离在凝胶体系之中。从凝胶内部渗出的水形成水孔或者水腔，称之为“水通道”，当凝胶网络中出现水通道，甚至多个水通道相互连通时，会使得凝胶网络的完整性和凝胶质地变差。如图2所示，纤维作为活性脱水剂，在加热前，纤维通过吸收水分提高蛋白质在体系中的相对浓度，使蛋白质更加地“聚集”，拉进了蛋白基团间的距离，为蛋白溶液提供优良的成胶环境。在较好的疏水环境中，疏水基团暴露程度更高，在随后的热处理过程中蛋白质变性程度也随之增加。同时，凝胶体系中的水通道因纤维的存在而消失，水通道中的水分已从蛋白质中转移到纤维中，有效地降低了加热过程中水分的析出程度，减少了水分的迁移和水通道的形成，促进了凝胶结构的完整化和致密化。纤维本身具有凝胶性，因此，膳食纤维的加入在一定程度上必然会提高蛋白凝胶的凝胶强度。膳食纤维在凝胶体系中常以“填料”的形式存在来改善凝胶的性质。
4.膳食纤维-蛋白凝胶应用
目前将膳食纤维引入蛋白凝胶体系的应用研究较多。膳食纤维可以改善肉制品的营养和工艺性能。除此之外，纤维-蛋白凝胶还被用作3D打印的原料，或作为载体封装和控制递送各种活性物质等。
脂肪模拟物
在发酵肉制品的加工中添加膳食纤维和添加益生菌已被确立为开发健康产品的有效手段。脂肪的摄入情况与心血管疾病、肥胖和糖尿病患病风险有关。膳食纤维可作为黏结剂、增补剂和填料有效地融入肉制品中，较好地替代肉制品中不健康的脂肪成分，通过改善产品的营养成分、pH值、保水能力、乳状液稳定性、感官特性等来提高消费者的可接受性。无定形纤维素是一种以碳水化合物为基础的脂肪替代品，在无定形纤维替代乳化熟肉模型中，纤维的添加显著提高了乳状液的稳定性、稠度、硬度等。在可溶性膳食纤维中，菊粉和聚葡萄糖常被用于低脂肉制品以改善产品营养和工艺性能。
3D打印
3D食品打印是目前热门的研究方向，材料特性和黏结机理对3D打印有很大的影响。在3D打印食品中使用纤维不仅可以改变材料的纹理特性，还可以提供一定的营养补充 。含有菠菜粉（富含纤维的组织）和黄原胶的混合物已经被评价为一种结构良好的食品油墨体系。含有307 μm粉末颗粒的黄原胶复合材料具有最佳的印刷性和形状稳定性。
递送系统
部分对人体有益生作用的活性组分极易受外界环境的影响而失去活性，研究人员采取诸多手段去提高这些高价值组分的生物利用度，使其稳定而不受光、热、氧气等环境因素的影响，同时也不被人体肠胃中的酸碱性和多种酶影响。以膳食纤维作为包埋壁材，由于纤维的选择性渗透，增强了胶囊在盐水条件下的屏障属性。玉米纤维胶-大豆分离蛋白水凝胶最近被证明是有效封装核黄素（VB2）的载体。来自海藻的卡拉胶作为亲水胶体可形成具有有序网络的热可逆凝胶，也可将姜黄素和白藜芦醇封装在卡拉胶纤维凝胶网络之中，使其免受热量的影响。
5.结语
目前已有多种膳食纤维被应用到凝胶研究及生产之中。适当添加膳食纤维对于蛋白凝胶的特性影响整体上呈现有利的趋势，过量的膳食纤维会影响蛋白质分子交联，从而破坏凝胶产品的质地属性。但由于膳食纤维种类繁多，不同品种的结构、理化性质略有不同，故膳食纤维在凝胶中的应用还有更广阔的开发空间。未来针对膳食纤维和蛋白凝胶的相关研究，一方面需要探究纤维的来源、结构、粒径大小等对于凝胶体系的影响，找出其中的异同之处，进一步完善纤维改善蛋白凝胶的机理；另一方面，仍需要考虑凝胶制备的条件，如pH值、温度、离子类型及强度等因素对于纤维-蛋白复合凝胶的影响，找寻制备凝胶的最优条件和手段；再者根据对凝胶特性的需求，可通过不同的蛋白、膳食纤维搭配构建双重或多重凝胶体系，从而为膳食纤维-蛋白复合凝胶在食品混合体系中的应用提供理论依据。
本文《膳食纤维对蛋白凝胶影响的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷09期340-348页，作者：廉文涛，黄雨洋，李玉玲，王喜泉，曲 敏，朱秀清。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220509-104。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：美娟；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。
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