本研究论文发表于《Meat Science》期刊2020年第170卷。主要作者为Xinbo Zhuang（庄鑫波）、Lijian Wang（王立建）、Xiping Jiang（蒋希平）、Yinji Chen（陈银基）*和Guanghong Zhou（周光宏）*。其中，庄鑫波来自南京财经大学食品科学与工程学院，王立建、蒋希平、周光宏来自南京农业大学，陈银基来自南京财经大学。论文于2020年8月14日在线发表。

二、 学术背景 该研究隶属于食品科学领域，具体聚焦于肉制品加工技术，特别是低脂肉制品的质构改良。香肠等乳化肉制品因其风味和质构深受欢迎，但通常含有约30%的动物脂肪，富含饱和脂肪酸和胆固醇，与多种健康风险相关。因此，开发质构和可接受度与高脂产品相似的低脂肉制品成为产业需求。多糖类物质因其良好的持水性和质构调节能力，被广泛视为理想的脂肪替代品。然而，已有研究报道，不同多糖（如改性淀粉、卡拉胶、羧甲基纤维素、瓜尔胶）对肌原纤维蛋白凝胶特性的影响结果不一，有的能显著改善质构，有的却会导致质构劣化。其背后的作用机制，尤其是多糖的“相行为”和“水分稳定性”如何影响复合凝胶的最终品质，尚不明确。

已有研究表明，水分稳定性对肌原纤维蛋白凝胶的整体稳定性至关重要，而多糖因其分子中含有大量亲水基团（如羟基），具有良好的持水能力，可能对凝胶体系的水分稳定性产生有益影响。此外，蛋白质与多糖混合体系在热加工过程中的“相行为”（如共溶、复合物形成、热力学不相容性）也可能最终决定复合凝胶的质构特性。目前，大量研究集中在液态体系中植物蛋白与多糖的相行为，但关于相行为对复合凝胶（尤其是肌原纤维蛋白体系）质构特性影响的研究甚少。

鉴于此，本研究旨在探究三种不同类型多糖（不溶性膳食纤维、改性淀粉、魔芋葡甘聚糖）对肌原纤维蛋白凝胶特性的影响，并重点关注“相行为”和“水分稳定性”在其中所起的关键作用。研究目的在于阐明不同多糖影响肌原纤维蛋白凝胶特性的机制，为在低脂肉制品中选择和应用最适宜的多糖类脂肪替代品提供理论基础，从而改善低脂肉制品的品质。

三、 详细工作流程 本研究包含了从材料准备、凝胶制备、性质表征到数据分析的完整流程。

1. 材料与方法：

   • 材料准备：从市场购买新鲜猪后腿肉，剔去多余脂肪和结缔组织后，采用特定方法提取肌原纤维蛋白，并将其浓度调整为50 mg/mL（溶于0.6 M NaCl，pH 7.0）。三种多糖分别为：交联乙酰化木薯改性淀粉、魔芋葡甘聚糖（含量85%）、经碱性过氧化氢处理降低木质素含量的不溶性甘蔗膳食纤维，三者粒径均为100目。
   • 复合体系制备：将每种多糖分别以0.5%、1.0%、1.5%、2.0%四个浓度添加到肌原纤维蛋白溶液中，使用匀浆机充分混合2分钟，确保多糖均匀分布。所有样品于4°C冰箱保存待测。

2. 凝胶强度测定：

   • 样品处理：将复合蛋白溶液装入塑料管（直径2 cm），在80°C水浴中加热20分钟形成凝胶。
   • 测试方法：冷却后，将凝胶切成2 cm高的圆柱体，采用质构分析仪进行穿刺实验。使用不锈钢平板探头（P/5），记录最大承受力作为凝胶强度。每个样品重复测试6次。

3. 流变学测试：

   • 动态流变学：使用流变仪，在平行板几何结构下，将复合溶液从20°C以2°C/分钟升温至80°C，再以5°C/分钟冷却至20°C。在线性粘弹性范围内（固定频率1 Hz，应变7%）监测储能模量随温度/时间的变化，以评估凝胶形成过程中的分子相互作用和结构变化。
   • 蠕变-恢复测试：对已形成的复合凝胶施加恒定应力（应变7%），在180秒的“蠕变”阶段测量应变响应，随后移除应力并在360秒的“恢复”阶段测量恢复响应。使用Burger模型拟合蠕变-恢复曲线，获取瞬时弹性柔量、延迟弹性柔量、延迟时间、零剪切粘度、最大柔量和恢复率等参数，以量化凝胶的粘弹性和网络结构强度。

4. 石蜡切片分析：

   • 样品处理：将凝胶样品（0.8 cm × 0.8 cm × 3 cm）经过福尔马林固定、乙醇脱水、石蜡包埋等步骤处理。
   • 观测方法：使用切片机切成8 μm厚度的切片，经苏木精-伊红染色后固定于载玻片。在400倍放大倍数下使用光学显微镜观察并拍摄复合凝胶的微观结构，以直观展示蛋白质与多糖的空间分布和相分离情况。

5. 扫描电子显微镜观察与图像分析：

   • 样品处理：按照特定方法对凝胶样品进行处理。
   • SEM观测：使用扫描电子显微镜在2000倍放大倍数下观察凝胶网络结构，并获取图像。
   • 图像定量分析：将SEM图像转换为二值化图像（白色代表蛋白网络，黑色代表水分孔洞或多糖水凝胶）。利用软件进行多项定量分析：
     • 分形维数：通过盒计数法计算，反映肌原纤维蛋白凝胶网络结构的复杂性和致密程度，值越高表示网络越致密。
     • 孔隙率：通过标准盒计数法计算像素变异，反映水分孔洞分布的不均匀性，值越小分布越均匀。
     • 孔隙平均尺寸和数量：使用ImageJ软件对二值化图像中的水分孔洞进行统计分析，计算其平均大小和数量。

6. 统计分析：

   • 整个实验独立重复四次。采用SAS 9.0软件进行单因素方差分析，使用Duncan多重比较检验确定均值间的显著差异。
   • 使用R语言进行主成分分析，以探究凝胶强度、流变学性质与微观结构参数之间的内在关联，并将不同多糖处理的复合凝胶进行分类。

四、 主要结果 1. 凝胶强度：复合凝胶的强度受多糖类型和浓度显著影响。不溶性膳食纤维和改性淀粉的添加显著提高了凝胶强度，且不溶性膳食纤维的改善效果优于改性淀粉。改性淀粉的添加量需超过1.0%才能显现出明显的改善效果。相比之下，魔芋葡甘聚糖在添加量超过1.0%时对凝胶强度产生负面影响，甚至低于对照组（纯肌原纤维蛋白凝胶）。

1. 流变学性质：

   • 动态流变学：添加不溶性膳食纤维和改性淀粉的复合凝胶，其储能模量变化趋势与纯肌原纤维蛋白凝胶基本一致，表明肌原纤维蛋白仍然是三维网络结构的主导成分。添加不溶性膳食纤维的凝胶在最终网络形成阶段的储能模量增幅和凝胶速率远高于对照组和改性淀粉组。然而，添加超过1.0%的魔芋葡甘聚糖后，凝胶的流变行为发生显著改变：肌球蛋白头部二聚化阶段完全消失，最终网络聚集阶段的储能模量增幅和凝胶速率显著下降，表明魔芋葡甘聚糖可能严重阻碍了肌原纤维蛋白的网络形成。
   • 蠕变-恢复测试：Burger模型拟合优度良好。添加不溶性膳食纤维和改性淀粉降低了凝胶的瞬时弹性柔量、延迟弹性柔量和最大柔量，表明它们增强了凝胶网络的结构强度。不溶性膳食纤维的增强效果更优。相反，添加超过1.0%的魔芋葡甘聚糖导致这些柔量值增加，表明凝胶结构变弱。恢复率方面，改性淀粉添加组的恢复率最高，而不溶性膳食纤维和魔芋葡甘聚糖添加组的恢复率有不同程度下降。

2. 空间分布（石蜡切片）：纯肌原纤维蛋白凝胶显示为完整、均质的单相网络。而所有蛋白-多糖复合凝胶均呈现明显的两相分离结构，证实了热加工过程中两者不相互作用，形成热力学不相容体系。多糖的相行为主要表现为两种形式：①“包裹”结构：多糖颗粒（如不溶性膳食纤维、改性淀粉）被“包裹”在肌原纤维蛋白凝胶网络中，蛋白网络是主体结构，多糖作为物理填充剂。②“互穿”结构：当魔芋葡甘聚糖浓度达到1.5%时，其形成连续的黏性水凝胶，与肌原纤维蛋白网络相互穿透，两者共同作为主体结构，这种结构严重破坏了蛋白网络的完整性。 此外，多糖的添加显著改变了凝胶中的水分分布。对照组凝胶网络中存在大量水分挤出形成的孔洞。不溶性膳食纤维因持水能力强，将水分限制在其自身形成的空腔内，减少了蛋白网络中的随机水分通道。改性淀粉在糊化温度才开始吸水膨胀，此时蛋白网络已初步形成，因此其减少水分通道的效果有限。魔芋葡甘聚糖（>1.0%）能形成连续水凝胶，完全消除了蛋白网络中的水分孔洞，但其连续的凝胶体本身也分割了蛋白网络。

3. SEM与图像定量分析：

   • 对照组：肌原纤维蛋白三维网络松散，充满大小不一的水分孔洞，这些孔洞进一步连接形成水分通道，将蛋白网络分割成多个独立的簇状区域。
   • 不溶性膳食纤维组：显著减少了水分通道的形成，蛋白网络聚集良好且致密，仅存在尺寸较小、分布均匀的独立水分孔洞。定量分析显示，随着不溶性膳食纤维添加量增加，孔隙率值和孔隙平均尺寸显著降低，分形维数和孔隙数量显著增加。
   • 改性淀粉组（1.0%）：对蛋白网络微观结构的影响与对照组相似，网络仍被分割。定量参数变化不显著。
   • 魔芋葡甘聚糖组（>1.0%）：蛋白网络松散且聚集性差，被背衬部分（推测为魔芋葡甘聚糖水凝胶）分割成簇状和碎片。定量分析显示，孔隙数量、分形维数显著降低，孔隙率值和孔隙平均尺寸显著增加。

4. 主成分分析：第一主成分贡献了总变异的79.4%，前两个主成分累计贡献92.8%。分析表明，质构特性（凝胶强度、流变学性质）与微观结构（分形维数、孔隙数量、孔隙平均尺寸、孔隙率）高度相关。凝胶强度、分形维数、孔隙数量、凝胶速率、储能模量增幅、零剪切粘度和最终储能模量等参数正相关，而各类柔量值、孔隙平均尺寸和孔隙率值负相关。得分图将不同多糖处理的复合凝胶清晰分为三个集群：不溶性膳食纤维组独立分布在对照组右侧（正相关），表明其改善凝胶性质；改性淀粉组紧邻对照组右侧，表明其有积极但有限的影响；高浓度（>1.0%）魔芋葡甘聚糖组独立分布在对照组左侧（负相关），表明其导致凝胶网络劣化。

五、 结论与意义 本研究系统揭示了三种多糖通过“相行为”和“水分稳定性”影响肌原纤维蛋白凝胶特性的机制。

• 结论：

  1. 多糖-蛋白质混合物在热加工后形成两相分离凝胶。主要呈现两种结构形式：“包裹”结构和“互穿”结构。
  2. 在“包裹”结构中，多糖作为颗粒填充剂，不影响肌原纤维蛋白的聚集，且能通过稳定水分、减少随机水分通道的形成，促进致密、完整蛋白网络的形成，从而改善复合凝胶的质构。
  3. 在“互穿”结构中（如高浓度魔芋葡甘聚糖形成的连续水凝胶），多糖水凝胶严重阻碍肌原纤维蛋白疏水基团的聚集，导致蛋白网络被分割、结构松散，从而劣化复合凝胶的质构。
  4. 研究表明，兼具“水分稳定性”并能形成“包裹结构”（即能独立分布、稳定水分且不干扰蛋白网络形成）的多糖，是改善复合凝胶性质（尤其是作为脂肪替代品）的理想选择，其中不溶性膳食纤维的表现最为突出。

• 科学价值：该研究从“相行为”和“水分稳定性”这一新颖视角，深入阐释了不同多糖影响肌原纤维蛋白凝胶质构的微观机制，填补了该领域机制研究的空白，为理解复杂食品胶体体系中生物大分子相互作用提供了重要见解。

• 应用价值：研究结论为肉制品工业，特别是低脂肉制品的开发，提供了明确的理论指导。生产者在选择多糖类脂肪替代品时，应优先考虑那些持水能力强、能在体系中保持独立颗粒状态（形成“包裹”结构）的品种，如某些类型的膳食纤维，以避免因形成“互穿”结构而导致的质构劣化。这有助于更精准、高效地开发出口感和质地俱佳的低脂健康肉制品。

六、 研究亮点 1. 机制阐释新颖：首次系统地将“相行为”（包裹 vs. 互穿）和“水分稳定性”两个关键因素相结合，作为统一框架来解释不同多糖对肌原纤维蛋白凝胶特性的差异化影响，突破了以往孤立看待单一因素（如持水性）的局限。 2. 多尺度、多技术联用：研究综合运用了宏观质构分析（凝胶强度）、介观流变学（动态、静态）、微观形态学（光镜、SEM）以及图像定量分析（分形维数、孔隙分析）等多种技术手段，从不同尺度全面、客观地表征了复合凝胶的性质和结构，使结论更加坚实可靠。 3. 定量化与模型化：采用Burger模型拟合蠕变.###恢复数据，并对SEM图像进行严格的定量化分析（分形维数、孔隙率等），将微观结构的变化与宏观力学性质通过主成分分析建立定量关联，增强了研究的科学性和说服力。 4. 明确的指导意义：研究不仅揭示了机制，更直接指向了实际应用：明确指出理想的脂肪替代多糖应具备“水分稳定性”和形成“包裹结构”的特性，为产业应用提供了清晰、可操作的筛选标准。