大豆分离蛋白（SPI）是以脱脂豆粕为原料加工得到，其粗蛋白含量达到90%，是广泛应用在食品中的优质植物蛋白。SPI的流变学特性和凝胶特性不仅影响大豆蛋白在不同物理形态食品中的应用，还可以从分子层面和微观角度理解大豆蛋白在特定条件下的分子构象、分子间相互作用以及排列聚集的状态。添加无机盐离子可以调节大豆蛋白的胶凝过程和凝胶强度。
Hofmeister效应是“溶剂-离子-大分子”三元体系复杂相互作用的体现。KCl、NaCl、CaCl2、MgCl2是4 种常用的盐类食品添加剂，且其阳离子位于Hofmeister序列的不同位置，阴离子则统一确定为Cl-便于控制变量，适用于进行系统地研究“盐离子-水-SPI”混合体系。
河南工业大学粮油食品学院，小麦和玉米深加工国家工程研究中心的全鹏飞、安红周、郭益廷*等研究考察4 种不同阳离子的氯化盐（KCl、NaCl、CaCl2、MgCl2）对“水-SPI”分散体系凝胶特性和流变学特性的影响，并利用Hofmeister效应的相关理论进行分析，以期为SPI在食品中的进一步开发利用提供理论考。
1 凝胶特性分析
如表1所示，在0.02 mol/L浓度条件下，KCl、NaCl的加入没有显著改变SPI的凝胶强度，而当浓度升高时，SPI凝胶的强度随着盐离子的加入均显著提高，说明加入较高浓度的Km+、Na+能够增强大豆蛋白凝胶的网络结构。与此同时，盐离子的加入降低了样品的破裂距离，这是因为K+、Na+的加入使得样品的交联结构更为紧密，增加凝胶强度的同时也会在较小的应变下破裂，此外，盐浓度较高的样品黏性显著高于盐浓度较低的样品。
含有二价阳离子的氯化盐则具有不同的变化趋势。CaCl2、MgCl2的加入使样品获得了远高于其他样品的凝胶强度，但随着浓度的提高，样品凝胶强度反而降低。在盐浓度较低时（0.02 mol/L），样品具有较高的破裂距离和黏性，说明低浓度的Ca2+、Mg2+能够提高蛋白凝胶的交联程度，使其凝胶强度和破裂距离均获得很大提升；随着浓度的升高，达到0.04 mol/L和0.06 mol/L时，样品的破裂强度出现剧烈变化。分别添加0.04、0.06 mol/L CaCl2、MgCl2的体系没有形成紧致细密的凝胶，而是形成具有颗粒状松散交联的结构，Maltais等研究发现CaCl2浓度过高会使SPI聚集体的孔隙和直径增加，刘德阳研究发现CaCl2诱导的冷凝胶结构粗糙、颗粒明显。之所以破裂强度大幅提升是因为在测定时随着探头在样品中的下压，仪器难以捕捉到凝胶破裂带来的应力急剧变化，所以含0.04、0.06 mol/L CaCl2、MgCl2样品的破裂强度和破裂距离无法真实反映样品的凝胶状态。因此，为了确保凝胶强度数据的可信度，本实验中凝胶强度为探头下压凝胶4 mm时所感受到的力。
凝胶结构发生变化是因为离子既能直接与蛋白质发生相互作用，又能改变水体结构以影响蛋白质与水的相互作用，从而间接使蛋白质构象发生变化。
2 动态流变特性分析
2.1 频率扫描
G’表示得以短暂储存而可以恢复的能量，又称弹性模量；
G”表示作为剪切热而耗散的能量，又称黏性模量；
G”
G’的比值为tan，tan越大体系的流动性越强，tan越小体系弹性越大，固体特性越强。
如图1a～c所示，大豆蛋白分散体系的
G’
G”值都严格响应频率的变化，随频率增大而增大，说明这些样品形成了稳定的交联结构，这与凝胶特性的测定结果相符。添加了KCl或NaCl的样品，其
G’
G”具有几乎一致的变化趋势，并且显著高于未添加盐离子样品，说明K + 、Na + 的加入能够有效增强分散体系的结构强度。在盐溶液浓度较高时，KCl或NaCl的加入使得样品的tan增加，这是因为K + 或Na + 能屏蔽蛋白质侧链上的电荷，减弱分子链间的斥力，增强分子链间相互作用，从而提高体系交联程度，同时也提高了分子链的柔性，增强体系的流动性。加入0.02 mol/L KCl或NaCl 的样品没有显著提高样品的tan，尤其是KCl，其tan的曲线与未添加盐离子样品几乎重合，但同样提高了
G’
G”，这可能是因为在含有KCl或NaCl（0.02 mol/L）的大豆蛋白分散体系中K + 或Na + 可以通过离子特异性效应而非中和电荷的能力提高体系强度，K + 、Na + 作为kosmotropic离子能够稳定水体结构，从而通过影响蛋白质与水的相互作用，促使蛋白质稳固自身的结构，提高体系的总体结构强度。
含有CaCl2或MgCl2（0.02 mol/L）的分散体系中，氯化盐的加入大幅提高了
G’
G”和tan，使其显著高于含KCl、NaCl的样品，而且MgCl 2 的作用效果要强于CaCl 2 。可见与KCl、NaCl相比，CaCl 2 、MgCl 2 分散体系中，Ca 2+ 、Mg 2+ 中和氨基酸残基上带电荷侧链的能力更强，因为在相同浓度条件下，CaCl 2 、MgCl 2 的离子强度是KCl、NaCl的3 倍。另一方面，Ca 2+ 、Mg 2+ 还会在临近蛋白质之间形成盐桥，进一步增强交联程度。如图1d～f所示，含高浓度（0.04、0.06 mol/L）CaCl 2 或MgCl 2 样品的
G’
G”远小于其他样品，且线条杂乱，但也表现出了一定程度的频率依赖性，说明这些样品形成了微弱而不均匀的交联结构，可能的原因是二价阳离子会诱导大豆蛋白过度聚集从而形成不均匀的交联，导致蛋白质与水发生相分离，使测得的体系流动性高于其他样品且呈波动变化。
2.2 温度扫描
不同盐离子对SPI分散体系温度扫描的影响如图2所示。未添加盐离子的样品
G’
G”在升温和恒温过程中减小，说明分散体系的结构强度随温度升高而降低，这是因为维持SPI分散体系结构的主要作用力为非共价相互作用，包括疏水相互作用、氢键、静电相互作用等，这些非共价作用力的强度有限，会在加热中被破坏。而非共价作用力在加热中受到的破坏是可逆的，因此在降温到85 ℃左右时，未添加盐离子样品的
G’
G”开始迅速升高。未添加盐离子样品的最终
G’
G”高于初始值，这可能是因为加热导致蛋白质分子结构展开，原本收缩在SPI内部的疏水性基团和巯基暴露出来，大豆蛋白分子在发生不可逆的变性之后重新聚集形成交联结构，并形成凝胶。未添加盐离子样品的tan＜1，说明分散体系的结构更接近于固体而非流体，更多表现出弹性特征而非黏性特征。样品的tan在恒温阶段和降温至85 ℃左右时各出现一个峰值，表明体系的流动性忽然增高又回落，这可能与蛋白质分子链的伸展与收缩有关。大豆蛋白分散体系的结构变化是一个动态的过程，是蛋白质分子内和分子间引力和斥力平衡的结果。在恒温阶段的高温作用下，大豆蛋白的刚性结构被破坏，就会导致体系的流动性骤然增强，紧接着伸展开的蛋白质分子因功能性基团的暴露而迅速互相联结，又形成稳定结构，第1个峰值由此出现；同理，在降温时，经历了热可逆变性的蛋白质分子先断开一部分分子间的交联，tan升高，然后分子链收缩、聚集，在一定程度上恢复刚性结构，tan降低，形成第2个峰值。
对于添加了盐离子的样品，则因为所添加盐离子种类和浓度的不同而呈现不同的黏弹性特征。添加了kosmotropic阳离子（K+、Na+）的样品
G’
G”在整个温度扫描的过程中都高于未添加盐离子样品，说明添加kosmotropic阳离子可以提高体系的结构强度，这可能是因为K + 、Na + 的加入能够中和氨基酸残基上带电荷的侧链，减弱分子链间的静电斥力，既提高了分子链柔性，还促进了分子间的相互作用，同时作为kosmotropic阳离子发挥离子特异性效应，稳定了水体结构，影响到蛋白质与水的相互作用，从而稳定了蛋白质分子的结构。在变性发生时，添加了K + 、Na + 的样品会在离子的诱导下暴露出更多的功能性残基，形成更多的非共价交联，所形成的凝胶结构更具固体特征，其tan低于未添加盐离子样品。
添加了chaotropic阳离子（Ca 2+ 、Mg 2+ ）的样品，其
G’
G”随温度的变化趋势不同于含K + 、Na + 的样品以及未添加盐离子样品。在降温至85 ℃左右时，未添加盐离子样品和含K + 、Na + 样品的曲线出现一处拐点，添加0.02 mol/L的Ca 2+ 、Mg 2+ 样品则没有，这与Wang Luying等的发现相类似：该研究指出盐离子可以减少加热过程中的热传递，这可能导致蛋白质不能在短时间内发生大规模变性，同时迅速形成凝胶结构，因此在变性温度下不能观察到G’、G”明显降低，tan δ曲线的变性峰也消失。在未添加盐离子样品的第1个变性峰出现之前，添加0.02 mol/L Ca 2+ 、Mg 2+ 样品的tan高于含K + 、Na + 样品及未添加盐离子样品，说明该样品分散体系的结构更具柔性，这是因为Ca 2+ 、Mg 2+ 屏蔽电荷的能力更强，蛋白质分子链获得更大的运动性。
添加0.02 mol/L CaCl2、MgCl2样品的tan
低于含KCl、NaCl的样品，其 G’ 、 G” 则更高，说明样品形成了更强、具有固体特征的交联结构，这是因为Ca 2+ 、Mg 2+ 不仅会像K + 、Na + 一样诱导蛋白质在热变性中暴露更多基团，还可以通过盐桥作用进一步提高交联强度。此外，Ca 2+ 、Mg 2+ 作为chaotropic离子会促使水分进入蛋白质，有利于蛋白质展开并形成更强的分子间相互作用，这可能加速了体系结构的增强，解释了样品 G’ 、 G” 曲线没有凹陷的原因。在温度扫描的初期，含有0.04、0.06 mol/L Ca 2 + 、Mg 2+ 的样品 G’ 、 G” 远低于其他样品，tan δ远高于其他样品，这可能是因为过高浓度的Ca 2+ 、Mg 2+ 导致大豆蛋白产生不均匀的交联，刘德阳等在对CaCl 2 浓度诱导大豆蛋白凝胶的研究中发现，CaCl 2 浓度过高时蛋白聚集速率过快，从而在一定程度上出现水与蛋白质的分离现象，这种不均匀的交联导致结构强度较低，流动性较高。随着温度升高，G’、 G” 迅速增大，这是因为聚集中的蛋白质分子受热打开，分子热运动以及大分子膨胀促使体系形成较为均匀而强力的结构。含0.04、0.06 mol/L Ca 2+ 、Mg 2+ 的样品在降温至60 ℃左右时其G’达到最高，最高值小于Ca 2+ 、Mg 2+ 浓度较低的样品，说明过度的聚集最终会降低样品所形成的凝胶结构强度，这与Wang Wenjie等的研究结果一致。
3 静态流变特性分析
如图3、表2所示，各样品的剪切应力随剪切速率的增大而增大，表观黏度随剪切速率增大而减小，同时
n值均小于1，说明样品存在剪切稀化现象。结果表明样品中含有大量的大分子链，在剪切速率较低时，大分子链之间发生相互作用，而且容易缠结勾连从而阻碍剪切，表现出较高的表观黏度和剪切应力；而在剪切速率较大时，分子链间不易发生相互作用，缠结勾连的分子链在一定程度上被打散并滚动旋转收缩成团，因此表观黏度减小且剪切应力不与剪切速率呈正比。
从图3a、b可以看出，不同浓度的KCl、NaCl均可提高样品的剪切应力和表观黏度，且随着离子浓度提高，样品的剪切应力和表观黏度相应增大，这与温度扫描、频率扫描以及凝胶强度的测定结果一致，说明K+、Na+的加入提高了样品交联和缠结勾连能力。添加了KCl、NaCl样品的
K值高于未添加盐离子样品（表2），这是因为K + 、Na + 能够中和带电荷的侧链，减弱分子链间的静电斥力，增强分子间相互作用从而使样品稠度增加。如图3c、d所示，较低浓度的CaCl 2 、MgCl 2 增加样品的剪切应力和黏度，较高浓度的CaCl2、MgCl 2 则使样品的黏度减小，这与频率扫描和凝胶黏性的趋势一致，原因可能是在低盐离子浓度（0.02 mol/L）时，样品的黏度增加与Ca 2 + 、Mg 2+ 屏蔽静电斥力的能力以及盐桥的形成有关；在高盐离子浓度（0.04、0.06 mol/L）时，Ca 2+ 、Mg 2+ 则会使样品中的蛋白质聚集过快，导致大分子在水中的溶解程度降低，从而减少缠结勾连，大幅降低K值并提高
n值。Qiao Congde等和Kunz的研究指出盐离子影响大分子溶液的方式与盐离子的浓度相关，在盐离子浓度较低时，非特异性离子效应占主导作用，在高盐离子浓度下，特异性离子效应占主导作用，因此在本实验中0.04、0.06 mol/L样品所显现的趋势更能说明Hofmeister效应的作用，在这两种浓度下，剪切应力曲线的位置从上到下依次为K + 、Na + 、Mg 2+ 、Ca 2+ ，且样品的K值排序：K + ＞Na + ＞Mg 2+ ＞Ca 2+ ，与Hofmeister序列契合。研究结果表明在高浓度（0.04、0.06 mol/L）时，kosmotropic离子提高样品的凝胶强度、凝胶黏性、在频率扫描中的 G’ 、 G” 以及在温度扫描中受热凝胶化之后最终的G’、 G” ，chaotropic离子反之。这些趋势都符合Hofmeister效应经典理论，即kosmotropic离子趋向于稳定蛋白质溶液的结构，而chaotropic离子则反之。
结论
本研究考察了阳离子位于Hofmeister序列不同位置的4 种氯化盐对SPI凝胶特性和流变特性的影响，结果表明：4 种盐离子都能提高SPI的凝胶能力，但高浓度Ca 2+ 、Mg 2+ 降低了凝胶的黏性；除高浓度Ca 2+ 、Mg 2+ 会使样品G’、G”以及表观黏度降低之外，其他盐离子都使这三者提高，即盐离子浓度较高时给样品带来的变化符合Hofmeister效应对kosmotropic离子和chaotropic离子的分类。在高离子浓度条件下，温度扫描最终的G’、G”和表观黏度的相关参数严格符合Hofmeister序列，即K + ＞Na + ＞Mg 2+ ＞Ca 2+ 。可见在低浓度条件下，影响蛋白质相互作用的因素更多是非特异性离子效应，所以在利用Hofmeister效应指导相关研究时要注意应用范围。Hofmeister效应理论与本次实验的事实相吻合，引入该理论有助于研究复杂的“盐离子-水-蛋白质”三元体系。
作者简介
通信作者：
郭益廷，讲师，硕士生导师。 河南工业大学小麦和玉米深加工国家工程研究中心 中试验证部主任。
目前研究专注于植物蛋白资源转化、挤压重组机制研究。参与国家十四五重点研发项目子课题、河南省中央引导地方科技发展资金项目等多项研究；主持纵向研究课题2 项；参与科技成果评价2 项，均达到国际先进水平。
教育与工作经历：
2010.09-2014.06，山东大学化学与化工学院，获理学学士学位；
2015.09-2020-09，中国科学院大学 中国科学院化学研究所，获理学博士学位；
2020.10-至今，河南工业大学 小麦和玉米深加工国家工程研究中心，讲师、中试验证部主任（2024.03-至今）；
2023.04-至今 河南省南街村（集团）有限公司博士后科研工作站，博士后。
研究领域与方向：
植物基蛋白食品挤压技术、植物蛋白-多糖互作研究。
研究成果：
（一）主持或参与的科研项目
1、主持：小麦和玉米深加工国家工程研究中心开放课题——Hofmeister阳离子调控植物蛋白高水分挤压纤维化机制研究,在研。
2、主持：河南工业大学高层次人次启动基金——高水分挤压组织植物蛋白的纤维化过程研究，在研。
3、参与：国家十四五重点研发项目子课题——功能蛋白配料分子结构模拟和质构重组机制，在研。
4、参与：河南省中央引导地方科技发展资金项目——新资源蛋白高效生物合成与仿生蛋白肉关键技术研究和产业化应用，在研。
（二）发表论文
1、安红周、黄山、郭益廷*、李盘欣、黄亚男，磷酸盐对高水分挤压组织化植物蛋白产品品质的影响，中国粮油学报，2023
2、全鹏飞、安红周、郭益廷*、朱雪庆、李盘欣、黄亚男，Hofmeister效应对大豆分离蛋白凝胶特性和流变学特性的影响，食品科学，2024
3、安红周、全鹏飞、郭益廷*、黄山、李盘欣、黄亚男，磷酸盐对高水分挤压组织化蛋白流变特性的影响研究，中国粮油学报，2024
4、安红周、任静文、郭益廷*、李盘欣、黄亚男，阴离子多糖在高水分组织化植物蛋白中的研究进展，中国油脂，2024
5、Huihui Dai, Hongzhou An*, Yuxiang Ma, Yiting Guo, Yan Du, Xueqing Zhu, Qiong Luo, Effects of lysine on the physiochemical properties of plant-protein high-moisture extrudates, LWT, 2023
（三）奖励与荣誉
1、2023年，参与河南省教育厅科技成果奖，“植物蛋白肉的品质评价及改良与产业应用” 二等奖1项。
2、2023年，指导第二届大学生低碳循环科技创新大赛 “植肉造林-代替动物肉的减碳先锋”，获二等奖1项。
3、2022年，参与科技成果评价“高水分植物蛋白肉的品质评价及改良”，达到国际先进水平。
4、2022年，参与科技成果评价“低水分植物蛋白肉品质提升与评价关键技术研究”，达到国际先进水平。
实验室和科研团队介绍：
挤压技术应用团队有13 人（其中博士10 名），教授2 人（兼职1 人），副教授2 人，讲师7 人，实验员2 人；另每年还有约10名硕士研究生，2-4 名博士研究生在实验室从事研究工作。实验室具有依据《食品生产许可管理办法》SC 规范建设的挤压中试试验室，拥有法国 Clextral 双螺杆、意大利 PUMA 单螺杆挤压机两台套，可以实现从投料到挤压全过程的 PLC 控制。实验室拥有HAAKE流变仪、TA 质构分析仪、冷冻干燥机、差示扫描量热仪（DSC）、快速粘度分析仪（RVA）等一系列食品理化分析仪器和设备。
本文《Hofmeister效应对大豆分离蛋白凝胶特性和流变学特性的影响》来源于《食品科学》2024年45卷第13期82-88页，作者：全鹏飞，安红周，郭益廷，朱雪庆，李盘欣，黄亚男。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20231011-080。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习辑：刘芯；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。
为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。
长按或微信扫码进行注册
会议招商招展
联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）
热门跟贴