论文摘要
豆科蛋白因其优异的功能特性，已成为开发植物基食品的关键原料。豆科蛋白水凝胶中的分子间作用力包括氢键、疏水相互作用等非共价键，以及二硫键等共价键，凝胶分子间作用力的变化直接影响凝胶类食品的品质。本文阐述了豆科蛋白水凝胶分子间作用力的类型与检测方法，深入探讨了其影响因素，包括凝胶制备方法、蛋白预处理方式（物理处理、化学处理、酶解处理、纤维化处理）以及其他活性成分（多酚、多糖、外源氨基酸、其他来源蛋白）的引入。制备方法决定了豆科蛋白水凝胶的质构特性，预处理（尤其是超声处理）是改善豆科蛋白水凝胶性能的有效手段，而多酚、多糖等物质的掺入以及蛋白纤维化处理，进一步推动了豆科蛋白水凝胶在食品和生物医学领域的应用。通过调控凝胶分子间作用力，有望实现凝胶载体中生物活性成分的控释，并助力开发不同用途的食品。毫无疑问，掌握水凝胶分子间作用力的调控机制与策略，将进一步提升豆科蛋白水凝胶产品的品质，推动满足消费者需求的新产品研发。
研究背景 
水凝胶是亲水性聚合物链通过物理缠结、离子相互作用和化学交联形成的三维网络结构，以水为分散介质，凭借优异的固体力学性能和液体热力学特性广泛应用于食品、组织工程等领域，而天然生物聚合物因安全性高、来源广、生物相容性好成为制备水凝胶的常用原料，其中基于天然蛋白的凝胶类食品早已存在（如豆腐、血肠等）。随着全球人口增长和环境变化需求，植物蛋白作为动物蛋白的替代品受到广泛关注，能减少畜牧业发展带来的环境破坏，助力全球健康与粮食安全目标，其中豆科蛋白因来源广泛、价格低廉、氨基酸组成均衡（赖氨酸含量高，可与谷物蛋白互补）成为优质植物蛋白来源，其含有的 20%–40% 蛋白（大豆蛋白含量更高）具备凝胶形成潜力。蛋白通常在热或压力作用下变性、结构重排形成聚集体，通过疏水相互作用、氢键、二硫键等分子间作用力协同交联形成三维网络结构，进而吸收或包裹水、油等成分形成凝胶，且强相互作用力（二硫键、疏水相互作用）与弱相互作用力（氢键、静电相互作用）的比例变化会改变蛋白凝胶特性，但天然状态下豆科蛋白因球形构象紧密，加热时主要通过非共价键聚集成胶，凝胶强度弱于动物蛋白，这与豆科蛋白含硫氨基酸（蛋氨酸、半胱氨酸）含量较低，限制分子间交联程度有关。目前，研究已证实蛋白分子间相互作用对蛋白结构与功能（溶解性、乳化性、凝胶性）的影响，也探索了 pH、温度、NaCl 等因素及制备条件、改性方法对豆科蛋白凝胶的作用，超声处理蛋白凝胶、蛋白 - 多糖复合凝胶、蛋白纤维凝胶等因性能优异发展迅速，但多组分蛋白凝胶形成与维持的分子间作用力机制尚不明确，不同预处理通过改变蛋白分子间相互作用改善豆科蛋白水凝胶性能的内在机理也未被完全阐明，这些知识缺口限制了豆科蛋白水凝胶的进一步发展，因此深入研究豆科蛋白水凝胶的分子间作用力及其调控策略具有重要意义。
图文赏析
图 1
常见豆科作物及其主要蛋白组分、蛋白一级结构与高级结构
图 2
变性剂对蛋白凝胶分子间作用力的破坏及作用力检测：NaCl 破坏静电相互作用（A）、尿素破坏氢键（B）、十二烷基硫酸钠（SDS）破坏疏水相互作用（C）、β- 巯基乙醇（β-Me）破坏二硫键（D）、基于变性剂处理的分子间作用力检测（E）、无变性剂处理的分子间作用力检测（F）
图 3
不同诱导方式制备蛋白水凝胶的机制及其分子间作用力变化
图 4
豆科蛋白水凝胶分子间作用力的调控方式：物理处理（A）、化学处理（B）、酶解处理（C）、纤维化处理（D）
图 5
（A）大豆分离蛋白 - 阿拉伯木聚糖基双网络水凝胶（转载自 Tao 等人 2025 年研究，经爱思唯尔授权）；（B）大豆分离蛋白与豌豆分离蛋白复合凝胶（转载自 Lei 等人 2025 年研究，经爱思唯尔授权）；（C）多酚与蛋白结合改善凝胶性能的蛋白结构变化（经轻微修改转载自 Kim 等人 2024 年研究，经爱思唯尔授权）；（D）pH=12 偏移处理与半胱氨酸处理促进豌豆蛋白中二硫键形成及其在低盐混合肉凝胶中的弹性贡献（转载自 Dong 等人 2025 年研究，经爱思唯尔授权）
图 6
豆科蛋白水凝胶的潜在应用：（A）功能活性成分递送；（B）豆腐食品品质改良；（C）蛋白微凝胶颗粒；（D）吞咽困难人群食品（版权所有：国际吞咽困难饮食标准化倡议组织 2016 年，来源：http://iddsi.org/resources/framework/）
研究结论
随着全球人口持续增长及减少二氧化碳排放的需求，豆科蛋白在食品工业中的作用日益凸显。凝胶特性是豆科蛋白最重要的功能特性之一，基于豆科蛋白的水凝胶形成依赖于蛋白分子间作用力，包括氢键、疏水相互作用、离子键等非共价键以及二硫键等共价键。研究表明，通过改变分子间作用力可调节凝胶特性，制备方法决定了维持凝胶结构的主导作用力。本文探讨并分析了制备方法对凝胶分子间作用力的影响，以期为后续研究提供参考。物理处理、化学处理、酶解处理、纤维化处理等蛋白预处理方式，通过改变蛋白结构、暴露活性基团来影响蛋白分子间相互作用，进而改善凝胶特性。此外，引入多糖、多酚、氨基酸乃至外源蛋白等其他成分，可向单一蛋白体系中引入新的基团，通过非共价键与蛋白结合，从而提升蛋白凝胶性能。现有研究分析显示，豆科蛋白纤维基水凝胶和豆科蛋白 - 多糖双网络水凝胶是当前的研究热点，尤其在生物活性成分的控释递送和吞咽食品开发方面具有广阔前景，这些凝胶内部的分子间作用力也表现出更高的复杂性。采用变性剂或解离剂处理凝胶后测定蛋白溶解度，仍是表征凝胶分子间相互作用的主要方法。研究人员正不断建立蛋白结构特征与凝胶相互作用力之间的关联，以更好地调控蛋白凝胶特性。蛋白凝胶分子间作用力的调控挑战推动了新技术、新方法的发展。未来研究应关注以下方面：
凝胶分子间作用力的定量化仍是一大挑战，利用人工智能和计算技术设计并预测不同条件下蛋白结构演变，将有助于推动作用力的量化计算；
进一步探究不同豆科蛋白的成胶机制，建立亚基组成、氨基酸组成与凝胶特性之间的关联；
现有研究多局限于单独考察改性方法或制备技术对凝胶的影响，需进一步研究改性方法与制备技术的联合作用对凝胶分子间作用力的影响；
通过调节凝胶作用力优化凝胶特性，将豆科蛋白水凝胶的应用从食品领域拓展至精准药物递送、柔性电子传感、创伤修复等领域。
齐宝坤：东北农业大学 食品学院教授。研究方向： 大豆高值化加工。
李杨：东北农业大学 食品学院教授。研究方向： 粮食、油脂及植物蛋白工程。
本研究衷心感谢国家重点研发计划项目（项目编号：2021YFD210030101）的资金支持。https://doi.org/10.1111/1541-4337.70421
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