东北农业大学张宇副教授开展副干酪乳杆菌 JY091 发酵协同构建分离乳清蛋白-白乳菇多糖凝胶:多尺度结构与功能提升机制研究

导读：该研究围绕分离乳清蛋白凝胶的性能提升展开，采用益生菌发酵与真菌多糖复配的协同策略，系统探究多糖对菌株生长代谢的影响，以及复合凝胶从分子到宏观的多尺度结构演变规律。研究证实，所选真菌多糖可作为益生元促进菌株增殖与产酸，进而驱动蛋白分子链重排与分子间作用力重构，最终形成结构更致密、功能更优异的复合凝胶体系。协同处理不仅显著提升凝胶的质构、持水与热稳定性能，还赋予凝胶更强的抗氧化活性，使其符合吞咽障碍人群食用标准，为蛋白基功能凝胶的绿色改性与高值化应用提供了新路径。

研究背景

乳清蛋白作为营养价值极高的优质完全蛋白，凭借良好的凝胶特性，成为食品加工、功能配料、特种食品领域的核心原料。无论是传统乳制品、蛋白凝胶食品，还是面向特殊人群的医用食品，都离不开乳清蛋白凝胶的支撑，其应用价值与市场需求长期保持上升趋势。但天然乳清蛋白自组装形成的凝胶存在明显短板，机械强度不足、热稳定性差、持水能力有限等问题，难以满足高端食品与特种营养食品的严苛要求，成为制约其应用拓展的关键瓶颈。

为改善乳清蛋白凝胶的性能，科研人员已探索出多种改性路径，其中益生菌发酵与多糖复配是兼具绿色安全与高效性的两类方法。益生菌发酵可通过酶解与酸化双重作用，改变蛋白分子结构与聚集方式；多糖则能通过分子间作用力与蛋白形成复合体系，优化凝胶网络结构。但目前多数研究将两种方式分开使用，仅少数研究简单复配，未深入挖掘二者之间的协同作用机制，尤其缺乏多糖作为益生元对发酵过程的调控研究。

真菌多糖来源广泛、生物活性丰富，同时具备良好的理化特性，既可作为益生元促进益生菌生长，又能参与蛋白凝胶网络构建，是连接发酵过程与凝胶结构的理想桥梁。但当前针对真菌多糖与益生菌发酵协同调控乳清蛋白凝胶的研究较少，从多尺度解析结构演变、揭示协同作用机制的研究更为匮乏，也未明确改性后凝胶在特种食品中的应用潜力，这也成为该研究重点突破的方向。

核心内容

（一）发酵体系的协同调控机制探究

该研究选取特定益生菌菌株与白乳菇多糖为核心原料，构建发酵复合体系，重点分析多糖对菌株生长代谢的影响。作者团队发现，实验所用多糖能够显著促进菌株的生长繁殖，提升体系的产酸速率与最终活菌数量，充分发挥了益生元的功能，为后续凝胶形成奠定了稳定的生物基础。

这种正向调控作用并非简单的营养供给，而是通过为菌株提供良好的微环境与附着位点，提升菌株代谢活性，进而加速发酵进程。发酵效率的提升，又进一步推动蛋白分子的降解与构象变化，形成 “多糖促发酵、发酵改蛋白” 的正向循环，为复合凝胶的形成提供了先决条件。

（二）复合凝胶的多尺度结构与功能优化

在协同作用下，复合凝胶的微观结构发生显著改变，形成了更加致密均匀的三维网络结构，孔隙分布更规整，网络连接更紧密。这种结构变化源于蛋白分子二级、三级结构的有序重排，β- 折叠结构占比提升，分子疏水性增强，分子间作用力完成重构。

作者团队通过多维度性能测试证实，协同改性后的凝胶在质构、持水性、热稳定性等关键指标上均实现大幅提升，同时抗氧化活性显著增强，且质地符合国际吞咽障碍饮食标准等级。引用核心结论：“协同处理使凝胶形成致密蜂窝网络，分子作用力显著增强”（Cheng et al., 2026）。各项性能的提升，均源于结构优化带来的连锁反应，实现了结构与功能的统一。

亮点价值

（一）科学研究层面的创新突破

该研究突破传统单一改性的局限，首创 “益生元增强发酵 - 多糖导向组装” 的协同策略，首次将真菌多糖的益生功能与结构调控功能结合，建立了生物发酵与物理复配协同的新范式。不同于以往研究仅关注最终凝胶性能，该研究从分子、纳米、微观到宏观多尺度解析结构演变规律，阐明了协同作用的内在机制。

同时，该研究完善了蛋白凝胶改性的理论体系，明确了分子间作用力重构是凝胶性能提升的核心原因，揭示了 “发酵调控 - 结构演变 - 功能提升” 的内在关联，为其他蛋白基材料的改性研究提供了可借鉴的理论框架与实验思路。引用核心结论：“分子作用力重构是凝胶结构与性能提升的核心”（Cheng et al., 2026）。

（二）产业应用层面的实用价值

在应用层面，该研究开发的协同改性方法全程绿色温和，无化学添加剂，符合食品工业绿色发展的趋势，易于工业化放大生产。改性后的凝胶兼具优异质构、持水性、热稳定性与抗氧化性，应用场景大幅拓展。

尤为重要的是，改性凝胶符合吞咽障碍人群饮食标准，可直接用于特种医用食品开发，同时也适用于功能乳制品、3D 打印食品、活性物质载体等领域。引用核心结论：“复合凝胶满足 IDDSI 6 级标准，适用于吞咽障碍人群食用”（Cheng et al., 2026）。该技术为乳清蛋白的高值化利用提供了可行方案，也为特殊医学用途食品的研发提供了新的原料选择。

图文赏析

图 2 不同样品的微观结构 (a)、发酵乳清蛋白凝胶与复合凝胶的二值化图像 (b)、两种凝胶的分形维数和空隙率 (c)、孔径定量分析 (d) 以及两种凝胶的孔径分布 (e, f)。

图 3 不同样品的低场核磁共振横向弛豫时间曲线 (a)、T₂₃弛豫时间 (b)、水分分布状态 (c)、频率扫描曲线 (d)、表观黏度曲线 (e) 及接触角 (f)。

图 5 二维荧光光谱（激发波长：280 nm，发射波长：290–450 nm）(a)、二维荧光光谱（激发波长：295 nm，发射波长：310–500 nm）(b)、不同样品的三维荧光光谱 (c)、表面疏水性 (d)、游离巯基与总巯基含量 (e) 以及分子间作用力 (f)。图 8 不同样品的国际吞咽障碍饮食标准（IDDSI）测试结果

结论展望

该研究通过益生菌发酵与真菌多糖的协同作用，成功实现了乳清蛋白凝胶的多尺度结构调控与功能全面提升，不仅解决了天然乳清蛋白凝胶的性能短板，还阐明了协同改性的科学机制，构建了绿色高效的蛋白凝胶改性新方法。研究成果兼具理论创新性与实际应用性，既丰富了食品蛋白改性的理论体系，又为产业应用提供了技术支撑。

从未来发展来看，该研究可向多个方向延伸：一方面可筛选不同结构的真菌多糖，探究结构与协同效果的构效关系，进一步优化改性效果；另一方面可将复合凝胶用于活性成分包埋递送，拓展其在功能食品、精准营养领域的应用。此外，还可结合现代加工技术，实现协同改性工艺的自动化与智能化，推动该技术从实验室走向产业化落地，赋能蛋白基食品的高质量发展。

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