基于多尺度的乳清蛋白凝胶乳液结构影响油脂消化的机理

Emulsion structure has a significant impact on lipid digestion, absorption and metabolism. Approaches to modulating lipid digestion (e.g., interfacial structure engineering) have been widely studied with profound understanding. However, how the structure of the solid food matrix influencing lipid digestion is still in its infancy. In previous studies, we used the whey protein emulsion gel as a model food to investigate the relation between gel structure and lipid digestion, and found that molecular and nanoscopic structures of gels are crucial to unveil the mechanism of how gel hardness and microstructure influencing lipid digestion. This project will design a series of whey protein emulsion gels with varying molecular, nanoscopic, microscopic structures, and mechanical properties (i.e., macroscopic structure). Gel structures at multiple spatial length scales will be characterized by microscopes, rheometer, texture analyzer and electrophoresis, focusing on deciphering the relation between structures at different length scales. The mechanism of how molecular, nanoscopic, microscopic structures, or mechanical properties of gels separately or together influencing lipid digestion will be determined through comparing the structure and in vitro digestion behaviour of these differently structured gels. This project may benefit the understanding of the relation between the food matrix structure and lipid digestion, provide a foundation for targeted modulation of lipid digestion, and contribute to innovation of healthy foods containing lipids.

乳液结构对油脂的消化、吸收、代谢有重要影响。以界面结构工程为代表的调节油脂消化的理论已比较成熟，但是，固态食物基质结构影响乳液油脂消化的机制还未明确。前期研究利用乳清蛋白凝胶乳液作为模型食物探索固态食物基质结构与油脂消化的关系，发现分子或纳米尺度结构可能是揭示凝胶的硬度和微米尺度结构影响油脂消化机理的关键。本项目拟在此基础上设计一系列分子尺度结构、纳米尺度结构、微米尺度结构、力学特性（宏观尺度）有较大差异的乳清蛋白凝胶乳液，运用显微镜学、材料力学、电化学等方法表征凝胶的多尺度结构，探明凝胶不同尺度结构之间的关系；通过比较不同凝胶之间体外模拟消化行为和结构的差异，解析凝胶不同尺度结构影响油脂消化的机制，阐述它们之间的内在关联，并最终揭示凝胶的多尺度结构影响油脂消化的机理。本研究将有助于深入理解食物结构与油脂消化之间的关系，为靶向干预油脂消化提供科学依据，并促进含油脂健康食品的开发。

蛋白乳液凝胶是由空间连续的蛋白分子网络和油滴组成的复杂胶体体系，常用作模型研究食物结构影响油脂消化的机理。本课题以热致乳清蛋白乳液凝胶为研究对象，通过加入盐酸胍（GuHCl）和二硫苏糖醇（DTT）调控乳清蛋白分子间的相互作用力类型，利用蛋白分子-聚集体-乳液-水凝胶-气凝胶的跨长度尺度的设计策略进行结构设计，解析了分子间作用力与凝胶结构间的关系，在此基础上探究了凝胶多尺度结构与消化之间的关系。主要结论如下： .（1）分子间相互作用力影响乳清蛋白热致聚集：DTT还原蛋白分子内及分子间的二硫键，暴露更多疏水基团，加剧了蛋白分子的热致聚集。GuHCl主要通过静电相互作用和氢键作用于蛋白分子表面，有效屏蔽蛋白分子间非共价作用，抑制了蛋白分子的热致聚集。 .（2）分子间作用力影响乳液凝胶结构： GuHCl阻断了乳清蛋白分子间非共价作用，产生更多二硫键，加剧蛋白油水界面吸附，形成紧密围绕油滴的蛋白网络，显著降低乳液凝胶杨氏模量和硬度，但大幅增加断裂应力和应变。屏蔽分子间非共价键小幅降低乳液凝胶杨氏模量和硬度，但断裂性质大幅下降。这说明疏水相互作用是乳液凝胶化的关键因素，二硫键赋予凝胶弹性。.（3）分子间作用力影响乳液凝胶消化：还原蛋白分子间二硫键或屏蔽非共价键都会加速油滴消化。DTT凝胶分解速度最快，导致油脂消化加快。由于额外分子间二硫键的形成，GuHCl凝胶中局部蛋白网络表现出一定的抗消化能力。但是， GuHCl凝胶中非二硫键连接结构弱，易分解，油滴失去保护，加速油脂消化。.（4）乳清蛋白乳液气凝胶的应用：由于共价交联和油滴填充的共同作用，GuHCl气凝胶表现出卓越的机械性能。在很宽的pH范围内能高效分离油水混合物。. 另外，在拓展应用中发现乳清蛋白自组装纤维能替代酸性条件下高油体积分数乳清蛋白乳液中油脂形成的网络。中链脂肪酸油脂与乳清蛋白形成的乳液能有效降低餐后血糖反应。本课题为从下而上精准设计食物结构及通过食物结构控制食物消化提供了理论基础及技术手段。