Food & Function：QCM-D揭示蛋白-口腔黏蛋白界面调控与蔗糖甜味增强机制

华南理工大学郭健/杨晓泉团队 Food & Function：应用QSense QCM-D揭示蛋白-口腔黏蛋白界面调控与蔗糖甜味增强机制

从“蔗糖吃进去多少"转向“甜味在舌面停留多久"：以蛋白-黏蛋白界面工程提升蔗糖感知效率

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核心发现：研究团队并未简单用代糖“替代"蔗糖，而是通过蛋白-蔗糖复合颗粒与口腔黏蛋白界面调控，让蔗糖在舌面释放得更平缓、停留得更久，从而提升单位蔗糖的甜味感知效率。QSense QCM-D提供了蛋白与黏蛋白发生真实界面相互作用、以及热处理改变其吸附强度和界面黏弹性的直接证据。

研究背景：减糖的关键，不只是“换一种甜味剂"

控制添加糖摄入已成为食品科学和营养健康领域的重要议题。传统减糖路线往往依赖高倍甜味剂或非营养型甜味剂，但不少产品会出现甜味起效延迟、苦味或金属后味，以及整体风味轮廓难以复现蔗糖等问题。因此，一个更有吸引力的思路是：不改变蔗糖作为主要甜味来源的身份，而是提高“每一份蔗糖被味觉系统感知到"的效率。

甜味感知并不只由配方中的蔗糖总量决定。蔗糖在口腔中的溶解、扩散、冲刷和在舌面附近的停留时间，共同决定了味蕾附近的局部浓度-时间曲线。口腔黏液中的核心大分子——黏蛋白（mucin）形成高度水化、具有黏弹性的界面层，它既参与润滑和屏障功能，也会影响小分子在舌面附近的迁移与滞留。由此，研究团队提出一个问题：如果利用食品蛋白调控黏蛋白界面，是否能够改变蔗糖的释放与保留行为，并最终放大甜味感知？

研究方法：从蛋白构象、界面吸附到舌面滞留和真实食品感官

研究选择大豆分离蛋白（SPI）和乳清分离蛋白（WPI）作为植物蛋白和动物蛋白代表，并设置未加热与100 ℃、30 min热处理后的样品（SPI-H、WPI-H）。首先通过溶解性、粒径/Zeta电位和内源荧光表征蛋白结构变化；随后利用QSense QCM-D和粒子追踪微流变，分别观察蛋白在黏蛋白界面上的吸附行为，以及蛋白加入后黏蛋白微观黏弹环境的变化。

在材料构建层面，团队将蛋白引入蔗糖颗粒，制备不同蛋白含量的蛋白-蔗糖复合颗粒，并通过DSC、XRD、FT-IR、CLSM和SEM判断蔗糖晶型、分子相互作用及颗粒微结构。之后采用离体猪舌-人工唾液冲洗模型，连续收集洗脱液并测定蔗糖浓度，量化蔗糖在舌面的释放与滞留。最后将代表性复合颗粒加入巧克力，通过时间-强度（TI）感官分析验证甜味增强效果。

QSense QCM-D：把“蛋白会影响黏蛋白"变成可实时观察的界面证据

QCM-D是本研究建立机制链条的关键表征手段。研究使用QSense® Explorer（Biolin Scientific，Sweden）及QSX 301金传感器，在约28 ℃、10 mM HEPES缓冲液（pH 6.8）、100 μL/min流速下进行测试。实验先在金表面吸附1 mg/mL黏蛋白并冲洗，再注入10 mg/mL蛋白溶液，最后再次以缓冲液冲洗。通过实时记录频率变化（ΔF）与耗散变化（ΔD），并结合QSense Dfind中的SmartFit模型分析吸附层质量和界面性质。

这种设计的价值在于，QCM-D不仅告诉研究者“有没有蛋白吸附"，还能同时反映吸附层与耦合水形成的水化质量，以及界面层的柔软程度和黏弹性。对口腔黏蛋白这种高度水化的生物界面而言，ΔD/ΔF信息尤其重要：同样的吸附质量，可能对应不同的水化程度、构象和可逆性，而这些差异会直接影响后续蔗糖的传质与滞留。

图1  QSense QCM-D实时监测SPI、SPI-H、WPI和WPI-H在预吸附黏蛋白层上的界面响应。蓝线为频率变化ΔF，红线为耗散变化ΔD；I-V依次对应缓冲液基线、黏蛋白吸附、冲洗、蛋白注入和再次冲洗。

实验结果与分析

1. 热处理改变蛋白构象，也重新设定其与黏蛋白的“结合方式"

蛋白表征显示，热处理后SPI溶解性由81.76%降至70.20%，WPI则仍保持较高溶解性；两种蛋白的内源荧光最大发射波长均发生红移，说明内部基团暴露和构象发生变化。也就是说，后续蛋白-黏蛋白相互作用的差异，并非简单来自“蛋白种类不同"，而与热处理诱导的结构重排密切相关。

2. QCM-D定量显示：原生蛋白吸附更强，热处理后界面保留明显降低

在QCM-D实验中，SPI、SPI-H、WPI和WPI-H注入黏蛋白层后均出现新的频率和耗散响应，直接证明两类食品蛋白都能够与黏蛋白界面发生相互作用。SmartFit拟合得到的蛋白注入阶段质量变化（ΔMass1）约为：SPI 913.6 ng/cm²、SPI-H 393.4 ng/cm²、WPI 603.6 ng/cm²、WPI-H 247.5 ng/cm²；冲洗后的保留质量（ΔMass2）约为331.7、66.6、188.0和-53.2 ng/cm²。整体趋势十分清楚：原生SPI和WPI在黏蛋白层上的结合与保留更强，热处理显著提高了相互作用的可逆性。对于WPI-H，拟合后的ΔMass2接近零甚至为负值，更应理解为冲洗后稳定保留极弱，而非“存在负质量"。

图2  QCM-D拟合的界面质量变化及ΔD-ΔF关系。（A）蛋白注入阶段的ΔMass1与冲洗后的ΔMass2；（B）以SPI为例示意质量变化的定义；（C）不同蛋白-黏蛋白复合界面的ΔD-ΔF轨迹。原生蛋白产生更大的频率-耗散耦合响应，提示形成更水化、更具黏弹性的界面层。

ΔD-ΔF轨迹进一步补充了“质量"之外的信息。原生蛋白产生更大的频率与耗散耦合变化，说明形成的蛋白-黏蛋白层更加水化、柔软并具有明显黏弹性；热处理蛋白的响应较小，提示界面层更紧凑或在冲洗下更易解离。作者特别强调，QCM-D测得的并不是单纯“干蛋白质量"，还包括与软界面耦合的水。因此，这些数据更接近真实口腔黏液层的物理状态，也为解释后续蔗糖迁移行为提供了界面尺度依据。

3. 微流变把界面吸附与黏蛋白网络重排连接起来

粒子追踪微流变显示，与单独黏蛋白相比，加入SPI或WPI后示踪粒子的均方位移（MSD）整体增大，说明蛋白并非简单让黏蛋白网络“变硬"，而是重组了其局部结构和约束环境。结合QCM-D可以形成更完整的判断：食品蛋白先与黏蛋白发生界面结合，同时改变水化层和网络组织；热处理改变蛋白构象后，又进一步调节这种结合的强弱和动态可逆性。

4. 蛋白-蔗糖复合颗粒保持蔗糖晶体特征，却改变了口腔释放路径

DSC和XRD结果表明，加入蛋白后蔗糖的熔融峰和主要晶体衍射峰基本保持不变，FT-IR也未显示新的共价键形成；CLSM和SEM则证明蛋白确实存在于复合颗粒中，并使颗粒表面更粗糙、更不规则。因此，这一策略并不是把蔗糖改造成全新的无定形载体，而是在保留蔗糖主体晶型和甜味来源的前提下，让蛋白作为功能性结构组分参与颗粒形成。

离体猪舌冲洗实验给出了更直观的结果。纯蔗糖表现为典型的快速释放：前几次冲洗迅速达到较高浓度，随后快速下降；蛋白-蔗糖复合颗粒的早期峰值降低，但在后续冲洗中蔗糖持续可检测，且蛋白含量越高，延迟释放和舌面滞留越明显。对甜味感知而言，这意味着蔗糖不再“一次性冲出"，而是在味蕾附近维持更长的有效暴露时间。

5. 巧克力感官验证：更快达到更高甜味峰值

在巧克力模型中，蛋白-蔗糖复合颗粒最终转化为可感知的甜味提升。以纯蔗糖组为对照，甜味时间-强度积分面积为217.28、峰值强度为5.00、达峰时间为36.83 s；热处理SPI复合颗粒对应数值为304.07、6.55和27.48 s；热处理WPI组进一步达到309.25、7.05和24.43 s。换言之，WPI-H组的整体甜味暴露面积较纯蔗糖组提高约42%，峰值强度提高约41%，同时更早达到甜味峰值。

图3  蛋白-蔗糖复合颗粒在巧克力中的感官验证。时间-强度曲线及静态感官结果显示，热处理SPI/WPI复合颗粒可提高甜味强度，其中WPI-H组表现出最高甜味积分面积和峰值强度，并具有最短达峰时间。

QSense QCM-D在本文中的核心作用

仅凭最终的巧克力感官结果，我们只能知道复合颗粒能够提升甜味，却无法解释其原因。QSense QCM-D承担的正是机制证据中最关键的一环：第一，实时确认SPI和WPI能够在预构建的黏蛋白层上发生吸附，而不是仅依靠宏观感官结果反推；第二，通过吸附质量、冲洗后保留量和ΔD-ΔF关系区分原生/热处理蛋白的界面结合强度、可逆性以及水化黏弹特征；第三，把蛋白构象变化与口腔黏蛋白界面重排连接起来，为“界面调控→蔗糖滞留→甜味增强"的因果链提供实验支点。

需要指出的是，本研究中的QCM-D模型使用的是金传感器上的预吸附黏蛋白层，它不是对真实舌面的复制。因此，作者又进一步引入微流变、离体猪舌冲洗和人体感官评价进行多尺度验证。也正是这种“界面表征+组织模型+感官"的组合，使QCM-D数据不仅停留在材料吸附层面，而真正参与了食品口腔加工机制的解释。

结论与展望

该研究提出了一条区别于“用代糖替代蔗糖"的减糖路线：用少量食品蛋白充当结构填充组分和口腔界面调节因子，使蔗糖在舌面附近释放更平缓、滞留更持久，从而提升甜味利用效率。无论SPI还是WPI均能发挥作用，说明这一机制不局限于单一蛋白来源；热处理还可用于调控蛋白构象及其与黏蛋白的相互作用。

从应用角度看，这一思路为巧克力及其他需要保留“真实蔗糖风味轮廓"的减糖食品提供了新的配方路径。下一步仍需系统评估不同食品基质中的加工稳定性，以及复合颗粒对口腔包覆感、涩感、后味、质构等感官属性的影响；同时，也值得利用QCM-D进一步比较不同蛋白结构、表面修饰和口腔环境变量对黏蛋白层吸附-解吸动力学的影响，从而建立更可预测的“配方结构—口腔界面—甜味感知"关系。

基金支持

本研究获得国家重点研发计划（National Key R&D Program of China，No. 2022YFD2101302）支持。

原文链接

DOI: 10.1039/D6FO02661C

注：

(1) 文中图片均来自论文原文，版权归杂志社/原作者所有。

(2) 文中使用的百欧林耗散型石英晶体微天平分析仪仪器型号为：QSense® Explorer（Biolin Scientific，Sweden）；QSX 301 gold sensors；QSense Dfind/SmartFit