《Food Hydrocolloids for Health》："Ultrasound Treatment of Preformed Nanofibrillated Whey Protein Isolate: Effects on Structure, Enzymatic Hydrolysis, and Bioactivity"
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本研究针对乳清蛋白纳米纤维功能特性调控需求，创新性地采用高强度超声波后处理技术，系统阐明了超声时长对WPI纳米纤维结构稳定性、酶解效率及抗氧化活性的增强机制，为开发高附加值蛋白基功能食品提供了新策略。
在食品科学领域，蛋白质纳米纤维因其高长径比和独特的机械性能，已成为改善食品质构和功能特性的明星材料。特别是乳清分离蛋白（Whey Protein Isolate, WPI）通过热诱导形成的纳米纤维，不仅能增强食品体系的质构特性，还展现出优异的营养功能潜力。然而，如何进一步提升这些纳米纤维的消化吸收率和生物活性，仍是食品工业面临的重要挑战。传统热加工方法虽能促进纤维形成，但对纤维结构的精细调控及其功能强化作用有限。近年来，非热加工技术尤其是超声波处理，因其绿色、可控、高效的特点受到广泛关注。超声波通过声空化效应产生局部高压、高温和强剪切力，可精准调控蛋白质的组装行为。但超声波在纳米纤维形成后的应用效果，特别是对其结构稳定性、消化特性及生物活性的影响尚不明确。正是为了填补这一知识空白，来自伊朗伊斯兰阿扎德大学的研究团队在《Food Hydrocolloids for Health》上发表了最新成果。
本研究主要采用高强度超声波（200 W·cm-2，24 kHz）对预形成的WPI纳米纤维进行后处理（10、20、30分钟），通过原子力显微镜观察纤维形貌变化，ThT荧光检测β-折叠含量，紫外分光光度法测定浊度和不透明度，并系统评估了超声处理对胃蛋白酶和胰蛋白酶水解效率的影响，最后通过DPPH自由基清除实验和FRAP法测定水解产物的抗氧化活性。
3.1 纳米纤维的微观结构
原子力显微镜结果显示，未经超声处理的对照组样品中存在大量长而半柔性的纳米纤维（图1A1）。超声处理导致纤维发生显著形态变化：10分钟处理使长纤维断裂成较短纤维结构（图1B1）；20分钟处理产生更短、更密集的间断纤维（图1C1）；30分钟处理则仅观察到极度缩短的纤维片段，表明热形成纤维发生严重碎片化（图1D1）。高度分布分析显示，超声处理后纤维高度分布变窄，主要集中在10-20纳米范围（图1A2-D2）。这种结构变化归因于超声空化产生的剪切力破坏了纤维间的静电和疏水相互作用。
3.2 ThT荧光测量
ThT荧光强度随超声时间延长而显著增加（P < 0.05），30分钟处理组达到最高值（图2）。这表明超声后处理不仅引起纤维断裂，还促进了β-折叠结构的形成。断裂的纤维片段暴露出更多ThT结合位点，同时可能作为成核位点促进新的纤维形成。
3.3 表观、不透明度和浊度
视觉上，超声处理显著提高了分散体系的亮度，且处理时间越长，体系越透明（图3A）。浊度和不透明度测量结果与视觉观察一致，随超声时间延长而显著降低（P < 0.05）（图3B-C）。这主要是由于超声将大的纤维聚集体破碎成更小、更均匀的片段，改善了分散性。
3.4 纳米纤维的酶解
超声处理显著提高了胃蛋白酶和胰蛋白酶的水解效率（图4）。对于胃蛋白酶，30分钟超声处理组在165分钟时达到最高水解度（31.55%），显著高于对照组（24.10%）。对于胰蛋白酶，30分钟超声处理组在120分钟时水解度最高（34.18%）。延长水解时间至135-180分钟，超声处理组的优势更为明显。这表明超声引起的蛋白质去折叠和纤维断裂，暴露了更多酶切位点，提高了底物可及性。
3.5 DPPH自由基清除活性
超声处理结合酶解显著增强了水解产物的抗氧化活性（表1）。对于胃蛋白酶水解物，30分钟超声处理组在135分钟时DPPH清除率最高（71.3%）；对于胰蛋白酶水解物，30分钟超声处理组在135分钟时活性最高（60.3%）。超声时间越长，结合足够长时间的水解（≥135分钟），抗氧化活性越强。
3.6 铁还原抗氧化能力（FRAP）
FRAP值变化趋势与DPPH结果相似（表1）。30分钟超声处理组在180分钟水解后显示出最高的铁还原能力（胃蛋白酶水解物：1241.7 μmol/L；胰蛋白酶水解物：1102.7 μmol/L）。超声预处理通过促进蛋白质水解，释放出更多具有还原能力的短肽和氨基酸，如含硫氨基酸、芳香族氨基酸等，从而增强了抗氧化活性。
该研究系统阐明了超声波后处理对WPI纳米纤维结构特性和功能性质的调控作用。研究发现，超声处理通过空化效应使纳米纤维断裂成更短的片段，同时增加了β-折叠含量，提高了分散体系的透明度。更重要的是，超声处理与酶解协同作用，显著提高了蛋白质的水解效率和水解产物的抗氧化活性。最优工艺条件为30分钟超声处理结合至少135-180分钟酶解。这一非热加工策略为精准调控蛋白质结构、开发高消化率和强抗氧化活性的功能食品配料提供了新思路，有望在健康食品、特殊医学用途配方食品等领域发挥重要作用。不过，这些发现的生物学相关性和健康效应仍需通过体外细胞实验和体内研究进一步验证。
