《Ultrasonics Sonochemistry》：Effects of ultrasound-assisted Maillard reaction on the emulsifying and flavor properties of brewer’s spent grain protein–gum arabic conjugates
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本研究针对啤酒糟（BSG）蛋白高疏水性导致的乳化性能不足问题，通过常规加热与超声辅助美拉德反应（MR）制备BSG蛋白-阿拉伯胶（GA）复合物，系统评价了其糖基化程度、结构变化、乳化活性（EAI）与稳定性（ESI）及挥发性风味成分。结果表明，超声处理可大幅缩短反应时间（45?min?vs.?3?h），显著提升乳化性能，并有效抑制醛类等不良风味物质生成。该研究为啤酒糟高值化利用及清洁标签植物基乳化剂开发提供了新策略。
啤酒，这一深受人们喜爱的传统饮品，在其生产过程中会产生大量的副产物——啤酒糟（Brewer's Spent Grain, BSG）。据统计，每生产1立方米啤酒，约产生200公斤BSG。全球啤酒年产量巨大，因此BSG的处理成为行业面临的挑战，其不当处置不仅带来经济成本，还可能对环境造成负面影响。然而，BSG其实是一种“放错位置的资源”，其蛋白质含量高达15%-30%（w/w），极具开发潜力。近年来，随着消费者对天然、健康、清洁标签（Clean-label）食品的需求日益增长，寻找安全高效的天然乳化剂成为食品工业的重要研究方向。传统人工乳化剂如羧甲基纤维素（CMC）、聚山梨酯-80（P80）等可能引发轻微的炎症反应，促使科研人员将目光投向蛋白质等天然生物大分子。BSG蛋白作为一种植物蛋白来源，本可作为理想的天然乳化剂，但其主要成分醇溶蛋白（Prolamin）的高疏水性，限制了其在水包油（O/W）乳液中的应用性能。如何有效改善BSG蛋白的乳化性能，并同时兼顾产品的风味品质，是实现其高值化利用的关键。
美拉德反应（Maillard Reaction, MR）是改善蛋白质功能特性的一种有效手段，它通过蛋白质的氨基与碳水化合物的羰基发生非酶促褐变反应，形成蛋白质-碳水化合物复合物（MRPs）。这些复合物通常具有更优的乳化性能。常规的湿法加热是诱导美拉德反应的常用方法，但反应时间较长。超声辅助技术因其空化效应能显著加速反应进程，并可能对产物的结构和功能产生独特影响。阿拉伯胶（Gum Arabic, GA）是一种高度亲水、低粘度的天然多糖，将其与BSG蛋白通过美拉德反应结合，有望弥补BSG蛋白溶解度低的缺点，协同提升乳化性能。
为此，来自韩国东国大学食品科学与生物技术系的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》期刊上发表了题为“Effects of ultrasound-assisted Maillard reaction on the emulsifying and flavor properties of brewer’s spent grain protein–gum arabic conjugates”的研究论文。该研究系统比较了常规湿法加热与超声辅助加热对BSG蛋白与GA发生美拉德反应的影响，重点探究了反应动力学、结构变化、乳化性能及挥发性风味物质的形成规律，旨在为开发性能优良、风味适宜的植物基乳化剂提供理论依据和技术支持。
为开展本研究，作者团队运用了几个关键技术方法：首先从啤酒厂获取的湿BSG经干燥、粉碎后，采用碱提酸沉法提取BSG蛋白，并通过凯氏定氮法测定其粗蛋白含量为56.7±3.1%。其次，将BSG蛋白与GA按一定比例混合，分别进行常规加热（90°C, 1-7 h）和超声辅助加热（90°C, 振幅80%, 脉冲模式, 15-45 min）以制备美拉德反应产物（MRPs）。随后，利用紫外-可见分光光度法测定糖基化程度（DG）、中间产物（294 nm）和类黑精（420 nm）含量，并利用圆二色谱（CD）分析蛋白质二级结构的变化。乳化性能通过乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）进行评价，并利用动态光散射（DLS）分析乳液滴粒径、多分散指数（PDI）和Zeta电位，通过倒置荧光显微镜观察乳液微观结构。最后，采用顶空-固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术（HS-SPME-GC-MS）对MRPs中的挥发性化合物进行全面分析。
3.1. MRPs的理化性质
3.1.1. 糖基化程度（DG）
研究通过邻苯二甲醛（OPA）法测定DG值，发现无论是常规加热还是超声辅助加热，DG值均随时间延长而增加。值得注意的是，超声处理45分钟的样品其DG值（9.9±0.1）与常规加热3小时的样品（9.8±0.7）相当，表明超声能极大加速美拉德反应的初始阶段。这归因于超声波空化效应使反应物更紧密接触，并可能破坏蛋白质的四级结构，暴露出更多反应位点。
3.1.2. 中间MRPs和类黑精含量
吸光度测定结果显示，在294 nm（中间产物）和420 nm（类黑精）处，所有经过加热处理的样品吸光度均增加。超声辅助样品在短时间内（如45分钟）即表现出高于常规加热早期阶段（如1小时）的吸光度，说明超声促进了早期美拉德反应产物的形成。然而，在形成类似DG值时，常规加热3小时样品的褐变强度（420 nm吸光度）高于超声45分钟样品，提示超声可能抑制了中间产物向类黑精的聚合。
3.1.3. 蛋白质溶解度
所有样品在pH 4（接近BSG蛋白等电点）附近溶解度最低。与单纯的BSG蛋白相比，BSG蛋白+GA物理混合物以及经过美拉德反应处理的样品，在整个pH范围（3-10）内溶解度均有提升。在pH 7的中性条件下，常规加热3小时和超声处理45分钟的样品溶解度显著高于未反应的蛋白或物理混合物。溶解度提高归因于亲水性GA的共价连接增加了分子的亲水性。
3.1.4. MRPs的蛋白质二级结构
圆二色谱分析表明，GA的加入使BSG蛋白的β-折叠含量增加，无规卷曲含量减少。常规加热导致α-螺旋含量先略有增加后下降，β-折叠含量总体增加，表明加热和糖基化促使蛋白质结构展开和重排。与之相反，超声辅助加热显著增加了α-螺旋的含量，同时降低了β-折叠、β-转角和无规卷曲的含量。这种独特的结构变化可能与超声波破坏分子间作用力，促使蛋白质结构重排为更有序的α-螺旋有关。相关性分析显示α-螺旋含量与无规卷曲含量呈负相关，进一步支持了结构转变。
3.2. MRPs的乳化特性
3.2.1. 乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）
BSG蛋白+GA物理混合物已能改善EAI和ESI。经过美拉德反应后，乳化性能得到进一步提升。常规加热3小时的样品获得了最高的EAI和ESI值。超声辅助加热的样品在短时间内（45分钟）即达到与常规加热3小时样品相近的EAI，但ESI的提升幅度相对较小。这表明超声能快速改善乳化活性，但形成乳液的长期稳定性可能仍需更长时间的反应来优化。乳化性能的增强与蛋白质结构的展开（增加柔性）、糖基化带来的空间位阻效应以及静电斥力（Zeta电位）的增加密切相关。
3.2.2. 动态光散射（DLS）分析
DLS结果显示，美拉德反应后形成的乳液其液滴粒径（Z-average）减小，且分布更均匀（PDI降低）。常规加热3小时和超声45分钟样品的乳液粒径最小，与EAI/ESI结果一致。Zeta电位测定表明所有乳液绝对值均高于30 mV，处于静电稳定状态。美拉德反应后，乳液Zeta电位的绝对值有所增加，进一步增强了液滴间的静电排斥，有利于乳液稳定。
3.2.3. 倒置荧光显微镜
荧光显微镜图像直观展示了乳液的微观结构。BSG蛋白形成的乳液液滴较大且不均匀。而经过美拉德反应（无论是常规加热3小时还是超声45分钟）的样品，所形成的乳液液滴更小、分布更均匀，清晰地证实了MRPs卓越的乳化能力。
3.3. MRPs中的挥发性化合物
GC-MS分析揭示了不同处理对风味轮廓的显著影响。BSG蛋白本身含有一些醇、醛、酮、酯类物质。加入GA后，一些原有挥发物的含量降低，可能是GA分子对风味物质的吸附包埋作用。常规加热显著增加了挥发性化合物的数量和种类，特别是醛类（如己醛、苯甲醛）和酮类物质，这些物质常与美拉德反应产生的烘烤、脂肪香气相关，但部分醛类（如（E,E）-2,4-癸二烯醛）过量时会产生不良风味。相比之下，超声辅助加热样品中检测到的挥发性化合物总数远低于常规加热样品，尤其是一些与脂质氧化相关的、具有潜在异味（off-flavor）的醛类、酮类和呋喃类化合物（如2-戊基呋喃）含量极低或未被检出。这表明超声处理在加速美拉德反应的同时，有效抑制了不良风味物质的生成，可能源于超声促进的早期美拉德途径更倾向于生成高分子量色素物质而非小分子挥发物，以及 cavitation 产生的自由基促进了某些异味物质的氧化或分解。
本研究通过系统实验证实，利用美拉德反应，特别是结合超声辅助技术，可以高效地将啤酒工业副产物BSG中的蛋白质与阿拉伯胶结合，制备出具有优异乳化性能和改善风味特征的复合物。超声处理能大幅缩短反应时间，在45分钟内达到常规加热3小时的糖基化效果，并显著提升乳化活性。更值得注意的是，超声辅助反应能有效减少与脂质氧化和美拉德反应高级阶段相关的不良风味物质（如某些醛类、呋喃）的生成，从而改善了产物的风味特性。BSG蛋白-GA美拉德反应产物在乳化性和风味方面的双重优势，使其成为一种极具潜力的清洁标签、植物基乳化剂，可广泛应用于饮料、酱料、保健品递送系统等领域。该研究不仅为BSG的高值化利用提供了新途径，也为高效、温和地改性蛋白质功能特性提供了新思路。未来研究可聚焦于超声参数的优化、反应机制的深入剖析以及在真实食品体系中的应用验证，以推动该技术的产业化应用。
