超声热效应驱动斑豆原位蛋白非共价无序聚集的机制与功能调控研究

《Food Hydrocolloids》：Thermal effects of sonication promote non-covalent amorphous aggregation of in-situ Pinto bean protein

本研究针对传统豆类湿热处理能耗高、蛋白易变性等问题，系统比较了等温浸泡（25°C）、控温超声辅助浸泡（TC）、非控温超声辅助浸泡（TuC）及高温热浸泡（HT）四种处理方式对斑豆原位蛋白结构及凝胶功能性的影响。结果表明，TuC和HT处理通过热效应诱导蛋白形成非共价大分子聚集体，虽提升溶解度但削弱凝胶强度；TC处理虽保留蛋白天然结构，却因细胞壁组分共提取而显著抑制蛋白交联。研究揭示了超声处理中热管理的临界作用，为绿色低碳的植物蛋白提取工艺优化提供理论依据。

　　

豆类作为优质植物蛋白来源，其加工过程中的蛋白功能性保持一直是食品工业的挑战。传统湿热法虽能软化种子并降低抗营养因子，但能耗高、碳足迹大；而超声辅助浸泡（UAH）被视为绿色替代方案，但其对豆类原位蛋白结构的影响尚不明确，尤其是超声物理效应与热效应的复杂互作机制亟待解析。为此，澳大利亚莫纳什大学研究团队以斑豆为模型，通过多尺度表征手段揭示了不同浸泡策略对蛋白聚集行为及功能特性的调控规律。

研究采用四种浸泡处理：25°C等温浸泡（N）、控温UAH（TC，≤20°C）、非控温UAH（TuC）及高温热浸泡（HT）。通过碱性提取与等电点沉淀法制备蛋白 isolates，并综合运用尺寸排阻色谱（SEC）、SDS-PAGE、差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、流变学与质构分析等技术进行系统评估。

关键实验方法概述

研究通过SEC和SDS-PAGE解析蛋白分子量分布与聚集类型；利用DSC和FTIR表征热稳定性与二级结构；采用应变控制流变仪分析凝胶粘弹性（温度扫描与频率扫描），并结合Herschel-Bulkley模型拟合流动行为；通过单轴压缩松弛实验量化凝胶质构特性。所有数据均经三重重复与统计学检验（ANOVA）。

研究结果

3.1 蛋白含量与溶解度

N处理蛋白纯度最高（84.2%），HT最低（77.06%），TC与TuC居中（约80%）。溶解度则呈现相反趋势：TuC样品最高（91.07%），N最低（77.52%），表明热与超声协同作用可增强蛋白分散性。

3.2 分子尺寸分布

SEC显示TuC与HT样品中小肽（<5 kDa）显著减少，取而代之的是400–800 kDa大分子聚集体（图1）。SDS-PAGE在还原与非还原条件下条带无差异，证实聚集体由非共价作用主导。

3.3 热性质与二级结构

DSC显示所有样品变性温度集中于88.2–88.6°C，焓值无显著差异，说明蛋白天然结构稳定性未受根本破坏。FTIR进一步揭示TuC与HT样品中α-螺旋含量降低（12.20–13.91%），无规则结构增加（13.18–19.25%），提示热扰动诱导部分展开（表2）。

3.5 流变学特性

温度扫描中，所有样品在62–73°C出现G′与G″交叉点，标志凝胶化起始。频率扫描数据符合弹簧壶（spring-pot）模型，N凝胶的准弹性模量G最高（3.98 kPa·s^α），TC最低（1.48 kPa·s^α）。流变拟合表明TC凝胶网络强度显著弱化，可能因共提取多糖抑制蛋白交联（图6）。Herschel-Bulkley模型进一步证实N凝胶屈服应力（τ_y）最高（272.6 Pa），TC最低（74.6 Pa）。

3.6 质构特性

应力松弛实验显示N凝胶初始硬度（F₀=0.56 N）最大，TC最小（0.26 N），TuC与HT居中（约0.52 N），但所有样品松弛率均达60–69%，体现典型弱凝胶的粘弹平衡特征。

结论与意义

本研究明确区分了超声处理中物理效应与热效应的功能贡献：TC虽最大限度保留蛋白分子结构，却因基质组分干扰导致凝胶性能劣化；TuC与HT则通过热驱动蛋白无序聚集，形成“填充型”聚集体，虽提升溶解度但牺牲网络弹性。成果发表于《Food Hydrocolloids》，为超声技术在植物蛋白绿色提取中的精准控温提供了关键理论支撑，同时警示工业化应用中需警惕非控温条件对蛋白功能性的潜在负面影响。