《Food Structure》：Understanding the Impact of
High-Voltage cold plasma on physicochemical, rheological and structural properties of soybean protein
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本研究针对大豆分离蛋白(SPI)功能特性受限问题，采用介质阻挡放电(DBD)冷等离子体技术，在20-26 kV高压下进行3-6分钟短时处理，系统解析了等离子体诱导的蛋白结构展开、疏基含量提升、溶解度增加等关键变化，证实了该技术对植物蛋白改性的高效性和绿色优势，为食品工业开发高品质蛋白原料提供了新策略。
随着全球人口增长和饮食结构变化，动物蛋白需求持续攀升，但传统畜牧业带来的温室气体排放、土地资源压力及生态破坏等问题日益凸显。与此同时，植物蛋白因其可持续性和营养优势逐渐受到重视，其中大豆分离蛋白（Soy Protein Isolate, SPI）以高达90%的纯蛋白含量、优良加工性能和成本优势成为食品工业的重要原料。然而，天然SPI的紧密四级结构限制了其溶解性、乳化性和凝胶性等关键功能特性，制约了其在高端食品配方中的应用。
为突破这一瓶颈，伊朗马什哈德菲尔多西大学的研究团队在《Food Structure》发表论文，创新性地采用高压短时介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）冷等离子体技术对SPI进行改性处理，系统阐明了该技术对蛋白多尺度结构的调控机制及其对功能特性的增强效应。
本研究主要采用以下关键技术方法：通过DBD等离子体装置在20 kV和26 kV电压下对SPI粉末进行3分钟和6分钟短时处理；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和圆二色谱（CD）分析蛋白二级结构变化；通过zeta电位仪和粒度分析仪测定颗粒特性；采用荧光光谱和SDS-PAGE评估构象改变和亚基分布；通过流变仪测定剪切依赖性粘度变化；结合扫描电镜（SEM）观察微观形貌演化。
3.1. 化学组成
SPI制备过程中蛋白含量从大豆全粉的40.33%显著提升至90.75%，证实等电点沉淀法有效去除非蛋白组分，为后续等离子体改性提供了高纯度基质。
3.2. 颜色
等离子体处理导致样品L值升高，b值从6.35增至27.23（26 kV-6 min），总色差ΔE达16.01，表明酪氨酸等芳香族氨基酸氧化是颜色黄化的主因，且电压与时间参数协同强化该效应。
3.3. pH
处理前后pH值仅微降0.15单位（7.36→7.21），证明干法处理避免了液相中常见的酸性物质积累，功能性质改善与pH变化无直接关联。
3.4. FTIR
酰胺I带（1641 cm-1）和II带（1519 cm-1）吸收峰强度随处理强度增加而升高，26 kV-6 min样品尤为显著，提示蛋白骨架振动增强和氢键重构，C-H伸缩振动峰从2928 cm-1移至2924 cm-1，证实表面疏水区暴露。
3.5. 氨基酸组成
酪氨酸含量从29.46 mg/g降至8.40 mg/g（26 kV-6 min），甲硫氨酸亦显著减少，而其余氨基酸无显著变化，表明活性氧物种（ROS）优先攻击芳香族和含硫侧链。
3.6. Zeta电位、粒径和多分散指数
26 kV-6 min处理使ζ电位绝对值升至-43.63 mV，粒径从94.30 nm增至126.66 nm，且多分散指数（PDI）最低（0.42），说明高压长时间处理促进蛋白聚集但提升胶体稳定性。
3.7. 疏基基团
游离疏基（-SH）含量在26 kV处理下显著增加，归因于二硫键的等离子体裂解和羟基自由基介导的氧化断裂，为蛋白展开提供结构基础。
3.8. 表面疏水性
ANS荧光探针显示表面疏水性（H0）最大值出现在26 kV-3 min样品，证实短时高压处理可暴露内部疏水基团，而过长处理（6 min）可能导致重新折叠。
3.9. 内源荧光
20 kV处理引起荧光红移和强度升高，提示色氨酸微环境极性增加；26 kV-6 min则出现蓝移和淬灭，表明芳香残基氧化和分子间交联。
3.10. SDS-PAGE
55-66 kDa对应β-伴大豆球蛋白和glycinin亚基条带强度随处理强度减弱，低分子量条带和弥散区出现，证实肽键断裂和可控水解。
3.11. 溶解度
26 kV-6 min样品溶解度提升至27.67%，较对照组增加5.24%，与疏基含量和表面极性基团增加相关。
3.12. 持水能力
持水能力（WHC）在26 kV-6 min处理下提升25%，归因于蛋白网络结构松弛和孔隙率增加。
3.13. 蛋白二级结构
α-螺旋含量从8.86%降至7.47%，β-折叠从39.27%增至41.58%，提示结构从有序向柔性转变，利于功能特性表达。
3.14. SEM
26 kV-6 min样品表面呈现显著蚀刻形貌，孔隙率和粗糙度加剧，直观验证等离子体对表界面的物理化学修饰。
3.15. 物理稳定性
Turbiscan稳定性指数（TSI）显示26 kV-3 min样品稳定性最佳（TSI=0.78），与均一粒径分布和静电排斥增强相符。
3.16. 稳态剪切流变行为
Cross模型拟合表明26 kV-6 min样品零剪切粘度（η0）从0.906 Pa·s升至1.420 Pa·s，流动行为指数（m）从0.950降至0.803，证实改性SPI兼具稳定性与加工适应性。
本研究通过多尺度表征证实，DBD冷等离子体可通过调控二硫键重组、疏水基团暴露和二级结构转换显著提升SPI功能特性。26 kV-6 min处理组合在溶解度、持水能力和流变特性方面表现最优，且短时高压策略避免了过度氧化导致的蛋白损伤。该技术为植物蛋白绿色改性提供了新路径，有望推动食品工业向可持续、低能耗方向转型。后续研究可聚焦于等离子体参数与特定功能（如乳化性、凝胶强度）的构效关系解析，以及在实际食品体系中的验证应用。
