《Food Research International》：Insights into the effects of ultrasound on the structural, aggregation behavior, and functional properties of almond isolate protein: An integrated experimental and molecular dynamics simulation studies
编辑推荐：
超声处理对杏仁蛋白 isolate（API）的结构与功能影响及其分子机制研究。通过不同功率和时长的超声处理，结合结构分析和分子动力学模拟，发现超声空化效应改变API的β-折叠和β-转角含量，破坏聚集态，提升溶解性、发泡性等，同时分子模拟证实结构 destabilization。分隔符：
蒋宇航|黄皮淼|李扬友|赵宇婷|郑月|周宇星|辛卫刚|索华毅
中国重庆西南大学食品科学学院，邮编400715
摘要
为了探讨超声处理对杏仁蛋白分离物（API）的影响，研究了不同功率水平和处理时间对其蛋白质构象、聚集行为和功能特性的影响。结果表明，超声诱导的空化作用有效地改变了API的空间结构和聚集状态，从而调节了其功能特性。结构分析证实API的一级结构未发生改变。然而，二级和三级结构中的β-折叠片和β-转角结构含量最初增加后减少，表明发生了蛋白质的展开-重折叠过程。这些结构变化与表面疏水性、乳化性能以及持水能力和持油能力的改变密切相关。视觉观察显示，随着超声功率和处理时间的增加，API聚集体逐渐解体，这与平均粒径、浊度、起泡性能和溶解度的变化呈线性相关。值得注意的是，分子动力学模拟表明，在更强或更长时间的超声处理下，蛋白质残基层面出现波动，聚集动力学也发生变化，证实了蛋白质结构的不稳定。总体而言，本研究表明超声是修改API的有效方法，计算模拟为优化处理条件和阐明修改机制提供了宝贵见解。
引言
蛋白质是维持人类生命、调节新陈代谢和构成生理功能基础的重要营养素（Shi等人，2023；Zhu等人，2017）。人类主要从动物和植物来源获取膳食蛋白质，这些来源对健康和可持续性有不同的影响（Aghababaei、McClements和Hadidi，2024）。近几十年来，生活水平的提高导致了广泛的饮食不平衡，直接加剧了慢性疾病的增加（Kong等人，2025）。过量摄入动物蛋白质与心血管疾病风险增加密切相关，这对公共卫生构成了威胁，因此需要开发更健康、更可持续的替代品（Aghababaei等人，2024；Yao、Huang、Seah和Kim，2025）。值得注意的是，植物蛋白符合现代饮食目标，具有成本效益，胆固醇和脂肪含量低，并能满足必需氨基酸的需求（Kong等人，2025）。除了营养价值外，植物蛋白在可持续性时代也因其高能源效率和低环境足迹而受到重视（Kong等人，2025）。因此，探索未充分利用的植物资源、优化蛋白质提取技术以及提升植物蛋白的技术功能特性，对于满足全球蛋白质需求、作为多功能食品成分以及促进更健康的饮食模式至关重要。
杏仁是一种广泛消费的营养密集型坚果，其营养价值优于许多其他植物来源（Wang等人，2019）。杏仁富含脂质（约50%）、蛋白质（12.92–45.3%）和碳水化合物（约20%），其中蛋白质部分具有很高的营养价值（Barreca，2020）。与某些缺乏必需氨基酸的植物蛋白不同，杏仁蛋白分离物（API）含有免疫功能、代谢稳态和组织修复所需的所有九种必需氨基酸（Zhu等人，2024）。此外，API在杏仁基质中天然共存多酚和生育酚，赋予其抗氧化和抗炎活性，进一步增强了其营养价值（Barreca，2020）。然而，杏仁蛋白在食品工业中的广泛应用受到其内在和功能限制的制约。天然API在中性pH值下的溶解性较差，乳化稳定性、起泡性能和凝胶化行为也不理想，这限制了其在复杂加工中的应用（Sari等人，2024）。因此，合理修饰API以增强其功能特性同时保持其营养价值对于充分挖掘其在食品中的应用潜力至关重要。
为了提高植物蛋白的功能特性，已经研究了一系列修饰策略，包括物理技术（如超声、微波处理和高压）、化学方法（如酸碱水解、糖基化、琥珀酰化和氧化修饰）以及生物方法（如酶促水解、聚合和交联）（He、Yang、Suo和Song，2025；Karabulut、Goksen和Mousavi Khaneghah，2024；Kong等人，2025；Tan、Hua、Yin、Jia和Liu，2024）。其中，超声处理作为一种特别有吸引力的非热物理技术脱颖而出，因为它高效、经济且易于操作。因此，它已在食品工业的蛋白质加工中得到广泛应用（Aghababaei等人，2024）。当超声波穿过液体时，会引发声空化，产生强烈的局部压力和剪切力，以及自由基生成和瞬态热效应（Zhang等人，2025）。这些综合现象可以破坏蛋白质结构并促进构象重排，从而改善其功能（Chen等人，2024）。此外，与可能留下残留试剂并引发安全问题的化学处理或导致蛋白质过度降解和降低营养价值的生物修饰相比，超声提供了一种无溶剂的“绿色”替代方案，这与食品工业日益倡导的清洁标签原则高度契合（Kong等人，2025）。与传统热处理不同，超声主要通过空化诱导结构变化，同时保持相对较低的整体温度（Aghababaei等人，2024）。
尽管超声处理被广泛使用且效果显著，但传统超声修饰方法仍存在重要局限性。大多数研究仅依赖于体外实验，而这些实验在空化过程中不可避免地会经历温度和频率波动。此外，在极端条件下过度的空化容易导致蛋白质变性（Aghababaei等人，2024；Zhang等人，2025）。以往的研究通常仅阐明了处理与响应之间的关系，未能揭示超声诱导蛋白质变化的内在分子机制。现有研究主要集中在常见植物蛋白（如大豆和豌豆）上（Aghababaei等人，2024），而对API的针对性研究仍较为有限。将体外实验与分子动力学模拟（MDS）相结合是一种克服这些局限性的有效策略。MDS可用于构建原子级蛋白质模型并模拟超声环境（Zhang等人，2025）。例如，Gao等人（2024）使用MDS研究了Ormosia蛋白在超声作用下的结构变化，通过施加方波形来再现通常由正弦波表示的压力波动。此类模拟可以精确控制实验难以调节的参数，预测蛋白质构象重排，并帮助解析重要事件，如氢键断裂和活性位点的暴露（Yang、Zhou、Chen和Song，2025）。因此，将MDS与体外测定相结合，探索超声对API的修饰机制对于从机制上理解超声如何改变API的结构和功能至关重要。
本研究旨在探讨超声处理对API的结构、物理化学和功能特性的影响。此外，还利用MDS表征了在不同方波频率和压力条件下API的构象变化。这些发现全面揭示了超声如何影响API的特性，为API的定向修饰及其在食品工业中的有效应用提供了宝贵见解。
材料与试剂
杏仁（Prunus amygdalus）购自安徽吉康生物技术有限公司（中国安徽）。Ellman试剂购自上海Macklin生化公司（中国上海）。荧光染料8-氨基萘-1-磺酸（ANS）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。Bradford蛋白质测定试剂盒购自碧云天生物技术有限公司（中国上海）。用于蛋白质分析的试剂包括十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶
SDS-PAGE分析
图1A和a显示了天然（对照）和超声处理后的API的SDS-PAGE图谱。天然API的亚基条带的分子量范围为17至75 kDa。通常，15–25 kDa范围内的植物来源蛋白质条带被归类为白蛋白亚基，25至40 kDa范围内的条带为谷蛋白酸性亚基，40–75 kDa范围内的条带为球蛋白亚基（Liu等人，2025）。本研究的凝胶电泳分析表明，API主要为
结论
本研究表明，超声处理显著影响了API的物理化学特性，随着超声功率和时间的增加，空化效应增强。这些改变提高了API的ζ电位、溶解度、起泡能力和起泡稳定性，同时减小了聚集粒径和浊度。此外，超声还引起了二级和三级蛋白质结构的显著变化。
CRediT作者贡献声明
蒋宇航：方法学、研究设计、数据分析、数据整理、概念构思。黄皮淼：初稿撰写。李扬友：资源获取。赵宇婷：初稿撰写。郑月：初稿撰写。辛卫刚：概念构思。索华毅：初稿撰写、验证、监督、概念构思。
未引用参考文献
Teng等人，2023
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了重庆市“市级人才计划‘ lump Sum Contract System’项目（4322400335）、重庆市研究生研究创新项目（5250101165）以及中国科协博士研究生青年精英科学家资助计划的支持。感谢MogoEdit在稿件准备过程中提供的英语编辑服务。
