《Food Control》：Ultrasound-driven structural and functional modifications of grape seed protein revealed by power- and duration-dependent experiments
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超声波处理对葡萄籽蛋白结构及功能特性的影响研究。通过调节功率（100-500 W）和时间（5-25 min），发现400 W处理10分钟最佳，显著提升溶解性（+41.05%）、凝胶强度（+54.97%）和抗氧化活性，同时降低颗粒尺寸（-24.58%）和氧化损伤（羰基含量仅增20%）。SDS-PAGE证实一级结构完整，圆二色光谱显示二级结构（α-螺旋-21.03%，β-折叠-24.86%）和三级结构发生显著改变。研究证实适当超声处理能优化GSP结构特性，为食品工业应用提供新途径。
刘英阳|唐大瑞|王诗玲|李伟伟|徐俊伟|林连兵|姜宇航|张启琳
昆明理工大学生命科学与技术学院，中国云南省昆明市，650500
摘要
本研究旨在探讨不同功率和时间的超声波处理对葡萄籽蛋白（GSP）的溶液行为、多级结构及功能特性的影响。结果显示，400瓦功率下处理10分钟时，GSP的功能特性得到了显著提升。然而，过度处理反而会降低这些有益效果。SDS-PAGE分析证实处理后蛋白质的一级结构保持完整。圆二色光谱显示，有序/稳定的蛋白质二级结构（α-螺旋和β-折叠结构）含量在最佳超声波条件下分别减少了24.86%和21.03%，这一结果也得到了傅里叶变换红外光谱的验证。内在荧光光谱表明GSP的三级结构发生了显著变化。超声波处理还提高了GSP中的游离巯基含量和表面疏水性（分别增加了41.05%和45.27%），从而减少了蛋白质聚集。同时，超声波处理减小了颗粒大小并增加了ζ电位（分别变化了54.97%和24.58%），促进了蛋白质的展开和疏水基团的暴露。这些结构变化提升了GSP的溶解度、凝胶强度、乳化性和起泡性以及抗氧化活性。值得注意的是，超声波处理并未对蛋白质造成明显的氧化损伤，其羰基含量仅增加了约20%。总体而言，这些结果表明，适当控制的超声波处理能够显著优化GSP的结构，从而提升其功能性能，并扩大其在食品工业中的应用潜力。
引言
过量摄入动物蛋白与心血管疾病和癌症的风险增加有关（Kelly等人，2023；Michail和Andreou，2025）。相比之下，植物蛋白具有低胆固醇和相对平衡的氨基酸组成等优点（Michail等人，2025）。其中，葡萄籽蛋白（GSP）因其独特的营养成分（包含人体所需的所有八种必需氨基酸，尤其是谷氨酸、精氨酸和天冬氨酸含量较高）以及出色的生物功能性（迄今为止发现的最有效的自由基清除剂）而受到广泛关注（Igartuburu等人，1991；Feng等人，2023）。GSP是一种天然生物活性物质，具有多种健康益处，包括促进胃肠蠕动、预防神经系统疾病和延缓大脑衰老（Choi等人，2022；Mahdipour等人，2023）。
葡萄籽是葡萄酒和果汁工业的副产品，富含所有必需氨基酸，使其成为高质量的植物蛋白来源（Chaji等人，2024）。然而，由于其溶解度低、易聚集及功能特性有限（如凝胶化能力不足），GSP在食品中的应用受到限制（Georgiev等人，2014；Chang等人，2026）。为了改善植物蛋白的功能特性，人们探索了多种改性方法，包括物理、化学和生物手段（Wen等人，2018；Zhang等人，2025）。化学改性方法（如氧化修饰、糖基化、磷酸化和琥珀酰化）可能存在残留试剂的安全风险（Zhang等人，2025）。生物方法（如酶解、聚合和交联）可能导致营养成分损失、质地变差和不良风味（Bai等人，2025；Chang等人，2026）。相比之下，物理技术（如超声波、微波处理和高压）在食品工业中越来越受欢迎，因为它们环保、操作简便且不含化学添加剂和残留物（Gharibzahedi和Smith，2020；Zhang等人，2025）。
作为一种非热物理处理方法，超声波在改变化学结构方面表现出显著效果（Manzoor等人，2025；Zhang等人，2025）。其作用机制主要归因于声波在液体介质中传播时产生的空化效应，这些效应会产生局部高压、强烈的剪切力和自由基（Gharibzahedi等人，2020）。这些作用可以破坏蛋白质内部和之间的非共价键，引发构象变化并分解聚集体，从而改善溶解度、乳化性和起泡性等功能特性（Manzoor等人，2025；Zhang等人，2025）。先前的研究表明，超声波处理显著提升了多种植物蛋白的功能性能，尤其是红辣椒籽蛋白和 hemp 种子蛋白（Manzoor等人，2025；Yu等人，2023）。然而，超声波处理的效果取决于功率、时间和频率等参数。功率不足可能导致改性效果不佳，而功率过高或处理时间过长则可能导致蛋白质变性及功能下降（Wen等人，2018；Yu等人，2023）。目前，关于超声波处理对GSP结构改性和功能特性的影响仍缺乏系统研究。
本研究旨在系统探讨超声波处理对GSP的溶液行为、多维结构及功能特性的影响，特别是这些变化与功率和时间的关系，并评估超声波处理引起的蛋白质氧化损伤程度。本研究提供了一种简单有效的方法来改善GSP的物理化学和功能特性，从而扩大其在食品工业中的应用潜力。
部分内容摘要
GSP的超声波处理
GSP（Vitis vinifera）的提取过程详见补充信息。除非另有说明，本研究中使用的所有试剂盒和分析级试剂均购自Solarbio Science & Technology Co., Ltd.（北京，中国）。将GSP粉末溶解在去离子水中，配制成10 mg/mL的溶液。处理条件包括不同功率（100、200、300、400或500瓦，处理时间10分钟）和不同处理时间（400瓦，处理时间5、10、15、20或25分钟）。
超声波处理对GSP溶液行为的影响
改善溶液性能对于提升GSP的功能性和扩展其应用范围至关重要。本研究探讨了超声波处理对GSP关键溶液相关参数的影响，包括溶解度、浊度、颗粒大小、PDI（粒子直径分布）、ζ电位和聚集形态。
结论
研究表明，400瓦功率下处理10分钟的超声波处理显著提升了GSP的功能特性，且未引起氧化损伤。该处理主要通过促进蛋白质展开和分散来改善其溶液行为。超声波处理显著改变了蛋白质的高阶结构，同时保持了其一级结构，从而提升了功能性能。
作者贡献声明
张启琳：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源提供。刘英阳：初稿撰写、软件使用、方法设计、实验设计、数据管理。唐大瑞：撰写——审稿与编辑、方法设计、实验设计、数据管理。王诗玲：撰写——审稿与编辑、实验设计、数据管理。李伟伟：资源提供、方法设计。徐俊伟：资源提供。林连兵：撰写——审稿与编辑。姜宇航：方法设计、数据管理。
未引用的参考文献
Srinivasan和AuthorAnonymous，2017；Zhao等人，2022。致谢
本研究得到了云南国际联合研发中心（Urban Biodiversity，项目编号：202403AP140026）和云南省基础研究项目（项目编号：202101BE070001-046）的支持，以及云南省教育厅科技创新团队的支持：高等真菌细胞工厂的创建与应用相关的项目。
