不同碱化剂诱导的Hofmeister阳离子系列对低钠大豆蛋白组分的生产、结构及功能特性的影响

《Food Hydrocolloids》：Effects of Hofmeister cation series induced by different alkalizers on the production, structural and functional characteristics of low-sodium soy protein fractions

通过Hofmeister离子系列替代NaOH进行大豆蛋白 isolate（SPI）中性化处理，成功研发出钠含量降低90%的低钠大豆蛋白组分（SPFs）。研究揭示了不同阳离子对SPF微观结构、溶胀性和热稳定性的调控机制：单电荷 chaotropes（K?/Na?）增强溶胀性及静电排斥，而双电荷 kosmotropes（Ca2?/Mg2?）诱导蛋白质聚集形成多孔结构并提升持水能力。离子电荷密度显著影响最终产品特性，为功能性植物蛋白开发提供新策略。

　　

余鹏|王睿|李莫|文欣|倪圆颖|西里南·拉斯里昌

北京农林科学院农业食品加工与营养研究所，中国北京市张华路50号，100097

摘要

传统的大豆蛋白分离物（SPI）生产依赖于氢氧化钠（NaOH）的使用，导致最终产品中的钠含量过高。本研究探讨了一种通过在蛋白质中和步骤中用其他碱剂替代NaOH来生产低钠大豆蛋白组分（SPFs）的策略，并阐明了霍夫迈斯特阳离子系列如何控制它们的结构和功能特性。系统评估了这些阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）及其组合对蛋白质组成、结构和功能的影响。中和过程中引入的阳离子主导了最终的离子分布，使得钠含量降低了90%以上。离液性单价阳离子（K⁺、Na⁺）产生的SPFs具有高溶解度、细小的颗粒尺寸和强烈的静电排斥作用，这与它们作为电荷屏蔽剂的作用一致。相比之下，亲液性二价阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺）引起了显著的结构变化，促进了离子桥接和疏水相互作用，导致蛋白质聚集、形成多孔微观结构，并显著降低了溶解度。然而，这些聚集的SPFs表现出相对较高的持水能力（WHC）和增强的热稳定性。Mg²⁺的更明显效应突显了该系列中电荷密度的作用。复合配方能够在这些极端之间调整SPFs的性能，展示了成分设计的潜力。这项工作确立了通过霍夫迈斯特阳离子系列进行碱剂替代的实用单步策略，不仅有助于降低钠含量，还能合理调整大豆蛋白的技术功能特性。这些发现为开发既符合健康要求又满足技术条件的植物基成分提供了机制基础。

引言

全球向植物基饮食的转变是由个人健康和环境可持续性等多方面因素共同推动的（McClements & Grossmann, 2021; Rockstr?m et al., 2025）。植物基饮食已被证明可以降低心血管疾病（CVD）、2型糖尿病和某些癌症的风险（Craig, 2010; Kumar et al., 2017）。利用这一趋势，食品工业越来越多地使用植物蛋白，其中大豆蛋白分离物（SPI）因其良好的功能特性、营养价值和经济可行性而成为主要成分（Wang et al., 2022）。然而，当前产品开发中的一个关键问题是许多商业植物基食品的钠含量过高。例如，天然大豆的钠含量本身很低（约2 mg/100 g），而传统的SPI钠含量可能高达近1000 mg/100 g（Peng, Dewi et al., 2020）。因此，许多植物基食品的钠含量高于动物基食品（Sridhar et al., 2022），鉴于过量摄入钠与高血压、中风和心脏病之间的明确关联，这引发了公共卫生问题（Du et al., 2020; Mitchell, 2019）。

SPI中钠含量的显著增加是工业分级过程的直接结果。传统的SPI生产方法包括碱性提取和等电沉淀，其中NaOH被大量用于两个目的：在碱性pH下溶解蛋白质，并在等电沉淀后将沉淀的蛋白质中和至pH 7.0（Campbell et al., 2011）。我们之前的研究发现，溶解步骤对钠的引入贡献很小，而中和步骤则通过残留的NaOH和与蛋白质羧基团的离子交换引入了大量钠（Peng et al., 2023; Peng, Dewi et al., 2020）。已经研究了几种降低钠含量的策略来生产低钠含量的蛋白质成分。例如，生产后的处理如透析可以有效减少钠含量，但会导致额外的蛋白质损失（Jia et al., 2021）。替代提取方法，如膜分离或盐提取-透析，可以避免使用NaOH，但通常需要较大的资本投入并增加加工复杂性（Dap?evi?-Hadna?ev et al., 2018; Liu et al., 2020）。一种更直接且经济可行的策略是在关键的中和步骤中用其他碱剂替代NaOH，这种方法已成功生产出钠含量低至10 mg/100 g的大豆蛋白组分（SPFs）（Peng et al., 2022）。然而，这种替代引入了一个新的变量，在大豆蛋白分级的背景下这个变量仍不甚明了，可能会深刻影响最终成分的功能特性，给制造商带来不确定性。

理解这些阳离子特异性效应的科学基础在于霍夫迈斯特系列，该系列根据离子改变蛋白质稳定性和溶解性的能力对离子进行排序（Hofmeister, 1888）。根据离子与水分子和蛋白质表面的相互作用，离子被分类为亲液性或离液性离子（Baldwin, 1996）。亲液性离子（如Ca²⁺、Mg²⁺）通常稳定水结构，促进蛋白质脱水并引起聚集（盐析）。相反，离液性离子（如K⁺、Na⁺）破坏水结构，通过降低界面张力增强蛋白质水合作用并提高蛋白质溶解度（盐溶）（Balla et al., 1998; Butow et al., 2002）。这些效应可能是间接的，通过改变溶剂环境实现；也可能是直接的，通过与蛋白质表面带电基团的特异性结合实现（Shimizu et al., 2006; Stutte et al., 2018）。这些效应主要取决于离子类型和蛋白质的性质（Liu et al., 2022; Ma et al., 2025）。最近的研究表明，霍夫迈斯特系列在调节植物蛋白的结构和功能特性方面具有实用性。早期关于明胶水凝胶的研究发现，亲液性离子通过促进分子间交联和水结构形成来增强机械强度和延展性，而离液性离子则导致网络不稳定，从而使明胶变软或溶解（Zhang et al., 2019）。在面筋系统中，使用霍夫迈斯特系列中的盐评估了阳离子对网络形成和面团流变性的影响，结果表明，在生理相关浓度下，单价阳离子（K⁺、NH₄⁺）对面筋的粘弹性影响最小，表明它们作为钠替代品在技术上是可行的，而不会影响面团的功能（Tuhumury et al., 2016）。虽然霍夫迈斯特系列已被用于修改不同蛋白质的性质，但目前文献中还缺乏关于在蛋白质中和步骤中引入的不同阳离子如何控制大豆蛋白的生产、结构和功能的系统研究。

因此，本研究旨在填补这一关键知识空白。我们采用了一种简化的湿法分级过程，在中和步骤中用具有不同霍夫迈斯特阳离子（K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）及其组合的碱剂替代NaOH。主要目标是全面表征所得到的低钠SPFs，评估其在宏观、微观和分子水平上的组成、结构特性和关键功能属性。通过阐明霍夫迈斯特阳离子系列决定的结构-功能关系，这项研究为合理设计低钠大豆蛋白成分提供了科学基础，从而能够在不牺牲技术性能的情况下开发更健康的植物基食品。

材料

干大豆（2024年在中国黑龙江省收获）由肯丰种业有限公司提供。所有使用的化学品均为分析级。石油醚、HCl、NaOH、KOH、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂、NaCl、尿素和β-巯基乙醇均从中国上海的中成药试剂有限公司采购。牛血清白蛋白（BSA）用作蛋白质定量标准。整个研究过程中使用Milli-Q水制备所有水溶液和蛋白质分散液。

全脂大豆粉（FFSF）的制备

蛋白质含量和阳离子组成

在本研究中，通过简化的分级过程获得SPFs，并用不同的碱剂进行中和（表1）。所有SPFs的蛋白质含量在79.12%到82.50%之间（干基），样品之间没有显著差异（图2A）。SPFs的干物质产量在25.9%到28.3%之间，蛋白质回收率在54.1%到58.7%之间。使用不同碱剂生产的SPFs之间的这些产量没有显著差异。

SPFs的生产和组成

在本研究中，通过简化的分级过程获得SPFs，并用不同的碱剂进行中和（表1）。简化的分级过程产生的SPFs蛋白质含量相当（图2A），但略低于先前研究中报道的商业SPI（Zhang et al., 2024）。蛋白质纯度的降低是由于省略了传统SPI生产中通常用于去除可溶性碳水化合物的强烈洗涤步骤。

结论

本研究成功证明了在中和步骤中用其他碱剂替代NaOH是一种有效的策略，可以生产出具有定制功能特性的低钠大豆蛋白组分（SPFs），这些特性受霍夫迈斯特阳离子系列特定效应的调控。最终SPF的离子组成主要由用于中和的碱剂的阳离子决定，证实了这一工艺步骤是钠含量高的主要来源。

CRediT作者贡献声明

余鹏：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。 王睿：撰写——原始草稿、验证、方法论、正式分析。 李莫：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。 西里南·拉斯里昌：撰写——审阅与编辑。 文欣：撰写——审阅与编辑、验证、调查。 倪圆颖：监督、概念化。

未引用的参考文献

Peng et al., 2020.

利益冲突声明

无。

致谢

本研究得到了合作创新中心（KJCX20251103、KJCX20240402）、2025年国际科学技术合作平台开发项目（GHPT2025-05）以及北京农林科学院的青年基金项目（QNJJ202412）的支持。