《Journal of Dairy Science》：Ultrasound-assisted Maillard reaction prepared whey protein isolate–arabinogalactan conjugates: Structural and functional properties
编辑推荐：
为了克服乳清分离蛋白(WPI)在乳化性等功能特性方面的局限性，研究人员探索了超声辅助美拉德反应将WPI与阿拉伯半乳聚糖(AG)共价结合的改性策略。研究证实该技术能有效提高接枝度，形成结构更致密多孔的复合物，并显著增强了WPI的热稳定性、溶解性、乳化性、起泡性和抗氧化活性，为开发高性能天然食品配料提供了新思路。
在食品工业中，乳清分离蛋白(Whey Protein Isolate, WPI)因其高营养价值和多样的功能特性而备受青睐。它常被用作乳化剂、增稠剂和发泡剂，是运动营养、饮料和乳制品中的重要成分。然而，WPI这位“明星”也有自己的烦恼：它的功能表现对环境变化相当敏感，pH值、离子强度和温度稍有波动，就可能导致其乳化、起泡能力下降，甚至发生聚集沉淀，限制了其在复杂食品体系中的广泛应用。为了给WPI“升级”，科学家们尝试了各种改性方法，其中美拉德反应(Maillard Reaction)是一种备受关注的“绿色”策略。它能让蛋白质的氨基与糖类的羰基“牵手”，形成共价复合物，从而改善蛋白质的性能。传统的美拉德反应方法，比如湿法加热，虽然比干法加热快，但依然耗时较长，且加热过程可能导致蛋白质过度变性或聚集，反而损害其功能。因此，如何更高效、更可控地促进蛋白质与多糖的“联姻”，成为了一个研究热点。
就在这时，一项“黑科技”——超声处理进入了研究者的视野。超声波能在液体中产生空化效应，瞬间形成局部高温、高压和高剪切力环境。这种强大的力量可以“撕开”蛋白质紧密的结构，暴露出更多隐藏在内部的反应位点（如游离氨基），从而为后续的美拉德反应铺平道路。同时，作为一种物理方法，超声处理被认为环境友好，颇具应用潜力。那么，将超声技术与湿法加热美拉德反应结合，用于改性WPI，会碰撞出怎样的火花呢？这正是福建农林大学食品科学学院的研究团队在《Journal of Dairy Science》上发表的最新研究所探讨的核心问题。
为了系统地回答这个问题，研究人员开展了一项综合性的研究。他们选取WPI和一种来自植物的水溶性多糖——阿拉伯半乳聚糖(Arabinogalactan, AG)作为反应底物，AG已被中国国家卫健委批准作为新食品原料，具有优良的生物相容性。研究系统比较了五组样品：天然WPI、WPI与AG的物理混合物、常规湿法加热制备的复合物、仅超声处理的混合物，以及超声辅助湿法加热制备的复合物。研究团队运用了多项关键技术来表征复合物的结构并评估其功能。首先，通过优化反应条件（超声功率、物料比例、加热时间与温度），确定了制备超声辅助湿法加热WPI-AG复合物的最佳工艺。其次，采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、荧光光谱和扫描电子显微镜(SEM)等技术深入解析了复合物的化学结构和微观形貌。再者，通过测定接枝度、粒径、Zeta电位、表面疏水性、接触角等指标，评估了结构变化。最后，全面评价了产物的功能性质，包括溶解度、热稳定性（差示扫描量热法，DSC）、乳化活性与稳定性、起泡能力与稳定性以及抗氧化活性（DPPH和ABTS自由基清除能力）。此外，研究还进一步将以最佳条件制备的复合物作为乳化剂，制备了水包油(O/W)型乳液，并通过观察分层指数、测定乳液粒径与电位、利用激光共聚焦显微镜(CLSM)观察微观结构，全面评估了其在真实乳液体系中的稳定效果。
接枝度与褐变指数
研究首先优化了反应条件，发现超声功率300W、WPI与AG质量比2:1、90℃加热1.5小时为最佳工艺。在此条件下，超声辅助制备的复合物接枝度比常规湿法加热提高了1.19倍，表明超声能有效促进共价结合。褐变指数分析显示，复合物在294nm处的吸光度显著增加，表明美拉德反应早期产物积累为主，而晚期色素生成受到抑制。
粒径、PDI与ζ-电位
超声辅助制备的复合物具有最小的平均粒径和最窄的粒径分布，表明超声能有效打碎聚集体，形成更小、更均一的颗粒。同时，该复合物表现出最高的绝对值ζ-电位，表面电荷密度增大，这有利于提高分散体系的稳定性，减少颗粒间的聚集倾向。
表面疏水性与润湿性
天然WPI的表面疏水性最高。物理混合AG后，疏水性显著降低，这可能是由于AG分子通过非共价作用覆盖了蛋白质表面的疏水区域。而经过超声辅助美拉德反应制备的复合物，其表面疏水性有所回升并维持在适度水平，表明超声促进了蛋白质展开，暴露出更多疏水区域，而随后的糖基化则调节了这些疏水位点的分布，从而在界面吸附能力和溶解稳定性之间取得了平衡。接触角测定结果进一步支持了这一观点，复合物具有适中的接触角，表明其在油水界面具有更优的亲水-亲油平衡，有利于稳定水包油乳液。
荧光光谱与FTIR
荧光光谱显示，与AG结合后，WPI的最大荧光发射波长发生红移，且荧光强度降低，表明AG与蛋白质内部的色氨酸等荧光氨基酸发生了相互作用，且这些氨基酸所处的微环境极性增加。FTIR光谱证实了共价键的形成，复合物的酰胺I带和酰胺II带发生了位移，并且在950-1150 cm-1区域的吸收增强，说明超声处理增强了糖基化产物的形成并诱导了蛋白质结构修饰。
SEM
扫描电镜图像直观地展示了形貌差异。超声辅助制备的复合物呈现出比常规加热样品更致密、更多孔的网络状或蜂窝状结构。这种独特的结构归因于超声打乱了蛋白质结构、减小了其尺寸，并促进了WPI与AG之间的交联。
溶解度与热稳定性
在整个测试pH范围内（3.0-8.0），超声辅助制备的复合物溶解度均显著高于天然WPI和常规加热制备的复合物，尤其在等电点附近改善明显。这归因于多糖链的引入增加了空间位阻和静电斥力。差示扫描量热分析表明，复合物的变性温度显著提高，且焓变降低。超声辅助制备的复合物具有最高的变性温度（72.9℃）和最低的焓变，表明其热稳定性最好，且蛋白质结构的有序度降低，结构更为松散灵活。
乳化特性与起泡特性
在功能评价中，超声辅助制备的复合物展现出卓越的乳化性能，其乳化活性指数和乳化稳定性指数均显著优于其他组。这得益于其适度的表面疏水性、更小的粒径、更高的表面电荷以及多糖链提供的空间稳定作用。同样，其起泡能力和泡沫稳定性也得到显著提升，因为蛋白质结构展开和柔韧性增加，使其能更快地迁移并吸附在气-水界面，形成更致密稳定的界面膜。
抗氧化能力
复合物表现出显著的抗氧化活性。超声辅助制备的复合物对DPPH和ABTS自由基的清除率最高，分别达到65.72%和64.11%。这主要归因于美拉德反应过程中产生的褐色产物（如类黑精）以及超声处理暴露出的更多自由基结合位点。
乳液表征
当将超声辅助制备的复合物作为乳化剂制备水包油乳液时，研究发现乳化剂浓度是关键。浓度为2.0%时，乳液在14天储存期内表现出最佳的稳定性，分层指数最低，乳液粒径最小，且绝对值ζ-电位最高（-35mV）。激光共聚焦显微镜图像显示，此时油滴分布均匀，表面覆盖着连续且致密的蛋白质层，有效抑制了液滴的聚集和 coalescence。
综上所述，这项研究系统地证实了超声辅助美拉德反应是一种高效、绿色的蛋白质改性策略。它通过空化和剪切作用，显著促进了乳清分离蛋白与阿拉伯半乳聚糖的共价结合，成功制备出结构新颖、功能优异的复合物。该复合物不仅具备更小的粒径、更高的表面电荷和独特的多孔结构，更在溶解性、热稳定性、乳化性、起泡性和抗氧化性等核心功能指标上实现了全面升级。尤为重要的是，该复合物作为乳化剂在实际乳液体系中表现出了卓越的长期储存稳定性。这项研究不仅为克服乳清蛋白的功能局限性提供了创新性的解决方案，深化了对超声物理场协同化学反应调控蛋白质结构与功能关系的理解，也为开发高性能、清洁标签的天然食品添加剂奠定了坚实的理论与技术基础，具有重要的科学意义和应用前景。
