《Food and Bioprocess Technology》：Physicochemical, Structural, and Techno-functional Characterization of Solanum scabrum Leaf Protein Concentrates Obtained by Alkaline Extraction, Ultrasound-assisted Extraction, and Ultrafiltration
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为应对可持续和健康驱动的植物蛋白日益增长的需求，研究人员评估了三种提取方法——碱提取-等电沉淀法（AE-IP）、超声辅助提取（UAE）和超滤法（UF）——对非洲龙葵（Solanum scabrum）叶蛋白浓缩物（SPC）的产量、结构和技术功能特性的影响。研究发现，UAE 显著提高了蛋白产量（48.71%），而 UF 则获得了最高蛋白纯度（71.43%）和最优的胶体稳定性（ζ-电位在 pH 2 和 pH 10 时分别为 36 mV 和 -39 mV）。在功能上，UF_SPC 和 UAE_SPC 展现出更优越的乳化、起泡及在碱性 pH 下的溶解度。该研究揭示了不同的提取策略能够有效调控叶蛋白的结构与功能，为开发高附加值的可持续植物基蛋白配料奠定了重要的工艺-结构-功能关系基础。
随着全球人口增长和饮食习惯向可持续转型，对优质植物蛋白的需求正急剧上升。然而，依赖传统动物蛋白的生产面临着资源密集和环境压力巨大的挑战。在这一背景下，开发新型的、未被充分利用的植物蛋白来源变得至关重要。非洲龙葵（Solanum scabrum），这种在撒哈拉以南非洲地区茂盛生长的植物，其叶子富含蛋白质（干重可达31.54%），却长期局限于传统家庭用途，其作为植物基蛋白质原料的巨大潜力远未被充分挖掘。面对这一机遇，一个关键的科学问题浮现：如何高效、温和地提取非洲龙葵叶蛋白，同时最大限度地保留或提升其功能特性，使其能够应用于食品工业？现有的常规提取方法，如碱提取-等电沉淀法（Alkaline Extraction-Isoelectric Precipitation， AE-IP），虽简单且收率尚可，却常常导致蛋白质过度展开、聚集，并伴随色素和非蛋白成分的共提取，从而影响产品的纯度、颜色和功能。为了应对这些问题，并探索更优的叶蛋白提取策略，研究人员将目光投向了两种新兴技术：超声辅助提取（Ultrasound-Assisted Extraction， UAE）和超滤（Ultrafiltration， UF）。UAE 利用声空化效应增强传质，提高蛋白溶出；UF 则是一种膜分离技术，能温和地浓缩和纯化大分子蛋白。然而，这三种方法对非洲龙葵叶蛋白的具体影响，及其背后的“工艺-结构-功能”关系尚不明确。为填补这一空白，一项系统性的研究在《Food and Bioprocess Technology》上发表了。
为了探究上述问题，研究团队采用了三种主要的技术方法：(1) 蛋白质提取与浓缩：分别采用传统AE-IP、温和物理场辅助的UAE（40 kHz， 150 W， 20 min），以及基于膜分离的UF（10 kDa 截留分子量， 2.0 bar）来制备蛋白浓缩物（SPC）。实验原料为来自喀麦隆雅温得的非洲龙葵新鲜叶片。(2) 多维表征：利用一系列分析技术对所得蛋白浓缩物进行全面评估。这包括采用杜马斯定氮法测定蛋白质产量与纯度，高效液相色谱（HPLC）分析氨基酸组成，扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，动态光散射（DLS）和ζ-电位测定评估胶体稳定性，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析蛋白质二级结构变化，并使用色差计测量颜色特性。(3) 技术功能特性评估：系统测定了不同pH下的蛋白质溶解度、水/油持留能力、乳化特性（乳化活性指数EAI和乳化稳定性指数ESI）、起泡特性（泡沫容量FC和稳定性FS），以及热诱导和钙离子诱导的蛋白质凝结行为。
研究结果
近端组成与蛋白质产量
SLP 的原始蛋白质含量为 31.54 g/100 g，证实了其作为蛋白源的潜力。三种提取方法显著影响了蛋白质的回收率与纯度。UAE_SPC 获得了最高的蛋白质产量（48.71%），显著高于 AE-IP_SPC（34.02%）和 UF_SPC（26.45%）。然而，UF_SPC 表现出最高的蛋白质纯度（71.43%），同时灰分含量最低，这归功于超滤膜对低分子量杂质（如矿物质）的有效去除。AE-IP_SPC 的纤维和灰分残留相对较高，反映了碱提取过程中非蛋白成分的共沉淀。
氨基酸组成
所有蛋白浓缩物均富含谷氨酸和天冬氨酸。UF_SPC 整体氨基酸含量最高，对甲硫氨酸和半胱氨酸等含硫氨基酸的保留也最好。AE-IP_SPC 中这些氨基酸含量较低，可能源于碱性条件导致的降解。与FAO/WHO参考模式相比，所有 SPC 都满足或超过了大多数必需氨基酸的需求量，尤其是赖氨酸含量丰富，这对于补充以谷物为主的饮食结构具有重要意义。
颜色特征
颜色分析揭示了工艺对产品外观的显著影响。UF_SPC 具有最高的亮度（L* = 71.53）和最低的褐变指数（20.76%），表明其颜色最浅，褐变程度最低。AE-IP_SPC 则颜色最深（L* = 57.89），褐变最严重（42.90%），这与其经历的极端pH条件和可能发生的非酶褐变反应有关。UAE_SPC 表现出介于两者之间的颜色特性。
作为pH函数的蛋白质溶解度
溶解度曲线呈典型的“U”型，在等电点附近（pH 4-5）溶解度最低。在碱性pH范围（8-10）内，UF_SPC 的溶解度最高（pH 10时达 92.41%），显著优于 UAE_SPC 和 AE-IP_SPC。在酸性pH 2时，UF_SPC 的溶解度也最高（78.24%）。这表明温和的UF工艺更好地保持了蛋白质的天然溶解特性。
水合和乳化特性
UF_SPC 表现出最高的水合特性，其水持留能力（WHC）和油持留能力（OHC）均显著优于其他两种样品。在乳化性能上，UF_SPC 和 UAE_SPC 的乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）均显著高于 AE-IP_SPC，表明其能更有效地形成并稳定乳液。
起泡特性
在起泡能力方面，UAE_SPC 和 UF_SPC 再次表现出优势，其泡沫容量（FC）和30分钟后的泡沫稳定性（FS）均显著高于 AE-IP_SPC。超声和超滤处理可能通过改变蛋白质的构象和界面性质，增强了其稳定空气-水界面的能力。
蛋白质凝结特性
UF_SPC 的热诱导凝结百分比（44.2%）和钙诱导凝结百分比（27.2%）均低于 AE-IP_SPC 和 UAE_SPC，表明其形成的凝胶网络结构更紧密，持水性更好，水分释放更少。这与其较高的胶体稳定性（通过ζ-电位证实）和较温和的加工历史有关。
粉末特性
UF_SPC 的休止角最小，卡尔指数（CI）和豪斯纳比（HR）均表明其具有最佳的流动特性，这可能与其较高的蛋白质纯度、较低的灰分和纤维含量，以及由温和加工带来的更均匀颗粒形态有关。
S. scabrum 叶蛋白的结构
Zeta 电位和粒度分析
UF_SPC 在酸性（pH 2时 +36 mV）和碱性（pH 10时 -39 mV）条件下均表现出最高的绝对ζ-电位值，表明其具有最强的静电排斥力和最佳的胶体稳定性。AE-IP_SPC 的ζ-电位绝对值最低，预示其分散体系更不稳定。动态光散射（DLS）结果显示，所有样品的水合粒径均在微米级别，表明存在蛋白质聚集体，而非单一蛋白质分子。
扫描电子显微镜
SEM图像揭示了不同的微观结构：AE-IP_SPC 呈现致密、纤维状结构并带有不规则裂纹；UAE_SPC 显示出光滑、分层的片状结构，具有相互连接的通道和空腔；UF_SPC 则表现为不规则波浪状和浅凹陷结构。这些结构差异直接影响粉末的流动性和水合特性。
傅里叶变换红外光谱
FTIR光谱显示，所有样品在酰胺I带（~1650 cm-1）和酰胺II带（~1540 cm-1）均有特征吸收峰。UF_SPC 在酰胺I带的峰形略有不同，提示其蛋白质二级结构（如α-螺旋和β-折叠）的相对比例可能与经过更剧烈化学处理的 AE-IP_SPC 存在差异，这与其改进的功能特性相关。
研究结论与意义
本项研究系统阐明了不同提取方法（AE-IP、UAE、UF）对非洲龙葵（Solanum scabrum）叶蛋白浓缩物理化结构和技术功能特性的深刻影响。研究发现，温和的物理场辅助提取（UAE）和基于膜分离的纯化技术（UF）在改善蛋白质功能性方面展现出显著优势。尽管 UAE 实现了最高的蛋白质提取率（48.71%），但 UF 工艺获得了蛋白质纯度最高（71.43%）、颜色最浅、胶体稳定性最佳，且在碱性条件下溶解度、乳化性和起泡性均最优的蛋白产品。AE-IP 虽然操作简单，但导致蛋白质严重聚集、颜色褐变和功能特性下降。
这项研究的重要意义在于，它清晰地建立了从“提取工艺”到“蛋白质结构（微观形态、带电状态、构象）”，再到“宏观功能表现（溶解、乳化、起泡、凝胶）”之间的内在联系。具体而言，UF 工艺通过避免剧烈的酸碱处理，更好地保留了蛋白质的天然构象和表面特性（如较高的净电荷），从而赋予了产品卓越的溶解度和界面活性。相比之下，AE-IP 的极端pH条件诱发了蛋白质的不可逆变性和聚集，损害了其功能。这些发现为针对特定食品应用（如需要高溶解度的饮料、需要强乳化/起泡能力的酱料和甜点）选择或优化叶蛋白提取工艺提供了关键的理论依据和实践指导。研究证明，非洲龙葵叶蛋白，尤其是通过 UAE 和 UF 方法制备的，不仅是一种营养丰富的可持续蛋白质来源，更具备成为高性能食品配料的潜力，为开发下一代植物基食品开辟了新的原料路径。
