通过超声辅助的蛋白质谷氨酰胺酶（PG）脱酰胺作用改善大米蛋白的功能特性：对结构-溶解度关系的探讨

《Food Hydrocolloids》：Improved functional properties of rice proteins via ultrasound assisted protein glutaminase (PG) deamidation : Insights into the structure-solubility relationship

超声波辅助谷氨酰胺酶降解显著提升大米蛋白溶解性（从1.53%增至65%以上）及功能性质，破坏二硫键并改变二级结构（β-折叠减少，α-螺旋增加），增强表面静电排斥和分子伸展，促进 hydration，同时改善发泡和乳化性能。

　　

黄海蓉|刘欢|谢明勇

中国-加拿大食品科学与技术联合实验室（南昌）食品科学与资源国家重点实验室，江西省生物活性多糖重点实验室，南昌大学，南昌，330047，中国

摘要

大米蛋白（RP）的溶解度较低，严重限制了其工业应用，因此对该可持续资源进行功能化改性具有重要意义。本研究采用超声辅助蛋白谷氨酰胺酶（PG）脱酰胺法对RP进行改性，并通过系统评估其结构和功能特性的变化，进一步探讨了构象与溶解度之间的关系。结果表明，超声辅助脱酰胺显著增强了ζ-电位绝对值，提高了静电排斥力，同时伴随着二级和三级结构的变化，表现为β-折叠含量的减少以及α-螺旋含量和荧光强度的增加。此外，共改性过程有效破坏了RP分子内的二硫键，导致粒径显著减小，但热稳定性下降。RP柔性的提高有助于其水合作用，溶解度从1.53%提高至超过65%；同时，经过超声辅助脱酰胺处理的RP在起泡、乳化及体外消化性能上也得到了显著改善。本研究为植物蛋白的改性提供了理论基础和技术支持，旨在扩展其在食品工业中的应用。

引言

大米蛋白（RP）作为一种天然、可持续且营养价值高的植物蛋白来源，受到了越来越多的关注。与其他谷物蛋白相比，RP具有更全面的氨基酸组成，包含必需氨基酸和含硫氨基酸，这与其符合世界卫生组织（WHO）和联合国粮食及农业组织（FAO）推荐的理想氨基酸模式（FAO, 2013; WHO/FAO/UNU联合专家咨询，2007; Roy, Pawar, Singh, Loushigam, & Wagh, 2025）。此外，由于其优异的生物活性、高消化率和低致敏性，RP特别适合用于特殊营养用途，尤其是婴幼儿食品。随着对可持续食品系统、成本效益和膳食蛋白来源多样化的重视，RP已成为传统动物蛋白的可行替代品。然而，RP的广泛应用受到其溶解度低和水系中分散性差的限制，这主要是由于其分子结构以谷蛋白为主（占比高达80%），这种结构由谷氨酰胺和天冬酰胺残基间的广泛氢键、半胱氨酸残基间的密集二硫键以及非极性氨基酸间的强疏水相互作用所稳定（Chen et al., 2022; Zhao, Xiong, Chen, Zhu, & Wang, 2020）。这些结构特征不仅影响溶解度，还妨碍了RP在食品系统中的界面吸附和膜形成，从而限制了其起泡和乳化性能（Chen, Ding, Zhao, & Ma, 2023; Romero et al., 2012）。因此，探索有效策略以优化RP的功能特性对于实现其高效利用至关重要。

多项研究表明，脱酰胺作用（即将天冬酰胺或谷氨酰胺侧链上的酰胺基团转化为羧基）可以增加蛋白质表面的负电荷（Meenmanee, Rattananukrom, Thaiphanit, & Suppavorasatit, 2022; Zhang, et al., 2024）。这一过程增强了蛋白质分子间的静电排斥力，使原本紧密的结构变得松弛，从而赋予蛋白质理想的性质，被认为是非常有前景的蛋白质改性方法。目前主要有三种脱酰胺方法：化学法、热处理法和酶法。化学处理通常在酸性或碱性条件下进行，操作简单且适合规模化生产。Meenmanee等人（2022）使用盐酸诱导脱酰胺处理椰子蛋白，显著提高了其溶解度、起泡能力和乳化活性。然而，由于氨基酸发生外消旋及其他副作用（如产生赖氨酸-丙氨酸等有害物质），该方法在食品工业中并不受欢迎。热处理诱导脱酰胺避免了化学试剂的使用，被认为是改善蛋白质功能的环保方法，但效率一般较低，且存在蛋白质降解和营养损失的风险。例如，Metwalli等人（1998）发现热处理后的酪蛋白虽然功能有所改善，但结构受到显著破坏，表明蛋白质对热条件非常敏感。相比之下，酶法脱酰胺因其底物特异性、温和的反应条件和高安全性而受到青睐（Yang, et al., 2025）。蛋白谷氨酰胺酶（PG）作为一种被批准用于食品添加剂的新型酶，能特异性地作用于谷氨酰胺残基，有效避免蛋白质水解反应，从而保持蛋白质功能的完整性（Zhang, et al., 2021）。鉴于这些独特效果，PG酶法脱酰胺已被广泛用于多种植物蛋白的改性，显著改善了其功能特性（Jiang, et al., 2025）。Luo等人（2024）研究了不同程度PG酶解处理后的豌豆蛋白，发现所有改性豌豆蛋白的溶解度显著提高，蛋白质结构也发生了展开和延伸，疏水区域也发生了变化。Kunarayakul等人（2018）发现PG介导的椰子蛋白脱酰胺显著提高了其溶解度和起泡能力，且未显著影响乳化稳定性。尽管上述方法已被证明有效，但PG在RP改性中的应用仍需进一步研究。鉴于RP本身溶解度低且结构紧密，PG介导的脱酰胺在功能增强方面具有巨大潜力，值得进一步系统研究。

本研究的目标是：首先利用圆二色性和荧光光谱等多维表征技术全面评估超声辅助PG酶法脱酰胺对RP结构特性的影响；其次评估改性RP的关键功能特性（如溶解度和乳化性能）的变化；最后明确结构变化与蛋白质功能改善之间的内在机制。结果表明，超声辅助PG酶法脱酰胺通过增强静电排斥力和蛋白质结构的展开，显著提高了RP的功能特性，使其溶解度大幅提高，乳化和起泡能力也得到改善。

材料

大米蛋白（纯度≥80%）由江西恒鼎食品有限公司（中国江西省丰城）提供。蛋白谷氨酰胺酶（300 U/g）由江南大学未来食品科学中心慷慨提供。8-氨基-1-萘磺酸（ANS）购自上海Aladdin生物科技有限公司。Coomassie Brilliant Blue Fast染色液购自上海Beyotime生物科技有限公司。所有其他试剂和化学品均

大米蛋白的分子解聚特性

图1显示了超声与PG酶解联合处理过程中RP的解聚程度（DD）变化。仅用PG酶解处理的RP解聚程度约为17.52 ± 0.47%，而先经过超声处理后再进行酶解（US+ED）并未显著增加DD，表明短时间的超声处理不足以破坏RP的紧密结构，从而暴露出更多的酰胺键供PG催化。然而，进一步的超声处理显著提高了DD

结论

本研究显示，通过超声辅助PG酶法脱酰胺处理后，RP的功能特性得到显著改善。联合处理增强了RP分子间的表面静电排斥力，并破坏了分子内的二硫键，使RP的空间结构得以伸展，促进了水合作用，溶解度提高了超过65%。此外，共改性还

CRediT作者贡献声明

谢明勇：项目监督、项目管理、资金获取。刘欢：写作-审稿与编辑、项目监督、概念设计。黄海蓉：原始稿撰写、验证、方法学设计、数据分析、概念设计

未引用参考文献

Chen et al., 2022; Day et al., 2022; WHO/FAO/UNU联合专家咨询，2007; Liu et al., 2011; Whitmore and Wallace, 2002; Ma et al., 2026; Metwalli and van Boekel, 1998; Sá et al., 2020; Wang et al., 2024; Wang et al., 2024; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2024.

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了江西省重点研发项目——产业链科技创新联盟协作研究项目（20224BBF62002）、江西省重点研发项目（20244AFH82002, 20252ABF010002）的财政支持。