《Food Hydrocolloids》：Tailoring the rheological properties of pea and whey protein hybrid emulgels using high-pressure homogenization treatment on pea protein suspensions
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高压均质对豌豆、乳清及混合乳胶凝胶非线性流变学行为的影响研究。通过处理豌豆蛋白悬浮液并混合未处理的乳清蛋白，发现HPH显著降低豌豆蛋白颗粒尺寸并提高溶解度，而混合体系颗粒尺寸增大但溶解度稳定。流变学测试表明混合凝胶在100MPa下储能模量提升至14kPa，具有更强的凝胶强度和结构稳定性，且呈现更渐进的固态-液态转变特性。
弗朗西斯卡·达根（Francesca Duggan）|佩特里·拉西拉（Petri Lassila）|法比奥·瓦洛皮（Fabio Valoppi）|詹姆斯·A·奥马霍尼（James A. O’Mahony）|弗朗西斯卡·博特（Francesca Bot）
帕尔马大学食品与药品系，科学园区27/A号，43124帕尔马，意大利
摘要
本研究探讨了高压均质化（HPH）对豌豆、乳清及豌豆-乳清混合乳化液非线性流变行为的影响。豌豆蛋白悬浮液（含5.5%蛋白质）在与未经处理的乳清蛋白混合形成混合悬浮液之前，先经过HPH处理（压力为6-600 MPa）。未经处理的乳清蛋白悬浮液具有最小的颗粒尺寸（0.5 μm）和较高的溶解度（94%）。在豌豆蛋白悬浮液中，HPH处理逐渐减小了颗粒尺寸并提高了溶解度，在100 MPa时分别为7.9 μm和94.4%；而在混合乳化液中，HPH处理促进了较大颗粒的形成，导致颗粒尺寸增大（100 MPa时为80.1 μm），溶解度保持稳定（57.6 ± 1.6%）。流变测量结果显示，乳清蛋白形成的乳化液强度最高，而在15 MPa时豌豆蛋白乳化液的储能模量（G′）最高。相比之下，混合乳化液在100 MPa时的凝胶强度更高，G′（1 Hz）从未经处理的样品的5.5 kPa增加到了14 kPa。Lissajous-Bowditch图表明，与未经处理的样品相比，混合乳化液在应变幅度增加时从固态向液态的转变更为平缓。利用切比雪夫分解方法对非线性响应进行量化分析，证实了所有乳化液都表现出应变硬化和剪切稀化现象。值得注意的是，混合乳化液在100 MPa时的硬化和增稠指数增长更快，表明其凝胶强度更强。本研究表明，HPH处理能够制备出具有更好流变性能的混合乳化液，为这类技术在混合蛋白质系统中的理解、开发和应用提供了新的理论基础。
引言
蛋白质是食品的重要组成部分，不仅因其营养价值而受到重视，还因其功能性特性而在食品工业中占据关键地位（Lv等人，2017年）。其中，乳制品中的蛋白质成分（尤其是乳清蛋白）以其优异的工艺性能、良好的感官特性和营养价值而广为人知，因此常用于多种食品配方中，如饮料、酸奶和奶酪（de Wit，1998年；Dickinson，2011年；Drake等人，2008年；Guneser等人，2019年；McClements，2004年；Patel & Kilara，1990年；Fox等人，2015年）。另一方面，来自豆类的植物蛋白成分（如大豆、豌豆和扁豆）作为动物蛋白的可持续替代品正受到越来越多的关注，这主要归因于它们较低的温室气体排放和较低的环境影响（Boye等人，2010年；Carleton等人，2010年）。其中，豌豆因其非过敏性和多功能性而备受关注，使其适用于功能性及创新食品的制备（Arntfield和Maksus，2011年；Cui等人，2020年；Ge等人，2020年；Taylor等人，2021年）。然而，由于植物蛋白成分的独特风味，其在食品中的应用仍面临挑战。此外，某些必需氨基酸的缺乏限制了它们完全替代乳制品蛋白的可能性。为了解决这些问题，将植物蛋白与乳制品蛋白混合使用是一种有前景的解决方案，既能提供传统乳制品的替代品，又能保持产品的感官和质量特性（Genet等人，2023年；Hinderink等人，2021年；Lee等人，2024年；Nascimento等人，2023年；Nicolai，2019年）。这种方法有助于发展更可持续的食品系统，并满足消费者对高营养价值、富含蛋白质的食品的需求，其中乳制品替代品起着关键作用（Alves & Tavares，2019年；Genet等人，2023年；Guyomarc’h等人，2021年；Canon等人，2022年；Ushkalova等人，2025年）。在这类系统中，凝胶化是一种关键的工艺性能，它决定了最终产品的结构、质地和稳定性（Nicolai，2019年；Schmitt等人，2019年）。
由植物蛋白和乳制品蛋白形成的混合凝胶已被广泛研究，主要集中在它们的物理性质上，尤其是结构和流变行为（Comfort & Howell，2002年；Ben-Harb等人，2018年；Chihi等人，2018年；Mession等人，2017a, 2017b年；Silva等人，2018年，2019年；Xia等人，2022年，2024年）。特别是，许多研究关注了这类凝胶在商业产品（如酸奶和可涂抹奶酪）以及含有不同组合的乳清、酪蛋白和植物蛋白（如大豆、豌豆和羽扇豆）的模型系统中的物理化学性质（Alkobeisi等人，2022年；Yousseef等人，2016年；Jeewanthi等人，2015年；Rinaldoni等人，2014年；Grasberger等人，2021年）。这些研究一致表明，蛋白质和脂肪的浓度显著影响凝胶的流变行为和最终结构。结果表明，与仅使用植物蛋白制成的凝胶相比，混合凝胶的凝胶性能有所改善。这种改善在蛋白质浓度中等到高的热固性凝胶中尤为明显（例如12–18%），其中乳清蛋白的存在可以形成更弹性的凝胶网络（Oliveira等人，2022年；Ivanov & Munilao，2023年）。这种改善通常归因于相分离或协同作用，即一种蛋白质类型形成连续基质，而另一种蛋白质则作为结构的填充物（Comfort & Howell，2002年；Nicolai，2019年）。然而，当系统中加入脂肪（如乳化液和填充乳化液的凝胶）时，凝胶行为变得更加复杂。实际上，脂肪滴可能会干扰网络的形成，或者根据脂肪滴与蛋白质的相互作用充当活性填充物，从而限制乳清蛋白中二硫键的形成，导致凝胶硬度降低，尤其是在蛋白质浓度较低的情况下（Grasberger等人，2024年）。
混合蛋白质系统具有巨大的结构潜力；然而，通过采用有针对性的加工策略可以进一步提升这种潜力，从而进一步提高蛋白质的工艺性能，使食品产品具有定制的特性。高压均质化（HPH）就是这样一种有前景的技术，它是一种常用且成本效益高的机械处理方法，通过高压将流体强制通过狭窄间隙，产生强烈的剪切力、空化现象和湍流，从而破坏较大的颗粒聚集体（Bouaouina等人，2006年；Primozic等人，2018年）。HPH已广泛应用于单个蛋白质系统，尤其是植物蛋白质，以改善其溶解性、乳化性、发泡性和凝胶化性能（Bi等人，2020年；D’Alessio等人，2024年；Dumay等人，2013年；Keerati-u-Rai和Corredig，2009年；Lo等人，2024年；Malterre等人，2025年；Ong等人，2022年；Renggli和Doyle，2025年；Saricaoglu，2020年；Sun等人，2022年；Wang等人，2025年；Yang等人，2018年）。在这些研究中，HPH在物理上破坏不溶性颗粒聚集体方面表现出潜力，并改善了水合作用和分散性能，从而增强了食品系统的功能。尽管HPH在单一蛋白质基质中显示出明显的好处，但其应用于混合植物-乳制品系统中的潜力尚未得到充分探索，尤其是在凝胶和乳化液等复杂基质中。
实际上，将这种成熟的技术应用于混合蛋白质系统至关重要，因为它提供了调节植物蛋白和乳制品蛋白相互作用的机会，而这些相互作用尚未被完全研究。理解HPH对混合蛋白质行为的影响是基础，因为它们的复杂相互作用无法从单个蛋白质组分的相互作用中预测出来。这种方法可以展示HPH作为克服与单一蛋白质来源相关限制的工具的潜力，从而设计出具有定制功能特性的混合系统。基于这些考虑，本研究旨在探讨HPH处理对豌豆、乳清及豌豆-乳清混合乳化液的微观结构和流变行为的影响。豌豆蛋白悬浮液在与乳清蛋白混合之前先经过HPH处理，并评估了该处理对颗粒尺寸分布、凝胶宏观和微观结构以及在线性（SAOS）和非线性粘弹性（LAOS）区域流变特性的影响。这项研究将提供关于HPH如何影响混合蛋白质系统结构和工艺性能的基本理解，有助于开发更可持续和功能性的食品。
材料
豌豆蛋白分离物（PPI）和乳清蛋白分离物（WPI）由国际公司提供，其蛋白质含量分别为71.7%和88.5%。椰子油和马铃薯淀粉（Etenia 457）分别由Bunge（美国密苏里州圣路易斯）和Avebe（荷兰芬丹）提供。除非另有说明，本研究中使用的所有试剂均为分析级，由Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）提供。
蛋白质悬浮液的制备
PPI和WPI蛋白粉末分别分散在蒸馏水中
蛋白质悬浮液的颗粒尺寸分布和微观结构
未经处理的豌豆蛋白悬浮液（P0）呈现单峰分布，体积加权平均直径（D[4,3]）为59.6 ± 6.5 μm，第50百分位数（Dx(50)）为49.9 ± 4.9 μm（图2a，表1），表明存在较大尺寸的聚集体，对应于粉末颗粒。Alonso-Miravalles等人（2021年）、Chihi等人（2016年）和Duggan等人（2024年）对扁豆、豌豆球蛋白和鹰嘴豆蛋白悬浮液的研究也观察到了类似的结果。
结论
本研究探讨了高压均质化（HPH）处理对豌豆、乳清及豌豆-乳清混合乳化液流变行为的影响。在豌豆蛋白悬浮液中，HPH处理逐渐减小了颗粒尺寸并提高了溶解度；而当HPH处理后的豌豆蛋白被加入到混合悬浮液中时，虽然溶解度没有显著变化，但促进了较大颗粒的形成。这些观察结果也反映在乳化液的流变特性中
作者贡献声明
弗朗西斯卡·博特（Francesca Bot）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，项目管理，资金获取，概念构思。弗朗西斯卡·达根（Francesca Duggan）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据分析，概念构思。佩特里·拉西拉（Petri Lassila）：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。法比奥·瓦洛皮（Fabio Valoppi）：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。詹姆斯·安东尼·奥马霍尼（James Anthony O’Mahony）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，概念构思
未引用的参考文献
Alonso-Miravalles等人，2022年；Arntfield和Maskus，2011年；Balny和Masson，1993年；Dickinson，2001年；Duvarci等人，2017年；Ge等人，2022年；Grácia-Juliá等人，2008年；Huang等人，2022年；国际乳品联合会，2023年；Ivanov和Munialo，2023年；Lam等人，2017年；Lima Nascimento等人，2023年；Liu和Kuo，2016年；Luo等人，2022年；McClements和Grossman，2022年；Ong等人，2022a；Sá等人，2022年；Schultz等人，2004年；Shand等人，2007a；Shand等人，2007b；Wang等人，2025a；Wang等人，资助
本工作得到了欧盟“Upcycling pea waste side streams for developing future food ingredients -UPea”项目的资助；PRIN Bando 2022；Prot. 20222P5C3E。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Lisa Flammini在共聚焦激光扫描显微图方面的技术支持。
