通过自聚作用制备的低变性大豆蛋白的界面性质和乳化性能

《Food Hydrocolloids》:Interfacial and emulsifying properties of low-denatured soy protein prepared by self-coacervation

【字体: 时间:2026年03月14日 来源:Food Hydrocolloids 12.4

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  本研究通过自凝聚法制备低变性大豆分离蛋白(C-SPI),并与传统碱提酸沉法(A-SPI)进行对比。结果表明,C-SPI在pH7.0和4.0条件下均表现出更优的界面特性及乳化稳定性,归因于其更少的结构变性,为可持续植物蛋白原料开发提供了新途径。

  
张书敏|蔡继阳|林卓佳|杨长|刘志宏|王梦辉|钱文涛|万志立|李洪亮|杨晓泉
华南理工大学食品科学与工程学院食品蛋白质与胶体实验室,国家小麦与玉米深加工工程技术研究中心,中国广州510640

摘要

在传统的广泛湿法提取过程中,蛋白质会发生变性并聚集,这限制了其功能性。尽管通过温和的提取方法有效减少蛋白质变性和保持其天然结构在提高功能性方面显示出潜力,但低变性植物蛋白质的作用机制仍不甚明了。因此,研究低变性植物蛋白质的界面行为对于揭示其结构-功能关系以及实现其在多相食品系统中的目标应用至关重要。在本研究中,我们比较了通过自聚作用(C-SPI)获得的低变性大豆蛋白分离物与通过碱性提取和等电沉淀(A-SPI)在中性(pH 7.0)和酸性(pH 4.0)条件下制备的SPI的界面和乳化性能。结构分析表明,C-SPI保持了较低的变性程度和最小的聚集现象,而A-SPI则表现出明显的变性和聚集结构。这些结构差异导致了蛋白质不同的界面行为:在pH 7.0时,低变性的C-SPI在油水界面允许充分的展开和重排,从而形成致密均匀的界面膜;相比之下,A-SPI的变性和聚集结构限制了其展开和分子间相互作用,导致界面结构松散且不均匀。在酸性条件下(pH 4.0),尽管两种蛋白质都发生了聚集,但由于界面处的更紧密堆积和组织,C-SPI仍能形成更强的类固体界面网络。因此,C-SPI在酸性和中性条件下均表现出优异的乳化性能和乳液稳定性。这项工作揭示了低变性大豆蛋白质的增强界面和乳化性能,证明了自聚作用作为一种高效的温和提取方法在制备可持续、高质量植物蛋白成分方面的巨大潜力。

引言

随着对更可持续食品系统需求的增加,基于植物的食品和蛋白质因其在环境可持续性和健康方面的益处而受到研究和工业界的广泛关注(Aiking, 2011; Aiking & de Boer, 2020; Smil, 2002; Sridharan et al., 2020)。这为探索新的植物蛋白来源提供了新的途径,这些来源有望补充和/或替代动物蛋白,并提高植物蛋白的质量和可持续生产。提取过程已被证明是决定植物蛋白结构和功能特性的关键步骤(Kumar et al., 2021)。在这些过程中,通过引入额外的能量或变性剂(如脱脂、碱性提取和等电沉淀),植物蛋白在植物中的天然状态会发生改变(Schmitt et al., 2021)。蛋白质结构部分或完全展开后,先前被掩盖的基团暴露出来,植物蛋白会在多种天然或变性状态下重新组织,这种组织受多种相互作用(如疏水力和静电作用)的驱动,最终形成可能包含天然蛋白种类与随机聚集种类的混合物(Amagliani & Schmitt, 2017; Yang et al., 2024)。特别是在等电沉淀步骤中,通过将pH调整到接近等电点的酸性条件来实现蛋白质的富集。然而,极端的pH条件会显著改变蛋白质的天然结构,导致蛋白质变性和不可逆的聚集,从而影响其功能以及在基于植物的食品中的应用潜力(Akharume et al., 2021; Kornet et al., 2020; Langton et al., 2020; Yang & Sagis, 2021)。
蛋白质在食品工业中广泛用于形成和稳定多相系统,如泡沫和乳液。它们会在液体界面自发吸附,并通过蛋白质-蛋白质相互作用形成粘弹性界面层,从而承受应力和变形,从而稳定分散系统。因此,蛋白质的界面性能在很大程度上决定了多相系统的结构和机械性能(Hinderink et al., 2020a)。蛋白质吸附降低了界面自由能,从而有助于在均质化过程中形成液滴或气泡,随后的界面结构和分子间相互作用决定了界面膜的机械性能,进而通过机械阻力防止系统合并(Bos & van Vliet, 2001; Dickinson, 1999; McClements, 2004a)。然而,大量研究表明,变性和聚集的结构会不利地影响植物蛋白质的界面活性,导致展开和重排受限、分子间相互作用减弱,最终降低其在多相系统中的功能性(Keerati-u-rai et al., 2011; Keerati-u-rai & Corredig, 2009; McClements, 2004b)。为了解决这个问题,近年来人们对提取低变性植物蛋白质的兴趣日益增加。与变性植物蛋白质不同,低变性植物蛋白质在界面吸附时倾向于改变其结构和构象状态,形成更致密、更硬的界面膜(Geerts et al., 2017; Voudouris et al., 2025),并且显示出提高植物蛋白成分功能性和应用前景的巨大潜力。因此,进一步研究低变性植物蛋白质的界面行为可以加深对其结构-功能关系的理解,并实现其目标应用。
已经开发出多种温和的提取方法来生产低变性植物蛋白质,这些方法要么省略了等电沉淀步骤,要么应用了其他温和的提取技术,如干法分级、盐提取和超滤以及反胶束提取(Lin et al., 2026; Pelgrom et al., 2013; Schutyser et al., 2015; Zhang et al., 2025)。其中,自聚作用提取已被证明是一种有前景的温和策略,它通过在不需特殊设备或大量能量的情况下诱导液-液相分离过程来富集蛋白质(Tombs et al., 1974)。形成的致密类液体状态也被称为胶束,这是蛋白质的另一种基本状态,与天然折叠状态并列(Fuxreiter & Vendruscolo, 2021)。通过避免极端的pH变化,该方法保留了天然蛋白质结构,同时去除了非蛋白质成分(如多酚、脂质、多糖),确保了高质量蛋白质成分的制备(Doshi et al., 2025; Lui et al., 2007)。最近,蛋白质自聚作用的动态过程和机制得到了深入研究,尤其是在大豆蛋白中,因为它们在食品工业中具有丰富的资源、成本效益、功能性和高营养价值以及健康益处。轻微调整pH、温度或离子强度可以筛选酸性多肽区域之间的静电排斥,并促进暴露的疏水性基本多肽之间的疏水相互作用,共同诱导大豆蛋白的自聚(Chen et al., 2017; Chen et al., 2020; Kinsella, 1979; Lui et al., 2007)。因此,通过自聚作用制备低变性大豆蛋白在过程可控性、操作简便性、环境友好性和可持续性方面具有潜在优势。我们最近通过空气分级法在豌豆粉和豌豆蛋白浓缩粉分散液中制备了纯度高于90%的豌豆蛋白分离物,所得蛋白质在结构和功能性能(尤其是在酸性条件下)优于传统的广泛湿法提取方法(即碱性溶解和酸沉淀)(Lin et al., 2026)。这表明,作为一种温和的提取方法,自聚作用可以高效地制备具有满意功能性的低变性大豆蛋白。
在这项工作中,我们首先采用自聚作用(C-SPI)方法制备了大豆蛋白分离物(SPI),然后研究了所得低变性SPI的界面性能,并与通过传统碱性提取和等电沉淀制备的SPI(A-SPI)进行了比较。通过等温化学变性(ICD)、差示扫描荧光法(DSF)、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)、内在荧光和粒径分布分析了C-SPI和A-SPI的变性和结构。通过吸附动力学、Langmuir-Blodgett(LB)膜结合原子力显微镜(AFM)、界面粒子追踪以及膨胀流变学结合Lissajous图谱研究了C-SPI和A-SPI的界面性能。此外,还通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)、液滴粒径分布、Zeta电位和加速离心稳定性测试评估了蛋白质的乳化性能。这些发现揭示了通过自聚作用获得的低变性大豆蛋白质在界面和乳化性能上的改进,这些蛋白质可以用作开发多相食品乳液的可持续、高质量植物蛋白成分。

材料

脱脂大豆粉由山东旭新生物科技有限公司(中国)提供。玉米油来自日照凯瑞有限公司(中国),并使用Florisil(60-100目,Sigma Aldrich,美国)进行纯化以去除表面活性杂质。Nile blue和Nile red购自Macklin有限公司(中国)。盖玻片(厚度0.17毫米)和聚苯乙烯荧光示踪剂(直径=1微米,浓度=1 × 10^10颗粒/毫升)来自Thermo Fisher Scientific(美国)。Milli-Q

蛋白质结构表征

我们采用自聚作用方法提取低变性SPI(C-SPI),该方法通过在温和条件下诱导液-液相分离过程来富集蛋白质。轻微调整pH和离子强度可以筛选酸性多肽区域之间的静电排斥,并促进暴露的疏水性基本多肽之间的疏水相互作用,共同诱导大豆蛋白的自聚(Chen et al., 2017; Cai et al., 2025; Cai et al., 2025)。

结论

在这项研究中,我们比较了通过自聚作用(C-SPI)制备的新型低变性SPI与通过传统碱性提取和等电沉淀制备的SPI(A-SPI)在中性(pH 7.0)和酸性(pH 4.0)条件下的界面和乳化性能。在pH 7.0时,A-SPI表现出更高的变性程度和更大的聚集蛋白比例。暴露的疏水残基使得A-SPI能够快速初始吸附,但

CRediT作者贡献声明

蔡继阳:方法学、数据分析、数据管理。 林卓佳:方法学、数据分析。 张书敏:写作-初稿、可视化、方法学、研究、数据分析、数据管理。 杨晓泉:资源获取、概念化。 万志立:写作-审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、数据分析、概念化。 李洪亮:写作-审稿与编辑、资源获取、项目管理

未引用的参考文献

Cai et al., 2025; McClements, 2004.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金(32572748)、广东省自然科学基金杰出青年项目(2024B1515020081)、河南理工大学国家小麦与玉米深加工工程技术研究中心开放项目(NL2024012)以及中国内蒙古自治区自然科学基金(2025QN03065)的财政支持。
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