提高螺旋藻（Spirulina platensis）蛋白分离物的溶解性和起泡性能：探究琥珀酰化修饰对蛋白质结构构象及理化性质的影响

《Food Hydrocolloids》：Improving solubility and foaming properties of Spirulina platensis protein isolate: Insights into the effect of succinylation modification on structural conformation and physicochemical properties

本研究系统探究了琥珀酰化对微藻蛋白 isolate（SPP）的结构与功能特性影响。通过傅里叶红外光谱、圆二色光谱等分析表明，琥珀酰化使SPP中刚性的α螺旋结构转变为富含β折叠的柔性构象，粒径减小43.86%（SPP-20%），等电点从3.30降至2.09，显著提升pH>3.0的溶解性（从27.16%增至53.73%）。发泡能力与稳定性分别提升1.29倍和1.26倍，表面疏水性降低1.64倍，持水能力增强。这些改进源于琥珀基团通过静电排斥破坏分子间作用力，促进结构重排和功能特性优化。研究结果为微藻蛋白在酸性食品（如饮料）及功能性食品（植物基酸奶、肉制品替代）中的应用提供了理论支撑。

　　

作者：辛红、范柳萍、李金伟、罗爱国、王亮、王晓兰、黄胜全

江南大学食品科学与技术学院，中国无锡 214122

摘要

螺旋藻蛋白分离物（SPP）作为一种具有高营养价值的有前景且可持续的蛋白质来源逐渐受到关注。然而，其在酸性条件下的低溶解度和有限的功能性限制了其在食品中的应用。本研究系统地探讨了琥珀酰化对SPP结构和功能特性的影响。通过傅里叶变换红外光谱、圆二色光谱、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳和扫描电子显微镜等综合分析方法发现，琥珀酰化导致蛋白质构象发生显著变化，使原本刚性的α-螺旋结构转变为富含β-折叠的结构。这种改性使得SPP-20%（琥珀酸酐与SPP的比例为20%）的颗粒大小减少了43.86%，等电点从3.30降至2.09，从而显著提高了其在pH值大于3.0时的溶解度。值得注意的是，在pH 3.0时，SPP的溶解度从27.16%提高到了53.73%，克服了其在酸性饮料中应用的关键限制。与天然SPP相比，SPP-20%的起泡能力和泡沫稳定性分别提高了1.29倍和1.26倍，这归因于分子柔韧性的增加和界面活性的提升。这些改进是由于引入的琥珀酰基团产生的静电排斥作用破坏了分子内相互作用并促进了蛋白质的展开。SPP-20%的表面疏水性降低了1.64倍，而持水能力显著增强。这些发现表明，琥珀酰化有效地克服了SPP的主要局限性，使其成为食品应用中的可行替代品。本研究为优化基于微藻的蛋白质的改性策略提供了重要见解，有助于其在食品工业中的可持续利用。

引言

全球对可持续且营养价值高的蛋白质来源的需求日益增长，推动了替代蛋白质基质的研究，其中从微藻中提取的蛋白质尤为受到关注。螺旋藻蛋白分离物（SPP）因其出色的营养成分而备受重视。它含有高比例的蛋白质，并且氨基酸组成均衡，包含所有必需氨基酸（Zhang, Zou等人，2023）。通常情况下，螺旋藻的干重中蛋白质含量为60–70%，其主要成分是藻胆蛋白。除了高质量蛋白质外，SPP还富含生物活性化合物，如藻蓝蛋白，具有抗氧化、抗炎和免疫调节作用，使其成为功能性食品的理想成分（Shkolnikov Lozober, Okun, & Shpigelman, 2021）。然而，尽管SPP具有诸多优势，但其工业应用仍受到一些内在限制的阻碍，包括溶解度低、功能有限（如乳化能力和起泡能力弱）以及在酸性条件下的不稳定性（Hong, Fan, Yan, & Li, 2024）。这些挑战源于SPP的刚性结构及其较低的等电点（pI约为3.3）。解决这些限制对于充分发挥SPP在食品系统中的潜力至关重要，尤其是在健康导向和可持续产品领域。其高营养价值使其适用于强化多种产品，包括酸性饮料、植物基酸奶、烘焙食品和肉类替代品。在这些应用中，产品pH值下的高溶解度、有效的水/油结合能力以及强大的起泡或乳化能力是关键性能指标。天然SPP往往无法满足这些要求，因此迫切需要针对性的改性策略来释放其全部应用潜力。

为了克服这些限制，人们已经探索了多种SPP和其他植物蛋白质的改性方法。物理方法（如超声波、高压均质化）可以破坏蛋白质聚集体，但往往效果不够显著（Hong等人，2025）。酶促水解可以改善溶解度，但涉及复杂的反应和较高的成本（Akbarbaglu, Ayaseh, Ghanbarzadeh, & Sarabandi, 2022）。化学改性方法，如乙酰化、磷酸化和琥珀酰化，可以对蛋白质侧链进行更持久的改变（Zhang, Holden, Wang, & Adhikari, 2023）。其中，琥珀酰化因其对蛋白质净电荷和构象的显著影响而受到广泛关注，且具有成本效益。琥珀酰化是通过琥珀酸酐（SA）与氨基酸侧链之间的亲核取代反应实现的，主要针对赖氨酸残基的ε-氨基，因为它们的pKa值较低且空间阻碍较小（Zhu等人，2025）。这种改性引入了带负电的琥珀酰基团，破坏了分子内相互作用，降低了表面疏水性，并使等电点向更酸性的方向移动（Agarwal等人，2020）。这些变化可以显著提高溶解度、胶体稳定性和界面活性，如在大豆蛋白分离物（Liu等人，2022）、鹰嘴豆蛋白基质（Yu, Kong, Wang, Han, & Xu, 2024）和南极磷虾蛋白（Wang等人，2022）中所证明的那样。对卵清蛋白的琥珀酰化使其等电点从4.2降至约3.5，并在pH 7时溶解度提高了21.5%（Hu等人，2022）。类似地，卵转铁蛋白的起泡能力和热稳定性也得到了改善（Ma, Jin, Zeng, & Jin, 2026）。然而，关于琥珀酰化对螺旋藻蛋白分离物的影响的系统研究仍然不足，尤其是在其构象变化、界面行为（如表面张力和界面粘弹性）以及最终起泡性能（能力和稳定性）方面的影响方面。

本研究旨在阐明琥珀酰化对SPP结构和功能的改变化化。首先，我们使用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳、傅里叶变换红外光谱、圆二色光谱和荧光光谱定量了N-琥珀酰化程度，并表征了结构变化和理化性质。同时评估了溶解度、持水能力和界面张力等功能性质以及起泡性能，以建立结构与功能之间的关系。最后，通过皮尔逊相关分析评估了改性后SPP的结构与功能之间的关系，阐明了琥珀酰化处理对SPP功能性质的改善效果。这项研究不仅有助于加深对基于微藻的蛋白质改性策略的理解，还为其在功能性食品中的应用奠定了基础。通过缩小SPP的溶解度和功能性的差距，这项工作可能促进微藻蛋白作为传统植物和动物来源蛋白质的可持续替代品的开发。

材料

螺旋藻的超细粉末由甘肃冠晨生物科技有限公司（中国陕西）提供。琥珀酸酐（SA）的纯度至少为99.5%， ninhydrin的纯度不低于98.0%，分别由中国国家医药集团有限责任公司（上海）和源野生物科技有限公司（上海）提供。电泳凝胶、Coomassie brilliant blue快速染色溶液、蛋白质分子量标记物等实验试剂也来自这些公司。

N-琥珀酰化程度的分析

琥珀酰化是一种亲核取代反应，主要涉及酰化剂（SA）和蛋白质氨基酸残基（氨基、羟基和巯基）。该改性过程通过亲核攻击将带正电的赖氨酸ε-氨基替换为带负电的琥珀酰基团，从而使蛋白质的净正电荷变为净负电荷。

结论

本研究表明，琥珀酰化显著改善了SPP的功能性质，如溶解度、持水能力和泡沫稳定性。改性后的SPP可作为有效的起泡剂。在琥珀酰化处理过程中，带负电的琥珀酰基团被共价引入蛋白质表面，增加了蛋白质表面的负电荷密度，增强了静电作用。

作者贡献声明

李金伟：撰写——初稿修订与编辑、项目监督、资金获取。 辛红：撰写——原始草稿、实验研究、数据分析、概念构思。 范柳萍：撰写——修订与编辑、项目监督、资源协调。 罗爱国：撰写——修订与编辑、数据可视化、资源提供。 王亮：撰写——修订与编辑。 王晓兰：数据管理。 黄胜全：结果验证、软件操作。

未引用参考文献

Zhang等人，2023；Zhang等人，2023。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国新疆自治区重点研发计划（2025B04020-003）和中国内蒙古技术振兴项目（2025KJTW02）的资助。