《Journal of Cleaner Production》：A sustainable and clean approach for modification of guar germ protein isolates using atmospheric cold plasma
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大气冷等离子体（ACP）处理显著改变鹰嘴豆胚蛋白 isolate（GGPI）的氨基酸组成、热性能及功能特性。研究显示，10 kV-10 min处理使GGPI的体外蛋白消化率（IVPD）和溶解性最高，而30 kV-10 min处理导致蛋白质过度氧化，降低IVPD但增强SDS-PAGE条带密度及β-折叠含量（41.45%）。处理后的GGPI表现出更高的泡沫容量（143.81%）和粘度，但水分吸收和乳化能力受电压和处理时间双重影响。等离子体改性GGPI在可食用涂层、纳米颗粒制备及生物活性成分封装领域具有应用潜力。
作者：Ankan Kheto、Rachna Sehrawat、Khalid Gul
印度奥里萨邦鲁尔凯拉国家技术学院食品加工工程系，邮编769008
摘要
本研究探讨了大气冷等离子体（ACP）在10 kV、20 kV和30 kV电压下，对瓜尔胚芽蛋白分离物（GGPI）的氨基酸、营养价值、热性质、功能特性、分子相互作用以及流变行为的影响，处理时间分别为5分钟和10分钟。ACP处理后，GGPI的氨基酸组成发生了显著变化，这归因于巯基活性的改变，这一变化通过ζ电位、羰基含量和巯基团的分析得到了证实。在10 kV电压下处理10分钟的GGPI表现出最高的体外蛋白质消化率和溶解度。30 kV电压下处理10分钟后，SDS-PAGE条带的强度增加，表明发生了蛋白质间的交联作用，这一现象还通过β-折叠结构增加（41.45%）、变性温度升高（122.87°C）以及颗粒尺寸增大得到了进一步支持。除了10 kV电压外，长时间处理显著降低了GGPI的吸水率和乳化能力。然而，在10 kV电压下处理10分钟的GGPI显示出最高的发泡能力（143.81%），并且其G′和G″值也有所提高。此外，在10 kV和30 kV电压下长时间处理后，GGPI的粘度有所增加，而在20 kV电压下则有所降低。经过ACP改性的GGPI在可食用涂层、纳米颗粒制备以及生物活性化合物的包封等应用领域具有潜力。
引言
为不断增长的人口提供营养丰富的食物面临诸多挑战。传统的畜牧业可能已无法解决这一关键问题。因此，研究人员正在探索替代的植物蛋白来源，以开发人造肉类、乳制品、鸡蛋和海鲜等产品。瓜尔种子对水分的需求较低，且能在多种土壤和气候条件下生长，这与联合国的可持续发展目标高度契合。瓜尔种子的胚芽部分占种子的41–46%，含有约60%的蛋白质（Kheto等人，2023年）。与其他豆类不同，瓜尔胚芽蛋白富含含硫氨基酸和芳香氨基酸，并且消化性能更好（Kheto等人，2024年）。因此，将商业豆类蛋白（通常缺乏含硫氨基酸）与改性的瓜尔胚芽蛋白分离物（GGPI）混合，可以提供更均衡的营养成分。改进后的GGPI可用于生产无脂冰淇淋、蛋黄酱和奶酪类似物等乳制品替代品。
冷等离子体被认为是一种可持续、环保、高效且灵活的改性方法，适用于任何大分子（Kopuk等人，2022年；Basak和Annapure，2022年）。处理过程中产生的主要是二氧化碳和水，无需使用有害化学物质和溶剂（Jiang等人，2020年）。在等离子体反应器中，通过将气体物质暴露于高电压电场（电子温度可达10^4–10^5 K）来生成冷等离子体，从而引发电子（最大能量为10 eV，密度为10^10 cm^-3）的轰击（Jiang等人，2020年；Kopuk等人，2022年）。这使得基态分子转化为激发态（N2*、O2*）或亚稳态粒子（N2m、O2m）。随后，激发态粒子、亚稳态粒子、基态粒子以及被轰击的电子之间会发生非弹性碰撞（或发生电离和解离反应），产生活性氧物种（O、O2•?、O2•、•OH、H2O2、O3、•H和•OOH）、活性氮物种（•NO、•NO3、N2O5、NO?、NO2?、NO3?、N2O?和ONOOH/ONOO?）、带电粒子、自由基以及紫外线辐射（Basak和Annapure，2022年；Kopuk等人，2022年）。对于蛋白质而言，电离和解离能量约为3至6 eV，这些活性物种可轻易破坏其天然结构（Jiang等人，2020年）。在不同类型的冷等离子体发生器中，大气冷等离子体（ACP）成本较低且操作性能更优（Basak和Annapure，2022年）。ACP处理过程中，施加的电压和处理时间起着重要作用，活性物种与蛋白质的相互作用及其碰撞速率受电压和处理时间的控制（Mehr和Koocheki，2023年）。已有研究表明，ACP处理能够改善豌豆（Bu等人，2023年）、草豌豆（Mehr和Koocheki，2023年）、绿豆（Rahman和Lamsal，2023年）、鹰嘴豆（Wang等人，2023年）、花生（Yu等人，2023年）、小麦胚芽（Abarghoei等人，2023年）、椰子球蛋白（Chen等人，2023年）、燕麦（Eazhumalai等人，2023年）和大豆蛋白（Sharafodin和Soltanizadeh，2022年）的功能特性。然而，ACP处理对植物蛋白的氨基酸组成和消化率的影响尚未得到充分研究。除了少数几种豆类蛋白外，关于ACP处理后蛋白质功能性和凝胶能力的深入研究仍然不足。更重要的是，ACP处理条件与蛋白质特性之间的统计关系尚不明确。因此，开展有关ACP处理后植物蛋白的结构表征、消化率、热性质、凝胶行为及功能特性的详细研究对于填补现有研究空白至关重要。此外，还需要研究非传统植物蛋白（如GGPI）在不同ACP处理条件下的组成变化。本研究旨在探讨ACP处理（不同电压和处理时间）对GGPI的氨基酸组成、消化率、分子相互作用、热性质、功能特性及流变行为的影响，并通过多元分析进一步验证各参数之间的统计关系。
材料
成熟的瓜尔种子（GEETA-51）购自印度奥里萨邦的鲁尔凯拉当地市场。种子用蒸馏水浸泡过夜后，手动分离出胚芽部分（Kheto等人，2024年）。分离出的胚芽在40°C下干燥，然后研磨并通过210 μm筛网筛选得到细粉。本研究中使用的所有化学试剂均为分析级，购自Sigma-Aldrich Co. LLC（印度）。
瓜尔胚芽蛋白分离物的制备
GGPI的分离方法按照相关标准进行
氨基酸
ACP处理显著影响了GGPI样品中必需氨基酸和非必需氨基酸的含量（p < 0.05）。这可能是由于ACP中的活性氧物种与酰胺键发生反应，导致氨基酸组成的改变（Mollakhalili-Meybodi等人，2021年）。此外，活性氮物种也可能与富含电子的氨基酸残基相互作用，导致多肽链断裂。然而，随着ACP处理时间的延长
结论
活性物种与植物蛋白之间的相互作用机制因其独特的结构、营养价值和组成差异而有所不同。ACP处理后的GGPI样品中必需氨基酸含量降低，但功能特性和IVPD值提高。值得注意的是，20 kV处理后的GGPI样品颗粒尺寸较小，Td值最低，表明其天然多肽链发生了改变。在30 kV电压下，过度氧化降低了IVPD值，并使SDS-PAGE条带强度增加
作者贡献声明
Ankan Kheto：负责撰写、审稿与编辑、软件使用、方法设计、实验设计、数据分析、概念构思。Rachna Sehrawat：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督、资源协调、方法设计、资金申请及概念构思。Khalid Gul：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化及结果验证。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
