pH值变化结合超声波对椰子粉球蛋白结构和乳化特性的影响

《Ultrasonics Sonochemistry》：Influence of pH-shifting combined with ultrasound on the structure and emulsification characteristics of coconut meal globulin

椰子 meal globulin 通过 pH 调节结合超声处理改性后，表面疏水性和分子柔韧性显著提升，其乳化体系的稳定性和性能接近酪蛋白酸钠，为开发高价值植物基乳化剂提供有效策略。

　　本研究探讨了通过pH值变化结合超声波处理对椰子粉蛋白（即椰子粉球蛋白）进行改性，以提升其结构特性和乳化性能。椰子粉球蛋白因其天然的乳化能力及合理的氨基酸组成，被视为一种具有潜力的植物源乳化剂。然而，该蛋白对环境因素（如pH值、离子强度和温度）较为敏感，容易发生变性与聚集，从而限制了其在食品工业中的应用。为解决这一问题，研究团队采用了一种结合pH值调控与超声波处理的新型改性方法，旨在通过改变蛋白的结构特性，增强其乳化性能和稳定性。

研究首先对椰子粉球蛋白的结构特性进行了系统分析，包括三维荧光光谱、表面疏水性、分子柔性以及二级结构的变化。三维荧光光谱结果显示，经过pH值变化与超声波处理的球蛋白显示出更高的荧光强度，表明其分子结构发生了显著变化，内部疏水性基团被暴露出来。这有助于提升蛋白的表面疏水性，增强其在油水界面的吸附能力。表面疏水性测定进一步验证了这一现象，发现pH-ultra组（即pH值变化结合超声波处理）的表面疏水性显著高于空白组和单一处理组。分子柔性分析同样表明，pH-ultra组的蛋白分子在结构上更加灵活，这一变化可能与超声波诱导的分子结构重组有关，从而提升了其乳化性能。

此外，研究还通过SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）分析了球蛋白的分子量变化。结果表明，尽管pH值变化和超声波处理对球蛋白的分子量影响不显著，但它们共同作用后，蛋白的分子结构发生了明显变化，表现为疏水区域的增加以及结构的松散化。这种结构的改变使得球蛋白在乳化过程中更易于展开，从而增强了其在油水界面的吸附能力。

在傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析中，研究发现不同处理条件下球蛋白的化学键特性发生了变化，特别是在1700–1600 cm?1范围内的酰胺I带和1550–1500 cm?1范围内的酰胺II带显示出不同的吸收强度。这表明，pH值变化和超声波处理共同作用后，球蛋白的氢键结构被破坏，导致其二级结构发生变化，其中α-螺旋结构的比例显著降低，而β-折叠和β-转角的比例则有所增加。这种结构的变化有助于提升蛋白的表面活性，从而增强其乳化能力。

在圆二色光谱（CD）分析中，研究进一步验证了球蛋白的二级结构变化。结果显示，pH-ultra组的α-螺旋含量显著下降，而β-折叠和β-转角的比例显著上升，表明该蛋白在结构上经历了显著的展开和重组。这种结构的改变有助于提高其在乳化体系中的稳定性，减少油水界面的断裂风险。同时，CD光谱还揭示了球蛋白在pH值变化和超声波处理后的柔韧性增强，这可能与其表面疏水性的提高有关。

乳化体系的稳定性是评估乳化剂性能的关键指标之一。研究通过热稳定性、冷冻稳定性、冷藏稳定性和存储稳定性等多个方面对改性后的椰子粉球蛋白乳化体系进行了系统分析。结果显示，经过pH-ultra处理的乳化体系在热处理和低温储存条件下表现出更高的稳定性。在热处理过程中，pH-ultra组的乳化体系平均粒径显著减小，且未出现明显的乳化破裂现象。这可能是因为改性后的球蛋白在油水界面形成了一层更加致密的膜结构，从而有效防止了油滴的重新聚集。在冷冻和冷藏条件下，pH-ultra组的乳化体系表现出较低的聚散指数（PDI），说明其油滴分布更加均匀，结构更加稳定。

通过激光共聚焦显微镜（CLSM）对乳化体系的微观形态进行了观察。结果表明，未经处理的空白组乳化体系中存在较大的油滴聚集现象，而pH-ultra组的油滴分布则更加均匀，接近商用酪蛋白的结构特征。这说明pH-ultra处理能够有效提升球蛋白在乳化体系中的分散性和稳定性。同时，CLSM图像还揭示了蛋白质在油滴界面的分布情况，显示出一种类似凝胶网络的结构，这可能是乳化体系稳定性的关键因素之一。

在流变学分析中，研究对乳化体系的粘度和剪切应力进行了测定。结果显示，pH-ultra组的乳化体系表现出较低的粘度和剪切应力，表明其在流动过程中具有更好的延展性和稳定性。此外，频率扫描和剪切应变分析进一步揭示了乳化体系的动态粘弹性特性。pH-ultra组的弹性模量（G'）和粘性模量（G''）表现出较好的频率依赖性，且在较大的剪切应变范围内保持稳定，说明其结构具有较强的抗破坏能力。

研究还对乳化体系的界面蛋白吸附量进行了分析。结果显示，pH-ultra组的界面蛋白吸附量显著高于其他处理组，且接近商用酪蛋白的水平。这表明，该处理方法能够有效提高球蛋白在油水界面的吸附能力，从而增强其乳化性能。同时，研究指出，当蛋白质完全覆盖油滴表面时，乳化体系的稳定性会得到显著提升，防止油滴的聚集和絮凝。

综上所述，本研究通过pH值变化结合超声波处理的方法，成功改善了椰子粉球蛋白的结构特性，提升了其乳化能力和乳化体系的稳定性。研究结果表明，这种改性方法能够显著增强球蛋白的表面疏水性、分子柔性和界面吸附能力，使其在乳化体系中表现出优异的热、冷和储存稳定性。这些特性使其成为一种具有应用潜力的植物源乳化剂，尤其适用于可持续食品配方的发展。尽管本研究未涉及大规模工业应用的可行性评估，但其方法为未来开发高效、安全的植物基乳化剂提供了理论依据和技术支持。未来的研究应进一步探讨该方法在复杂食品体系中的表现，以及其在营养安全性和可扩展性方面的潜力。