绿豆清蛋白与球蛋白的结构功能解析及其热诱导凝胶形成机制研究

本研究针对植物基乳品替代品质构不佳的行业痛点，以绿豆蛋白为研究对象，通过超滤-渗滤联用技术分离纯化清蛋白（80.72%纯度）和球蛋白（88.44%纯度），系统比较了两者的溶解特性、表面性质、二级结构及凝胶行为。研究发现球蛋白凝胶具有更高弹性模量（G′ 8908 Pa vs 1081 Pa）和持水性（93.59% vs 73.65%），其网络结构主要依赖疏水相互作用构建，而清蛋白凝胶则通过静电作用形成多孔结构。该研究为精准调控植物蛋白凝胶特性提供了理论依据，对开发优质植物基酸奶具有重要意义。

　　

随着健康意识和可持续发展理念的深入人心，植物基食品市场近年来呈现爆发式增长。消费者对乳制品替代品的需求尤其旺盛，其中植物基酸奶因其健康属性和环保特点备受关注。然而，这类产品目前面临着一个关键技术瓶颈——质地缺陷。与传统动物蛋白相比，植物蛋白往往凝胶性能不足，导致产品口感粗糙、易析水，难以满足消费者的期望。解决这一问题的核心在于深入理解不同植物蛋白组分的凝胶机制，从而实现对产品质构的精准调控。

绿豆（Vigna radiata）作为一种传统作物，因其高蛋白含量（20-30%）和均衡的营养组成，被视为极具潜力的植物蛋白来源。尽管在中国已有两千多年的栽培历史，但相较于大豆和豌豆等主流植物蛋白，绿豆蛋白的研究仍相对薄弱。绿豆蛋白主要由球蛋白（60-70%，盐溶性）和清蛋白（16-25%，水溶性）组成，二者在结构和功能特性上存在显著差异。前期研究表明，不同绿豆品种以及不同提取方法获得的蛋白 isolates（分离蛋白）在凝胶性能上表现各异，这可能与其清/球蛋白比例不同密切相关。然而，对于这两种纯化蛋白组分的结构功能关系及其凝胶机制的系统性研究仍然缺乏。

为此，来自加拿大拉瓦尔大学食品科学系的Cindy Lalagüe等研究人员在《Food Hydrocolloids》发表了题为"Structure-Function Characterization and Gelation Mechanisms of Mung Bean Albumin and Globulin Fractions"的研究论文。该工作通过先进的分离纯化技术获得了高纯度的绿豆清蛋白和球蛋白组分，并综合运用多种分析技术，首次系统阐明了二者在结构特性、热性质和凝胶行为方面的差异，揭示了不同的凝胶形成机制，为植物蛋白在食品工业中的精准应用提供了重要理论依据。

研究人员采用超滤-渗滤（UF-DF）联用技术结合等电点沉淀法，从绿豆蛋白分离物中成功纯化出清蛋白（蛋白纯度80.72%）和球蛋白（蛋白纯度88.44%）组分。通过十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）分析了蛋白质组成，采用zeta电位仪和激光粒度仪表征了表面电荷和颗粒大小，运用疏水性探针法和Ellman试剂分别测定了表面疏水性和硫基含量，利用差示扫描量热仪（DSC）和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析了热性质和二级结构。在凝胶特性研究方面，测定了最低凝胶浓度（LGC）和持水性（WHC），采用流变仪分析了凝胶动态形成过程，结合激光共聚焦显微镜（CLSM）和扫描电镜（SEM）观察了凝胶微观结构，并通过化学键解析实验揭示了凝胶网络中的分子相互作用类型。

3.1. 清蛋白和球蛋白组分的近似组成和蛋白质谱

球蛋白组分的蛋白质含量（88.44%）显著高于清蛋白（80.72%），而清蛋白组分中"其他"成分（主要为碳水化合物）比例更高。SDS-PAGE分析表明，清蛋白组分中79%为清蛋白，主要条带位于27 kDa，同时含有18%的球蛋白污染物；球蛋白组分中91%为球蛋白，以48-51 kDa的豌豆球蛋白型亚基为主。

3.2. 蛋白质溶解度和表面性质

球蛋白溶解度呈典型的U型曲线，在等电点pH 4附近溶解度最低（8.38%），在pH 8时达到最大（87.82%）；清蛋白在pH 2-8范围内保持约50%的恒定溶解度。Zeta电位分析显示两组分的等电点均在pH 4.5附近。粒度分析表明清蛋白存在预聚集现象（300-1100 nm），离心后主要呈4-15 nm的单体状态；球蛋白则呈现48 nm和381 nm两个群体，离心后主群体为13 nm。

3.3. 硫基含量、表面疏水性和热性质

清蛋白的总硫基（33.07 μmol/mL）和二硫键含量（13.64 μmol/mL）高于球蛋白（24.49 μmol/mL和7.36 μmol/mL），但游离硫基含量（5.79 μmol/mL）低于球蛋白（9.77 μmol/mL）。球蛋白的表面疏水性（242.76）显著高于清蛋白（90.54）。DSC分析显示球蛋白只有一个变性峰（81.37°C），而清蛋白显示两个变性峰（80.50°C和92.20°C），表明清蛋白具有更高的热稳定性。

3.4. 二级结构分析

ATR-FTIR结果显示球蛋白以β-折叠为主（50.59% intramolecular β-sheet），而清蛋白含有更高比例的α-螺旋（29.74%）和antiparallel β-sheet（25.43%）。清蛋白中intermolecular β-sheet含量（14.01%）高于球蛋白（6.38%），证实了其预聚集状态。

3.5. 凝胶特性

清蛋白的最低凝胶浓度（4%）低于球蛋白（8%），但球蛋白凝胶的持水性（93.59%）显著高于清蛋白凝胶（73.65%）。流变学分析表明球蛋白凝胶的最终弹性模量（G′ 8908 Pa）远高于清蛋白凝胶（1081 Pa）。微观结构显示清蛋白形成多孔、粗糙的颗粒状凝胶，而球蛋白形成致密、细腻的混合型凝胶网络。

3.6. 凝胶网络中的分子相互作用

化学键解析实验表明球蛋白凝胶主要通过疏水相互作用稳定，而清蛋白凝胶主要依赖静电相互作用。二硫键在两种凝胶中均未发挥重要作用。值得注意的是，清蛋白凝胶中有25.5%的蛋白质未参与网络形成，而球蛋白凝胶中仅有0.3%的未结合蛋白质。

该研究通过综合表征揭示了绿豆清蛋白和球蛋白截然不同的凝胶机制：清蛋白由于预聚集现象，其凝胶主要通过静电作用连接现有聚集体，形成多孔、脆弱的颗粒状凝胶；而球蛋白则以单体形式通过疏水相互作用构建致密、坚固的凝胶网络。这一发现解释了为什么球蛋白凝胶具有更好的质构特性（高持水性、高弹性模量）。

研究的重要意义在于：首先，为植物蛋白凝胶性能的差异提供了分子层面的解释，明确了清/球蛋白比例对最终产品质构的关键影响；其次，指出了通过调控提取工艺改变蛋白组分比例的可能性，为优化植物蛋白配料的功能性提供了方向；最后，研究结果可直接指导植物基酸奶、蛋奶替代品等产品的配方设计，帮助行业解决质地缺陷这一关键技术瓶颈。

该工作的创新性在于首次对绿豆清蛋白和球蛋白进行了系统性的比较研究，并深入揭示了二者的凝胶机制差异。研究采用的多种先进分析技术相互印证，确保了结论的可靠性。未来研究可进一步探索清/球蛋白的协同效应，以及通过加工改性调控其功能特性的途径，推动植物蛋白在食品工业中的更广泛应用。