pH偏移处理联合黑果腺肋花楸压榨饼对鸡副产物蛋白结构与功能特性的调控机制研究

《Applied Food Research》：Effect of pH-shift processing combined with black chokeberry press cake on the structure and function of chicken by-products

本研究针对鸡副产物(CBP)蛋白提取过程中易氧化、功能特性受损等问题，创新性地将pH偏移法与富含多酚的黑果腺肋花楸压榨饼(BCPC)相结合。研究发现碱性处理(pH 12)较酸性处理(pH 2)更能改善CBP蛋白分离物(CBPIs)的结构致密性，BCPC的添加通过降低游离巯基含量和表面疏水性有效抑制了蛋白氧化。特别值得注意的是，CBPI-12的起泡能力和泡沫稳定性分别提高了30.0%和44.4%。该研究为畜禽副产物的高值化利用和功能性蛋白产品的开发提供了新策略。

　　

在全球肉类产量持续增长的背景下，畜禽加工副产物的高效利用已成为食品工业可持续发展的重要课题。据统计，2020年全球肉类产量达到3.37亿吨，较2000年增长45%，而鸡肉产品占全球肉制品总量的35%。在鸡肉加工过程中产生的副产物（包括内脏、脚、头、骨骼等）约占整鸡重量的45%，这些富含蛋白质、脂肪、矿物质等营养素的副产物若被丢弃或浪费，不仅造成资源损失，还会带来环境污染问题。

鸡副产物(chicken by-products, CBP)虽然营养丰富，但其蛋白质在提取过程中易发生氧化变质，导致功能特性下降。传统的等电点沉淀法虽然能有效分离蛋白质，但在强酸/强碱处理过程中，特别是富含血液的制品更容易引发蛋白质氧化。为此，研究人员开始探索天然抗氧化剂在蛋白质提取过程中的保护作用。黑果腺肋花楸(Aronia melanocarpa)作为一种富含多酚和花青素的天然植物，其自由基清除活性和还原能力显著高于其他浆果，被认为是理想的天然抗氧化剂来源。在果汁加工过程中产生的黑果腺肋花楸压榨饼(black chokeberry press cake, BCPC)通常被作为废弃物处理，但其实际上保留了大量的多酚类物质，包括原花青素、绿原酸和新绿原酸等活性成分。

本研究创新性地将pH偏移处理技术与BCPC相结合，系统评估了酸性和碱性条件下提取的CBP蛋白分离物(CBPIs)在结构和功能特性上的差异，并深入探讨了BCPC对蛋白质氧化的抑制作用及其机理。该研究发表于《Applied Food Research》期刊，为畜禽副产物的高值化利用提供了新的技术路径。

研究人员采用的主要技术方法包括：通过pH偏移法（酸性pH 2和碱性pH 12处理）从鸡副产物中提取蛋白质；利用zeta电位分析仪测定蛋白质溶液的电位变化；采用Lowry法测定蛋白质溶解度和得率；通过SDS-PAGE分析蛋白质分子量分布；使用扫描电子显微镜观察蛋白质微观结构；采用Ellman's试剂法测定游离巯基含量；通过ANS荧光探针法分析表面疏水性；并系统评估了蛋白质的乳化活性指数(EAI)、乳化稳定性指数(ESI)、起泡性能以及质构特性等功能指标。

3.1. CBP在不同pH下的蛋白质浓度和ζ-电位变化

研究发现，在pH从2向12转变的过程中，CBP的蛋白质浓度从pH 2时的2.76 mg/mL下降到pH 5时的0.45 mg/mL，随后逐渐恢复到pH 12时的2.75 mg/mL。相反方向的pH变化也呈现相似趋势。BCPC的添加使CBPIs的蛋白质浓度提高了19.27%-37.45%。ζ-电位分析显示，在pH 2时电位为+26.3 mV，随着pH升高逐渐下降，在pH 5时达到-4.4 mV，pH 12时降至-28.4 mV。BCPC的添加使等电点向较低pH方向移动，这可能是由于多酚羟基去质子化产生的氧中心赋予了复合物更高的负电荷密度。

3.2. CBPI-2和CBPI-12的蛋白质溶解度和得率

酸性和碱性条件下的蛋白质溶解度无显著差异（p>0.05），分别为89.87%-94.19%和88.74%-95.64%。BCPC的添加提高了第一和第二步骤的蛋白质溶解度，但相应的总蛋白质得率（蛋白质沉淀率）有所下降。这可能是因为在接近蛋白质等电点的pH条件下，CBP表面电荷减少，疏水区域暴露，BCPC中的多酚通过疏水相互作用与蛋白质结合，同时酚羟基与蛋白质极性基团形成氢键，减少了蛋白质分子间的聚集。

3.3. 不同BCPC百分比下CBPI-2的颜色变化

酸性和碱性处理不仅改变了蛋白质溶解度，还影响了CBPIs的颜色。CBPI-2呈灰黄色，而CBPI-12呈粉红色，这种颜色差异可能与CBP中丰富的血红蛋白(Hb)在不同pH条件下的氧化状态有关。在酸性条件下，Hb易发生氧化导致血红素从球蛋白上脱离，而碱性条件下Hb不易被氧化。随着BCPC添加量的增加，酸性处理的CBPI-2从灰黄色转变为灰紫色，碱性处理的CBPI-12从粉红色转变为黑紫色。颜色参数分析显示，BCPC浓度为15%时，样品呈现不理想的深褐色。

3.4. 蛋白质氧化和微观结构

3.4.1. SDS-PAGE

SDS-PAGE结果显示，pH 2处的蛋白质条带呈现均匀分散状态，这可能是由于强酸性条件下的蛋白质水解暴露了疏水基团并产生分子间排斥。pH 5和pH 8处的条带清晰且含量较低，特别是在pH 5处，这是由于等电点沉淀导致溶液中蛋白质含量减少。pH 12处的蛋白质条带在15 kDa以下的蛋白质较少，可能形成了高分子量聚合物或聚集体。

3.4.2. 游离巯基

CBPI-12的游离巯基浓度显著高于CBPI-2（p<0.05），表明碱性处理对蛋白质的变性程度更大。BCPC的添加使游离巯基浓度降低，CBPI-2和CBPI-12在添加15% BCPC时，游离巯基含量分别降低了14%和15%。这可能是由于BCPC中丰富的多酚在碱性pH下氧化成醌，这些高反应活性的醌类物质与蛋白质的游离巯基和氨基发生不可逆反应，导致蛋白质交联的形成。

3.4.3. 疏水性

CBPI-12的表面疏水性显著高于CBPI-2（p<0.05），这与游离巯基的结果一致，证明强碱性处理比强酸性处理更容易使蛋白质变性。随着BCPC浓度的增加，CBPI的疏水性降低，这可能是由于pH变化暴露的疏水区域与多酚结合，导致其疏水性下降。

3.4.4. CBP和CBPI的微观结构

扫描电镜结果显示，对照组CBP呈现棒状结构，这是肌球蛋白结构的特征。酸或碱提取的蛋白质呈现"熔球状"结构，类似于pH偏移提取后肌球蛋白头部的构型。酸处理样品的结构边界模糊，而碱处理样品更加致密。添加15% BCPC后，酸处理样品呈现明显的层状结构，边界更清晰，这可能是CBP部分水解的产物；而碱处理组呈现光滑的层状结构，表现出更大程度的交联。

3.5. CBPI-2和CBPI-12的功能特性

碱性处理的乳化活性指数(EAI)和乳化稳定性指数(ESI)均高于酸性处理（p<0.05）。这可能是因为在碱性条件下蛋白质携带更多负电荷，有利于蛋白质展开并在油水界面形成更均匀有效的分散。随着BCPC添加量的增加，酸性和碱性处理的EAI均显著提高，但ESI显著下降。

CBPI-12的起泡能力和泡沫稳定性分别比CBPI-2提高了30.0%和44.4%。这是因为pH 12离CBPI的等电点较远，导致静电排斥较小，增加了蛋白质-蛋白质相互作用，形成了更强韧的气泡周围薄膜。BCPC百分比与酸性和碱性处理的起泡能力和泡沫稳定性呈正相关。

质构分析显示，碱性处理的硬度和咀嚼性分别比酸性处理提高了402.6%和127.3%。流变学分析表明，CBPI-2的储能模量(G')显著高于CBPI-12，表明CBPI-2具有更高的弹性。15% BCPC有效提高了G'，改善了CBPI的弹性，有助于形成更具弹性的凝胶网络。损耗模量(G'')分析显示CBPI-2的粘度优于CBPI-12，15% BCPC也提高了CBPI的粘度。损耗角正切(tanδ)值在0.2-0.4之间，表明蛋白质主要以弹性贡献为主。

研究表明，pH偏移法是一种从CBP中分离蛋白质的有效方法。酸性和碱性处理获得的蛋白质在性质上存在显著差异：酸处理样品的结构边界模糊，而碱处理样品更加致密。同时，碱性处理在乳化性、起泡性、硬度和咀嚼性等功能特性方面表现更优。BCPC的添加能有效减少氧化，调节强酸强碱对蛋白质结构的损伤，使蛋白质更适合进一步加工和利用。该研究为可再生资源利用和新型蛋白质产品开发提供了重要技术支撑，在食品工业可持续发展方面具有广阔的应用前景。

这项研究的创新之处在于将农业副产物BCPC与pH偏移技术有机结合，不仅提高了鸡副产物蛋白质的提取效率，还显著改善了其功能特性。特别是在碱性条件下结合BCPC处理，能够有效抑制蛋白质氧化，提高产品的乳化性和起泡性，为开发高品质的蛋白质配料提供了新思路。该研究结果对促进畜禽加工副产物的高值化利用、减少食品浪费和环境污染具有重要意义，也为其他肉类副产物的加工利用提供了可借鉴的技术路径。