碱性等电沉淀、超声辅助和酶法提取平菇蛋白的结构、热学及功能特性比较研究

《Food Physics》：Structural, thermal and functional properties of protein isolates from oyster mushroom ( Pleurotus ostreatus) isolated by alkaline iso-electric, ultra-sonication and enzymatic extraction techniques

本文推荐研究人员针对传统蛋白提取方法效率低、功能受损等问题，开展了碱性等电沉淀(AIP)、酶辅助提取(EAE)和超声辅助提取(UAE)技术分离平菇蛋白的研究。结果表明，EAE和UAE法能显著提升蛋白的胶体稳定性、溶解性及功能特性，其中UAE（30%功率，10分钟）效果最佳，为开发清洁标签的植物基蛋白提供了可持续技术方案。

　　

随着全球人口持续增长，到2050年蛋白质需求量预计将翻倍。面对这一挑战，开发可持续的植物蛋白来源已成为食品科学领域的重要议题。在众多植物蛋白中，食用菌蛋白因其营养丰富、环境友好而备受关注。其中，平菇（Pleurotus ostreatus）作为全球产量第二大的栽培食用菌，不仅含有10.09-26.78%的优质蛋白质，还富含赖氨酸和亮氨酸等必需氨基酸，是一种极具潜力的蛋白质来源。

然而，蛋白质的提取方法直接影响其最终品质。传统的碱性等电沉淀法（Alkaline Isoelectric Precipitation，AIP）虽然应用广泛，但存在能耗高、时间长、可能引起蛋白质消化率降低、氨基酸降解等问题。更重要的是，这种方法提取的蛋白质往往功能特性不理想，限制了其在食品工业中的应用。因此，开发高效、环保的新型提取技术迫在眉睫。

在这一背景下，研究人员将目光投向了超声辅助提取（Ultrasound-Assisted Extraction，UAE）和酶辅助提取（Enzyme-Assisted Extraction，EAE）这两种绿色技术。这些方法能否在提升蛋白质提取效率的同时，改善其功能特性？它们对蛋白质的结构和热稳定性会产生怎样的影响？为了回答这些问题，研究人员开展了一项系统研究，成果发表在《Food Physics》上。

本研究主要采用了碱性等电沉淀（AIP）、酶辅助提取（EAE）和超声辅助提取（UAE）三种技术从平菇中分离蛋白质。实验材料为沙达大学农业科学学院蘑菇栽培室提供的新鲜平菇，经干燥、粉碎、脱脂后用于提取。研究对提取的蛋白质进行了全面的理化性质分析，包括 proximate analysis（近似组成分析）、FTIR（傅里叶变换红外光谱）、zeta potential（Zeta电位）、particle size（粒径）、SEM（扫描电子显微镜）、TGA/DTG（热重分析/微分热重分析），并系统评价了其功能特性，如蛋白质溶解度、持水性、持油性、起泡性和乳化性。

3.1. 近似组成分析、得率、颜色

研究结果显示，提取方法显著影响蛋白质分离物的组成。UAE法在提升蛋白质含量方面表现最优，特别是在30%功率处理10分钟的条件下，蛋白质含量达到68.85%，显著高于AIP法（48.68%）和EAE法（55.35%）。碳水化合物含量则呈现相反趋势，UAE（30%，10分钟）处理组最低（19.47%）。提取得率也以UAE（30%，10分钟）最高，为62.34%，较AIP法（40.63%）提高了约30%。颜色分析表明，UAE处理会导致样品变暗，褐变指数（Browning Index，BI）升高，这与其更强的细胞壁破坏作用和可能促进的美拉德反应有关。

3.2. 结构性质

通过FTIR光谱分析发现，AIP法提取的蛋白其酰胺I带位于1621.3 cm^-1，表明以α-螺旋结构为主。而EAE和UAE处理则引起酰胺I带向高波数方向移动（如UAE 30%，10分钟：1636.3 cm^-1），表明蛋白质发生了去折叠，β-折叠和无规卷曲结构增加。粒径和Zeta电位分析证实，EAE和UAE能显著减小蛋白质粒径并增强其静电斥力。其中，UAE（30%，10分钟）处理组的粒径最小（198.6 nm），Zeta电位绝对值最高（-24.6 mV），表明胶体稳定性最佳。SEM观察直观地展示了不同方法提取蛋白的微观结构差异：AIP法蛋白呈现紧密聚集状，而UAE法蛋白结构更分散、疏松，印证了理化分析结果。

3.3. 热学性质

TGA/DTG分析揭示了提取方法对蛋白质热稳定性的影响。AIP法提取的蛋白其最大分解速率对应的温度最低（255°C），热稳定性相对较差。而UAE处理显著提高了蛋白的热稳定性，UAE（30%，10分钟）处理组的最大分解温度升至313°C。EAE法处理组的热稳定性（282°C）介于AIP和UAE之间。这表明超声处理可能通过诱导蛋白质分子间形成更稳定的相互作用或交联，从而增强了其耐热性。

3.4. 功能性质

在功能特性方面，EAE和UAE法均展现出显著优势。蛋白质溶解度（Protein Solubility，PS）从AIP法的37.67%大幅提升至UAE（30%，10分钟）法的90.43%。持水能力（Water Holding Capacity，WHC）和持油能力（Oil Holding Capacity，OHC）也显著改善，UAE（30%，10分钟）处理组分别达到6.52 g/g和8.57 g/g。起泡性（Foaming Capacity，FC）和泡沫稳定性（Foaming Stability，FS）以及乳化活性指数（Emulsifying Activity Index，EAI）和乳化稳定性指数（Emulsifying Stability Index，ESI）在EAE和UAE处理后均得到增强，尤其是UAE（30%，10分钟）处理组表现出最优异的性能（FC: 52.17%， FS: 60.0%， EAI: 2.14 m²/g， ESI: 45.13 min）。这些功能特性的提升与蛋白质结构的改变、粒径的减小以及表面电荷的增加密切相关。

本研究通过系统比较三种提取方法，证实了超声辅助提取（UAE）和酶辅助提取（EAE）技术在提升平菇蛋白分离物（OMPI）的品质方面具有显著优势。与传统的碱性等电沉淀法（AIP）相比，这两种绿色技术不仅能更有效地从原料中提取蛋白质，更重要的是，它们能够通过改变蛋白质的结构（如去折叠、减小粒径、增加表面电荷），进而显著改善蛋白质的胶体稳定性、热稳定性和一系列关键功能特性（溶解性、乳化性、起泡性、持水持油性）。其中，超声处理在30%功率下持续10分钟被证明是优化蛋白质综合性能的最佳条件。

该研究的发现具有重要的理论和实践意义。在理论上，它深化了我们对物理场（超声波）和生物催化剂（酶）如何影响真菌蛋白结构与功能关系的理解。在实践中，它为食品工业开发高品质、清洁标签的植物基蛋白配料提供了一种高效、环保的解决方案。平菇蛋白优异的功能特性使其在肉制品替代品、饮料、酱料、烘焙食品等多元化产品中具有广阔的应用前景，有助于推动可持续食品体系的发展。未来的研究可探索EAE与UAE的协同效应，并评估改性蛋白在实际食品基质中的表现，以加速其产业化进程。