涡流流体装置与超声协同处理对大豆分离蛋白构象变化的影响机制研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Effect of vortex fluidic device and its combined treatment with ultrasonication on the conformational changes of soy protein isolate

为解决大豆分离蛋白(SPI)功能性质不佳的问题，研究人员开展了VFD(涡流流体装置)及其与US(超声)协同处理(USVFD)对SPI构象变化影响的研究。结果表明，VFD8000 rpm处理使粒径从1732 nm降至591.6 nm，变性温度(Tp)升至109.56 °C；而US30VFD8000处理使β-折叠含量增加7.4%，形成更均匀聚集体。该研究为精准调控SPI功能特性提供了新策略，对食品工业应用具有重要意义。

　　

随着人们对健康饮食需求的日益增长，植物蛋白作为优质营养来源受到广泛关注。其中，大豆分离蛋白(Soy Protein Isolate, SPI)因其高营养价值和良好功能性质，成为食品工业中最重要的植物蛋白原料之一。然而，天然SPI的紧密球状结构埋藏了其关键功能基团，导致溶解性、凝胶性等功能性质不理想，限制了其在高端食品中的应用。传统的化学改性方法存在试剂残留风险，而物理改性技术因其安全、环保的特点展现出巨大潜力。

在此背景下，发表于《Ultrasonics Sonochemistry》的最新研究创新性地将涡流流体装置(Vortex Fluidic Device, VFD)与超声(Ultrasound, US)技术相结合，系统探究了这两种物理场处理对SPI构象和功能特性的影响机制。该研究不仅揭示了VFD单独处理的独特效果，更发现了US与VFD协同作用的特殊规律，为SPI的高值化利用提供了重要理论依据和技术支撑。

研究人员采用的主要技术方法包括：通过VFD在不同转速(2000-8000 rpm)下处理SPI溶液，以及将US处理(40 kHz, 220 V, 10-50 min)与VFD(8000 rpm)结合进行协同处理；利用X射线衍射(XRD)分析晶体结构变化，紫外-可见光谱(UV-Vis)检测芳香族氨基酸暴露情况，傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析二级结构组成，差示扫描量热法(DSC)评估热稳定性，热重分析(TGA)研究热降解行为，动态光散射(DLS)测定粒径和Zeta电位，扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌。

3.1. XRD分析

XRD结果显示，SPI在2θ=19.5°和9°处出现特征衍射峰，分别对应β-折叠(结晶区II)和α-螺旋(结晶区I)构象。VFD处理使次级衍射峰向高角度方向移动(从~19.2°移至19.74°)，而USVFD协同处理则使其略微回移。特别值得注意的是，随着US处理时间的延长，衍射峰强度显著增加，表明样品结晶度提高，这有助于SPI结构稳定性的增强。

3.2. 紫外-可见吸收光谱分析

UV-Vis光谱显示，VFD在2000、4000和6000 rpm处理均导致吸光度增加，表明中等剪切力促进了蛋白质解析叠和发色基团的暴露。USVFD协同处理进一步强化了这一效应，其中US10VFD8000样品的吸光度增强最为显著，说明10分钟的超声处理最能改变SPI结构，使芳香族残基暴露于溶剂中。在260 nm处的吸收峰归因于苯丙氨酸(Phe)残基微环境的变化。

3.3. FTIR分析

FTIR光谱的酰胺I区(1700-1600 cm^-1)分析揭示了二级结构的微妙变化。VFD6000处理导致β-转角含量降低6.7%，β-折叠含量增加2.9%，表明在特定剪切能量阈值下发生了构象转换。而USVFD处理产生了更显著的二级结构变化，US30VFD8000使β-折叠增加7.4%，α-螺旋减少11.5%，说明声机械力协同促进了α-螺旋向扩展的、易聚集的β-折叠构象转变。

3.4. DSC分析

DSC热分析表明，VFD处理显著提高了SPI的热稳定性，VFD8000的变性温度(T_p)从天然的102.9°C升至109.56°C。相比之下，USVFD处理的热稳定性变化呈现复杂的时间依赖性，US10VFD8000至US40VFD8000的T_p值均低于VFD8000单独处理，但US50VFD8000的T_p(109.69°C)略高于VFD8000。此外，USVFD样品的变性峰明显变宽，表明蛋白质群的结构异质性增加。

3.5. TGA分析

TGA热重分析显示，所有样品均呈现相似的两阶段降解模式。VFD处理在主要降解步骤中导致更大质量损失(~32.85%)，表明其降低了蛋白质初级结构的热稳定性。USVFD协同处理进一步加速了降解过程，US40VFD8000的质量损失达~36.7%，最终残留物含量显著降低至~21.2%，说明该处理有效破碎了蛋白质聚集体并解离了蛋白质-矿物质复合物。

3.6. SPI的粒径和Zeta电位

DLS分析表明，天然SPI的平均流体动力学直径为1732.3 nm，VFD处理使其显著减小至591.6-670.5 nm。USVFD处理则呈现复杂的时间依赖性效应，US40VFD8000导致平均粒径增大至816.2 nm，且多分散性增高，表明延长超声处理促进了蛋白质聚集。Zeta电位分析显示，US40VFD8000的电位值最高(-34.5 mV)，甚至超过天然SPI，说明该处理条件最能增强胶体稳定性。

3.7. SEM成像

SEM图像清晰展示了不同处理对SPI微观结构的影响。天然SPI呈现典型的球状皱缩形态，VFD处理的SPI表面光滑但结构不均，而USVFD处理的SPI颗粒分布更均匀，表面出现褶皱和簇状结构，形成多孔聚集体。随着超声时间的延长，出现了更大的聚集体，表明声能诱导的剪切处理促使SPI分子解析叠，暴露更多疏水区域，增强了分子间相互作用。

研究结论表明，VFD处理和USVFD协同处理通过不同机制改变SPI的结构和功能特性。VFD主要通过机械剪切力破坏天然聚集体，促进部分解析叠和重组，形成热稳定性增强但持水性降低的新型结构；而USVFD则通过声机械力驱动蛋白质进一步解析叠和重新聚集，形成更均匀、多孔的簇状结构，显著改善持水性但热稳定性相对降低。

这项研究的重要意义在于首次系统阐明了VFD及其与US协同处理对SPI构象变化的调控规律，为食品工业中植物蛋白的功能性改良提供了新的技术路径。通过精确控制处理参数，可以实现对SPI功能特性的定向调控，满足不同食品体系的应用需求。VFD技术适合于需要部分解离和热稳定性的应用场景，而USVFD协同处理则更适用于需要控制再聚集和水分保持的食品体系。这一研究成果不仅推动了非热加工技术在蛋白质改性领域的应用，也为开发高品质植物蛋白产品提供了重要理论支撑和技术指导。