等离子活化水对蚕豆蛋白分离物功能性和3D打印性能的影响

《Sustainable Food Technology》：Effects of plasma activated water on fava bean protein isolate functionality and 3D printability

冷等离子体活化水（PAW）处理可改善扁豆蛋白 isolate（FBPI）的3D打印性能和凝胶强度，通过改变蛋白质二级结构（α-螺旋→β-折叠）增强网络形成能力，但对溶解性和持水能力影响有限。

　　冷等离子体作为一种新型的非热绿色技术，正在食品工业中展现出巨大的潜力，尤其是在植物基肉制品的开发领域。作为一种能够通过电离气体产生活性物种的技术，冷等离子体在不显著升高温度的情况下，可以改变蛋白质的结构特性，从而提升其功能性能。这项研究聚焦于利用等离子体激活水（PAW）对鹰嘴豆蛋白（FBPI）进行改性，以改善其功能特性，包括凝胶强度和3D打印性能。通过对比PAW处理与未处理样品，研究者发现PAW对FBPI的结构产生了影响，尤其是将α-螺旋转化为β-折叠结构，这可能与凝胶网络的增强有关。

### 1. 冷等离子体的原理与优势

冷等离子体通常被称为第四种物质状态，它由高度反应性的离子和中性粒子组成。与传统的高温等离子体不同，冷等离子体可以在常温下、常压下通过强电场实现气体的电离，从而生成具有反应性的活性物种。这些活性物种可以与蛋白质分子发生化学反应，如氢键和二硫键的形成或断裂，从而改变其二级结构。这种方法相较于传统的方法（如使用强酸或强碱、高温处理等）具有更环保、能耗更低的优势，适合大规模工业应用。

在本研究中，采用了一种喷射式等离子体系统，使用氩气和空气的混合气体（90:10的比例）来生成PAW。PAW随后与FBPI混合，以制备热诱导凝胶。该方法在一定程度上改变了蛋白质的结构，但对某些功能特性如溶解性、粘度和持水能力的影响并不显著，这表明需要进一步优化处理条件，以实现更全面的功能性提升。

### 2. 材料与方法

研究中使用的FBPI有两种来源：一种是来自加拿大埃德蒙顿本地公司提取的干湿结合提取的FBPI（DW-FBPI），另一种是通过深共熔溶剂提取（DES）获得的FBPI（DES-FBPI）。DW-FBPI采用了一种专利技术，结合了真空、高压空气和筛分工艺，而DES-FBPI则基于一种改进的深共熔溶剂提取方法，利用氯化胆碱和甘油的混合物（1:2摩尔比）与水混合，随后通过循环水浴提取蛋白质。

为了评估PAW对FBPI的影响，研究者采用了一系列分析方法，包括蛋白质含量测定、光谱分析、PAW的理化特性检测、粘度测量、Zeta电位分析、圆二色光谱（CD）分析以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。此外，还通过凝胶强度测试和3D打印性能评估来分析处理后FBPI的结构和功能变化。

在凝胶形成过程中，将FBPI悬浮液加热至不同的温度（95、85、80、79°C）以诱导凝胶化。随后，通过凝胶强度分析、粘附性测试、弹性测试等方法，评估了凝胶的物理特性。3D打印测试使用了FoodBot 3D打印机，以评估处理后的凝胶是否具备更好的可打印性和结构稳定性。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1 蛋白质含量

研究中测定了DW-FBPI和DES-FBPI的蛋白质含量。DW-FBPI的原始蛋白质含量为86.02%，经过校正后为74.32%；而DES-FBPI的原始蛋白质含量为96.61%，校正后为83.47%。DES-FBPI的蛋白质含量显著高于DW-FBPI，这可能与其提取方法有关，因为深共熔溶剂提取可能减少了非蛋白质成分，提高了蛋白质的纯度。

#### 3.2 光谱分析

通过光谱分析，研究者检测到了PAW中的反应性物种，包括臭氧、过氧化氢和亚硝酸盐。这些物种的生成表明等离子体处理成功地改变了水的化学性质。PAW的pH值从6.09降低至4.15，氧化还原电位（ORP）也显著提高，显示出更强的氧化能力。这些变化为后续的蛋白质改性提供了基础。

#### 3.3 PAW的理化特性

PAW的pH值、ORP和电导率显著低于原始的MilliQ水。例如，pH值从6.09降至4.15，ORP从285 mV提升至385 mV，电导率从0.9 μS增加到36.93 μS。这些数据表明，PAW中的活性物种可以显著改变水的理化特性，从而影响蛋白质的结构。

#### 3.4 pH测量

在DW-FBPI和DES-FBPI中，初始pH值在PAW处理后发生了变化。对于DW-FBPI，PAW处理后pH值从4.37升至6.55，而对照组的pH值为6.47。处理后的pH值略高于对照组，但经过所有搅拌周期后，两者之间的差异不再显著。这表明DW-FBPI具有一定的缓冲能力，能够抵抗pH的剧烈变化。

对于DES-FBPI，pH值在处理前后没有显著变化，这可能与其高含量的天冬氨酸和谷氨酸有关，这些氨基酸具有缓冲作用，有助于维持蛋白质溶液的稳定性。

#### 3.5 溶解性

溶解性是衡量蛋白质在水中的分散能力的重要指标。研究结果显示，DW-FBPI的溶解性约为42.6%，而DES-FBPI的溶解性约为69.4%。尽管PAW处理在某些研究中显示出提高蛋白质溶解性的潜力，但在本研究中，处理并未显著提升FBPI的溶解性。这可能与处理时间、等离子体类型以及蛋白质的初始结构有关。例如，某些研究显示，等离子体处理可以增加蛋白质表面的亲水性，从而提高溶解性，但本研究中并未观察到这种效果。

#### 3.6 电导率

在DES-FBPI中，电导率的测量显示处理前后没有显著差异。这与某些其他研究中的结果不同，那些研究中电导率显著增加。本研究中的处理条件可能较为温和，不足以显著影响电导率。此外，pH的变化对电导率的影响较小，因为DES-FBPI的pH值变化有限。

#### 3.7 粘度

粘度是衡量蛋白质悬浮液流动性的指标。研究发现，DW-FBPI和DES-FBPI在PAW处理前后粘度没有显著变化。然而，在搅拌过程中，粘度有所下降，这可能与蛋白质分子的重新排列有关。处理后的样品在搅拌初期表现出更高的粘度，但随着搅拌时间的延长，粘度逐渐下降。这表明PAW处理对粘度的影响有限，且需要更长时间的处理才能产生显著变化。

#### 3.8 Zeta电位

Zeta电位是衡量悬浮液稳定性的重要参数。研究发现，PAW处理对DES-FBPI的Zeta电位没有显著影响。这可能是因为pH值的变化不足以改变蛋白质的电荷状态。此外，由于PAW的酸化程度较低，对悬浮液的稳定性影响较小。

#### 3.9 圆二色光谱（CD）分析

CD分析显示，PAW处理显著改变了FBPI的二级结构。对于DW-FBPI，α-螺旋结构减少了26.5%，而其他结构（如无规则结构和环状结构）增加。这表明PAW处理可能通过破坏α-螺旋结构，促进β-折叠结构的形成。对于DES-FBPI，α-螺旋结构几乎完全消失，取而代之的是β-折叠结构，这可能是提高凝胶强度的关键因素。

#### 3.10 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

FTIR分析显示，DW-FBPI的处理并未引起显著的分子键变化。这表明PAW处理对蛋白质的结构改变主要体现在二级结构的变化上，而非分子键的形成或断裂。这可能意味着PAW的改性作用是结构性的，而非共价性的。

#### 3.11 颜色分析

颜色分析显示，PAW处理对FBPI凝胶的颜色影响有限。对于DW-FBPI，在95°C处理后，凝胶的亮度（L*值）略有增加，这可能与PAW中的过氧化氢有关，因为过氧化氢具有漂白作用。然而，其他颜色参数（如a*和b*值）没有显著变化，表明处理对颜色的影响较小。

#### 3.12 持水能力（WHC）

持水能力是衡量蛋白质在凝胶中保持水分能力的指标，对植物基肉制品的多汁性至关重要。研究发现，DW-FBPI的持水能力在处理后没有显著变化，但凝胶温度的降低（如从95°C降至85°C）显著提高了持水能力。这表明凝胶温度是影响持水能力的主要因素。而DES-FBPI的持水能力在未处理的情况下就已经很高，因此处理对其持水能力的影响不明显。

#### 3.13 3D打印性能

3D打印性能是评估植物基蛋白质在食品工业中应用潜力的重要指标。研究发现，PAW处理后的FBPI凝胶在3D打印过程中表现出更好的结构稳定性。例如，处理后的DW-FBPI凝胶在80°C处理后，打印出的结构更加均匀，且没有出现明显的变形。而DES-FBPI在79°C处理后，打印出的结构也更加稳定，这可能与β-折叠结构的形成有关。

#### 3.14 纹理分析（TPA）

TPA分析显示，PAW处理对凝胶的硬度和粘附性有显著影响。对于DW-FBPI，在95°C处理后，处理样品的硬度显著低于对照样品，表明其凝胶结构更柔软。而在85°C处理后，处理样品的粘附性显著提高，这可能与蛋白质结构的改变有关。对于DES-FBPI，在79°C处理后，处理样品的硬度和粘附性显著提高，这可能与β-折叠结构的形成有关。

#### 3.15 粘弹性分析

粘弹性分析显示，PAW处理显著提高了FBPI凝胶的存储模量（G'）和损失模量（G''）。对于DW-FBPI，在95°C处理后，处理样品的G'值显著高于对照样品，表明其凝胶结构更强。而对于DES-FBPI，在79°C处理后，处理样品的G'值显著增加，这表明其凝胶结构的稳定性得到了提高。这些结果表明，PAW处理能够增强蛋白质的凝胶性能，但需要在特定的处理条件下才能达到最佳效果。

### 4. 结论

总体而言，PAW处理在改善FBPI的流变性能和某些纹理参数方面表现出一定的效果。处理后的FBPI在凝胶强度和抗变形能力方面有所提高，这可能与β-折叠结构的形成有关。然而，PAW处理对溶解性、粘度和持水能力的影响较小，这表明需要进一步优化处理条件，以实现更全面的功能性提升。此外，处理时间的长短对结果的影响较大，8分钟的处理时间在某些情况下已经能够显著提高凝胶性能。未来的研究可以进一步探索不同处理参数对FBPI功能的影响，以优化其在食品工业中的应用。