喷雾干燥底物在真空热反应过程中乳清蛋白分离物-葡聚糖美拉德共轭物的结构与功能演变

《International Journal of Biological Macromolecules》：Structural and functional evolution of whey protein isolate-dextran Maillard conjugates during vacuum thermal reaction of spray-dried substrate

本研究开发了一种新型干热加热方法，通过真空热反应制备乳清蛋白 isolate（WPI）-低聚糖（DX）美拉德共轭物。多光谱分析显示，100℃真空热反应4小时后接枝度（DG）达40.07%，FTIR证实共价结合，CD光谱和荧光光谱表明蛋白质构象松散化及微环境亲水性增强，SEM显示孔隙结构优化。功能测试表明，共轭物乳化活性指数（EAI）提升49.84%，稳定性指数（ESI）提高84.22%，显著优于传统方法。该工艺结合喷雾干燥与真空热处理，避免了溶剂使用和 lyophilization 成本，为工业化生产提供了新途径。

　　这篇研究探讨了一种新颖的干热方法，用于通过真空热反应制备乳清蛋白分离物（WPI）与葡聚糖（DX）的美拉德反应共轭物。美拉德反应是一种广泛存在于食品加工中的非酶促反应，它涉及还原糖与蛋白质中的氨基基团之间的相互作用。这种反应不仅能够改变蛋白质的结构，还可能对其功能特性产生深远影响，如提高溶解性、增强乳化性能等。研究采用喷雾干燥作为初始步骤，以确保蛋白质与多糖之间的紧密接触，为后续的美拉德反应创造理想的物理条件。接着，通过真空热反应进行进一步处理，该方法在一定程度上能够限制蛋白质的变性，并减少过度褐变的发生。最终，这种方法能够得到一种流动性良好的粉末产品，无需中间步骤如冷冻干燥或溶剂处理，从而提高产品的稳定性并延长其保质期。

美拉德反应的复杂性在于其涉及多个步骤，包括席夫碱形成、阿马多里重排、脱水、碎片化以及最终的聚合形成高级美拉德产物。在异质生物大分子系统，如蛋白质-多糖混合物中，这些反应路径更为复杂，因为存在多个反应氨基酸侧链、空间位阻效应以及疏水-亲水相互作用。这些因素使得美拉德共轭物的制备在工业层面面临一定的挑战。例如，传统的湿热方法虽然能够促进反应，但可能会导致蛋白质变性、聚集，以及在高温水溶液中乳化性能的下降。而传统的干热方法，如冷冻干燥，则可能需要较长的反应时间，同时成本较高，难以实现大规模生产。

相比之下，本研究提出的方法结合了喷雾干燥与真空热反应，能够在保证反应效率的同时，避免上述问题。喷雾干燥技术能够将蛋白质与多糖混合成均匀的干燥粉末，而真空热反应则有助于在较低温度下进行美拉德反应，从而减少对蛋白质结构的破坏。此外，该方法避免了对溶剂或冷冻干燥的依赖，使得整个过程更加高效和经济。这种结合不仅提高了反应的可控性，还为大规模工业生产提供了可行性，具有重要的实际应用价值。

为了系统评估该方法的效果，研究采用了多种光谱分析技术，包括紫外-可见光谱（UV–Vis）、荧光光谱、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）以及圆二色光谱（CD）。这些技术能够从不同角度揭示共轭物的结构演变和功能特性变化。例如，UV–Vis和荧光光谱的结果表明，美拉德反应在真空热反应过程中持续进行，并且随着反应时间的延长，反应程度逐渐增加。在4小时的真空热反应后，反应程度达到了40.07%。FT-IR光谱则进一步验证了蛋白质与多糖之间的共价结合，并展示了反应过程中蛋白质结构的变化。CD光谱分析结果显示，α-螺旋和β-折叠结构的含量减少，而无规卷曲结构的含量增加，表明蛋白质的三级结构在反应过程中有所松弛。这种结构的变化可能与蛋白质表面疏水性的降低和亲水微环境的形成有关，这在进一步的分析中得到了验证。

具体而言，随着反应的进行，蛋白质的表面疏水性下降，而溶解性提高。这种变化对于乳化性能具有重要影响，因为表面疏水性降低通常意味着蛋白质在油水界面的吸附能力增强，从而改善乳化活性和乳化稳定性。研究结果显示，乳化活性指数从22.99提升至34.45，增幅达49.84%；乳化稳定性指数从18.19提升至33.51，增幅达84.22%。这些数据表明，通过真空热反应制备的WPI-DX共轭物在乳化性能方面表现出显著的提升，优于传统的喷雾干燥对照样品。

此外，扫描电子显微镜（SEM）分析进一步揭示了真空热反应过程中共轭物的微观结构变化。结果显示，随着反应的进行，共轭物的微观结构变得更加开放，这可能与蛋白质结构的松弛和多糖的引入有关。这种结构的变化有助于提高共轭物在食品体系中的应用性能，如增强其在复杂环境下的稳定性。

从更广泛的角度来看，本研究不仅为美拉德共轭物的制备提供了一种新的方法，还为理解其结构与功能之间的关系提供了新的视角。美拉德反应在食品工业中具有重要的应用价值，尤其是在改善蛋白质的稳定性和功能性方面。通过本研究的方法，可以在不依赖外部化学试剂的情况下，利用食品中的天然成分进行反应，这符合现代消费者对天然和清洁标签产品的偏好。

在实际应用中，美拉德共轭物可以作为高效的乳化剂、稳定剂或增稠剂，广泛应用于乳制品、肉制品、烘焙食品以及功能性食品等领域。此外，由于多糖如葡聚糖具有良好的水溶性和低粘度，它们在美拉德反应中的引入能够进一步提升共轭物的性能。例如，葡聚糖可以增强蛋白质在极端条件下的溶解性，同时通过其亲水特性改善乳化性能。这种特性使得美拉德共轭物在食品加工中具有更高的适应性和应用潜力。

然而，尽管美拉德反应在食品工业中展现出广阔的应用前景，其在实际生产中的应用仍面临一些挑战。首先，反应条件的精确控制对于获得高质量的共轭物至关重要。温度、湿度、反应时间以及pH值等因素都会对反应的进程和产物的性质产生重要影响。因此，需要在实验过程中对这些参数进行细致的调整和优化，以确保最终产物的稳定性和功能性。其次，美拉德反应的复杂性使得其产物的分离和纯化过程较为困难。在异质系统中，反应产物可能与其他成分发生复杂的相互作用，从而影响其纯度和应用效果。因此，开发高效的分离和纯化技术对于实际应用具有重要意义。

最后，本研究的成果表明，结合喷雾干燥和真空热反应的干热方法是一种有效且经济的策略，能够实现美拉德共轭物的大规模制备。这种方法不仅克服了传统湿热和干热方法的局限性，还为食品工业中蛋白质-多糖共轭物的开发提供了新的思路。随着对美拉德反应机制的深入研究和相关技术的不断进步，未来有望在更多食品体系中实现这种共轭物的应用，从而进一步拓展其在食品工业中的潜力。