球磨结合高压均质化对豌豆蛋白的结构、物理化学性质及功能特性的影响

《Food Chemistry: X》：Consequences of ball-milling combined with high-pressure homogenization on structure, physicochemical and functional properties of pea protein

豌豆蛋白通过球磨（BM）与高压均质（HPH）联合处理显著改善其功能特性，包括溶胀能力提升40.86%，乳化活性指数（EAI）达97.17%，泡沫稳定性和水结合能力分别提高288.84%和64.18%。BM处理（8小时）联合HPH（120MPa）协同作用促使蛋白质颗粒尺寸减小，表面疏水性增强，并改变二级结构，β-折叠占比降低，随机卷曲和β-转角升高，促进更稳定的胶体网络形成。

　　
本研究针对商业豌豆蛋白的功能特性不足问题，探索了球磨（BM）与高压均质（HPH）联合处理对其结构及功能特性的影响。研究采用实验室规模的处理方案，结合SEM、FTIR、荧光光谱等分析方法，系统评估了联合处理对豌豆蛋白微观结构、理化性质及功能特性的作用机制。

在工艺参数设计上，BM处理设置0、2、4、8小时梯度，采用行星式球磨机（转速400转/分钟，球料比1:8）进行机械粉碎；HPH处理设定0、40、80、120MPa压力级差，使用高压均质机（三循环）进行剪切破碎。实验特别设计了BM预处理联合HPH处理的协同组，旨在观察两种物理改性方法的叠加效应。

结构分析显示，BM单独处理使豌豆蛋白颗粒直径从未处理的10-50μm范围缩小至8-30μm，SEM图像显示蛋白质表面出现裂纹和片状结构。当联合HPH处理（120MPa）时，颗粒直径进一步降低至3-15μm，形成蜂窝状孔隙结构（图1）。FTIR光谱分析表明，处理后的蛋白质二级结构发生显著转变：β-折叠含量降低至22.32%，而β-转角和随机卷曲比例分别提升至34.56%和35.89%。这种结构转变可能通过机械力破坏氢键网络，促进分子重排。

物化性质检测发现，联合处理组的浊度较未处理组降低64.41%（从0.59NTU降至0.21NTU），Zeta电位绝对值提升至-11.37mV。表面亲脂性（H0）指标显示，联合处理组达到39.24%的增幅，较单一处理分别提高3.86%和15.98%。这种协同效应源于BM的机械力破坏蛋白质聚集结构，使疏水氨基酸暴露，而HPH的高压剪切进一步解折叠蛋白质，形成更均匀的表面微结构。

功能特性测试表明，联合处理组在多项指标上实现突破性提升：溶豆性（40.86%）、乳化活性指数（97.17%）、乳化稳定性指数（327.03%）和泡沫稳定性（288.84%）。其中，泡沫稳定性达到288.84%，较单一处理组分别提升194.35%和85.62%。水持留量（WHC）增幅达67.63%，凝胶硬度提升1203.87%，显示出处理后的蛋白质网络结构更致密。

机制分析方面，表面亲脂性（H0）的显著提升（57.82%）与疏水氨基酸暴露程度直接相关。荧光光谱显示最大激发波长保持不变（280nm），但荧光强度提升37.42%，表明蛋白质疏水核心更易与荧光探针结合。SH含量检测显示，联合处理组SH含量达36.02%，较单一处理组分别增加23.79%和12.93%，说明机械力促进了巯基的暴露和二硫键的形成。

工业化应用潜力方面，研究指出当前工艺存在能耗较高（球磨机温升需间歇冷却）、设备维护成本（磨球和均质膜更换频繁）等问题。建议后续研究重点包括：开发联动机型降低能耗、优化循环处理参数、评估喷雾干燥等连续生产方式的可行性。同时需验证中试规模下的稳定性，特别是处理后的蛋白质在高温加工中的耐热性。

该研究首次系统揭示了BM与HPH协同作用的时空效应：BM处理8小时可使颗粒细化至微米级，而120MPa HPH处理在2分钟内即可完成纳米级均质。这种预处理与后处理的时序组合显著提升了设备利用率，实验数据显示联合处理组的单位能耗功能提升系数（功能增益/能耗比）达2.37，优于单一处理（1.15和1.72）。

在应用领域，研究团队已成功将改性豌豆蛋白应用于植物基蛋白饮料（pH 3.5稳定性提升41%）、即食蛋白棒（保质期延长至18个月）和挤压膨化食品（水分保持率提高29%）。特别在替代乳清蛋白的婴幼儿配方食品中，改性豌豆蛋白的乳化活性指数达到90.2%，接近最优值92.3%。

未来研究方向包括：开发在线监测系统实时控制处理参数；研究不同pH值对改性效果的影响；探索与其他物理场（如超声波）的协同效应。经济性评估表明，每吨改性豌豆蛋白的生产成本可降低至$1200，较传统化学改性（$1800）具有显著竞争优势。

该研究为植物蛋白功能化改性提供了新范式，其核心创新在于：1）建立机械力与高压均质协同作用的定量关系模型；2）揭示蛋白质表面微结构重塑对功能特性的影响机制；3）开发模块化设备实现连续化生产。这些突破性进展为植物基食品蛋白质的工业化应用奠定了理论基础和技术储备。