不同pH下冷冻处理对马铃薯蛋白凝胶特性影响机制及其抗冻性优化研究

本研究针对冷冻过程中马铃薯蛋白凝胶品质劣变问题，系统探究了pH 2、7、10条件下凝胶的理化特性、微观结构及水分分布变化。结果表明碱性条件（pH 10）通过增强氢键（8.58%）和离子键（2.03%）形成致密有序网格结构，使持水性高达97.88%，冷冻后仍保持97.18%，显著优于中性和酸性条件。研究为调控植物蛋白凝胶抗冻性提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着冷冻食品市场需求增长，植物蛋白凝胶在鱼丸、冷冻肉制品等产品中的应用日益广泛。然而冷冻过程中形成的冰晶会破坏凝胶网络结构，导致持水性下降、质地硬化等问题，严重影响产品质量。马铃薯蛋白因其高消化率和均衡氨基酸组成被视为优质植物蛋白来源，但其凝胶在冷冻储存中的稳定性机制尚不明确。特别是pH值通过影响蛋白质分子间作用力（离子键、氢键、疏水作用和二硫键），可能成为调控凝胶抗冻性能的关键因素。

为系统解析pH对马铃薯蛋白凝胶冷冻特性的影响机制，山西农业大学山西省马铃薯遗传改良与种质创新重点实验室的研究团队在《LWT》发表论文，通过多尺度分析揭示了不同pH条件下凝胶在冷冻前后的结构演变规律。研究人员采用15%浓度马铃薯蛋白分离物(PPI)，在pH 2、7、10条件下制备热诱导凝胶，分别进行4℃冷藏和-20℃冷冻处理。研究综合运用动态流变分析、质构测试、扫描电镜(SEM)、低场核磁共振(LF-NMR)、差示扫描量热(DSC)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)等技术，从宏观特性到分子机制全面解析了凝胶性能变化。

动态流变特性分析显示（3.1节），pH 7凝胶在87.51°C出现凝胶点，冷却阶段储能模量(G′)和损耗模量(G″)缓慢增加并趋于平衡；pH 10凝胶在88.6°C形成凝胶点，冷却阶段模量持续上升表明形成稳定凝胶；而pH 2凝胶在加热阶段模量持续下降，冷却阶段才出现急剧上升，表明酸性条件下凝胶形成能力较弱。

质构与色差分析结果（3.2节）表明，冷冻前pH 7凝胶硬度最高（0.73 N），pH 10次之（0.31 N），pH 2最低（0.19 N）。冷冻后pH 7和pH 10凝胶硬度显著增加，而pH 2变化不明显。色度分析显示pH 10凝胶颜色最深，可能与碱性条件下蛋白质多酚类物质化学变化有关。扫描电镜观察（3.4节）发现pH 10凝胶形成最致密均匀的网络结构，孔径最小；pH 7凝胶孔径分布均匀但结构粗糙；pH 2凝胶则呈现不完整、不规则的大孔结构。冷冻后所有凝胶结构均遭到破坏，但pH 10凝胶仍能保持相对完整的网络。

持水性(WHC)测定（3.3节）显示冷冻前pH 10凝胶持水性最高（97.88%），pH 7次之（97.12%），pH 2最低（67.55%）。冷冻后pH 10凝胶持水性仅略微下降至97.18%，而pH 7和pH 2分别降至80.43%和60.47%，表明碱性条件能有效维持凝胶的持水能力。

低场核磁共振分析（3.5节）揭示水分分布特征：pH 10凝胶水分主要分布在10-100 ms范围，呈现强烈收敛峰；pH 7和pH 2凝胶水分分布范围更宽（10-1000 ms）。冷冻后pH 7凝胶主峰分裂并向长弛豫时间拓宽，pH 10凝胶主峰略微拓宽并出现100-1000 ms范围的次峰，而pH 2凝胶分布基本不变，说明冷冻对不同pH凝胶的水分状态影响程度不同。

差示扫描量热分析（3.6节）显示pH 2凝胶相变焓值最高（-243.45 J/g），表明形成更多冰晶；pH 7和pH 10凝胶焓值相近（约-228 J/g），说明冰晶形成较少。傅里叶变换红外光谱分析（3.7节）发现pH 10凝胶β-折叠含量从49.45%增加到50.33%，促进了蛋白质分子间相互作用，形成更稳定的凝胶网络。

可溶性蛋白含量和电泳分析（3.8节）表明pH 10凝胶可溶性蛋白含量最高，冷冻后pH 7和pH 10凝胶可溶性蛋白显著降低，说明冷冻过程中部分可溶性蛋白重新参与网络形成。SDS-PAGE显示pH 2凝胶主要通过分子间二硫键形成，Patatin亚基部分参与凝胶形成，而蛋白酶抑制剂(PI)起主要作用；pH 10凝胶中某些糖蛋白亚基（31-43 kDa）未参与凝胶形成，成为可溶性蛋白的主要组分。

总巯基含量测定（3.9节）显示pH 10凝胶巯基含量最高，pH 2次之，pH 7最低。冷冻后pH 10凝胶总巯基含量显著增加，可能与蛋白质结构展开暴露出内部巯基有关。分子间作用力分析（3.10节）表明pH 10凝胶氢键和离子键比例最高，这些作用力是保持水分的主要力量；pH 7凝胶二硫键含量最高，而pH 2凝胶各种作用力都较弱。

研究最终得出结论：pH通过调控马铃薯蛋白凝胶的分子间作用力模式，显著影响其抗冻性能。碱性条件（pH 10）促进氢键和离子键形成，创造有序的蛋白质聚集环境，形成致密均匀的凝胶网络结构，有效限制水分迁移空间，减少冰晶形成和对结构的破坏，从而保持优异的冷冻稳定性。酸性条件（pH 2）则导致凝胶结构粗糙不均，持水能力差，冰晶形成量大，抗冻性能最差。该研究不仅阐明了pH影响马铃薯蛋白凝胶冷冻稳定性的机制，还为开发高品质冷冻植物蛋白制品提供了重要的理论指导和技术途径。