新兴技术对北极虾副产物蛋白水解物理化特性及乳化性能的影响机制研究

为解决虾加工副产物利用率低、传统乳化剂可持续性差等问题，研究人员采用超声波(US)、脉冲电场(PEF)和欧姆加热(OH)等新兴技术处理北极虾副产物蛋白水解物，系统探究了其对肽段结构、表面疏水性及乳液稳定性的影响。结果表明PEF(5 kV/cm)和脉冲US处理可显著改善肽段乳化性能，获得粒径1.5μm和6.73μm的高稳定乳液，为海洋副产物高值化利用提供了创新技术路径。

　　

随着全球虾产量在2020年达到503万吨且预计2025年将增至728万吨，虾加工过程中产生的副产物（头、壳等）处理问题日益凸显。目前约三分之二的虾制品在加工后成为副产物，这些富含蛋白质的资源大多被废弃，不仅造成资源浪费，还加剧了有机废弃物处理和温室气体排放的压力。与此同时，食品工业对可持续性植物基和海洋基乳化剂的需求日益增长，传统乳蛋白和合成乳化剂面临严峻挑战。

在此背景下，丹麦技术大学国家食品研究所的研究团队开展了一项创新研究，探讨利用新兴技术改性北极虾（Pandalus borealis）副产物蛋白水解物的可行性。该研究通过超声波(US)、脉冲电场(PEF)和欧姆加热(OH)等技术手段，诱导蛋白和肽段结构变化，从而改善其胶体特性。研究成果发表在食品领域权威期刊《LWT-Food Science and Technology》上，为海洋副产物高值化利用提供了重要技术支撑。

研究人员采用酶解法（Alcalase 2.4L酶）从虾副产物中提取蛋白质，随后分别应用三种新兴技术进行处理：超声波处理（20 kHz，90%振幅，脉冲模式3s开/3s关或连续模式）；脉冲电场处理（5-6 kV/cm，50μs脉冲宽度）；欧姆加热处理（70V，50°C，10/30分钟）。通过氨基酸组成分析、快速蛋白液相色谱(FPLC)、内在荧光光谱、表面疏水性(H₀)测定、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和游离巯基含量检测等技术手段，系统表征了处理前后蛋白水解物的理化特性变化。最后通过乳液制备和稳定性测试（ Turbiscan稳定性指数(TSI)、粒径分布和ζ-电位分析）评估了其乳化性能。

3.1. 氨基酸组成

研究首先分析了北极虾副产物蛋白水解物的氨基酸组成。结果显示必需氨基酸含量达344.56 mg/g，高于世界卫生组织推荐的277 mg/g标准。其中亮氨酸(45.82 mg/g)、苯丙氨酸(67.15 mg/g)、缬氨酸(37.55 mg/g)和异亮氨酸(33.49 mg/g)等疏水性氨基酸含量较高，这些氨基酸被认为与肽段的表面活性密切相关。甲硫氨酸(18.91 mg/g)、脯氨酸、赖氨酸等具有抗氧化活性的氨基酸也存在相当含量，这可能有助于延长乳液的氧化稳定性。

3.2. 样品处理和蛋白质含量

经杜马斯法测定，所有处理样品（包括未处理对照组）的蛋白质含量均在85-88%之间，无显著差异（p > 0.05），表明新兴技术处理未导致氨基酸降解或蛋白质含量显著降低。

3.3. 快速蛋白液相色谱分析

FPLC分析揭示了分子量分布的变化。所有处理均诱导了肽段聚集现象，表现为分子量低于0.2 kDa的肽段数量减少，而高于0.6 kDa的组分增加。未处理样品中低于0.2 kDa的小肽占比53%，而经技术处理的样品中该比例降至30-35%。相反，1.06-6.5 kDa范围的肽段在处理样品中的比例(41-46%)显著高于未处理样品(24%)。在280 nm检测波长下，处理样品显示出更强的吸收峰，表明含有更多芳香族氨基酸的肽段聚集物。

3.4. 内在荧光分析、表面疏水性和游离巯基

内在荧光分析显示超声波处理导致最大发射波长(λ_max)蓝移（从372 nm移至364 nm），表明色氨酸残基处于更疏水的环境中，可能由于结构折叠和聚集。同时量子产率降低，表明这些结构与淬灭剂的相互作用增强。欧姆加热短时处理(OH 10)则增加了量子产率，提示可能破坏了初始聚集物并重新排列了肽段结构。

表面疏水性(H₀)测定表明，PEF处理（PEF 5和PEF 6）显著提高了表面疏水性（约104），而欧姆加热长时处理(OH 30)则降低了疏水性（83.38）。超声波处理对表面疏水性无显著影响。游离巯基含量在所有样品中均较低（1.79-2.31 μmol/g），与北极虾原料中半胱氨酸含量较低的特点一致。

3.5. FTIR光谱

FTIR分析显示，处理后的样品在酰胺I带（1634 cm^-1）和酰胺II带（1515 cm^-1）出现红移现象。PEF 6处理使酰胺I带移至1637 cm^-1，超声波处理使酰胺II带移至1520 cm^-1（脉冲US）和1519 cm^-1（连续US）。这些变化表明新兴技术处理导致了肽段功能基团的重新排列和相互作用改变，从而影响二级结构。

3.6. 乳液稳定性

3.6.1. ζ-电位和液滴尺寸

新鲜制备的乳液均显示较高的负ζ-电位值（约-30 mV），表明具有足够的静电斥力防止液滴聚结。24小时后，所有样品的ζ-电位均显著降低（p < 0.05）。液滴尺寸分析显示，在0小时，大多数样品的液滴尺寸低于4.3 μm，而欧姆加热处理样品（特别是OH 10）显示出较高的值（13.10 μm）。24小时后，PEF 5和脉冲US处理表现出最小的液滴尺寸（1.5 μm和6.73 μm）。

3.6.2. 光学表征-TSI值

Turbiscan稳定性指数(TSI)分析表明，PEF 5和脉冲US处理的乳液表现出最低的TSI值（9.6和9.3），表明物理稳定性最高。PEF 6处理也显示出较好的稳定性（TSI=11.03），而OH 30和未处理样品稳定性最差。所有样品在最初5小时内都表现出较快的不稳定性，这可能与深度水解产生的肽段混合物性质有关。

背向散射(BS)测量检测到样品瓶底部出现澄清区域，顶部形成奶油层，这是典型的油滴迁移现象。迁移速率计算显示，未处理样品具有最低的迁移速率（0.89 mm/h），而连续US处理样品迁移速率最高（6.48 mm/h）。PEF 5和脉冲US处理显示出较慢的液滴迁移（1.30 mm/h和1.09 mm/h），与它们的TSI值和液滴尺寸结果一致。

研究结论表明，北极虾副产物蛋白水解物具有高必需氨基酸含量和作为功能性食品配料的潜力。新兴技术处理，特别是PEF（5 kV/cm）和脉冲超声波处理，能有效改善肽段结构特性，提高表面疏水性和乳化性能。这些处理产生了最小的液滴尺寸（1.5 μm和6.73 μm）和最佳的乳液稳定性（TSI≈9.3-9.6）。相反， prolonged OH处理（30分钟）对乳液稳定性产生负面影响，可能由于过度加热引起聚集。

该研究的重要意义在于首次系统比较了多种新兴技术对虾副产物蛋白水解物功能特性的影响，为海洋加工副产物的高值化利用提供了科学依据和技术路径。研究发现通过适当的技术参数优化，可显著改善肽段的乳化性能，替代传统乳化剂，促进食品工业的可持续发展。未来研究可聚焦于肽段分级筛选、处理参数优化以及体内消化研究，进一步推动这类可持续原料的实际应用。