超声波对金合欢籽蛋白浓缩物提取效率及功能特性的影响

《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Effect of Ultrasound on Extraction Efficiency and Functional Properties of Acacia Seeds Protein Concentrates

超声波处理显著提升两种金合欢种子（Acacia cyclops和Acacia microbotrya）及大豆的蛋白质提取率（最高增加10.92%）和功能特性（发泡能力提升至37.93%，乳化指数达5.48 m2/g），并通过FTIR和SDS-PAGE证实蛋白质结构发生改性。

　　本研究探讨了超声波处理对两种桉树（*Acacia*）种子（*Acacia cyclops* 和 *Acacia microbotrya*）以及大豆蛋白提取效率和功能特性的影响，并与未处理样品进行了对比。研究结果表明，超声波处理在提高蛋白产量和改善其技术功能特性方面具有显著效果，为这些植物蛋白在食品工业中的应用提供了新的可能性。在食品行业日益重视植物蛋白替代品的背景下，这项研究对于推动澳大利亚本土植物蛋白的商业化具有重要意义。

### 背景与意义

*Acacia* 作为一种澳大利亚原产的植物，其种子含有丰富的蛋白质（18%–35%）和膳食纤维（34%–41%），是潜在的植物蛋白来源之一。尽管如此，由于其蛋白产量较低以及技术功能特性不足，目前在商业上的应用仍受到限制。相比之下，大豆蛋白因其较高的蛋白含量（35%–45%）和良好的营养价值，长期以来主导了全球的植物蛋白市场。然而，大豆蛋白中存在一些过敏原和抗营养因子，如甘豆球蛋白、β-甘豆球蛋白、凝集素、胰蛋白酶抑制剂、皂苷和植酸，这些成分可能影响人体对营养的吸收。此外，高温处理会破坏蛋白质的结构，降低其功能特性，因此，开发一种非热处理技术来改善蛋白质的提取和功能特性成为食品科学领域的一个重要研究方向。

超声波技术作为一种非热处理方法，具有安全、无毒、环保等优势，并且能够显著改善蛋白质的技术功能特性，如乳化活性、溶解性、水保持能力（WHC）、油保持能力（OHC）、发泡能力（FC）和发泡稳定性（FS）。本研究选择 *Acacia cyclops*、*Acacia microbotrya* 和大豆作为研究对象，旨在评估超声波处理对其蛋白提取效率和功能特性的影响，从而为开发新的植物蛋白产品提供科学依据。

### 实验方法与处理条件

在实验中，采用了六种不同的超声波处理条件，包括不同的功率（60 W、80 W 和 100 W）、频率（20 kHz）和处理时间（15 min 和 20 min）。经过比较，80 W、20 kHz 和 20 min 被选为最优处理条件，因为这一组合在三种蛋白中均能显著提高蛋白产量。处理后的蛋白通过等电点沉淀法进行提取，最终使用冷冻干燥技术进行干燥处理。

为了评估蛋白质的功能特性，实验采用了多种方法，包括发泡能力（FC）和发泡稳定性（FS）、乳化活性指数（EAI）、水保持能力（WHC）和油保持能力（OHC），以及溶解性（Solubility）和体外蛋白消化率（IVPD）。这些功能特性对于蛋白质在食品中的应用至关重要，例如乳化、发泡、稳定性和营养利用率。

### 实验结果与分析

实验结果显示，超声波处理对三种蛋白的产量和功能特性均有显著提升。以 *Acacia cyclops* 为例，超声波处理后的蛋白产量提高了 10.92%，发泡能力提升了 36.15%，乳化活性指数增加了 130%，水保持能力提升了 5.5%。对于 *Acacia microbotrya*，蛋白产量提升了 6.37%，发泡能力提升了 30.53%，乳化活性指数提高了 134%。而大豆蛋白在超声波处理后，产量提高了 7.84%，发泡能力提升了 29.91%，乳化活性指数增加了 110%。这些数据表明，超声波处理在提高植物蛋白的产量和功能特性方面具有显著效果。

此外，超声波处理还显著提高了蛋白质的溶解性。在 pH 4 条件下，超声波处理后的溶解性显著高于未处理样品，而在 pH 14 条件下，溶解性达到最高值。这一现象可能与超声波处理引起的蛋白质分子结构变化有关，例如蛋白质的展开和分子量的降低，从而增加了其在溶液中的溶解能力。

乳化活性指数（EAI）的提高表明超声波处理能够增强蛋白质的乳化能力，使其更适用于食品配方中的乳化应用，如沙拉酱和调味品。发泡能力的提升则意味着超声波处理后的蛋白质在气泡形成和稳定性方面表现更佳，可用于制作 whipped cream、nougat 和 meringue 等产品。

水保持能力和油保持能力的增强，说明超声波处理能够提高蛋白质的吸水性和吸油性，这对于面包、蛋糕等需要良好水分保持的食品具有重要意义。同时，超声波处理还显著提高了体外蛋白消化率（IVPD），表明其对蛋白质的可消化性和营养价值具有积极影响。

### 蛋白质结构分析

为了进一步理解超声波处理对蛋白质结构的影响，研究采用了傅里叶变换红外光谱（ATR–FTIR）和十二烷基硫酸钠–聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS–PAGE）技术。ATR–FTIR 分析显示，超声波处理后蛋白质的二级结构发生了显著变化，β-折叠结构的比例减少，而随机卷曲和 β-转角结构的比例增加。这些结构变化可能是由于超声波引起的分子间相互作用破坏，如氢键和疏水相互作用，从而导致蛋白质结构的重新排列。

SDS–PAGE 分析则揭示了超声波处理对蛋白质分子量分布的影响。在还原条件下，超声波处理后的蛋白质表现出不同的分子量分布，表明其可能经历了部分降解或解聚。而在非还原条件下，超声波处理的样品显示出更明显的蛋白质条带，表明其可能保留了更多的天然结构。

### 讨论与意义

研究结果表明，超声波处理能够显著提高 *Acacia* 种子和大豆蛋白的产量和功能特性，这为植物蛋白在食品工业中的应用提供了新的可能性。特别是在需要高乳化能力、发泡能力、水保持能力和油保持能力的食品中，超声波处理后的蛋白质表现出更优越的性能。这不仅有助于开发新的植物蛋白产品，还可能推动澳大利亚原生植物蛋白的商业化，提高其市场价值。

同时，研究也指出，尽管超声波处理在提升功能特性方面表现出色，但某些未处理样品仍保留了较高的功能特性，这提示在实际应用中需要综合考虑处理条件与产品需求。此外，超声波处理对蛋白质结构的影响可能与其在食品中的应用特性密切相关，例如乳化、发泡和稳定性。

### 结论

综上所述，超声波处理在提高 *Acacia* 种子和大豆蛋白的产量和功能特性方面具有显著效果。这一技术不仅能够有效提取蛋白质，还能改善其在食品中的使用性能，为植物蛋白的商业化提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨不同处理参数对蛋白质功能特性的影响，以及如何优化处理条件以达到最佳效果。此外，结合其他非热处理技术，如酶处理或微波处理，可能有助于进一步提升蛋白质的功能特性，从而拓宽其在食品工业中的应用范围。