豌豆蛋白新型微颗粒化技术：结构转变、凝胶性能增强、分散稳定性提升及异味掩蔽效应研究

《Food Frontiers》：Novel Microparticulation of Pea Protein: Structural Transformation, Enhanced Gelation, Dispersion Stability, and Off-Taste Masking

　　

摘要专业翻译 豌豆分离蛋白（PPI）存在溶解性差、凝胶形成能力弱及不良感官属性等问题，限制了其在植物基食品中的广泛应用。本研究报道了一种结合pH偏移、高压均质和热处理的新型三阶段植物蛋白微颗粒化制备工艺。与天然PPI相比，微颗粒化豌豆分离蛋白（MPPI）的功能特性得到显著改善。微颗粒化使体积加权中位粒径（d50）约降低10倍（从约61.8 μm降至约6.2 μm），表观颗粒密度约降低1.9倍（从1.07 g/cm3降至0.57 g/cm3）。味觉分析进一步揭示，微颗粒化改变了PPI的味觉特征，其中涩味和苦味等异味发生显著变化。利用LUMiSizer对15%（w/v）MPPI分散液的分析显示，与PPI相比，沉降速度降低85.5%，沉降高度降低99.6%，反映出胶体稳定性显著改善。结构表征揭示，与PPI相比，MPPI的表面疏水性和内源荧光强度显著降低，而游离巯基含量显著增加（从320.26 nmol/mg增至1571.20 nmol/mg），证实了MPPI因蛋白质解折叠、随后疏水核心包埋及巯基暴露而发生的广泛结构去稳定化。流变学分析表明，MPPI的储能模量（G′）和稠度指数（K）比天然PPI高约一个数量级，且在振荡变形下具有优异的结构韧性。原位凝胶化实验显示，MPPI在加热和冷却过程中形成了更致密、机械强度更高的弹性凝胶，最终G′值显著更高。上述研究结果证实，微颗粒化是释放PPI结构和功能潜力、推动其在更广泛植物基食品领域应用的有效策略。

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一、研究背景与意义

全球气候变化与粮食安全问题的日益严峻，推动了蛋白质生产从动物源体系向植物源体系的战略转型。畜牧业贡献了全球人为温室气体排放的9%至14%，并占用了不成比例的农业用地。用可持续植物蛋白替代部分动物蛋白，可显著降低排放和土地压力。在替代蛋白类别中，植物蛋白是商业成熟度最高的品类，大豆、豌豆和小麦是主要来源。然而，植物蛋白普遍面临溶解度差、凝胶能力弱、乳化性能不佳以及异味导致的感官缺陷等公认的功能局限，难以复现动物蛋白基食品的品质。

豌豆分离蛋白（PPI）虽然致敏性低、成本低廉且具有健康益处，但其功能性和感官性能的不足严重制约了其在植物基食品领域的广泛应用。蛋白微颗粒化是一种新型的结构化策略，通过改变蛋白的聚集模式、疏水性和热特性来改善功能品质。此前已有研究利用热剪切工艺、超临界流体辅助雾化等方法制备蛋白微颗粒，并在乳清蛋白等动物蛋白源上取得商业成功（如CP Kelco公司的SIMPLESSE脂肪替代品）。近年来，大麻蛋白、菜籽蛋白、大豆蛋白、小麦面筋蛋白及豌豆蛋白微凝胶的研究均显示出微颗粒化在改善起泡性、乳化性、口感及稳定Pickering乳液等方面的潜力。

然而，尚无研究系统性地将碱性pH偏移、双阶段高压均质、热聚集和喷雾干燥组合应用于豌豆蛋白微颗粒化，并对其颗粒特性、分散稳定性、凝胶行为、非线性流变学（大振幅振荡剪切，LAOS）及分析味觉特征进行全面评价。本研究旨在通过天然PPI与微颗粒化豌豆分离蛋白（MPPI）的系统对比，阐明微颗粒化对豌豆蛋白流变和凝胶行为的影响机制，并评估其掩蔽豌豆蛋白异味的潜力。

二、研究设计与技术方法

研究人员采用10%（w/v）的PPI水分散液，依次进行以下处理：将pH调至11并搅拌120分钟以促进球蛋白解折叠和溶解；将pH回调至7后，在900 bar压力下经高压均质机（HPH）处理两次；随后在95°C水浴中加热30分钟以驱动蛋白聚集形成稳定的微颗粒支架；快速冷却后再次经HPH处理两次；最后通过喷雾干燥（进风温度150°C，出风温度50°C，进料速率250 mL/h）将分散液转化为稳定的MPPI粉末。

研究中采用的关键技术方法包括：激光衍射粒度分析仪测定粒径分布；气体比重瓶测定表观颗粒密度；ANSA荧光探针法测定表面疏水性；内源荧光光谱评估蛋白质三级结构；DTNB比色法测定游离巯基含量；LUMiSizer光离心分散分析仪评估分散稳定性；Insent电子舌系统（TS6000A）进行味觉分析；扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构；Discovery HR20流变仪开展振荡温度斜坡、流动扫描、振荡振幅扫描及LAOS非线性流变测试。PPI和MPPI凝胶的制备方法为：15%（w/v）分散液在90°C水浴加热30分钟后冰浴快速冷却至20°C，4°C储存过夜。

三、主要研究结果

3.1 粉末特性与组成

微颗粒化使MPPI的体积加权中位粒径（d₅₀）从约61.8 μm降至约6.2 μm，降低近10倍，粒径分布显著变窄（D10 = 2.48 μm，D90 = 12.00 μm；PPI为D10 = 24.63 μm，D90 = 140.33 μm）。表观颗粒密度从1.07 g/cm3降至0.57 g/cm3，降低约1.9倍。MPPI的水分含量从8.59%降至5.74%，脂肪含量从4.09%降至3.80%，蛋白质含量从85.21%升至86.32%。MPPI的持水性（WHC）显著低于PPI（0.17 vs 5.14），这与其微米级粒径、增大的比表面积及减少的孔隙率有关，反映了更高的溶剂化倾向而非功能缺陷；持油性（OHC）变化不显著。

3.2 蛋白质理化性质

MPPI的表面疏水性和内源荧光强度较PPI显著降低，表明微颗粒化过程中蛋白质解折叠后经热聚集将疏水位点包埋于新形成的微颗粒簇内部。MPPI的游离巯基含量从PPI的320.26 nmol/mg显著增至1571.20 nmol/mg，增加约5倍，证实高压均质破坏了豌豆球蛋白（legumin 11S和vicilin 7S）的天然球状结构，使原本埋藏的巯基暴露。巯基暴露与二硫键再形成同时发生，但暴露为主导效应，喷雾干燥的短停留时间和蒸发冷却限制了进一步氧化。

3.3 微观结构

SEM图像显示，PPI呈现粗大、聚集的大颗粒形态，而MPPI颗粒显著更小、更均匀，虽存在较多团聚体但均处于较小尺度。这一观察与粒径分析结果一致，并支持MPPI凝胶网络强化和更高储能模量的结构基础。

3.4 分散行为

LUMiSizer分析显示，MPPI分散液（15% w/v）的沉降速度从PPI的3.916 μm/s降至0.568 μm/s，降低85.5%；沉降高度从12.17 mm降至0.047 mm，降低99.6%；稳定性指数从1.08增至2.27。MPPI分散稳定性的显著改善归因于微颗粒化将大蛋白聚集体分解为更小颗粒，增强了蛋白-水相互作用并减少了颗粒间聚集。

3.5 味觉特性

电子舌分析显示，MPPI的苦味和苦味余味显著降低，涩味也显著减弱。苦味降低与表面疏水性下降有关，微颗粒化将苦味活性化合物（如皂苷和儿茶素）包埋于蛋白基质中限制了其释放；涩味降低归因于疏水位点的包埋减少了多酚与唾液蛋白的结合。

3.6 流变学特性

振荡温度斜坡实验表明，PPI和MPPI分散液在初始阶段即呈现G′ > G″的弹性主导特征。在90°C恒温保持后期，两者模量均急剧上升，但MPPI的上升速率和幅度显著大于PPI，归因于MPPI更高的游离巯基含量（1571.20 vs 320.26 nmol/mg）为硫醇-二硫键交换提供了更大反应池。冷却阶段两者模量持续增长，MPPI最终G′值显著高于PPI。

流动扫描显示，两种凝胶均呈现剪切变稀行为，但MPPI凝胶在整个剪切速率范围内的表观黏度比PPI高约一个数量级。Sisko模型拟合显示，MPPI的稠度指数（K = 5.26 Pa·sⁿ）显著高于PPI（1.35 Pa·sⁿ），而流动行为指数（n = 0.30 vs 0.24）差异不显著。

振幅扫描显示，MPPI凝胶的平台G′值（约10^-2 MPa）比PPI（约10^-3 MPa）高约一个数量级。MPPI的临界应变（约3%–5%）高于PPI（约1%–2%），表明微颗粒化网络具有更强的结构韧性和抗变形能力。

LAOS分析中，PPI在所有应变水平下均呈现狭窄、近线性的椭圆，表明结构稀疏、交联密度低；MPPI则呈现更宽、更倾斜的椭圆，且环面积随应变增加而扩展，反映更强的黏性耗散和周期内非线性行为，与应变刚化及后续部分屈服行为一致。

四、结论与展望

本研究证实，结合碱性pH偏移、高压均质和热处理的新型三阶段微颗粒化工艺可显著改变PPI的结构、流变和感官特性。MPPI的中位粒径降低近10倍，表观颗粒密度降低1.9倍，表面疏水性和内源荧光显著降低，游离巯基含量增加约5倍，共同证实了微颗粒化诱导的广泛蛋白质解折叠和结构重排。电子舌分析表明微颗粒化降低了苦味和涩味。流变学上，MPPI形成了更强的黏弹性凝胶和更坚固的热致凝胶，G′值高一个数量级，结构韧性更优。分散稳定性提高2倍，沉降速度和沉降高度分别降低85.5%和99.6%。未来研究应关注二级结构表征（FTIR或圆二色谱）、工艺放大、HPH压力和温度参数优化、模拟口腔加工中的摩擦学性能，以及MPPI在模型植物基食品体系中作为脂肪替代物和质地改良剂的应用。综合而言，微颗粒化是突破豌豆蛋白天然功能局限、实现其功能工程化的有效平台。