通过pH偏移与超声波联合处理策略增强松茸蛋白的结构与功能特性

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》:Enhancing the structural and functional properties of Pleurotus eryngii protein through a combined pH-shifting and ultrasound treatment strategy

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年10月11日 来源:Innovative Food Science & Emerging Technologies 6.9

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   摘要Pleurotus eryngii蛋白(PEP)是一种具有较高营养价值的新型蛋白源。然而,其低溶解性和较差的功能特性限制了其在食品工业中的更广泛应用。本研究首次探讨了pH偏移与超声联合处理对PEP结构和功能特性的影响。与单独pH偏移处理相比,联合处理显著促进了结构重排,降

  

摘要

Pleurotus eryngii蛋白(PEP)是一种具有较高营养价值的新型蛋白源。然而,其低溶解性和较差的功能特性限制了其在食品工业中的更广泛应用。本研究首次探讨了pH偏移与超声联合处理对PEP结构和功能特性的影响。与单独pH偏移处理相比,联合处理显著促进了结构重排,降低了粒径(570.2至172.4 nm),提高了蛋白质溶解度(38.95%至74.28%)、Zeta电位(?14.77至?22.87 mV)、游离巯基含量(19.19至27.13 μmol/g)和表面疏水性(1138至1273)。结构分析表明,联合处理诱导了PEP二级结构和三级结构的大量变化,增加了α-螺旋和β-折叠的含量,并暴露了更多的疏水基团。此外,联合处理显著提高了持油性(1.10至4.21 g/g)、持水性(1.02至4.70 g/g)、乳化活性(20.33至68.86 m2/g)和起泡能力(108.18%至252.73%)。这些结果表明,超声与pH偏移处理对增强PEP的功能特性具有协同作用,尤其是其初始起泡性和乳化性。总体而言,本研究提出了一种有前景且具有创新性的方法来增强PEP的功能和结构特性,有望拓展其在产品开发与食品加工中的潜在应用。

引言

蛋白质是生物系统中至关重要的组成部分,在细胞结构、能量产生和代谢过程中发挥着关键作用。由于人体无法储存蛋白质,因此需要通过饮食摄入充足的优质蛋白质,以促进生长发育及其他生理过程(Boye, Wijesinha-Bettoni, & Burlingame, 2012)。近年来,食品工业正朝着向无动物来源蛋白的新兴可持续蛋白质来源转变的方向发展。这一转变的主要驱动力是持续增长的人口对全球蛋白质来源造成的压力,以及满足特定消费群体(如素食者和食物过敏者)营养需求的必要性(Fu et al., 2021)。Pleurotus eryngii蛋白(PEP)作为一种有前景且可持续的替代品而备受关注。它提供了所有必需氨基酸,尤其富含赖氨酸和亮氨酸,从而弥补了大多数植物蛋白中常见的氨基酸缺陷(Hanafi, Asri, Auwal, Brishti, & Saari, 2025)。随着食品工业的不断演变,PEP的功能特性,尤其是其稳定乳浊液和泡沫的能力,在新食品产品的开发中变得越来越重要(Huang et al., 2024)。起泡性和乳化性是蛋白质最重要的功能特性之一,在蛋糕、奶油顶料和冰淇淋等产品的质地、稳定性和感官特性方面发挥着关键作用(Shan et al., 2024)。尽管具有这些优势,原生蛋白在食品系统中的直接应用通常受到固有缺陷的限制,如溶解性差和功能特性不足(Akharume, Aluko, & Adedeji, 2021)。这些局限性限制了其在各种食品加工过程中的适用性。此外,与传统植物基和动物基蛋白相比,关于PEP的研究相对有限,这在一定程度上阻碍了其工业化和更广泛的应用。因此,迫切需要开发新的加工方法,以实现对PEP受控的结构变化,从而增强其功能特性并拓展其在食品工业中的潜在应用。
目前,众多新型加工技术(如pH偏移、高强度超声和酶改性)被广泛用于修饰植物蛋白的分子构象,从而增强其溶解性和功能特性(Dash, Singh, & Singha, 2022; Tang, Yao, Xia, Cheong, & Tu, 2024)。其中,pH偏移被认为是一种简单而有效的蛋白质结构修饰方法。该方法通常涉及在强酸性或强碱性条件下溶解蛋白质以促进蛋白质展开和亚基解离,随后通过中和恢复接近原生的pH环境。在此过程中,三级结构完整性被打破,分子内相互作用减弱,通常埋藏于蛋白质核心的巯基和疏水基团得以暴露,形成熔融球状状态(Shen et al., 2023; Sun et al., 2025)。pH偏移处理已被证明可显著提高不同植物蛋白(如大豆蛋白、豌豆蛋白和花生蛋白)的功能特性,这凸显了其在提高植物来源蛋白的利用率和应用多样性方面的显著潜力(Jiang, Chen, & Xiong, 2009; Li et al., 2020; Zhu, Huang, Guo, & Chen, 2021)。尽管pH偏移已被证明可增强动物和植物蛋白的起泡性能,但由此产生的结构变化往往不足以满足食品工业对具有增强界面活性和多功能行为的蛋白质的日益增长的需求。因此,研究互补加工技术以进一步改善蛋白质功能性的兴趣与日俱增,尤其是起泡性和乳化性。在此背景下,联合改性策略作为一种极具前景且有效的方法应运而生。
超声是一种公认的、安全的、环保的且可持续的食品加工技术,已在食品工业中得到广泛应用(Li et al., 2024)。这种非热物理处理常用于蛋白质改性,因为它能产生强烈的空化效应、剪切力和湍流,这些效应有效地修饰蛋白质的结构和聚集行为(Song, Zhong, Sun, Yue, & Qi, 2023; Wang, Jiang, & Shi, 2025)。这些机械力可以破坏蛋白质聚集体的稳定性,减小粒径,并诱导蛋白质二级结构和三级结构的构象变化(Huang et al., 2024)。因此,超声处理已成为增强基于蛋白质的原料的功能和理化特性的可行方法。越来越多的证据表明,超声与pH偏移的联合使用所产生的结构和功能变化比单独使用任一处理方法更为显著。例如,研究表明,这种联合方法可大幅提高各种植物蛋白(如米蛋白(Zhang et al., 2018)、大豆蛋白(Lee et al., 2016)、豌豆蛋白(Jiang et al., 2017)和菜籽蛋白(Li et al., 2020))的功能特性,且比单独使用超声或pH偏移方法更有效。这些结果表明,超声与pH偏移在增强蛋白质功能性方面具有协同效应。尽管取得了这些令人鼓舞的进展,但近期关于超声辅助pH偏移改性的研究主要集中在传统植物基和动物基蛋白上。相比之下,关于这种联合处理对PEP影响的研究仍然匮乏。鉴于来自不同来源的蛋白质在氨基酸组成、亚基结构和分子柔韧性方面存在显著差异,它们对相同外部处理的反应本质上各不相同,且不能直接从一个蛋白质体系外推到另一个体系。因此,超声辅助pH偏移作为修饰PEP并增强其功能特性的有效策略的潜力仍然 largely 未被探索,这进一步凸显了对系统性深入研究的必要性。据此,本研究首次系统性地将该双重改性策略(pH偏移联合超声)应用于PEP。通过多尺度结构表征与功能性评价相结合,本研究为联合处理诱导的PEP重塑提供了结构证据,并有助于阐明其功能性提升背后的构效关系。
因此,本研究采用超声联合pH偏移处理来修饰PEP的结构特性。为确定单独处理和联合处理下PEP的结构性质和热稳定性,系统地采用了多种分析技术,包括傅里叶变换红外光谱(FTIR)、荧光光谱、紫外光谱(UV)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和热重分析(TGA)。随后,通过测量粒径、Zeta电位、溶解度、持水性、持油性、乳化性和起泡性来评估这些处理对PEP表面和功能特性的影响。这些结果为超声处理与pH偏移联合用于PEP改性提供了基本的见解。此外,这些结果也为食品工业中PEP的开发与利用提供了理论依据和重要参考。

章节片段

材料

Pleurotus eryngii蛋白根据先前的研究方案(Qian, Zhang, Dong, Qiu, & Zhao, 2025)进行提取,并保存在室温干燥环境中直至使用。粗成分(水分、粗蛋白、多糖和灰分)和氨基酸组成如附表S1所示,通过SDS-PAGE测定的亚基分布如图S1所示。所用试剂包括碳酸钠、氢氧化钠、盐酸和五水合硫酸铜。

pH偏移和超声处理对PEP溶解性的影响

决定植物蛋白能否作为功能性配料在食品工业中应用的因素之一是水溶性(Grossmann & McClements, 2023)。图1(B)表明,仅pH偏移处理时,PEP的溶解度随pH值的升高先降低后升高,在pH 12.0时达到最大溶解度。这一现象可解释为:在pH值高于7.0时,蛋白质的净负电荷增大,从而促进多肽链的展开。

结论

本研究首次考察了pH偏移与超声联合处理对PEP功能和结构特性的影响。结果表明,联合处理对PEP的主要功能特性(如溶解度、持水性(WHC)、持油性(OHC)、乳化活性指数(EAI)、乳化稳定性指数(ESI)、起泡能力(FC)和泡沫稳定性(FS))具有显著的正向影响。这些功能性的改善伴随着明显的结构变化。高强度超声的应用进一步增强了紫外吸收以及……

CRediT作者贡献声明

钱正(Zheng Qian):撰写——原稿、可视化、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。邵心雨(Xinyu Shao):验证、软件、调查。王志强(Zhien Wang):验证、软件、调查。胡西允(Xiyun Hu):验证、软件、调查。涂怡(Yi Tu):撰写——审阅与编辑。张思洁(Sijie Zhang):撰写——审阅与编辑、监督、资源、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本工作得到了浙江农林大学暨阳学院科研发展基金人才启动项目(RC2025F03)、浙江省大学生创新训练计划项目(S202613283017 和 S202613283036)以及台州市科技计划项目(25nyb18)的资助。
钱正 | 邵心雨 | 王志强 | 胡西允 | 涂怡 | 张思洁
浙江农林大学暨阳学院,中国诸暨 311800
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