pH 值调控与高强度超声实现了藜麦蛋白分离物作为植物基乳化剂的功能设计

《Food Chemistry》：pH-shifting and high-intensity ultrasound enable the functional design of quinoa protein isolate as a plant-based emulsifier

　　藜麦蛋白分离物（QPI）从碾米副产品中获取，采用pH调节与高强度超声（HIU）联合方法进行结构调控，以增强其作为植物基乳化剂的功能。碱性条件（pH 11）促进了蛋白质展开，提高了溶解度、表面电荷以及活性基团的暴露程度，包括更高的游离巯基含量和持油能力。这些变化改善了界面活性和乳化性能。采用Box-Behnken设计优化了HIU条件和配方变量，所得乳液相分离极小（SI ≈ 0%），液滴尺寸小（0.35 ± 0.02 μm），并以弹性行为为主导（G′ > G″）。优化体系还表现出高热稳定性（80 °C下保持98%）。这些发现表明，pH诱导的结构修饰与超声相结合能够实现QPI作为高效乳化剂的功能设计，并突显了藜麦副产品作为清洁标签成分可持续来源的潜力。引言：藜麦因氨基酸组成均衡，可作为高质量植物蛋白来源（蛋白质含量12–23%），可与大豆及其他豆类相媲美，因而受到日益重视。然而，相较于大豆、豌豆及海洋蛋白等已被广泛研究的来源，藜麦蛋白在食品体系中的应用价值开发仍然不足（Dakhili等，2020）。我们此前关于甲壳类副产品（黄虾，Cervimunida jhoni）的初步工作表明，碱性提取结合高强度超声可有效从未被充分利用的蛋白质流中制备功能性乳化剂，在80 °C下达到45%的热稳定性。本研究将该方法应用并拓展至藜麦碾米残渣，后者占加工藜麦总量的19.2%，构成了具有尚未探索的乳化潜力的重要废弃物流（Dorji等，2021）。这一生物炼制策略使基于藜麦的成分能够在清洁标签、植物基乳化剂日益增长的市场中具备竞争力。为提高藜麦蛋白分离物在食品体系中的应用，全面理解其理化性质和技术功能特性至关重要，因为溶解度、zeta电位、电泳图谱及结构组织等关键特性显著影响其在食品配方中的适用性（Alsaleem等，2024）。此外，水合性能与乳化特性是决定其在乳化产品中表现的关键参数，蛋白质与油相及水相的相互作用直接影响体系的稳定性和口感（Olsmats等，2025；Zhang等，2022）。然而，蛋白质的天然结构往往限制了其溶解度和界面活性，这凸显了采用靶向修饰策略的必要性，因为pH诱导的结构修饰可改变蛋白质构象和表面性质，而这些性质对于后续的功能表现至关重要。在众多修饰技术中，高强度超声（HIU）作为提升蛋白质功能性的有效方法正受到日益关注。通过空化诱导效应，HIU可改变蛋白质结构和界面特性，从而提高乳化能力、热稳定性及流变学行为（Mir等，2019）。由于其高能量输出、合适的频率范围（20–100 kHz）以及强烈的空化效应，HIU在食品科学和工业应用中得到广泛使用，成为蛋白质修饰的关键方法（Chen等，2022）。因此，本研究通过在一个统一的结构—功能框架中整合pH调节与HIU，解决了一个关键的知识空白，用于从工业相关的副产品物流中回收QPI。具体而言，我们的目标是从碾米副产品中回收高纯度藜麦蛋白分离物（QPI），并通过pH调节有意调控其溶解度和技术功能特性，从而获得具有不同界面行为的蛋白质状态。此外，通过改变超声处理时间、声功率、蛋白质浓度和油含量优化HIU辅助的油包水乳化。对优化体系进一步表征了液滴尺寸分布、多分散性、乳化活性与稳定性、热耐受性以及流变学特性，为pH驱动展开与超声处理对藜麦基乳化剂设计的协同效应提供了机理层面的洞察。植物材料与化学试剂：白色藜麦种子（Chenopodium quinoa Willd.）由Promauka公司提供（智利Rancagua），储存于密封聚乙烯袋中，在常温避光条件下保存至加工。使用前，对种子进行目视检查以去除异物和破损籽粒。用于乳液制备的脂质相菜籽油购自当地零售商，未经进一步纯化直接使用。除另有说明外，所有化学品和试剂均为分析纯。藜麦常量和脂质分析：表1汇总了天然藜麦粉和己烷脱脂藜麦粉的常量组成，并展示了脂质去除所引起的组成变化。天然藜麦粉的水分、脂质、灰分、粗蛋白、粗纤维和总碳水化合物含量均落在此前报道的藜麦籽粒及粉类的范围内，支持了原材料的代表性以及本研究所采用分析方案的可信度。特别是，蛋白质...结论：本研究证明，藜麦碾米副产品可被高效转化为高纯度藜麦蛋白分离物（QPI），并通过pH调节与高强度超声（HIU）联合方法将其工程化为适用于食品应用的稳健乳化剂成分。碱性提取—等电沉淀工艺所获得的QPI回收率适中，但蛋白质纯度接近定量水平，最大限度地减少了通常会损害界面性能的杂质...CRediT作者贡献声明：Vilbett Briones-Labarca：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿撰写，可视化，监督，软件，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，正式分析，概念构思。Claudia Giovagnoli-Vicu?a：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿撰写，可视化，监督，调查，数据管理，概念构思。María José Bugue?o：写作 – 原始草稿撰写，可视化，验证，软件，方法学，正式...资金支持：作者Vilbett Briones-Labarca获得ANID Fondecyt常规项目（2022–2024）资金支持，项目编号1220845。利益冲突声明：作者声明，他们不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文所报告的工作。致谢：作者感谢ANID Fondecyt常规项目（2022–2024，项目编号1220845）提供的支持和资助。作者：Vilbett Briones-Labarca | Claudia Giovagnoli-Vicu?a | María José Bugue?o | Natalia Jaime | Cristian Castro-Zepeda | Diego Naranjo