蚕豆蛋白分离过程中热致蛋白质聚集的机制

《Food Hydrocolloids》：Mechanisms of heat-induced protein aggregation during the faba bean protein isolation process

　　

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  蛋白质分离过程中的热处理影响蛋白分离物的分散性。
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  蛋白质聚集，而非变性本身，决定了分散性。
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  加热过程中的蛋白质浓度（PC）影响蛋白质聚集行为。
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  在低蛋白质浓度下加热有利于二硫键形成，但不影响分散性。
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  在高蛋白质浓度下，疏水相互作用驱动不可分散聚集体形成。

引言

正在向更加植物基食品体系的持续转型预计将进一步加速，主要由可持续性考量所驱动（De Feo et al., 2026）。为适应这一转变，开发能够替代动物蛋白的植物基富蛋白原料至关重要。目前市场上有众多豆类蛋白原料可供商业选择，但其技术功能性往往无法满足工业需求，从而限制了满足消费者期望的产品开发（Etzbach et al., 2024; Inanlar & Capanoglu, 2026; Wei et al., 2025; Zhang et al., 2024）。这在一定程度上与用于生产这些原料的蛋白质分离工艺的影响有关。因此，需要了解蛋白质分离工艺对植物蛋白结构特性的影响，以便为多样化的食品体系设计改进的蛋白原料。

蚕豆（Vicia faba L.）因其高固氮能力和在欧洲种植条件下的高栽培产量潜力，已成为欧洲市场一项有前景的替代蛋白作物（Jensen et al., 2010; van Loon et al., 2023; Cormack et al., 2026）。蚕豆种子中约含有19-40%的蛋白质（干重计），主要由11S和7S球蛋白组成（Warsame et al., 2018）。这些蛋白质在结构和热稳定性上均存在差异，据报道11S球蛋白的变性温度范围为85–114 °C，7S球蛋白为76–100 °C（Kimura et al., 2008; Martineau-C?té et al., 2022）。

豆类蛋白分离物通常通过湿法分离工艺生产，该工艺包括水提取、从提取物中蛋白质等电点沉淀、蛋白富集沉淀物的中和以及干燥。在工业实践中，最终的干燥步骤之前通常会有一个热处理以确保微生物安全性（Schmitt et al., 2021; Yang & Leite Nobrega De Moura Bell, 2026）。相比之下，文献中常用的实验室规模分离通常省略此步骤，这可能解释了工业生产和实验室生产的蛋白分离物在结构和功能特性上的频繁差异，例如在蛋白质分散性方面（Harasym et al., 2025; Schmitt et al., 2021; Wagner et al., 2000）。在本研究中，使用"蛋白质分散性"这一术语而非"蛋白质溶解度"，因为所测量的参数反映的是分散和离心后的蛋白质回收率（Grossmann & McClements, 2023）。然而，在此回收蛋白质部分中，蛋白质聚集体通常保持分散状态，而未真正实现分子溶解（Li et al., 2024; Lille et al., 2026）。迄今为止，据我们所知，尚无研究系统探讨蛋白质分离过程中加热步骤在决定所得分离物分散性中的作用。

已有几项研究考察了分离后对再分散的蛋白分离物粉末进行热处理如何影响蛋白质特性。在此方面需要考虑的一个重要因素是加热时的蛋白质浓度，因为工业规模蛋白质分离中施加的热处理通常是在相对较高蛋白质浓度下进行的（> 10% w_protein/v），而实验室规模研究通常采用较低的蛋白质浓度，且未专门考虑加热时蛋白质浓度的潜在影响。总体而言，加热球状蛋白质会诱导蛋白质部分展开，暴露疏水区域和巯基（Akharume et al., 2021; Shen et al., 2025）。这可能通过非共价相互作用和共价反应（如二硫键形成）促进蛋白质聚集（Akharume et al., 2021）。随着蛋白质浓度的增加，分子间相互作用的概率预计会增加，因此蛋白质浓度预计会对热诱导蛋白质聚集的程度及其引起的蛋白质特性变化产生强烈影响。

对于大豆蛋白，在蛋白质浓度>8% w_protein/v的条件下加热蛋白分离物分散液会诱导聚集（Chen et al., 2016）并降低蛋白质分散性（Wagner et al., 2000）。相比之下，在较低蛋白质浓度（≤5% w_protein/v）下进行的研究报告了蛋白质分散性效应的差异，从加热后的增加（Coker et al., 2024; Hall & Moraru, 2021; Li et al., 2025; Zheng et al., 2023）到在可比加热条件下无显著变化（Peng et al., 2016; Yang et al., 2022）。这些差异可能部分源于加热前蛋白质聚集状态的不同，例如商业与实验室生产的蛋白分离物之间的差异。在较低蛋白质浓度下，商业蛋白分离物中预先存在的聚集体可能在加热过程中被部分破坏（Li et al., 2025），从而增加蛋白质分散性。据我们所知，尚无研究系统考察加热处理时蛋白质浓度对蚕豆蛋白聚集的影响。此外，有关此类聚集的分子机制的基础认识仍然缺乏。

本研究旨在了解实验室规模蚕豆蛋白分离过程中热处理如何影响所得蛋白分离物的特性。具体而言，考察了加热温度和蛋白质浓度对蛋白质聚集状态及分散性损失的影响，主要目标是揭示在这些条件下驱动蛋白质聚集的分子相互作用。为此，从蚕豆粉中提取蛋白质并进行等电点沉淀。将蛋白富集沉淀物分别在不同蛋白质浓度（2、7和12% w_protein/v）下再分散，接受不同强度的热处理（60、80和100 °C各15分钟），随后进行冻干。对所得蛋白分离物在蛋白质分散性、热特性、聚集程度和分子相互作用方面进行了表征。

章节摘要

材料与化学品

本研究中使用的蚕豆品种为Tiffany，于2024年在比利时种植和收获，经去皮后由ILVO（比利时Merelbeke-Melle）提供。去皮蚕豆使用0.2 mm筛网的ZM 300超速离心机（Retsch GmBH，德国Haan）以20,000 RPM磨成粉。

十二烷基硫酸钠（SDS）、磷酸二氢钠二水合物、乙二胺四乙酸（EDTA）和尿素购自VWR International（比利时Oud-Heverlee）。所有其他化学溶剂和

蛋白质分散性

图2A、B和C显示了蛋白分离物分散液在离心前后的SEC-HPLC色谱图，分离物采用无热处理或在不同浓度（2、7和12% w_protein/v）及加热温度（60、80、100 °C，各15分钟）下热处理的生产工艺制备。色谱图中可以区分出五个主要峰（组），如图2A、B和C中罗马数字所示。峰的鉴定基于分子

结论

本研究旨在揭示在蚕豆蛋白分离过程中施加的热处理导致蛋白质聚集和分散性损失的决定性分子相互作用和反应。主要发现如图8所示。我们发现，在高蛋白质浓度和温度下的热处理通过形成大的、不可分散的蛋白质聚集体，显著影响了蛋白质分散性。有趣的是，我们并未发现

CRediT作者贡献声明

Ben Van den Wouwer：写作–审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、概念构思。Kristof Brijs：写作–审阅与编辑、资源提供、调查研究、资金获取、概念构思。Hilde Muylle：写作–审阅与编辑、资源提供、调查研究、资金获取、概念构思。Geert Van Royen：写作–审阅与编辑、资源提供、调查研究、资金获取、概念构思。Arno

未引用参考文献

Boukid and Castellari, 2022; Gravel and Doyen, 2023; Tulloch and Blagrove, 1985.

利益冲突声明

作者声明不存在已知的利益冲突财务关系或个人关系，这些关系可能会被认为影响本文所报告的工作。

数据可用性

数据已公开存放于 https://doi.org/10.48804/VACNWZ

（复制数据：蚕豆蛋白分离过程中热诱导蛋白质聚集机制）。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本文的过程中，作者使用了ChatGPT和Microsoft Copilot以提高稿件的可读性和语言质量。使用此工具/服务后，作者对所发布文章内容进行了审阅和编辑，并承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的利益冲突财务关系或个人关系，这些关系可能会被认为影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢佛兰德FOOD和VLAIO在CUPRIFAB项目框架内对本工作的协调和资金支持（资助编号HBC.2024.0894）。B. Van den Wouwer感谢佛兰德研究基金会（FWO Vlaanderen，比利时布鲁塞尔）提供的博士后职位（资助编号1250926N）。K. Brijs感谢鲁汶大学产业研究基金（比利时鲁汶）对其担任创新经理职位的支持。

Matthis Vanhonacker|Ben Van den Wouwer|Kristof Brijs|Hilde Muylle|Geert Van Royen|Arno G.B. Wouters