利用顺序低温等离子体与高压处理对稻糠蛋白进行功能化修饰：增强与κ-卡拉胶的共轭作用及热可逆凝胶形成

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Functionalization of rice bran protein through sequential cold plasma and high-pressure processing: Enhanced conjugation and thermoreversible gel formation with kappa carrageenan

　　

摘要

米糠蛋白（RBP）尽管具有平衡的氨基酸谱和低致敏特性，但由于溶解性和凝胶能力差，在食品应用中常被忽视。本研究调查了冷等离子体（CP）和高压处理（HPP）在修饰 RBP 方面的协同效应，以实现与卡拉胶（CAR）的有效共轭和热可逆凝胶化。CP 处理促进了蛋白质展开并增加了 RBP 反应性氨基酸侧链的暴露，导致与 CAR 的接枝度更高；然而，它在构建强共轭凝胶网络方面效果较差。相比之下，HPP 促进了有利的构象重排，增强了分子间相互作用和凝胶网络形成，但对共轭贡献较小。序贯 CP 和 HPP 处理结合了这些互补效应，产生了高接枝的 RBP-CAR 共轭物（44.28%）和具有改善持水能力和溶胀行为的稳定凝胶。动态流变学测试确认所有样品均存在溶胶 - 凝胶转变，其中 CP + HPP 修饰的 RBP-CAR 凝胶表现出更高的蠕变恢复率和比天然 RBP 凝胶高 1.8 倍的粘结力。此外，CP + HPP 修饰和共轭将天然 RBP 凝胶固有的热不可逆行为转化为热可逆行为，与单独使用 CP 或 HPP 制备的凝胶（4 次循环）相比，在连续加热 - 冷却循环 6 次后仍保持凝胶形成能力。这些发现表明，CP + HPP 是定制蛋白 - 多糖共轭物和发展具有潜在应用的热可逆植物蛋白基凝胶的有效策略，应用于质构改性食品、包埋系统及其他功能性食品配方。

引言

热可逆凝胶是三维基质，表现出对温度响应的溶胶和凝胶状态之间的转变。这些凝胶广泛用于布丁、酸奶和涂抹酱等食品，以及饮料中，以赋予令人愉悦的“入口即化”感。此外，热可逆蛋白凝胶的粘弹性行为能够高效包埋和控释生物活性化合物，从而支持个人的营养和膳食需求 (Chen et al., 2025)。目前，热可逆凝胶主要由动物蛋白（如明胶和肌原纤维蛋白）制备，而植物蛋白中的热可逆凝胶化行为仅限于大豆蛋白和豌豆蛋白 (Zhang, Chen, et al., 2023; P. Zhu et al., 2022)。

在植物蛋白中，米蛋白低致敏，具有平衡的氨基酸谱、高消化率和生物价值 (Roy et al., 2023)。然而，由于溶解性和界面张力差，其在水性食品系统中的应用受到限制。这主要与高含量的谷蛋白组分有关，它们倾向于通过强疏水相互作用和二硫键（S-S）交联形成致密聚集体 (Z. Li et al., 2025)。因此，提高米蛋白的功能特性对于扩展其在食品配方中的利用至关重要，特别是在基于凝胶的食品中。在这方面，Lian 等人 (2024) 证明，碱性溶液（0.075 M）中的米蛋白（10%）可在 25°C 下 30 分钟内形成凝胶，指出凝胶化强烈依赖于碱浓度。同样，米蛋白的碱热处理修饰了其二级结构，并支持与其他植物蛋白（如豌豆蛋白）形成更密的凝胶网络 (Xu et al., 2023)。

糖基化（也称为美拉德反应或非酶褐变）是一种有效的修饰方法，促进碳水化合物羰基与蛋白质游离氨基之间的共价结合 (Thirunavookarasu et al., 2022)。该方法在蛋白质表面引入亲水且空间位阻大的基团，从而增强静电排斥和空间位阻 (Gao et al., 2024)。因此，它提高了蛋白质的溶解性、胶体稳定性和分子间相互作用。重要的是，蛋白 - 碳水化合物共轭通过促进更均匀和致密的网络结构形成来影响蛋白质的凝胶化行为 (Kutzli et al., 2021)。

近年来，非热技术日益被探索用于加速糖基化反应，同时最大限度地减少蛋白质的热降解 (Gao et al., 2024)。冷等离子体（CP）是一种离子化非平衡态，含有活性物种（RS），如活性氧和氮物种，这些物种诱导蛋白质展开、氧化和氨基酸侧链修饰，从而暴露埋藏的功能基团并改善与碳水化合物羰基的偶联 (Velusamy & Radhakrishnan, 2025)。Tan 等人 (2025) 表征了大气冷等离子体（ACP）处理的大豆蛋白 - 乳糖共轭物，并制备了由疏水和静电相互作用驱动的稳定的热诱导共轭凝胶。

高压处理（HPP）是另一种非热技术，使用 100 至 600 MPa 范围内的超高压来减少分子间空隙并改变非共价相互作用，包括蛋白质中的氢键和离子键，随后导致结构重排和与碳水化合物形成新的共价键 (Dash et al., 2024; Queirós et al., 2018)。Zhang 等人 (2020) 报道超 HPP 增加了藻蓝素与 20,000 右旋糖酐的共轭，从而影响其功能和结构特性。尽管单独的非热技术在增强蛋白质修饰和糖基化反应方面显示出潜力，但 CP 和 HPP 对蛋白 - 碳水化合物糖基化及随后热可逆凝胶形成的综合效应仍未得到充分探索。因此，本研究旨在调查 CP 和 HPP 预处理对米糠蛋白糖基化行为的影响及其在促进热可逆凝胶形成中的后续作用。

章节片段

材料

米糠油饼采购自印度泰米尔纳德邦坦贾武尔的 GB 食品 oils 私人有限公司。卡拉胶（CAR）提取自红海藻，由印度泰米尔纳德邦库姆巴科纳姆的 Prasmo Agri 慷慨提供。所获 CAR 的纯度为 84.56%，其分子量通过以葡聚糖标准品校准的高效凝胶渗透色谱测定为 794 kDa。实验中使用的所有其他化学试剂均为分析纯，均购自

接枝度和游离氨基

糖基化程度通常由接枝度指示，表明稳定中间体（如席夫碱和阿马多里产物）的形成 (Kim et al., 2024)。图 2a 展示了天然和修饰的 RBP-CAR 共轭物的接枝度。在共轭物中，天然 RBP-CAR 共轭物的接枝度显著最低，为 28.68%，随着 RBP 的 HPP 和 CP 修饰而增加 (图 2a)。Tan 等人 (2025) 报告了最高

结论

总之，CP 后接 HPP 的序贯预处理有效诱导了 RBP 中的氨基酸氧化和蛋白质展开，这增强了其在温和干热条件下与 CAR 的接枝。所得的 CP + HPP 修饰的 RBP-CAR 共轭物表现出比单独 CP 或 HPP 预处理所得产物显著更高的溶解性和热稳定性。此外，CP + HPP 修饰的共轭物凝胶形成了组织良好且稳定的网络，其特征为

CRediT 作者贡献声明

Monica Velusamy: 撰写 – 原稿，验证，方法论，调查，获取资助，正式分析，概念构思。 Mahendran Radhakrishnan: 撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，调查，概念构思。

资助

本工作得到印度政府科学与工业研究委员会 (09/1038(23439)/2025-EMR-I) 的支持和资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本报告中所述的工作。

Monica Velusamy|Mahendran Radhakrishnan

非热加工卓越中心，食品加工技术系，国家食品技术、创业与管理研究所 - 坦贾武尔分校 (NIFTEM-T)，印度坦贾武尔