《International Journal of Biological Macromolecules》：Ultrasonication-induced modification of functional, structural and rheological properties of Rice bean (
Vigna umbellata) protein isolate for 3D printable food ink applications
编辑推荐：
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超声波处理有效改进了米豆蛋白分离物的结构。
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功能性特性和体外蛋白质消化率显著提高。
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结构修饰减少了蛋白质聚集并提高了其分散性。
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改良后的米豆蛋白在食品应用中表现出更优异的流变性能。
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超声波处理的米豆蛋白有助于开发出性能
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超声波处理有效改进了米豆蛋白分离物的结构。
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功能性特性和体外蛋白质消化率显著提高。
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结构修饰减少了蛋白质聚集并提高了其分散性。
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改良后的米豆蛋白在食品应用中表现出更优异的流变性能。
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超声波处理的米豆蛋白有助于开发出性能稳定的3D打印食品墨水。
引言
近年来，由于全球对可持续蛋白质来源的需求不断增加，基于植物的蛋白质受到了广泛关注[1]。然而，尽管这些蛋白质在新兴食品应用中具有巨大潜力，但未充分开发的植物蛋白质来源（尤其是米豆(Vigna umbellata)在高级应用（如3D打印食品墨水）中的使用仍然鲜有探索。基于植物的蛋白质越来越多地被研究作为3D打印墨水的材料来源；然而，它们的功能、结构和流变特性（包括剪切变稀行为和屈服应力）在决定打印性能方面起着关键作用。虽然基于豆类的3D打印墨水为个性化及可持续饮食提供了营养价值，但要实现能够顺利挤出并在沉积后保持结构完整性的适当流变特性仍是一个主要挑战。通过修饰来优化功能性和结构性质，有可能克服这些限制。因此，在未充分利用的豆类作物中，米豆在经过适当的的功能性和结构修饰后，成为开发3D打印食品墨水的有前景的蛋白质来源。
新型蛋白质来源，包括那些具有高营养价值和低环境影响的未充分利用的豆类作物，正被探索作为传统动物源蛋白质和商业上可接受的植物蛋白质的可持续替代品[2]。这将丰富蛋白质来源，增强农业食品系统的韧性，并推动下一代食品和生物材料应用的功能性发展。米豆(Vigna umbellata)是一种未充分利用的豆类作物，它近年来越来越受到关注，被认为是一种可持续且农业上稳健的、富含蛋白质的植物基蛋白质来源，在食品产业中具有巨大潜力[3], [4]。米豆的蛋白质含量高达18–32%，氨基酸组成均衡，消化率为60%[5]。必需氨基酸占总蛋白质的36–40%，其中赖氨酸（6.5–8.7%）、蛋氨酸（1–1.5%）、亮氨酸（7.5–9.5%）、缬氨酸（4.5–5.9%）和苏氨酸（3.5–5.4%）的浓度较高[6]。尽管其蛋白质含量相对较高，氨基酸组成与其他豆类（如黑豆、芸豆、豇豆和绿豆）相当，但米豆蛋白的研究仍然少于大豆、绿豆和豌豆等豆类[7]。此外，除了其农业和营养价值外，还有必要对其结构和功能潜力进行表征，以用于食品配方开发。然而，与其他经过广泛研究的豆类蛋白质相比，目前尚缺乏关于原始米豆蛋白和超声波处理后米豆蛋白的结构与功能特性及其在3D食品打印中应用关系的数据。因此，为了多样化低过敏原的植物蛋白来源，米豆(Vigna umbellata)可以作为另一种蛋白质选择进行研究。
天然的植物基蛋白质通常具有由广泛的非共价相互作用稳定的紧凑球形构象，这限制了它们与周围相的相互作用。这种结构刚性阻碍了它们的水合、分散和吸附动力学，从而导致溶解度降低、界面活性减弱以及凝胶形成能力受限。因此，这些限制限制了它们在食品系统中的广泛应用[8], [9], [10]。因此，对天然植物基蛋白质进行可控的结构修饰对于增强其功能性质和提高其在多种食品基质中的性能至关重要[11]。在新兴的修饰技术中，超声波是一种非热性的、环保的、无化学添加剂的物理方法，可用于改变植物蛋白质的结构和功能特性[12], [13]。超声波诱导的蛋白质修饰的主要机制是声空化作用，它涉及 liquid medium 内微气泡的形成、增长和破裂。这一过程会产生局部高温、瞬态压力、冲击波和微射流，破坏蛋白质三级和四级结构中的非共价相互作用（氢键、疏水相互作用和范德华力）[14]。同时，超声波处理过程中产生的微流和剪切力可以促进蛋白质构象的重排以及先前被掩盖的疏水区域的暴露，从而改变蛋白质的溶解性、乳化性、凝胶化和质地特性。研究表明，超声波处理可以诱导蛋白质构象的变化、表面疏水性的改变以及功能性能的提高，支持了超声波诱导的结构修饰在改变蛋白质功能中的作用[15], [16]。未经修饰的植物基蛋白质往往缺乏制作3D打印墨水所需的物理化学特性，如通过喷嘴的适当流动性、沉积后形状的精准性以及保持结构完整性时的快速固化。这些限制可能限制了植物基蛋白质作为可食用墨料在3D食品打印中的应用。因此，将蛋白质修饰与3D食品打印结合是一种有前景的方法，可以定制植物蛋白质的结构和流变特性，从而提高打印性能、形状保真度并开发出创新的食品产品。
多项研究报道了超声波处理对大豆、豌豆、蚕豆、绿豆、藜麦和南瓜籽中提取的蛋白质的有效性，包括乳化能力、泡沫稳定性、凝胶强度和消化率的改善，这些都是由于超声波诱导的构象变化所致。然而，超声波对米豆蛋白的影响尚未得到探索，这突显了系统研究的必要性。除了功能性的提升外，还探索了来自不同来源（包括豆类蛋白如米豆、藜麦、高粱、花生和亚麻籽蛋白）的结构优化植物蛋白在创新应用（如3D打印肉类模拟物）中的潜力。经过结构修饰的植物基蛋白质往往缺乏制作3D打印墨水所需的物理化学特性，如通过喷嘴的适当流动性、沉积后的形状精准性以及保持结构完整性时的快速固化。因此，对植物蛋白质的结构和功能修饰可能有助于克服这些限制，提高它们在3D食品打印应用中的适用性[19], [20]。琼脂提供了热可逆的凝胶化和结构刚性，而瓜尔胶由于其高分子量和强的水合能力而增加了粘度并表现出剪切变稀特性[17], [18]。因此，蛋白质-多糖的组合系统可以改善层堆叠，减少结构坍塌，并提高打印构件的尺寸稳定性[19], [20]。本研究旨在探讨可控超声波处理对米豆蛋白的功能、结构和流变特性的影响及其在胶体稳定3D打印墨水配方中的应用。经过优化的米豆蛋白与琼脂和瓜尔胶战略性地结合，可以为米豆提供一个新的框架，以配制富蛋白质的3D打印食品墨水。
章节片段
实验设计
采用了一种结构化的、逐步优化的方法来开发用于植物基3D打印食品墨水的米豆蛋白。该方法分为四个阶段：1）蛋白质分离，2）通过超声波对米豆蛋白进行控制性修饰，3）多尺度功能、结构和流变特性分析以确定米豆蛋白的最佳处理条件，4）基于米豆蛋白的3D打印食品墨水的配方设计。米豆从当地市场采集。
溶解度和水结合能力
表1显示了原始米豆蛋白和经过超声波处理的米豆蛋白的溶解度。超声波处理显著（
p?
结论
本研究证明，超声波处理有效改变了米豆蛋白的结构构象，使其在3D打印食品墨水的开发中得到了应用。超声波处理对米豆蛋白的结构特性具有时间依赖性影响，这体现在其流变特性、粒径分布、微观结构、分子相互作用、结晶度和体外消化率的变化上。
局限性与未来展望
本研究仅限于米豆蛋白的表征及其在模型中的潜力评估。
未来研究应重点比较米豆蛋白与其他植物蛋白的打印和功能性能，并评估其感官属性、保质期和储存稳定性。
CRediT作者贡献声明
Charu Agarwal: 文章撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，项目管理，方法论设计，概念构思。Deepak Mehta: 形式分析，数据管理，概念构思。Arun Kumar Jugran: 数据可视化，形式分析，概念构思。Manoj Kumar Patel: 文章撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，资源协调，项目管理，方法论设计，实验研究，形式分析，概念构思。Loveleen Sharma: 文章撰写 – 审稿与编辑，数据可视化。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
作者声明，仅使用人工智能（AI）工具进行语法校正和语言优化。没有使用AI工具进行数据分析、解释或科学内容的生成。
致谢
作者感谢CSIR-CSIO（昌迪加尔）提供的分析设施和实验支持，以及诺伊达的Amity病毒学和免疫学研究所提供的SDS PAGE设备。
Charu Agarwal|Deepak Mehta|Arun Kumar Jugran|Manoj Kumar Patel|Loveleen Sharma
