低强度脉冲电场处理对Alphitobius diaperinus蛋白分离物及其复合水凝胶性能的影响

《JOURNAL OF FOOD QUALITY》：Low-Intensity Pulsed Electric Field Treatment of Alphitobius diaperinus Protein Isolates: Effects on Composite Hydrogel Properties

　　

由可持续蛋白质来源制备的复合水凝胶为开发新型功能性生物材料提供了有前景的途径。本研究考察了低强度脉冲电场（pulsed electric field，PEF）处理对Alphitobius diaperinus蛋白分离物部分理化及功能特性的影响，并评估了经冷致凝胶化制备的物理交联复合水凝胶的性能。蛋白分离物在凝胶形成前分别接受两种PEF条件处理（1.2和2.0 kV·cm^-1），凝胶化由葡萄糖酸-δ-内酯诱导。研究人员采用差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）和十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（sodium dodecyl sulphate–polyacrylamide gel electrophoresis，SDS–PAGE）评价了蛋白的选定特性，同时对所得水凝胶及气凝胶的流变学、力学、水合（持水性与溶胀性）及颜色特性进行了表征。PEF处理未显著影响蛋白变性温度（约102°C–103°C），但降低了变性焓，与蛋白分离物热行为的变化相一致。与对照相比，PEF处理样品的电泳图谱出现定性差异，包括约250 kDa条带减弱以及额外低分子量组分出现。经PEF处理蛋白制备的水凝胶比对照表现出更高的储能模量和更低的tan δ值，表明弹性行为增强。力学强度显著提高，2.0 kV·cm^-1处理组样品达2.09 N。水合功能亦得到增强，表现为持水能力（93.56%–96.99%）和溶胀能力（42.25–55.54 g·g^-1）的提高。水凝胶和气凝胶的颜色参数均受到影响。总体而言，在所评价条件下，PEF处理影响了A. diaperinus蛋白分离物的部分理化特性及所得复合水凝胶的功能性能。

**论文解读：低强度脉冲电场处理对Alphitobius diaperinus蛋白分离物及复合水凝胶性能的影响**

**研究背景与目标**

蛋白质-多糖复合水凝胶凭借可调的力学性能、优异的保水性和优于单一组分体系的理化与功能表现，在食品结构设计、封装、生物医药及可持续包装等领域具有广阔应用前景。与此同时，食用昆虫因环境足迹低、蛋白质含量高而被视为传统畜牧蛋白的可持续替代来源。然而，昆虫蛋白作为结构化基质的应用仍面临诸多挑战，其溶解性、凝胶化等技术功能特性高度依赖加工条件、昆虫种类及蛋白组分，往往需要功能化处理方可作为可持续配料使用。

脉冲电场（pulsed electric field，PEF）作为一种温和、节能的物理加工技术，近年来被用于改善蛋白质功能特性。已有研究表明，PEF对蛋白质的影响因蛋白来源和处理条件而异，涉及溶解度、聚集行为、界面活性和凝胶性能等多方面性质。然而，既有研究多集中于传统动植物蛋白，对低强度PEF处理昆虫蛋白分离物（insect protein isolates，IPI）并用于蛋白质-多糖复合水凝胶体系的研究十分有限。特别是对于新兴食用昆虫Alphitobius diaperinus（小粉虫），其在欧盟获批新型食品后受到越来越多关注，但将PEF预处理的A. diaperinus蛋白分离物用于物理交联复合水凝胶的研究此前未见报道。

基于上述空白，本研究提出假设：低强度PEF处理可改变A. diaperinus蛋白分离物的部分特性，进而影响所得复合水凝胶的流变学、力学、水合及理化性能。研究目的在于探究低强度PEF处理对A. diaperinus蛋白分离物结构特征的影响，并系统评价所得复合水凝胶的相关功能性能。

**技术方法概述**

研究人员以小粉虫幼虫为原料，经48小时饥饿、过筛去杂、沸水烫漂（100°C，1 min）、柠檬酸溶液浸泡（1%，30 min）抑制酶促褐变、40°C热风干燥、粉碎过筛制备虫粉。虫粉经正己烷三次脱脂后，采用碱溶酸沉法（pH 10.0溶解、pH 4.0沉淀）提取蛋白分离物，透析（MWCO 12–14 kDa）后冷冻干燥获得IPI粉末。PEF处理采用台式系统（OmniPEF LAB，VITAVE，捷克），在10%蛋白悬浮液中进行，场强分别设定为1.2（PEF1）和2.0 kV·cm^-1（PEF2），双极模式，频率10 Hz，200个脉冲，脉宽100 μs，总处理时间20 s。随后将PEF处理后的蛋白上清液与1%（w/v）κ-卡拉胶溶液按1:1（v/v）混合，加入0.3%（w/v）葡萄糖酸-δ-内酯（glucono-δ-lactone，GDL）原位酸化诱导凝胶，室温静置形成自支撑水凝胶。部分水凝胶经-80°C预冻后冷冻干燥48 h制得气凝胶。表征手段包括差示扫描量热法（DSC）、SDS–PAGE、动态流变学（频率扫描）、质构分析（单轴压缩）、CIE Lab颜色测定、持水能力（water-holding capacity，WHC）及溶胀能力（swelling capacity，SC）测定。所有实验均采用三批独立样品重复进行（n=3），数据经单因素方差分析和Tukey事后检验（p<0.05）进行统计比较。

**研究结果**

**3.1 蛋白分离物的热特性**

DSC热分析显示，PEF处理未显著改变蛋白的变性温度（对照与处理组均约102°C–103°C），但处理组样品的变性焓较对照降低（对照组5.355 J/g，处理组平均约5.086 J/g），表明PEF处理引起了蛋白热行为的改变。研究人员引用Perez等人的研究进行了对比，发现类似趋势亦存在于PEF辅助提取的Tenebrio molitor蛋白中。该结果提示，低强度PEF可能在不改变蛋白热稳定性的前提下，通过结构修饰影响其热特性。

**3.2 分子量分布（SDS–PAGE）**

电泳图谱显示，所有样品均存在约250、75、20、37和15 kDa的特征条带，分别可能与肌球蛋白重链、血蓝蛋白、几丁质结合蛋白及表皮蛋白等相关。与对照相比，PEF处理样品中约250 kDa条带减弱，尤其是PEF2（2.0 kV·cm^-1）条件下几乎不可检测；同时，PEF处理样品在75 kDa以下出现额外的低分子量组分，提示PEF处理影响了蛋白组分的表观分子量分布。研究人员指出，虽然已有研究报道在更高场强（10–20 kV·cm^-1）下未观察到昆虫蛋白的结构修饰，但本研究使用的是蛋白含量约77%的蛋白分离物，而非蛋白含量约43%的粗蛋白悬浮液，这可能是差异的重要原因。

**3.3 水凝胶的流变学行为**

频率扫描结果表明，所有水凝胶的储能模量（G′）均大于损耗模量（G″），且不依赖频率，证实凝胶特征；所有样品tan δ均小于1，表明以弹性行为为主。然而，PEF处理组（PEF1和PEF2）的G′持续高于对照组，tan δ更低（处理组约0.45和0.3，对照组约0.6），表明PEF处理蛋白制备的复合水凝胶表现出更强的弹性行为。大形变力学测试结果与上述粘弹性数据一致：PEF2处理组水凝胶强度显著提高至2.09 N，高于PEF1（1.22 N）和对照组（0.86 N）。尽管PEF处理未显著改变蛋白分散液的ζ-电位（约-24 mV），但GDL渐进式酸化诱导的凝胶化过程可能受益于PEF引起的蛋白构象变化，从而促进了更强网络的形成。研究人员还引用了PEF改善豌豆蛋白、鸡肉肌原纤维蛋白和鱼糜凝胶的相关报道作为佐证。

**3.4 水凝胶的颜色、持水能力和溶胀能力**

PEF处理对水凝胶和气凝胶的颜色参数产生了显著影响（p<0.05）：随着PEF强度增大，明度（L?）增大，a?值下降（趋向绿色），b?值增大（趋向黄色），色度（Chroma）在水凝胶中增大但在气凝胶中减小，总色差（ΔE）随PEF强度增大而增加（水凝胶中PEF2达4.02，气凝胶中达5.18）。颜色变化可能与PEF诱导的色素及其他化合物重新分布或释放有关。

水合性能方面，WHC从对照组的93.56%显著提高至PEF2组的96.99%；对应气凝胶的SC从对照组的42.25 g·g^-1显著提高至PEF2组的55.54 g·g^-1。已有研究报道PEF处理可促进蛋白质部分α-螺旋向β-折叠转变、增加极性氨基酸残基暴露和游离巯基含量，从而增强蛋白质分子间相互作用，形成更均质致密的蛋白基质以利于水分子截留。尽管类似机制在本研究中未被直接表征，但结果支持PEF对蛋白质水合相关功能具有修饰潜力。

**讨论与结论**

讨论部分指出，PEF处理对蛋白功能特性的影响依赖于蛋白来源、处理强度及体系状态。本研究中观察到的低强度PEF效应表明，温和处理条件足以在蛋白分离物中诱导可检测的结构变化，并显著改善复合水凝胶的弹性、强度和水合性能，而无需采用可能引起过度变性或降解的高强度电场处理。与以往在更高强度（10–20 kV·cm^-1）下未观察到昆虫蛋白修饰的研究相比，本研究使用的纯化蛋白分离物（蛋白含量约77%）可能对PEF更为敏感。研究结论为：低强度PEF处理与A. diaperinus蛋白分离物部分理化特性的改变相关，并显著影响所得复合水凝胶的性能——变性焓降低和电泳图谱差异表明蛋白特征改变；PEF处理蛋白制备的水凝胶具有增强的粘弹性、更高的力学强度和增大的持水能力，气凝胶则表现出更大的溶胀能力；PEF处理亦改变了水凝胶和气凝胶的颜色参数。总体而言，低强度PEF可在所评价条件下有效调节昆虫蛋白基复合水凝胶的选定功能特性，为昆虫源蛋白在食品系统中开发创新生物材料和拓宽工业应用提供了科学依据。该研究由欧盟Horizon 2020研究与创新计划资助（ERA Chair项目DRIFT-FOOD，拨款协议号952594）。