碱性处理下序贯高压微流化与热处理将酵母蛋白转化为高溶解性纳米颗粒

《Current Research in Food Science》：Sequential high-pressure microfluidization and heat treatment under alkaline treatment process transforms yeast protein into highly soluble particles

　　

对微生物蛋白尤其是酵母蛋白（yeast protein, YP）日益增长的关注，推动了研究人员探索新方法以克服其工业应用局限，如溶解性不足。本研究建立了一种在碱性处理（alkaline treatment, AT）条件下将高压微流化（high-pressure microfluidization, HPM）与热处理（heat treatment, HT）相结合的序贯工艺（AT-HPM-HT），系统考察不溶性YP转化为稳定、高溶解性纳米颗粒过程中发生的结构与功能转变。结果表明，在AT条件下引入HPM并于90 °C加热（AT-HPM-HT90）获得最高溶解性（88.45%）、持水性（3.68 g/g）和持油性（5.62 g/g），优于单一处理或两种组合处理。这些改善与粒径减小、α-螺旋（α-helix）含量降低及表面疏水性增强相关，表明构象重排促进了蛋白与溶剂之间的相互作用。该研究可为在AT条件下整合HPM与HT以改性YP提供方法与理论基础，从而提升其在多种食品应用中的适用性。

Jing Du等围绕微生物蛋白尤其是酵母蛋白（yeast protein, YP）的加工改性开展研究。YP占酵母干重35%–60%，营养质量可与乳清蛋白相比，具有氨基酸谱平衡、低致敏、低胆固醇/低脂等特征，且生产过程可持续、不依赖气候和土地资源，并已在多国被认为可安全食用。然而，YP在食品工业中的应用受低溶解性严重限制，这一局限源于其致密、聚集的蛋白状态。极端pH等化学改性可诱导蛋白展开并增加静电排斥，但对YP这类高度聚集蛋白常不足以获得理想构象；热处理（heat treatment, HT）可促进展开，但缺乏高效破坏大聚集体的机械力；超声或传统均质则存在能量分布不均或剪切强度不足等问题。因此，需要更强的联合策略以诱导不可逆结构转化。高压微流化（high-pressure microfluidization, HPM）通过微通道相互作用腔使流体以极高速度冲击，产生超高剪切和剧烈冲击力。研究人员据此假设，在持续碱性环境下序贯施加HPM机械力和HT，可实现YP的不可逆结构转化：碱性处理（alkaline treatment, AT）将YP调至pH 12以展开并保持可溶、可反应状态，HPM破坏聚集体，受控HT引导重折叠形成稳定纳米结构，随后中和至pH 7。该研究考察整合工艺对YP理化性质的改变，构建高溶解性、功能性纳米颗粒，为低值YP转化为高功能食品配料提供方法和理论基础。

关键技术方法概括：样本来源为Angel Yeast Co., Ltd.提供的YP（蛋白含量82.4%）。研究人员设置对照、60/90 °C HT、100 MPa单次HPM、AT以及AT与HT/HPM组合（含AT-HPM-HT60和AT-HPM-HT90）；AT样品调至pH 12，处理后中和至pH 7。关键技术包括溶解度与浊度测定、持水性（water holding capacity, WHC）和持油性（oil holding capacity, OHC）、粒径与Zeta电位、游离巯基（–SH）含量、扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）、ANS荧光法测定表面疏水性（H₀）、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR）二级结构、内源荧光和十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, SDS-PAGE），并采用单因素方差分析和Tukey检验进行统计。

3.1 酵母蛋白溶解性与浊度：通过溶解度和浊度测定发现，天然YP溶解度仅12.7%，HT略增，AT显著提高至38.4%，AT后HPM或HT90进一步增溶，AT-HPM-HT90最高达88.5%，为YP的6.97倍；浊度结果与溶解度一致，天然YP浊度最高，AT-HPM-HT90样品透明且600 nm吸光度接近0，说明序贯处理显著提高溶解性并降低聚集。

3.2 WHC和OHC：通过WHC和OHC分析发现，YP的WHC和OHC最低，HT提高OHC，AT显著提高二者，AT-HPM-HT90最高，其WHC较YP增加180.9%、OHC增加84.1%。原文将WHC提升归因于粒径降低和比表面积增大，将OHC提升归因于隐藏疏水基团暴露和H₀增加。

3.3 粒径与Zeta电位：通过粒径和Zeta电位分析发现，YP为平均直径60.23 μm的微米级聚集体，HT增大粒径，AT降低粒径，AT后HPM进一步降低，AT-HPM-HT样品粒径最低。HT或AT单独对Zeta电位无显著影响，AT过程中HPM显著降低Zeta电位绝对值，序贯HPM和HT90又提高其绝对值，原文归因于热展开暴露颗粒内表面电荷残基。

3.4 游离–SH含量：通过游离–SH测定发现，HT或AT单独无显著影响，AT中联合HPM和/或HT90显著增加–SH含量，AT-HPM-HT90最高，约为YP的2倍，表明结构展开和/或二硫键断裂，弱化分子间作用并促进聚集体解离。

3.5 微观结构：通过SEM观察发现，YP呈不规则块状且表面粗糙，HT影响轻微，AT使大块结构分解为不同尺寸碎片，AT后HT使表面变粗糙，AT-HPM或序贯AT-HPM-HT使碎片粒径分布更均匀，说明块状结构向均匀碎片转化，与粒径降低和溶解度提高一致。

3.6 表面疏水性（H₀）：通过ANS荧光测定H₀发现，AT显著提高YP的H₀，AT后引入HPM和/或HT进一步增加，AT-HPM-90样品最高，较YP提高662.70%，表明原本隐藏的疏水残基暴露于溶剂。

3.7 二级结构：通过FT-IR分析发现，YP含35.6% β-转角（β-turn）和27.5% β-折叠（β-sheet）；HT增加α-螺旋（α-helix）并降低无规卷曲（random coil）和β-转角，构象更有序；AT降低α-螺旋并增加β-折叠和β-转角，促进展开解离；AT-HT90与AT-HPM相似，α-螺旋和β-折叠降低、无规卷曲和β-转角增加；序贯AT-HPM-HT与AT-HT或AT-HPM无显著差异，原文提示其优异功能可能与三级/四级结构及颗粒崩解有关。

3.8 内源荧光：通过内源荧光光谱发现，AT和AT-HPM使最大发射波长轻微蓝移，AT中引入HT和/或HPM增强最大荧光强度，AT-HPM-90°C最高，较YP提高201.16%；蓝移伴荧光增强表明色氨酸（Trp）残基处于较低极性微环境、溶剂淬灭减弱，原文归因于大颗粒破碎降低自淬灭及中和后疏水链重排形成致密疏水微区。

3.9 SDS-PAGE：通过SDS-PAGE发现，YP主要有>180 kDa和<15 kDa两条主带；AT、AT-HPM和AT-HPM-HT显示>180 kDa、100–180 kDa、40–50 kDa、25–35 kDa和15 kDa五个主要分子量范围，表明改性促进高分子量聚集体解离为小亚基和片段；AT-HT90在10–25 kDa低分子量条带比例较高，AT-HPM-HT90进一步降低>25 kDa条带密度并增加<25 kDa组分，解释其溶解性显著提高。

讨论部分将功能提升归因于机械应力、热和碱的联合作用导致蛋白结构解聚、粒径降低，结构拆解暴露隐藏功能基团并促使其重组装为均匀较小聚集体，从而直接改善溶解性和水合特性。研究结论（译文）：本研究表明，在AT过程中引入HPM和/或HT可显著改善YP的溶解性、WHC和OHC；AT-HPM-HT90最有效，获得最高溶解性、WHC和OHC。功能增强源于机械应力、热和碱联合导致蛋白结构解聚和粒径降低，结构拆解暴露隐藏功能基团并促使其重组装为均匀较小聚集体，直接带来优异溶解性和水合特性。该研究为开发满足当代消费者可持续和健康需求的YP基功能性食品配料提供了可行策略。原文同时指出局限：缺少非碱性HPM对照、HPM参数（100 MPa，1 pass）基于已有文献而未进行全面参数筛选、仅考察60和90 °C两个代表性温度而未系统优化；未来需分离单一机械效应并系统优化加工参数，以最大化YP功能。