《Food Structure》：The Effects of Microfluidization and Ultrasonication on Gelation and Structural Properties of Spirulina
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螺旋藻凝胶特性研究系统探讨了微流化（MF）和超声处理（US）对4%、8%、12%（w/v）浓度螺旋藻悬浮液凝胶行为的影响。结果显示MF在12%浓度时显著提升凝胶强度（G'值最高达5300 Pa）、网络均匀性及水分保持能力，而US在高浓度下同样改善凝胶结构，两者均通过破坏细胞壁和促进蛋白质构象变化增强胶网形成，并伴随颜色变化。研究证实物理改性可有效优化螺旋藻凝胶性能，为功能性食品开发提供新策略。
作者：Yaren YURDAGUL | Oguz Kaan OZTURK
美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校食品科学与人类营养系，伊利诺伊州厄巴纳市，邮编61801
摘要
螺旋藻作为一种功能性微藻成分，因其高蛋白含量和有前景的技术功能特性而受到越来越多的关注。然而，其凝胶化行为以及通过物理加工技术对其进行调控的研究仍然不足。本研究系统地探讨了超声波处理（US）和微流化处理（MF）对螺旋藻悬浮液凝胶化性质的影响，实验浓度分别为4%、8%和12%（w/v）。MF和US均显著影响了螺旋藻凝胶的结构和功能特性，尤其是降低了形成稳定凝胶所需的螺旋藻浓度。经过MF处理的样品，在12%的浓度下表现出最高的凝胶强度、储能模量（G′）和改善的质地参数，同时粒径分布更加均匀，网络结构也得到了增强。US处理在较高浓度下同样显著提高了凝胶强度。两种处理方法都改变了样品的颜色特性。SDS-PAGE分析显示初级蛋白质结构没有变化，表明观察到的功能改进主要与构象重排和微观结构改变有关，这一点通过FTIR二级结构分析得到了进一步证实。总体而言，这些发现表明微流化和超声波处理是有效的物理改性策略，可以提升螺旋藻的凝胶化性能，支持其作为可持续功能性凝胶剂在食品系统中的应用。
引言
随着人口的增长和对富含蛋白质食品需求的增加，人们开始寻找可持续且高效的替代蛋白质来源。尽管取得了显著进展，但使用植物基或其他非动物蛋白复制动物源蛋白质的功能特性仍然具有挑战性（Shkolnikov Lozober等人，2021年）。在这种情况下，微藻成为了一个有前景的解决方案，它们不仅具有功能性特性，还提供了丰富的营养价值。具体来说，微藻含有高质量的蛋白质（富含必需氨基酸）、特定的生物活性蛋白（如藻蓝蛋白和异藻蓝蛋白）、维生素（维生素B12、维生素E（α-生育酚）和维生素C），以及多种生物活性化合物（如类胡萝卜素色素（β-胡萝卜素、虾青素、叶黄素、玉米黄质和岩藻黄质）和长链多不饱和脂肪酸（DHA、EPA、ALA和GLA），使其在开发创新食品和应用方面具有特殊价值（Kusmayadi等人，2021年）。
在各种微藻中，Spirulina platensis因其优越的营养成分和多种健康益处而脱颖而出。在本文中，我们将Spirulina platensis的生物质成分统称为“螺旋藻”。除了其已知的抗炎和抗氧化活性外，研究表明螺旋藻可以通过在加工过程中释放和相互作用的可溶性多糖和蛋白质来提高食品基质的功能质量，从而增强抗氧化能力、延长保质期，并改变流变性质（如粘度、剪切稀化行为和凝胶状结构的形成（Saharan和Jood，2021年；Wang等人，2022年）。这些优点使得螺旋藻被广泛应用于食品中，例如酸奶（S?zeri Atik等人，2021年）。然而，螺旋藻在天然状态下并不具备最佳的功能性。我们假设微流化（MF）和超声波处理（US）可以通过促进分子间相互作用来改善螺旋藻的溶解性、持水能力和凝胶化性能，从而解决其功能上的关键限制。此外，这些处理方法可能破坏细胞壁，促进细胞内营养物质和生物活性物质的释放，提高其在食品应用中的生物利用度和功能表现（Bernaerts等人，2018年；Rahman和Lamsal，2021年）。
超声波处理是一种强大的加工技术，它利用高频声波产生声空化作用，产生局部剪切力、高温和微射流，从而破坏细胞结构并改变大分子构象（Qian等人，2023年）。在蛋白质系统中，超声波处理可以提高溶解性，展开二级和三级结构，并暴露疏水基团和反应性基团，这些变化共同改善了水-蛋白质相互作用和凝胶化行为（Qian等人，2023年）。超声波处理还有助于分解蛋白质聚集体，减小粒径，并增加可用的结合位点数量，从而在凝胶网络形成过程中促进更强的分子间相互作用。此外，它还能提高分散均匀性，这对优化流变性质至关重要（Sandhya等人，2021年）。
另一方面，微流化（MF）是通过高压将液体通过微通道，产生强烈的剪切力和机械冲击，从而在分子水平上重新构建蛋白质结构（Kumar等人，2022年；Tello等人，2023年）。该技术显著减小了粒径，提高了均匀性，使得蛋白质基质更加均匀和稳定，从而形成更强的凝胶网络，并增强了机械性能（Li等人，2021年）。此外，这种技术通过破坏蛋白质聚集体和诱导分子重排，提高了蛋白质的溶解性、分散性和稳定性（Wang等人，2022年）。微流化过程中施加的机械力还有助于形成更密集和有序的网络结构，从而提高产品的流变和热稳定性，这对于食品加工和储存过程中的产品一致性至关重要（Bernaerts等人，2018年；Wang等人，2022年）。
这些结构改变对于在不同浓度下实现一致的凝胶化尤为重要。US和MF都能促进蛋白质的展开并暴露疏水区域，从而在加热过程中通过疏水相互作用促进凝胶网络的形成；而冷却时氢键则增强了网络的稳定性（Bangar等人，2022年；Chronakis，2001年）。调节这些相互作用可以设计出具有定制质地和功能的凝胶，使螺旋藻成为功能性食品配方中的多功能成分。尽管这些技术具有潜力，但人们对US和MF处理如何影响螺旋藻的凝胶化行为（尤其是在不同蛋白质浓度下）的理解仍然有限。很少有研究探讨处理类型和浓度对螺旋藻基系统的质地、流变性和凝胶微观结构的协同或独特影响（Ahmed和Kumar，2022年；Martínez-Sanz等人，2020年；Shkolnikov Lozober等人，2021年）。因此，本研究旨在系统地探讨MF和US在不同螺旋藻浓度（4%、8%和12%（w/v）下对凝胶化行为的影响。本研究的新颖之处在于它关注物理改性，为如何优化这些新兴技术以提升基于螺旋藻的凝胶的结构完整性、持水能力和质地属性提供了宝贵的见解，以应用于先进的食品领域。
材料
Spirulina platensis粉末购自Starwest Botanicals（美国加利福尼亚州萨克拉门托）。2× Laemmli样品缓冲液购自Bio-Rad Laboratories（美国加利福尼亚州赫拉克勒斯）。8-氨基萘-1-磺酸（ANS）和5,5’-二硫代双（2-硝基苯甲酸）（DTNB）由Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）提供。PageRuler?预染蛋白质梯度（10–180 kDa）、β-巯基乙醇（βME）、十二烷基硫酸钠（SDS）、Tris、甘氨酸和Coomassie Brilliant Blue R-250也用于实验。
近似组成
螺旋藻粉末的近似组成为：67.27%蛋白质、5.10%灰分、6.63%水分、11.60%脂肪和9.40%碳水化合物。这些数值与文献中的报道基本一致。例如，Yücetepe等人（2018年）报告的蛋白质含量为62.1%、脂质13.4%、灰分9.0%、碳水化合物10.1%和水分5.4%。我们研究中观察到的蛋白质含量略高于该数值，而水分含量则非常接近。
结论
本研究系统地探讨了超声波处理和微流化处理对不同浓度（4%、8%和12%（w/v）螺旋藻凝胶化性质的影响。这两种处理方法均显著增强了凝胶结构、持水能力和粘弹性，且改进效果与蛋白质浓度的增加相关。微流化处理在减小粒径和强化凝胶结构方面尤为有效，而超声波处理则改善了凝胶性能和粒径。
未引用的参考文献
（“对于特定的纳米乳液尺寸减小系统，最佳超声波处理时间保持不变”，Wang等人，2023年）
CRediT作者贡献声明
Yurdagul Yaren：撰写初稿、可视化、方法设计、实验实施、数据分析、概念构思。
Ozturk Oguz Kaan：审稿与编辑、监督、资源调配、项目管理、资金争取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了美国农业部合作州立研究、教育和推广服务（项目编号7006497）以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校提供的启动资金的支持。部分实验在伊利诺伊大学Carl R. Woese基因组生物学研究所的核心设施中进行。作者感谢Wilson博士（化学系）的支持。
