热诱导的马铃薯蛋白与精准发酵β-乳球蛋白二级结构变化及其凝胶化与黏弹特性

《Food Hydrocolloids》：Heat-induced changes in secondary structure, gelation and viscoelastic properties of potato protein and precision fermentation-derived β-lactoglobulin

　　

本研究探讨了pH和蛋白质共混对富含Patatin的马铃薯蛋白分离物（PPI)与精准发酵来源的β-乳球蛋白(BLG)热诱导凝胶在变性、二级结构转变、凝胶化及流变学特性方面的影响。研究人员利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)和流变学分析表明，PPI和BLG的热诱导凝胶化均与分子间β-折叠和β-转角结构的形成相关。PPI/BLG共混体系呈现两种截然不同的凝胶化路径：在pH 4.5时，蛋白质组分发生非交互性变性与凝胶化，形成由PPI主导的坚实而脆性的凝胶，表现出有限的应变硬化行为和能量耗散起始；相反，在pH 6.0时，观察到交互性变性与网络形成。这伴随着β-转角的轻微增加，可能源自PPI组分，其促进了PPI与BLG之间分子间β-折叠的形成。共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)表明，这种相互作用导致互穿双网络凝胶结构的形成，表现出增强的凝胶硬度、显著的应变硬化以及延迟的能量耗散。这些双网络凝胶的流变学行为在低应变下由BLG主导，在高应变下由PPI主导，表明网络之间存在有效的应力分配。这些发现凸显了PPI/BLG共混体系生成熟成凝胶的潜力，其质地和机械性能可调控，为其作为动物源蛋白质在各种食品体系中的替代应用提供了启示。

## 研究背景与问题

随着消费者对畜牧业生产环境与健康影响的认识日益提高，食品应用中传统动物源蛋白的（部分）替代受到越来越多的关注。蛋白质是食品体系中重要的功能性配料，在定义众多食品质地方面发挥着关键作用，其通过加热引发的聚集作用形成网络的能力对面包、奶酪及肉类（类似物）等食品的质地和稳定性至关重要。β-乳球蛋白(BLG)是乳清蛋白的主要成分之一，等电点(IEP)约为5.2，其热诱导凝胶特性已被广泛研究，但酸性pH下二硫键形成倾向降低导致凝胶呈颗粒性、非延展性特征且持水性差。精准发酵来源的BLG代表了一类新型替代蛋白，具有复制传统乳清蛋白功能甚至通过蛋白质序列优化超越其性能潜力。然而，BLG二级结构特别是热诱导变性过程中二级结构的变化研究尚不充分。

富含Patatin的马铃薯蛋白分离物(PPI)是另一种具有前景的凝胶化蛋白，其主要成分Patatin分子量约40 kDa，等电点约pH 4.8-5.2，天然状态下不含二硫键但含有一个游离巯基。PPI在接近等电点时可形成高硬度但短而脆的凝胶质地，而在中性或碱性条件下形成细丝状水凝胶。单一蛋白质源 rarely能提供复杂食品基质所需的全部质地特性，因此不同来源蛋白质共混成为利用协同效应、优化整体质地和结构的有前景策略。然而，PPI与BLG共混对凝胶化行为和流变学特性及二级蛋白质结构的影响此前研究不足。

本研究旨在填补这一知识空白，探究马铃薯蛋白分离物与精准发酵β-乳球蛋白共混对二级结构变化和凝胶化行为的影响，为合理设计混合蛋白凝胶、支持开发更可持续的高质量食品产品提供科学依据。

## 关键技术方法

研究采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析蛋白质二级结构变化，差示扫描量热法(DSC)测定变性温度，小振幅和大振幅振荡剪切(SAOS和LAOS)流变学表征凝胶黏弹特性，共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察微观结构。样品制备为10.0% (w/w)蛋白质溶液，在pH 4.5和6.0两种条件下进行研究。

## 研究结果

**变性温度**：DSC结果显示，任何BLG样品在重新扫描时均未观察到复性现象，表明所有蛋白质均不可逆变性。PPI的峰值变性温度在pH 4.5时为63.1 °C，在pH 6.0时为66.6 °C，与文献一致。BLG的变性温度高于PPI，且pH 6.0时高于pH 4.5时，这与文献报道的pH依赖性相符。

**二级结构转变与凝胶化**：FTIR分析表明，加热使PPI和BLG的二级结构均发生变化，主要表现为β-折叠结构增加而α-螺旋结构减少，指示热变性后分子间β-折叠的形成。PPI/BLG共混体系在pH 4.5和6.0时呈现不同的结构演变路径。

**pH 4.5时的非交互性凝胶化**：在该pH条件下，两种蛋白质各自独立变性和凝胶化。PPI形成主导凝胶网络， resulting in坚实的脆性凝胶结构，表现出有限的应变硬化行为和能量耗散起始。BLG在该pH下因电荷排斥和降低的二硫键形成倾向，凝胶化能力受限，共混凝胶主要体现PPI的特性。

**pH 6.0时的交互性凝胶化**：中性pH条件下，PPI与BLG发生交互性变性和网络形成。FTIR检测显示β-转角轻微增加，可能源自PPI组分，这促进了PPI与BLG之间分子间β-折叠的形成。CLSM观察证实这种相互作用导致互穿双网络凝胶结构的形成。

**流变学特性与网络结构**：双网络凝胶表现出增强的凝胶硬度、显著的应变硬化以及延迟的能量耗散。特别值得注意的是，这些凝胶的流变学行为呈现应变依赖性特征：在低应变区域由BLG主导，在高应变区域由PPI主导，这表明两个网络之间存在有效的应力分配机制。LAOS分析进一步揭示了非线性黏弹性区域中不同网络组分对机械响应的贡献差异。

## 讨论与结论

研究人员讨论了变性机制与二级结构变化及流变学凝胶特性之间的相关性。pH和共混比例通过调控蛋白质分子间相互作用类型和程度，决定了凝胶网络的结构类型和机械性能。pH 4.5时的非交互性变性与凝胶化导致凝胶硬度增加但延展性受限；而pH 6.0时的交互性变性与网络形成则实现了硬度与延展性的协同提升。

通过ATR-FTIR、DSC、SAOS、LAOS和CLSM的综合应用，本研究系统阐明了PPI与BLG共混体系在热诱导凝胶化过程中的结构-功能关系。研究证实，PPI与BLG的共混能够通过蛋白质展开和变性过程中的协同相互作用来调控凝胶硬度和延展性，使食品凝胶的质地可根据特定功能需求进行定制。

**研究结论**：本研究表明，由PPI和BLG形成的热诱导凝胶的流变学特性因变性和凝胶化过程是交互性还是非交互性而显著不同。非交互性变性与凝胶化导致凝胶硬度增加、结构脆性且延展性有限。PPI/BLG共混体系的交互性变性与凝胶化由于形成了互穿双网络结构，而产生更高的硬度和延展性。这些发现为开发具有可调控质地特性的可持续高蛋白食品提供了理论基础和技术路径，支持了精准发酵蛋白与植物蛋白协同利用的潜力，对食品工业中动物源蛋白替代具有重要指导意义。