通过微结构调控与SS–SH键转化制备溶解性和热稳定性更佳的微粒化大米蛋白

《Food Hydrocolloids》:Fabrication of Microparticulated Rice Protein with Improved Solubility and Thermal Stability via Microstructural Modulation and SS–SH Interchange

【字体: 时间:2026年07月19日 来源:Food Hydrocolloids 13.8

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  摘要大米蛋白在食品工业中的应用主要受到其不溶性特征的制约。为获得具有良好分散性的大米蛋白,本研究采用“热剪切”方法在不同pH值(3–7)下对其进行微粒化处理。实验结果表明,微粒化处理可显著减小大米蛋白颗粒的尺寸,而在pH 3和4条件下处理的蛋白颗粒会形成表面面积更大的皱褶结构,从

  

摘要

大米蛋白在食品工业中的应用主要受到其不溶性特征的制约。为获得具有良好分散性的大米蛋白,本研究采用“热剪切”方法在不同pH值(3–7)下对其进行微粒化处理。实验结果表明,微粒化处理可显著减小大米蛋白颗粒的尺寸,而在pH 3和4条件下处理的蛋白颗粒会形成表面面积更大的皱褶结构,从而提升其在水中的润湿性和分散性。与原始状态相比,极端pH条件(pH 3)会使大米蛋白中的二硫键断裂(断裂程度达47%),而微粒化处理后其溶解度则提升了6.16倍。此外,加热过程中其粘度并未出现显著变化,这说明微粒化处理后的大米蛋白更耐热聚结。这些研究结果为植物蛋白的溶解性优化提供了新思路,对于拓展大米蛋白在食品加工领域的应用具有重要意义。

引言

近年来,由于人们对畜牧业带来的负面影响(如环境压力、气候变化、动物福利问题)以及人类健康问题的日益关注,植物蛋白逐渐成为动物蛋白的替代品(Liu, 2025; Pu, Chen, Shi, Shan, Li & Zhang, 2024; Wang et al., 2024; Zhang et al., 2024)。大米是全球一半以上人口的主食,其蛋白质含量约为6%–10%(Zhang et al., 2025)。大米蛋白因其富含赖氨酸,被认为是一种优质的植物蛋白,其氨基酸组成更为均衡,生物价值也高于小麦、玉米和大麦等谷物蛋白(Shi et al., 2024; Yang, Yan, Cheng, Lin, Wang & Jiao, 2024)。此外,大米蛋白的低致敏性使其成为开发婴幼儿食品及特殊人群食品的理想原料(Pantoa et al., 2020)。然而,由于谷蛋白含量较高,加之加工过程中的苛刻条件,大米蛋白的水溶性较差,且其起泡、乳化和凝胶等加工性能也较差,这些都限制了其在食品工业中的应用(Chen et al., 2022; Wang et al., 2024)。因此,有必要对大米蛋白进行改性,以提升其功能性能。
目前已有大量研究致力于通过物理、化学和酶法手段改善大米蛋白的溶解性及物理化学性质(Yang, Meng, Wu, Chen & Xue, 2023)。Zhang等人(2025)采用电活化技术制备高价值大米蛋白,结果发现该蛋白的分散性指数、乳化能力和起泡能力均得到了显著提升。Chen等人(2022)发现,通过美拉德反应将大米蛋白与右旋糖酐发生糖基化反应,可在pH 7–9范围内大幅提高蛋白的溶解度(超过80%)。Meng等人(2019)也得到了类似结果,他们发现大米残渣蛋白与海藻酸钠之间的美拉德反应能显著提升大米蛋白的溶解度和乳化能力。此外,多酚、复合蛋白和磷酸盐与大米蛋白的相互作用也被认为是改善其溶解性的有效方法(Yang et al., 2023)。另一种提高大米蛋白溶解性的方法是酶解法,该方法可通过破坏分子间和分子内的交联,将蛋白质分解为肽或氨基酸(Liu et al., 2022; Zang, Yue, Wang, Shao & Yu, 2019)。尽管这些改性方法能有效提升大米蛋白的功能性能,但在实际食品加工中的应用却面临诸多限制,比如需要专用设备,可能产生有害反应产物从而带来食品安全隐患,还会削弱大米蛋白的加工特性,并导致口感变差(通常会出现苦味)。这些固有缺陷使得目前的改性技术难以应用于大规模食品生产中。
蛋白质微粒化是一种能够改善蛋白质类原料加工性能的有效方法,这一技术已在食品加工领域得到广泛应用,市场上也已出现相关产品,例如SIMPLESSE?微粒化乳清蛋白浓缩物(de Paula, Lazzarini, Wolfschoon-Pombo, Spiegel, Toro-Sierra & Stephani, 2026)。在蛋白质颗粒的制备过程中,通常会采用热机械处理方法(Lin et al., 2024)。在该过程中,首先通过加热促使蛋白质聚集,然后再通过高强度剪切作用打破这些聚集体,从而制得具有特定尺寸和性能的蛋白质颗粒,同时改变蛋白质的聚集模式,形成结构稳定的纳米级或微米级颗粒,这类颗粒内部的疏水残基被包裹起来,与其它食品成分的相互作用也会减弱(Shi, Li, Stone, Guldike & Nickerson, 2023)。CP Kelco公司(美国伊利诺伊州芝加哥市)最初就是利用这项技术来调节乳清蛋白的结构和尺寸,进而开发出脂肪替代品(Upadhyay and Chen, 2019)。此后,研究人员还将微粒化技术成功应用于大豆蛋白、小麦蛋白和蛋清蛋白等其他蛋白质的改性中。有研究表明,微粒化处理能显著提升蛋白质的乳化能力、起泡能力、保水能力和凝胶能力,同时还能提高其热稳定性(Sun et al., 2016; Zhang et al., 2020)。Liu等人(2025)发现,微粒化处理后的大麦面筋的水分散性更好,其悬浮液的稳定性也高于原始状态。Lin等人(2024)指出,在适宜的pH条件下进行微粒化处理,可显著提升商业大豆蛋白的性能,从而使高蛋白液态或半固态食品具有更顺滑的口感。尽管关于微粒化食品蛋白的研究已经十分广泛,但关于该技术如何用于改善大米蛋白的结构和性能的相关研究仍然较少。在本研究中,研究人员采用热处理与高压均质化相结合的方法,在不同pH值条件下对大米蛋白进行微粒化处理,进而研究了微粒化后蛋白质颗粒的微观结构、物理化学性质、粉体特性以及热稳定性。

章节节选

材料

大米购自中国常德的金健粮油工业有限公司。乙二胺四乙酸、十二烷基硫酸钠、1-苯胺萘-8-磺酸以及5,5-二硫代双(2-硝基苯甲酸)均购自中国上海的国药集团化学试剂有限公司。其他所有化学试剂均为分析级。

大米蛋白的制备

大米蛋白是通过碱提取酸沉淀法提取的。先将大米粉分散在0.05

颗粒尺寸

通常,微粒化处理能够生成具有特定尺寸的蛋白质颗粒,而这些尺寸对于蛋白质的各种功能非常重要,比如保水能力、凝胶能力、起泡能力和乳化能力(Ma, Ye, Singh & Acevedo-Fani, 2025; Shi et al., 2023)。在本研究中,大米蛋白颗粒是在不同的酸性条件下经过加热处理后,再通过高压均质化处理来缩小其尺寸而得到的。表1列出了微粒化后大米蛋白颗粒的直径数值

结论

在不同pH条件下进行的微粒化处理对大米蛋白的溶解性和稳定性产生了显著影响。极端酸性条件会促进二硫键与巯基之间的转化,从而导致蛋白质颗粒尺寸显著减小。此外,微粒化后的蛋白质颗粒会呈现皱褶状微观结构,其表面积也会增大,这有利于蛋白质在水中的分散和润湿。相反,在处理过程中二硫键会发生断裂

作者贡献说明

何晓红:撰写——审阅与编辑。陈茂龙:撰写——审阅与编辑。吴兰英:方法学、数据整理。王旭峰:撰写——初稿撰写、指导、概念构思。周旭:撰写——审阅与编辑。焦烨:撰写——审阅与编辑。程云辉:撰写——审阅与编辑、指导

未引用参考文献

Dissanayake et al., 2012; Gao et al., 2024; Liu et al., 2020; Wang et al., 2024; Yang et al., 2024; Yildiz et al., 2017; Zhao et al., 2023; Zhang et al., 2025.

利益冲突声明

作者声明,他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

利益冲突声明

我们特此声明,本篇论文不存在任何已知的利益冲突。我们确认,所有列出的作者都已阅读并批准了这份手稿,而且也没有其他符合作者资格但未被列入名单的人士。同时,我们也确认手稿中作者的排序已得到所有人的认可。

致谢

我们要衷心感谢以下机构提供的资金支持:中国国家重点研发计划(编号:2024YFF1105500);国家自然科学基金(编号:32572484、32101986);中国湖南省自然科学基金(编号:2025JJ50118),以及湖南省教育厅科研项目(编号:23A0241)。
Xufeng Wang|Lanying Wu|Xiaohong He|Maolong Chen|Zhou Xu|Ye Jiao|Yunhui Cheng
中国湖南长沙,长沙理工大学食品科学与生物工程学院
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