提取条件与羽扇豆蛋白得率、结构及技术功能特性的关联

《Food Bioscience》：Linking Extraction Conditions to Yield, Structure, and Techno-Functional Properties of Lupin Proteins

　　

黄羽扇豆（Lupinus luteus）是一种新兴的替代蛋白质来源，在食品应用中的利用仍不足。因此，与大豆和豌豆不同，提取条件对羽扇豆蛋白分离物（LPI）性质的影响在很大程度上尚未被探索。本研究考察了碱性溶解过程中盐（0.6 M NaCl）、热处理（80 °C，3 min）和高pH（pH 13）处理相对于对照条件（无盐、无加热、pH 10）对LPI得率、组成、结构和技术功能特性的影响。盐的添加通过选择性限制δ-伴球蛋白（δ-conglutin）的可提取性，使蛋白质得率降低（-48%）和纯度降低（-13%），技术功能特性的变化主要由组成变化而非结构变化驱动。热处理是唯一能够在传统温和提取条件下实现更高蛋白质得率（+28%）的提取条件，但以纯度降低（-3%）为代价。此外，尽管热处理诱导了蛋白质聚集并降低了溶解度，但保持了乳化和起泡特性，同时改善了凝胶能力。pH 13提取通过广泛的化学修饰显著降低了得率（-25%）和纯度（-18%），在回收率方面未优于温和条件，但乳化和起泡性能仍相当，而凝胶性能有所改善。尽管提取处理对羽扇豆蛋白的影响与其他豆类蛋白相似，但由于黄羽扇豆独特的组成，特别是其δ-伴球蛋白部分在盐和高pH处理中贡献了最低的回收率，所得分离物表现出独特的提取得率行为。总体而言，这些结果强调了定制提取策略对于优化提取过程和后续食品应用的重要性。

随着高收入和中高收入国家对植物蛋白原料的需求增长，豆类蛋白备受关注。然而，工业应用主要由大豆和豌豆蛋白主导，其他豆类如羽扇豆研究不足。黄羽扇豆（Lupinus luteus）蛋白质含量高、氨基酸组成平衡，但传统上用于动物饲料，作为食品级蛋白质来源潜力未开发。碱性溶解-等电点沉淀是生产蛋白分离物的常用方法，但先前研究显示羽扇豆蛋白得率通常不超过60%。提取条件如盐、热、高pH可能影响蛋白回收和功能，但缺乏系统比较。因此，本研究旨在考察盐（0.6 M NaCl）、热（80 °C，3 min）和高pH（pH 13）处理对黄羽扇豆蛋白分离物（LPI）得率、组成、结构和技术功能特性的影响，并与温和条件对照。

研究人员以来自Semillas Batlle（西班牙）的黄羽扇豆种子为原料，研磨成粉后，采用碱性溶解-等电点沉淀法提取蛋白质，设置对照（pH 10）、盐（pH 10+0.6 M NaCl）、热（pH 10+80 °C 3 min微波加热）和高pH（pH 13）四种处理。通过测定各阶段蛋白得率、近似组成、氨基酸谱、SDS-PAGE（十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳）蛋白谱、游离和总巯基及二硫键含量、ATR-FTIR（衰减全反射-傅里叶变换红外光谱）二级结构、蛋白质相互作用力、表面疏水性（H₀）以及溶解度、乳化性、起泡性和凝胶性等，全面评估提取条件的影响。统计采用单因素方差分析和Tukey检验。

### 3.1. 蛋白质提取得率和LPI组成
碱性溶解阶段，除盐处理外，对照、热和pH处理的蛋白溶解得率均约84%，盐处理显著降低至69%。LPI蛋白得率排序为热（80.7%）>对照（62.9%）>pH（47.4%）>盐（32.6%）。盐和pH处理导致更多蛋白质保留在酸上清液中。LPI蛋白含量排序为对照（82.7%）>热（80.2%）>盐（71.6%）>pH（67.7%）。热处理增加了碳水化合物共提取，降低了脂肪含量。

### 3.2. 蛋白质理化与结构表征
#### 3.2.1. 氨基酸谱
所有样品中谷氨酸、天冬氨酸和精氨酸含量最高，组氨酸、蛋氨酸和半胱氨酸最低。盐和pH处理改变了极性/非极性氨基酸比例，且所有处理均降低了半胱氨酸含量，其中pH处理降低最多。

#### 3.2.2. 蛋白谱（SDS-PAGE）
盐处理导致δ-伴球蛋白（δ-conglutin）条带几乎消失，而对照中明显；热处理在非还原条件下出现高分子量聚集体，还原后消失，表明二硫键介导的聚集；pH处理蛋白条带弥散，表明降解。

#### 3.2.3. 巯基和二硫键含量
盐处理游离巯基最高，热和pH处理最低；总巯基排序为对照>热>盐>pH；二硫键在对照和热处理间无差异，盐和pH处理显著降低。

#### 3.2.4. 蛋白质二级结构（ATR-FTIR）
所有LPI以β-折叠为主。热处理降低β-折叠含量并增加分子间β-折叠，表明聚集；pH处理增加α-螺旋和β-转角。

#### 3.2.5. 蛋白质分子间作用力
所有样品以疏水相互作用为主，热和pH处理显著增强疏水相互作用，降低氢键。

#### 3.2.6. 表面疏水性（H₀）
对照和盐处理H₀显著高于热和pH处理，表明可溶部分中疏水蛋白减少。

### 3.3. LPI技术功能特性
#### 3.3.1. 蛋白质溶解度
对照和盐处理溶解度最高（65.1%和60.1%），热和pH处理显著降低（19.6%和14.7%）。

#### 3.3.2. 乳化性
盐处理乳化活性指数（EAI）显著低于其他处理，但乳化稳定性指数（ESI）无差异。

#### 3.3.3. 起泡性
起泡活性指数（FAI）在各处理间无显著差异，但pH处理高于热处理；起泡稳定性指数（FSI）盐处理最高，热和pH最低。

#### 3.3.4. 凝胶性
热处理的临界凝胶浓度（LGC）最低（9%），凝胶能力最佳，其次为pH（10%）和对照（11%），盐处理最差（12%）。

讨论部分总结：盐处理主要通过组成变化（脂肪增加、δ-伴球蛋白减少）而非结构变化影响功能，导致乳化性下降。热处理通过诱导二硫键和疏水聚集，提高了得率和凝胶性，同时未损害乳化起泡性。pH13处理导致半胱氨酸降解和蛋白质降解，降低得率，但界面性质保持，凝胶性改善。这些行为与黄羽扇豆中δ-伴球蛋白的特性有关。

研究结论翻译：本研究证明了碱性提取过程中的盐浓度、热处理和pH强烈影响黄羽扇豆LPI的蛋白质得率、组成、结构和功能特性。提取处理引起的组成和结构变化与其他豆类蛋白基本一致，但黄羽扇豆独特的蛋白谱（尤其是δ-伴球蛋白）导致分离物表现出独特的提取和回收得率行为。盐和高pH处理下较低的回收率可能与δ-伴球蛋白的行为有关。热处理提高了蛋白质回收率和凝胶性，而盐添加降低了蛋白质回收率和乳化性能，凸显了提取条件对LPI最终功能性的强烈影响。这些发现为针对特定食品应用合理设计提取策略提供了机制性见解。未来研究应进一步阐明提取蛋白质的热力学和理化性质（如变性温度、构象稳定性和胶体性质），并涵盖更广泛的加工条件，以增强对提取条件如何影响羽扇豆蛋白组成、结构和功能的理解。