温度介导的挤压过程中大豆粕蛋白结构-功能变化

《Foods》：Temperature-Mediated Structure–Functionality Changes in Soybean Meal Protein via Extrusion

　　

大豆粕蛋白是大豆加工的副产品，其功能特性（如乳化性能）有限，限制了其在食品中的应用。鉴于高温挤压容易导致过度变性和不可逆聚集，本研究旨在探究相对较低挤压温度（85–105 ^oC）对大豆粕蛋白结构和功能特性的影响。结果表明，挤压改变了蛋白质的分子结构和功能特性。随着挤压温度升高，二级结构中β-折叠（β-sheet）含量增加而α-螺旋（α-helix）含量减少，并发生三级结构重排，疏水基团先暴露后埋藏。在95 ^oC时，蛋白质形成相对多孔和疏松的微观结构，并表现出最强的表面疏水性（H₀）、持水性、持油性和乳化性能；在100 ^oC及以上时，发生过度聚集，孔结构坍塌，功能特性下降。同时，挤压通常降低了蛋白质的溶解度。因此，在本研究条件下，95 ^oC被确定为最佳挤压温度。此外，本研究揭示了大豆粕蛋白结构重建与功能变化之间的相关性，为其在食品工业中的高值化利用和应用提供了理论基础。

**研究背景与问题**
大豆粕是大豆榨油后的主要副产品，蛋白质含量高达40–50%，但因其功能特性（如乳化性能）有限，目前主要用作饲料，高值化利用不足。传统挤压改性常采用高温（110–190 ^oC），易导致蛋白质过度变性和不可逆聚集，从而限制其功能潜力的发挥。因此，需探索中低温挤压（85–105 ^oC）对大豆粕蛋白结构-功能关系的影响，以期在适度展开与过度聚集之间找到平衡点，实现其从低值饲料向高附加值食品原料的转化。该研究发表在《Foods》期刊。

**研究内容与结论**
研究人员采用双螺杆挤压机，在85–105 ^oC温度范围内处理大豆粕蛋白，系统考察了温度对蛋白质分子结构（二级、三级结构及微观形貌）和功能特性（持水性、持油性、乳化性、泡沫性等）的影响。结果表明，挤压温度通过调控蛋白质的解离-重聚集动态平衡，决定其功能表现。在95 ^oC时，蛋白质达到适度展开与聚集的有利平衡，形成多孔疏松微观结构，表面疏水性（H₀）最高，持水性、持油性、乳化活性（EAI）和乳化稳定性（ESI）以及泡沫性能均达到最优；当温度升至100 ^oC及以上时，蛋白质过度聚集，孔结构坍塌，功能特性显著下降。因此，95 ^oC被确定为最佳挤压温度。该研究揭示了大豆粕蛋白结构重建与功能变化的内在关联，为低温挤压改性技术在高值化食品应用中的推广提供了理论依据和工艺参考。

**主要技术方法**
关键技术方法包括：双螺杆挤压膨化（温度85–105 ^oC，螺杆转速200 rpm，喂料速率2.5 kg/h，水分含量34%）；蛋白质提取采用碱提取酸沉淀法；结构表征采用SDS-PAGE（分子量分布）、FTIR（二级结构分析）、内源荧光光谱（三级结构）、表面疏水性（H₀，ANS荧光探针法）、SEM（微观形貌）；功能特性测定包括溶解性（Bradford法）、持水持油性（离心法）、乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）（分光光度法）、泡沫能力和泡沫稳定性（体积法）。大豆粕样本购自雅安市雨城区农业市场。

**结果概述**
**3.1 SDS–PAGE**：通过电泳分析，挤压导致大豆粕蛋白中7S（β-伴大豆球蛋白）和11S（大豆球蛋白）亚基的分子量分布变化，在95–105 ^oC时出现高分子量聚合物，表明温度依赖的蛋白质聚集，且11S比7S更易发生热诱导聚集。
**3.2 粒径**：挤压后蛋白质粒径显著增大，随温度升高先增后减，95 ^oC时粒径最大，反映适度展开促进分子间接触，更高温度下剪切作用使大聚集物破碎或重排为更紧密构象。
**3.3 Zeta电位**：挤压后蛋白质的Zeta电位绝对值降低，表明表面电荷减少，静电排斥减弱，有利于聚集形成，但不同温度间差异不显著。
**3.4 FTIR**：二级结构分析显示，随挤压温度升高，α-螺旋含量降低，β-折叠和无规卷曲含量增加，表明蛋白质展开和构象灵活性增强，为改善乳化性和泡沫性提供结构基础。
**3.5 荧光光谱**：内源荧光强度先升后降，在85–95 ^oC时增强，反映色氨酸暴露；100–105 ^oC时减弱，因疏水基团重新聚集导致荧光猝灭。
**3.6 表面疏水性（H₀）**：H₀在95 ^oC时达到峰值，随后下降，与荧光光谱趋势一致，表明适度展开暴露疏水基团，过度聚集则埋藏这些基团。
**3.7 SEM**：95 ^oC时蛋白质表面形成连续多孔结构，有助于增大比表面积和界面接触位点；100–105 ^oC时孔结构塌陷融合，形成致密聚集体。
**3.8 蛋白质溶解性**：挤压后溶解度显著降低，95 ^oC时虽有多孔结构，但溶解度仍低于未处理组，因热诱导形成不溶性聚集体，且粒径增大亦支持此关联。
**3.9 持水/持油性**：持水性和持油性在95 ^oC时最高（持水3.68 g/g，持油18.39 g/g），随后下降，表明多孔结构和疏水基团暴露是主要贡献因素，而非高溶解度。
**3.10 乳化活性（EAI）和稳定性（ESI）**：EAI和ESI在95 ^oC时最高，与二级结构紊乱度增加、表面疏水性增强以及界面吸附能力改善一致。
**3.11 泡沫性能与泡沫稳定性**：泡沫能力和稳定性随温度先升后降，峰值在95 ^oC，与H₀变化趋势一致，归因于分子展开和结构重排；高温下蛋白质聚集使泡沫稳定性降低。
**3.12 挤压温度介导的结构-功能机制**：综合结果表明，85–105 ^oC范围内，大豆粕蛋白经历从“部分解离展开”到“过度重聚集”的连续结构演变。95 ^oC代表适度展开与聚集的平衡点，是功能改善的关键转折温度。

**讨论与结论**
讨论部分指出，挤压温度通过调控非共价相互作用（氢键、疏水作用）的破坏与重建，驱动蛋白质从天然紧密结构向适度展开的多孔结构，再向过度聚集的致密结构转变。功能特性的变化本质上取决于这一动态平衡。结论部分翻译如下：本研究探究了挤压温度对大豆粕蛋白结构和功能特性的影响。结果表明，挤压温度关键性地决定蛋白质分子构象和聚集行为，进而调控其功能表现。在热、压和剪切协同作用下，提高挤压温度逐步诱导蛋白质解离、重聚集和交联。总体而言，95 ^oC挤压的大豆粕蛋白在分子展开与聚集之间达到有利平衡，形成具有高表面疏水性、增强构象灵活性以及疏松多孔形态的结构状态，共同促进持水、持油、乳化和泡沫性能的提升。从应用角度，此类挤压改性蛋白更适合作为具有持水持油和界面稳定功能的食品配料，可潜在应用于肉糜制品、植物基乳化体系和低脂配方食品。与高温挤压相比，本研究提出的中低温挤压策略有望降低过度热聚集风险，同时实现大豆粕蛋白的定向功能改性，为其从低值饲料副产物向高附加值功能食品配料的转化提供加工参考。