鹰嘴豆aquafaba中的蛋白质：它们在起泡特性中的作用是什么？

《Food Hydrocolloids》：Proteins in chickpea aquafaba: what is their role in foaming properties?

　　

鹰嘴豆aquafaba（AQ，即鹰嘴豆烹饪水）作为一种植物基起泡剂在食品应用中引起了越来越多的关注。鉴于其复杂的组成，包括蛋白质和低分子量表面活性剂如皂苷，本研究旨在阐明鹰嘴豆蛋白质在其起泡特性中的作用。为此，研究人员研究了四种鹰嘴豆衍生样品：(i) aquafaba（AQ），(ii) aquafaba蛋白质浓缩物（CAQ），(iii) 鹰嘴豆蛋白质浓缩物（CPC），以及 (iv) CPC生产过程中获得的酸性上清液（SP）。CPC、SP和AQ样品表现出不同的蛋白质谱。与AQ相比，用于获得CAQ的超滤过程使蛋白质含量增加了68%，皂苷含量减少了56%。尽管蛋白质谱得以保留，但低分子量化合物的去除诱导了蛋白质二级结构的变化，降低了蛋白质表面疏水性，并增加了CAQ相对于AQ的蛋白质尺寸。AQ和CAQ表现出相似的高起泡能力（约85%），其次是SP（68%）和CPC（57%）。然而，AQ和SP表现出优越的泡沫稳定性，而由CPC和CAQ稳定的泡沫在几分钟内塌陷。AQ和CAQ中的低分子量蛋白质（<25 kDa）似乎在空气捕获中起重要作用，而吸附在空气-水界面的高分子量蛋白质对泡沫稳定性至关重要。结果还表明，皂苷调节蛋白质行为，超出了它们对界面活性的直接贡献。这一发现特别重要，因为皂苷被认为豆类中的抗营养因子。

**鹰嘴豆aquafaba中蛋白质在起泡特性中的作用解析**

**研究背景与问题**

全球人口增长预计到2050年将达97亿，蛋白质生产需求将翻倍，推动了对可持续植物蛋白源的探索。豆类蛋白因生产成本低、环境友好而备受关注，鹰嘴豆作为主要豆类之一，其烹饪水（aquafaba，AQ）因优异的起泡特性而成为替代蛋清等动物源起泡剂的潜力原料。然而，AQ组成复杂，包含蛋白质、可溶性碳水化合物及皂苷等低分子量表面活性剂，目前蛋白质与这些低分子量化合物对起泡特性的相对贡献尚不明确。皂苷虽具有界面活性，但也被视为抗营养因子，因此理解其与蛋白质的协同或拮抗作用对食品应用至关重要。本研究旨在通过比较AQ与鹰嘴豆蛋白加工副产物，阐明蛋白质在AQ起泡特性中的角色，并评估低分子量化合物（尤其是皂苷）的影响。该论文发表在《Food Hydrocolloids》。

**研究内容与结论**

研究人员制备了四种样品：AQ、经超滤/渗滤浓缩蛋白质并去除低分子量组分的AQ蛋白浓缩物（CAQ）、通过碱溶酸沉法获得的鹰嘴豆蛋白浓缩物（CPC）以及酸沉步骤的上清液（SP）。通过测定蛋白质和皂苷含量、SDS-PAGE、尺寸排阻色谱（SEC）、内源荧光、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、表面疏水性、界面张力和起泡特性，系统比较了它们的理化性质。结论表明：AQ的起泡能力（约85%）与CAQ相当，但泡沫稳定性远优于CAQ；SP的泡沫稳定性与AQ相似，而CPC的泡沫快速塌陷。低分子量蛋白质（<25 kDa）促进空气捕获，高分子量蛋白质则对泡沫稳定性关键；皂苷不仅直接降低界面张力，还通过调节蛋白质结构和表面疏水性间接影响泡沫行为。该研究揭示了AQ起泡特性的多分子机制，并指出SP（酸沉上清液）具有作为新型起泡剂的潜力。

**关键技术方法（不超过250字）**

样本鹰嘴豆购自巴西Campinas当地市场。主要方法包括：Kjeldahl法测定蛋白质含量；分光光度法（以oleanolic acid为标准）定量皂苷含量；SDS-PAGE在还原条件下分析蛋白质谱；SEC（Biosep SEC-s3000柱）评估蛋白质大小分布；内源荧光三维矩阵（激发250-480 nm，发射300-520 nm）和FTIR（400-4000 cm^-1，分辨率4 cm^-1）表征化学组成与蛋白构象；ANS荧光探针法测定表面疏水性指数；悬滴法（60 s）测量空气-水界面张力；鼓泡法（0.5% w/w蛋白质，4 L/min气流量1 min）测定起泡能力与泡沫稳定性，并收集泡沫进行SDS-PAGE分析蛋白吸附行为。

**研究结果**

**3.1 不同样品的蛋白质含量和蛋白质谱**
通过Kjeldahl法测定，CPC蛋白含量最高（75.6% w/w），AQ和SP相近（23.8%和23.2%），CAQ经超滤后蛋白含量升至40.0%。SDS-PAGE显示，CPC富含球蛋白（vicilin 7S和legumin 11S），SP以低分子量蛋白（<25 kDa）为主，AQ和CAQ蛋白谱相似，主要由白蛋白（2S）和少量vicilin亚基组成，而CAQ谱带几乎与AQ一致，表明超滤未改变蛋白组成。

**3.2 皂苷含量**
分光光度法测得AQ皂苷含量最高（4.8 mg/g），经超滤后CAQ降至2.1 mg/g（减少56%），CPC和SP分别为2.7和2.3 mg/g，与鹰嘴豆粉（CF，3.3 mg/g）无显著差异。

**3.3 样品化学特征：FTIR光谱与内源荧光图谱**
FTIR显示，SP和AQ在3600-3200 cm^-1（O-H/N-H伸缩）及酰胺I区（1600-1700 cm^-1）谱带更宽、分辨率更低，与蛋白-碳水化合物-皂苷共存有关；CAQ的酰胺I区定义更清晰，表明蛋白构象环境改变。主成分分析（PCA）表明AQ与CAQ在酰胺I区分离，证实低分子量组分去除导致蛋白二级结构重排。内源荧光图谱中，CPC呈现典型蛋白荧光（Ex280/Em330），而SP和AQ出现两个荧光域（蛋白特征和酚类/皂苷特征），CAQ与AQ图谱相似但蛋白荧光相对增强，暗示低分子量化合物影响蛋白荧光环境。

**3.4 不同样品分散液中蛋白质的胶体特性**
SEC显示，CPC和CF分散液中蛋白溶解度低，仅检测到少量大分子量群体；SP以低分子量群体为主；AQ呈现两个群体（与CF相似），而CAQ的蛋白群体尺寸略微增大，并出现大聚集峰（~6 min），表明低分子量组分去除促进蛋白聚集。表面疏水性指数（H₀）测定显示，AQ的H₀（6.04×10⁵）与CPC（5.8×10⁵）相似，显著高于SP（4.89×10⁵），但CAQ的H₀（2.02×10⁵）远低于AQ，证实低分子量化合物（如皂苷）的去除降低了蛋白表面疏水性。

**3.5 界面性质与起泡特性**
**3.5.1 界面张力**
悬滴法测定60 s内界面张力变化：AQ降低界面张力最有效（从51降至~45.5 mN/m），CPC次之（至~46.5 mN/m），SP和CAQ较差（~48.5 mN/m）。CAQ的界面张力高于AQ，表明低分子量表面活性剂（如皂苷）对快速降低界面张力至关重要，且其去除同时改变了蛋白结构，削弱了蛋白的界面活性。

**3.5.2 起泡特性**
起泡能力（FC）测定：AQ和CAQ最高（~85%），SP（68%）显著高于CPC（57%）。泡沫稳定性（FS）方面，AQ和SP的泡沫可维持120 min以上，而CPC和CAQ的泡沫在5 min内完全塌陷。泡沫SDS-PAGE分析表明，在泡沫半衰期时，AQ和SP泡沫中高分子量蛋白（>25 kDa）比例增加，而CPC和CAQ泡沫蛋白谱无变化，说明高分子量蛋白在界面富集对泡沫稳定性关键。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，AQ的起泡能力主要由低分子量蛋白（<25 kDa）驱动，这些蛋白迅速扩散至界面捕获空气，而泡沫稳定性则依赖于高分子量蛋白在界面形成粘弹性膜。皂苷等低分子量化合物不仅通过自身界面活性促进泡沫形成，还通过调节蛋白的结构（如增加表面疏水性和减少聚集）间接增强蛋白的界面性能。CAQ中皂苷的去除导致蛋白疏水性降低、尺寸增大、界面张力升高，尽管蛋白谱未变，但泡沫稳定性急剧下降，证实了皂苷-蛋白协同作用的重要性。SP样品因含有类似AQ的蛋白组成（低分子量为主）和一定皂苷，表现出良好的泡沫稳定性，提示其作为起泡剂副产物的应用潜力。

**结论部分翻译**：起泡特性由系统的多分子性质决定，而非仅依赖蛋白质。aquafaba的泡沫稳定性反映了其复杂组成，包括蛋白质和低分子量表面活性剂。低于25 kDa的蛋白质在空气保持中起重要作用，影响材料的起泡能力；然而，高分子量组分似乎有助于泡沫稳定性。低分子量化合物的去除影响了蛋白质的结构、胶体和表面性质，并损害了蛋白质的界面性质。aquafaba中皂苷的存在调节了蛋白质行为，超越了界面活性本身。这一信息尤为重要，因为皂苷被认为是豆类中的抗营养因子。此外，本研究获得的结果为利用鹰嘴豆蛋白浓缩过程中产生的酸性上清液作为起泡剂提供了新视角。对该样品界面行为的深入表征，以及阐明aquafaba中蛋白质-皂苷相互作用的分子机制，成为未来工作的重要方向。未来的研究还应扩大范围，阐明其他aquafaba成分（包括可溶性碳水化合物、酚类化合物和其他低分子量组分）对该复杂系统物理化学和技术功能特性的具体贡献。