利用等离子体活化水和柠檬酸改性大豆蛋白泡沫中的气 - 水界面用于蛋清替代：发泡特性、排液动力学、蛋白质结构及流变行为

《Food Hydrocolloids》：Modification of the air-water interface in soy protein foam using plasma-activated water and citric acid for egg white replacement: Foaming properties, drainage kinetics, protein structure, and rheological behavior

　　

摘要

植物基蛋白质通常比动物蛋白质的起泡能力差，这限制了其在烘焙产品中的应用。在本研究中，我们使用等离子体活化水（PAW）和柠檬酸（CA）的组合改善了大豆蛋白泡沫的气 - 水界面，并评估了其作为蛋白（EW）替代品的潜力。具体而言，我们重点关注了起泡特性、泡沫释放率、流变行为和蛋白质结构。使用人工神经网络（ANN）对 PAW 生成和处理条件进行探索性筛选，并使用响应面法（RSM）进一步评估了选定的操作区域。建立并分析了泡沫释放率模型，以预测泡沫失稳并评估随时间变化的泡沫稳定性（FS）。粒径分布和 zeta 电位分析表明，与单独 CA 处理相比，PAW 和 CA 联合处理改善了聚集均匀性和分散稳定性。PAW 处理后游离巯基含量增加，但 PAW 和 CA 联合处理后减少。PAW 和 CA 处理降低了 SPI 蛋白霜的密度并增加了膨胀率，而 PAW 处理增加了连续相的表观粘度和储能模量。CD 和 FTIR 分析证实，PAW 和 CA 处理修饰了 SPI 的二级结构。综上所述，这些结果表明 PAW 和 CA 的组合能有效修饰 SPI 的分子结构，显著增强起泡功能，为开发烘焙产品中的 EW 替代品提供了一种有前景的策略。

引言

全球对烘焙产品需求的增加强调了可持续和具成本效益成分的需要，包括用于面包、蛋糕和甜味零食的成分（Hedayati 等，2022）。蛋白（EW）是此类产品的主要功能性成分之一，通过其起泡能力（FC）对包括体积、质地、颜色和风味在内的关键质量属性做出重大贡献（Stevens, 1991）。最近，随着对纯素替代品需求的增长和全球对可持续食品生产的兴趣，开发能够复制 EW 理化功能的植物基 EW 替代品在烘焙行业中引起了极大关注（Agrahar-Murugkar 等，2016）。各种食品成分，包括植物基蛋白质（大豆、豌豆、扁豆、羽扇豆和鹰嘴豆）、水胶体（黄原胶、瓜尔胶、果胶和结冷胶）、膳食纤维（香蕉、奇亚籽和亚麻籽）以及酸如柠檬酸（CA），已被探索用作烘焙产品中的 EW 替代品（Yazici & Ozer, 2021）。然而，植物基蛋白质在无蛋烘焙生产中的主要限制仍然是其起泡性能差以及烘焙过程中结构稳定性不足（Hedayati 等，2022）。在烘焙过程中，EW 蛋白质稳定泡沫，并在最终阶段凝固形成固体泡沫结构，以强化烘焙产品（Guy & Pithawala, 1981; Silva 等，2022）。相比之下，如绿豆、大豆和鹰嘴豆蛋白等植物基蛋白质倾向于形成弱网络，更容易塌陷和溶解而不是凝固，给烘焙应用带来挑战（Silva 等，2022）。

具体而言，大豆蛋白分离物（SPI）保持紧凑的球状构象，其中疏水残基和硫醇基团被隔离在蛋白质内部，导致高度稳定的三级 - 四级结构（Li 等，2022）。这种结构刚性限制了泡沫形成初始阶段所需的快速界面迁移和变形（Li 等，2022）。它还减缓了加热时巯基和二硫键的重新排列，导致泡沫膜在建立足够的机械强度前提前塌陷（Song 等，2013）。这些结构特征已被认为与较差的起泡、乳化和热凝固性能有关（Kella 等，1989）。为了克服这些限制，研究了各种结构修饰策略以破坏 SPI 的紧凑构象并增强其功能特性（Yin 等，2017）。特别是，超声波（Ampofo & Ngadi, 2022）、微波（Kargar & Sourki, 2025）和脉冲电场（Taha 等，2022）等技术已被用于调节巯基和二硫键，这是控制 SPI 紧凑性和刚性的结构元素，从而促进构象重排并增强 FC、泡沫稳定性（FS）和烘焙过程中的热稳定性（Akharume 等，2021）。尽管这些策略很有希望，但面临着运营成本高等工业限制，包括运营成本高、加工时间长和可扩展性有限（Nasrabadi 等，2021）。因此，需要新的食品加工技术以促进植物蛋白作为动物基蛋白可行替代品的工业采用。

等离子体活化水（PAW）作为一种有前景的非热蛋白质修饰方法出现，在成本和时间效率方面具有优势（Alabi 等，2023）。PAW 含有初级活性物种，如原子氧、单线态氧、过氧化物、臭氧和羟基自由基，以及包括过氧化氢、过氧亚硝酸盐、一氧化氮和亚硝酸离子在内的二级活性物种（Thirumdas 等，2018）。这些物种在冷等离子体形成过程中产生，其中气体使用电放电电离，还包括紫外线光子（Thirumdas 等，2018）。虽然这些活性物种常用于微生物去污，但也表明它们能增加植物基蛋白质中游离巯基的水平，表明部分展开和巯基暴露（Zhang 等，2021）。一些暴露的巯基随后可能与活性物种反应形成二硫键，从而可能改变起泡、乳化和凝胶等功能特性（Zhang 等，2021）。

然而，PAW 处理主要引起蛋白质结构的部分松散，可能不足以引起 β-折叠重组或稳定三维结构的形成等高级构象重排（Qu 等，2023; Mehr & Koocheki, 2023）。在酸性条件下，CA 被证明能改变蛋白质基质内的电荷分布、电离行为和氢键强度，促进局部展开并促进分子间相互作用（Li 等，2021）。鉴于这些酸诱导的变化可能补充 PAW 引发的部分展开，本研究提出掺入 CA 以进一步促进 PAW 诱导的结构修饰。据报道，冷等离子体处理结合柠檬酸有助于形成功能性蛋白质聚集体，增强 FC、FS 和表面疏水性（Qu 等，2023）。因此，PAW 和 CA 的联合应用可能促进结构修饰的顺序进展，其中 PAW 诱导的部分展开随后在 CA 提供的酸性条件下重新组织（Li 等，2021）。关于 PAW 和 CA 联合处理植物蛋白的文献仍然有限，特别是在烘焙应用中 EW 替代的背景下。因此，本研究的目标是（1）研究在人工神经网络（ANN）优化条件下生产并经响应面法（RSM）交叉验证的 PAW 对 SPI 溶液 FC 和 FS 的影响，使用泡沫排空动力学来表征时间 FS，以及（2）开发 PAW-CA 处理的 SPI 作为蛋白霜生产中的 EW 替代品。

章节片段

材料

SPI（90% 粗蛋白，干重基准）和 CA 购自 ES Food（韩国军浦）。EW 和糖购自当地市场（韩国首尔）。使用 EW 前未调节其 pH 值。实验中使用的所有试剂和溶剂均为分析级或更高。

使用 ANN 和 RSM 优化 PAW 制备

PAW 是使用供应除湿空气并配备管状电极的大气介电屏障放电（DBD）系统生产的。等离子体发生装置（SWU-9，首尔女子大

粒径分布、表面电荷特性及游离-SH 含量

粒径分布和ζ电位结果展示在图 1 中，以评估 PAW 和 CA 处理对 SPI 分散液聚集行为和静电特性的影响。SPI3% 在接近 1 nm 处显示一个小峰，在约 7–8 nm 处显示一个主峰，平均流体动力学直径约为 7.2 nm，表明存在相对较小的分散蛋白质物种。所有组的 PDI 值范围为 0.658 至 0.760，表明较宽

结论

本研究证明了结合 PAW（在通过探索性 ANN 筛选和 RSM 确证选定的条件下，90 W 处理 20 分钟生产）与 CA 制备基于 SPI 的蛋白霜作为 EW 替代品的可行性。PAW 处理促进了部分展开和软聚集体形成，而 CA 诱导大规模聚集，它们的组合形成了具有改变表面电荷的较小聚集体，改善了分散行为。与这些结构一致

CRediT 作者贡献声明

Sea C. Min: 写作 – 评论与编辑，监督，项目管理，方法学，调查，资金获取，概念化。 Si-Yeon Kim: 写作 – 原稿，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了由韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的支持（RS-2026-25471251）。

金诗妍 | Sea C. Min

韩国首尔女子大学食品科学与技术系，首尔市芦原区花郎路 621 号，01797，韩国