鹰嘴豆品种差异对其衍生蛋白质浓缩物的功能特性、热特性及形态特性的影响

《Applied Food Research》：Chickpea′s varietal differences on the functional, thermal, and morphological properties of protein concentrates derived thereof

　　

本研究调查了来自两种卡布里型（kabuli）和两种德西型（desi）品种的鹰嘴豆蛋白质浓缩物（CPC），以阐明品种特异性差异如何影响其技术功能特性、热特性、结构特性和形态特性。通过在同一研究中整合多种方法学途径，本项研究旨在确定品种特异性变异如何塑造鹰嘴豆蛋白质浓缩物的特性，进而影响其在食品应用中的潜在功能性。CPC的蛋白质含量为64.5-74.8 g/100 g，水分含量为10.8-11.2 g/100 g，灰分含量为2.7-3.2 g/100 g。游离巯基（SH）含量在1.2-4.3 μmol/g之间，总SH含量在3.2-7.2 μmol/g之间，粒径在19.2-58.4 μm之间。因此，德西型CPC由较大颗粒组成。在pH 2-4时，Zeta电位为正值，在pH 6-10时为负值。卡布里型CPC表现出更高的亮度（L^*>80）和黄色（b^*>25），而德西型CPC表现出更高的红绿色（a^*>1.2）。起泡能力范围为84.4%至122.2%，除Elmo CPC外，泡沫在60分钟内保持稳定。Orion CPC表现出最高的乳化能力（12 m²/g）和最佳的持油能力（4.2 g/g）。Elmo CPC具有最高的乳化稳定性指数，Nero具有最佳的持水能力（2.3 g/g）。考虑到CPC的技术功能特性，它们在乳制品替代品、植物基肉类似物、蛋白质强化饮料、烘焙产品和充气甜点中显示出巨大应用潜力。观察到的品种依赖性差异，包括颜色特性，突显了品种选择对于定制鹰嘴豆蛋白质浓缩物以适应特定食品应用（包括需要较深外观的产品）的相关性。

研究背景：随着消费者对植物基食品需求的增加，鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）作为高蛋白、低成本的豆类原料，其蛋白质浓缩物（CPC）在乳制品替代品、植物肉类似物等领域的应用潜力备受关注。然而，现有研究多集中于单一品种或宽泛的卡布里型（kabuli）与德西型（desi）比较，缺乏对品种间差异如何系统影响CPC结构、热特性、形态及技术功能特性的深入理解。由于不同品种的遗传和组成差异可能导致蛋白质功能特性（如乳化性、起泡性、凝胶性）的显著变化，而工业应用中需要根据具体产品需求选择合适原料，因此开展此项研究，旨在通过系统性比较分析，揭示品种特异性对CPC性能的影响，为植物基食品开发提供科学依据。

研究人员开展的研究：研究人员从德国卡尔斯鲁厄农业技术中心（LTZ）获得两种卡布里型（Cicerone和Orion）和两种德西型（Elmo和Nero）鹰嘴豆品种，通过碱溶酸沉法（pH 9.5提取，pH 4.5沉淀）制备蛋白质浓缩物，并对其组成、结构、热特性、形态及技术功能特性进行综合评估。研究得出以下结论：品种差异显著影响CPC的粒径、颜色、巯基含量、Zeta电位及功能特性（如起泡性、乳化性、持水持油能力），但热稳定性（变性温度T_d约94-98°C）相似。卡布里型CPC颗粒更细、颜色更亮、黄色更突出，起泡和乳化性能优异；德西型CPC颗粒较大、颜色较深、红色成分更多，持水能力和乳化稳定性更好。该研究发表在《Applied Food Research》。重要意义在于为工业上根据产品需求（如浅色或深色外观）选择特定鹰嘴豆品种制备CPC提供了系统指导，并揭示了品种间功能特性的重叠与互补性。

主要关键技术方法：研究人员采用碱溶酸沉法（pH 9.5提取，pH 4.5沉淀）从四种鹰嘴豆品种（Cicerone、Orion、Elmo、Nero，来源为德国卡尔斯鲁厄农业技术中心）中制备蛋白质浓缩物。主要技术包括：凯氏定氮法（Kjeldahl）测定蛋白质含量；Ellman比色法测定游离和总巯基（SH）含量；激光衍射法（Malvern Mastersizer 2000）测定粒径分布；电泳光散射法（Zetasizer Nano ZS）测定Zeta电位（pH 2-10）；差示扫描量热法（DSC，Q2000）测定热变性温度（T₀、T_d）和焓变（ΔH）；扫描电子显微镜（SEM，Quanta 250 FEG）观察形态；色差计（CR-300）测定颜色参数（L^*、a^*、b^*）；Bradford法测定蛋白质溶解度；起泡性和乳化性通过搅拌和浊度法评估；持水持油能力通过离心法测定；最小凝胶浓度通过加热-冷却观察法确定；主成分分析（PCA）用于数据降维和变量关联分析。

研究结果（保留每个小标题）：

3.1 Preparation of chickpea protein concentrates（CPC的制备）：通过碱溶酸沉法从四种鹰嘴豆面粉中提取蛋白质，蛋白质提取率分别为Cicerone 103%、Orion 97%、Elmo 91%、Nero 107%。最终CPC蛋白质含量为64.5-74.8 g/100 g，表明并非所有提取的蛋白质在pH 4.5时均沉淀。

3.2 Moisture, protein, and ash content（水分、蛋白质和灰分含量）：面粉水分含量约3%，CPC约11%，无显著差异。灰分含量面粉为2.6-3.2 g/100 g，CPC为2.7-3.2 g/100 g。Nero面粉蛋白质含量最高（20.1 g/100 g），Orion最低（16.6 g/100 g）。CPC中可能还含有碳水化合物和脂肪等其他成分。

3.3 Surface free and total sulfhydryl content（表面游离和总巯基含量）：Orion CPC的游离SH含量最高（4.3 μmol/g蛋白），Nero最低（1.2 μmol/g蛋白）。总SH含量Orion最高（7.2 μmol/g蛋白），其他品种平均约3.63 μmol/g蛋白。不同游离SH含量暗示CPC可能具有不同的凝胶特性。

3.4 Particle size distribution of the protein concentrates（CPC的粒径分布）：卡布里型CPC（Cicerone和Orion，D₅₀约20 μm）粒径显著小于德西型（Elmo D₅₀=58 μm，Nero D₅₀=34 μm）。Elmo CPC呈现双峰分布，可能源于微观结构异质性。品种间粒径差异归因于种子细胞壁组成和机械抗性的差异。

3.5 Zeta-potential（Zeta电位）：所有CPC在pH 2-4时Zeta电位为正，pH 6-10时为负。Zeta电位绝对值在pH 4-6（等电点附近）降低，对应溶解度最低点。Elmo CPC在pH 6时负值较小，与其较低溶解度一致。

3.6 Thermal properties（热特性）：DSC显示所有CPC在约77°C（7S vicilin）和约94°C（11S legumin）出现两个重叠峰。T₀（78-81°C）和T_d（94-98°C）无显著差异，ΔH为0.90-1.57 J/g，表明不同品种CPC的热稳定性相似。

3.7 Morphological Characterization（形态表征）：SEM显示冻干后的CPC呈薄片状、不规则聚集结构，不同品种间无明显形态差异。品种间仅在原始种子外种皮形态上有区别（德西型粗糙，卡布里型光滑）。

3.8 Colour（颜色）：卡布里型CPC的L^*（82-84）和b^*（25-28）显著高于德西型（L^*50-53，b^*14-16），德西型a^*正（红）值更高（>1.2）。颜色差异源于种皮色素转移和粒径影响。

3.9 Functional properties（功能特性）：
3.9.1 Solubility（溶解度）：所有CPC呈现U型溶解度曲线，pH 2-3和pH 7-9时溶解度较高，pH 4-5时最低。Orion CPC在pH 6时溶解度显著高于其他品种，与其高游离SH含量相关。

3.10 Foaming capacity and foam stability（起泡能力和泡沫稳定性）：起泡能力范围为84.4%（Orion）至122.2%（Cicerone）。卡布里型CPC泡沫稳定性更优（60分钟后仍>90%），Elmo CPC最差（51.8%）。结果表明CPC适用于需要充气结构的食品。

3.11 Emulsion activity index (EAI) and emulsion stability index (ESI)（乳化活性指数和乳化稳定性指数）：Orion CPC的EAI最高（12.36 m²/g），其他品种约7.5 m²/g。Elmo CPC的ESI最高（34.33 min），卡布里型约21 min。表明不同CPC在乳化中表现各异。

3.12 WHC and OHC（持水能力和持油能力）：德西型CPC持水能力更高（Nero 2.52 g/g，Elmo 2.09 g/g），卡布里型较低（Cicerone 1.94 g/g，Orion 1.35 g/g）。Orion CPC持油能力最高（4.2 g/g），其他约2.0 g/g。高持水持油能力有利于植物肉和烘焙产品应用。

3.13 Minimum gelling concentration (gelling capacity)（最小凝胶浓度）：Cicerone、Elmo和Nero在12%浓度（w/v）下形成牢固凝胶，Orion需14%。所有CPC在8%以下不形成凝胶。冷却后已形成的凝胶变得更硬，但最低凝胶浓度不变。

3.14 Principal Component Analysis（主成分分析）：PCA将四种CPC分为四组，PC1（52.7%方差）分离卡布里型和德西型，PC2（21.3%）分离Orion/Elmo与Cicerone/Nero。Cicerone和Nero在起泡稳定性、热降解参数上相似，表明颜色并非唯一决定因素。

总结讨论部分：研究人员在讨论中指出，不同品种CPC在热稳定性方面相似，但功能特性差异显著，这主要归因于粒径、巯基含量、Zeta电位和颜色等理化参数的不同。卡布里型CPC因其浅色、高起泡性和乳化性，更适用于乳制品替代品和充气甜点；德西型CPC因深色、高持水性和乳化稳定性，适合需要深色外观的产品（如植物肉）。PCA分析表明，品种间功能特性存在重叠（如Cicerone和Nero），部分品种可相互替代，但针对性选择可优化特定功能。此外，非蛋白质成分（如淀粉、纤维）可能影响WHC、OHC和凝胶性，需进一步研究。颜色不仅受原料影响，还受pH调节，这在产品开发中需考虑。

研究结论部分翻译：本研究中，CPC的蛋白质含量为64.5-74.8 g/100 g，且热稳定性相似，vicilin和legumin的变性温度范围较窄（T₀ ≈ 78-81°C，T_d ≈ 94-98°C），焓变接近。这表明主要贮藏蛋白在不同鹰嘴豆类型中的热行为相似。相比之下，在多项理化和功能参数上观察到明显的品种依赖性差异。德西型CPC颗粒更大、粉末颜色更深更红，而卡布里型CPC更细、更浅、更黄。表面游离巯基含量、选定pH下的Zeta电位和颜色属性在浓缩物间存在差异，并有助于解释功能性的差异。所有CPC均呈现典型的豆类蛋白质U型溶解度曲线，在等电点附近（pH 4-5）溶解度最低；但Orion在pH 6附近保持较高溶解度，而Elmo在该pH下溶解度最低。在功能上，卡布里型CPC表现出优异的起泡行为，兼具高起泡能力和60分钟内的良好泡沫稳定性，使其适用于充气产品。Orion还表现出最高的乳化活性和持油能力，而Elmo和Nero分别提供最佳的乳化稳定性和持水能力。所有四种CPC均能在12-14%（w/v）浓度下形成热诱导凝胶，表明它们可作为半固体食品体系中的有效结构剂。主成分分析表明，尽管卡布里型和德西型之间存在明显差异，但若干特性重叠，且个别品种（如Cicerone和Nero）具有相似的功能特性。这表明不同品种的鹰嘴豆蛋白质浓缩物在一定程度上可相互替代，而针对性品种选择仍可定制特定功能，如起泡、乳化或水油结合。总体而言，结果表明来自卡布里型和德西型品种的CPC提供了多样化的技术功能特性工具箱，适用于广泛的应用，包括乳制品替代品、植物基肉类似物、烘焙产品、蛋白质强化饮料和充气甜点。德西型CPC的天然深色对于需要棕色外观的产品是一个额外优势，可能减少对添加色素的需求。