几丁质酶预处理的超声波在两个互补模型系统中增强了酿酒酵母细胞壁的解构和酵母蛋白重塑

《Food Research International》：Chitinase-primed ultrasound enhances Saccharomyces cerevisiae cell-wall deconstruction and yeast-protein remodelling in two complementary model systems

　　

•几丁质酶→超声针对几丁质相关的酵母细胞壁约束。
•随着残留几丁质从 6.94 g/100 g 初始干生物量降至 0.24 g，NY503 蛋白质回收率提高。
•F80 酵母蛋白被重构为溶解度更高、电荷稳定的胶体。
•结构重构增加了表面疏水性并减小了粒径，改善了乳化和短期发泡性能。
•互补模型展示了基质特异性的回收和功能响应。
引言
酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来源的酵母蛋白由于其高蛋白质含量、均衡的氨基酸谱以及快速的生物量生产，成为动物源和植物源蛋白的有前景的可持续替代品（Mezadri et al., 2022）。尽管一些食品应用已经使用了酵母衍生蛋白，但其在高蛋白乳化和充气体系中的更广泛应用仍然受到两个不同加工挑战的限制：从完整酵母生物量中回收蛋白质的效率低，以及酵母蛋白配料的技术功能性能有限，包括低溶解度、聚集和弱的界面活性（Yang et al., 2024）。尽管这些挑战发生在不同的材料背景下，但两者都可能受到各自基质中壁衍生结构或蛋白质 - 多糖相互作用的影响。相反，它们可能有一个共同的宏分子起源：与细胞壁相关的多糖 - 蛋白质限制的持久性，限制了提取过程中的蛋白质释放，并影响了所得富含蛋白质材料的胶体行为。
蛋白质回收有限主要是由于坚硬的酵母细胞壁（Q. Zhang, Duan, & Li, 2022）。这种壁是一个致密的宏分子网络，主要由β-葡聚糖、甘露糖蛋白和几丁质组成（Günal-K?ro?lu et al., 2025）。几丁质的含量低于葡聚糖，但对于通过其与β-葡聚糖和其他壁成分的结合为壁提供结构刚性很重要（Jin et al., 2026）。蛋白质可以在这个分层屏障内被物理限制、空间保护或与不溶性壁片段共保留。传统提取方法，如自溶、化学水解和酶解，可以释放可溶性酵母成分，但它们通常缓慢、苛刻或不完整（Seidel et al., 2025）。因此，需要一种更具选择性和机制指导的策略来削弱酵母细胞壁网络，同时保留回收蛋白质的功能潜力。这种方法应解释残留的壁相关限制如何影响下游蛋白质结构和功能，以及壁解构如何增强蛋白质释放。
顺序几丁质酶 - 超声处理可能提供这样的策略。酵母壁基质内的局部结构连接可以通过几丁质酶对可及的富含几丁质区域的选择性水解而被削弱。超声产生声空化，产生局部剪切、微流和机械破坏，可以损伤细胞壁并减少蛋白质聚集（Nath, 2026）。因此，几丁质酶和超声可能具有互补的作用机制：几丁质酶首先削弱可及的几丁质相关结构域，然后超声通过空化诱导的剪切分解松散的壁基质（Mahooti et al., 2026）。预计几丁质酶会削弱几丁质相关结构域的结构连续性，但超声将这种生化削弱转化为物理解构、改善的质量传递以及富含蛋白质的可溶性材料的改善释放。这种顺序在机制上不同于单独使用超声或酶处理（Abubaker et al., 2026）。
然而，目前尚不清楚几丁质相关结构是否仅作为提取屏障，还是也作为酵母蛋白配料中的下游功能屏障。这种区别很重要，因为富含几丁质和多糖的壁片段可以与富含蛋白质的组分共纯化或与酵母蛋白配料保持关联，在那里它们可能表现为不溶性碎片，促进聚集，减少水合并损害乳化和泡沫稳定（Kong, Chen, Lu, & Huang, 2026）。因此，优化酵母蛋白的使用需要将细胞壁破裂与最终蛋白质成分的分子重构、胶体稳定性和界面活性联系起来，而不仅仅是提高提取产量。了解靶向壁解构如何影响完整酵母生物量中的蛋白质回收以及蛋白质 - 多糖基质重构如何影响富含蛋白质的酵母配料的功能性代表一个重要的科学问题。
据报道，超声处理通过减小粒径、增加溶解度、暴露疏水基团、改变巯基/二硫键谱以及改善乳化和发泡质量来改善酵母蛋白的特性（Wang et al., 2026）。其他组合策略，如超声辅助 pH 调节或超声 - 多糖改性，表明增强加工可能比单一处理更有效（Kisana & Liaquat, 2025; ）。然而，这些研究大多集中在广泛的蛋白质结构变化，而不是检查靶向破坏几丁质相关结构是否可能在互补材料系统中改善生物量回收和蛋白质配料功能性。这在我们的知识中造成了一个机制缺口，即酵母细胞壁设计如何影响最终成分的性能以及从完整酵母生物量中提取。更准确地说，几丁质相关的壁结构是否可以被视为连接界面组装、胶体稳定性、生物量破坏和蛋白质构象可及性的相关过程结构限制，尚未被先前的研究确定。
我们假设顺序几丁质酶 - 超声加工可以改善酵母蛋白利用的两个不同方面：从完整酵母生物量中的细胞壁解构和蛋白质释放，以及富含蛋白质的酵母配料的结构和功能重构。在完整 NY503 生物量中，直接的酶促目标是酵母细胞壁内可及的几丁质相关结构域；可溶性蛋白质释放被认为是酶促壁削弱随后超声诱导的物理破坏的下游后果，而不是几丁质酶对蛋白质的直接修饰。这些问题使用两个独立但互补的酵母衍生模型系统进行了调查。选择 NY503 是因为其完整的细胞结构允许直接评估细胞壁屏障、几丁质相关的壁破坏、生物量崩解和可溶性蛋白质释放。模型 A 使用 NY503 酵母生物量来评估几丁质相关的细胞壁破坏、可溶性蛋白质释放、提取回收率和残留沉淀物特性。在富含壁的沉淀物中定量残留几丁质以评估不溶性生物量部分中几丁质相关材料的消耗。选择 F80 是因为它是一种商业制备的富含蛋白质的酵母配料，具有明确的起始成分，使其适合独立于蛋白质提取效率来评估结构、胶体和技术功能重构。其他商业制备的 S. cerevisiae 蛋白质浓缩物或分离物可以代替 F80 进行评估，但不应假设它们在成分上是等价的，因为菌株、发酵、提取和干燥历史的差异可能会影响残留的壁衍生材料和技术功能行为。非酵母蛋白，如大豆、豌豆或乳清蛋白，可以作为外部功能基准，但在这个实验设计中它们不能直接替代 F80，因为它们缺乏提供几丁质酶 intended 底物上下文的酵母壁衍生微域。因此，F80 被用作富含蛋白质的 S. cerevisiae 配料的标准化和商业相关模型，而不是作为所有酵母蛋白产品的通用代表。在将所有观察到的处理响应推广到所有酵母物种和产品之前，需要使用额外的商业酵母蛋白配料进行验证。模型 B 独立使用商业制备的 F80 酵母蛋白来评估处理引起的蛋白质结构、蛋白质 - 多糖相互作用、胶体行为和界面功能性的变化。在 F80 中，几丁质酶旨在修饰可及的含几丁质或壁衍生微域，而超声主要促进蛋白质聚集体和蛋白质 - 多糖相互作用的重构。因此，NY503 和 F80 是作为由同一制造商提供的工业酵母衍生材料相关的，但它们代表了两个不同的材料背景，并未被视为前体 - 产物对。F80 不是从 NY503 可溶性提取液中获得的，两个模型之间没有材料转移。NY503 上清液被评估为粗制可溶性酵母提取液，未经纯化或用作 F80 蛋白质材料。未从 NY503 中分离标准化蛋白质配料用于模型 B，因为额外的回收和纯化历史将使难以区分处理引起的蛋白质重构与源于提取效率和提取液成分的影响。因此，独立的 F80 模型用于将蛋白质配料重构与先前的生物量回收过程区分开来。相同的五种处理条件，即未处理对照、几丁质酶处理、超声处理、顺序几丁质酶 - 超声处理和温和碱处理，独立应用于每种材料。因此，结果被解释为对相同加工策略的互补、基质特异性响应，而不是从 NY503 蛋白质回收到 F80 功能的连续因果路径。
在本研究中，F80 的界面性能使用乳化活性、乳液稳定性、发泡能力和泡沫稳定性作为既定的模型系统指标进行评估，这些指标反映了蛋白质在油 - 水和气 - 水界面的吸附和成膜行为。然而，这些指标是界面性质的间接指标，不构成对界面张力、吸附动力学、扩张流变学或界面膜微观结构的直接测量。因此，此处描述的机制框架被提议为一个概念模型，将加工条件与宏分子重构、胶体稳定和界面功能性联系起来，而不是作为完全验证的机制路径。结构、胶体和功能证据共同支持这一框架，但未来研究将需要进行直接的界面表征（例如，界面流变学、吸附动力学或界面膜的显微镜检查），以提供更完整的机制验证。
章节片段
材料
两种工业酵母衍生材料，F80 酵母蛋白和 NY503 酵母生物量，由安琪酵母股份有限公司（湖北，中国）提供。NY503 用作生物量基质以测量细胞壁破裂和蛋白质回收，而 F80 用作蛋白质配料基质以检查处理引起的结构、胶体和技术功能变化。全文使用原始供应商代码以确保可追溯性和清晰性。几丁质酶（CAS 9001-06-3; 广东
NY503 酵母生物量破坏与蛋白质回收
模型 A 旨在确定顺序几丁质酶→超声处理是否能够重构限制从 NY503 酵母生物量中回收蛋白质的细胞壁屏障。因此，蛋白质释放被解释为壁软化、基质破坏、细胞内物质释放和生物量重新分布的结果。为了捕捉这一序列，可溶性相指标，包括总可溶性固形物、可溶性蛋白质含量、细胞活力、可溶性提取液回收率，
结论
本研究证明，顺序几丁质酶→超声加工改善了酵母蛋白利用的两个不同方面，这是使用独立但互补的酵母衍生模型进行调查的：NY503 生物量中由细胞壁控制的蛋白质回收和 F80 酵母蛋白配料中由结构控制的功能性。在 NY503 生物量中，处理将完整的、富含壁的、难提取的基质转化为破坏的、可溶的、富含蛋白质的提取液。这
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Talha Riaz: 写作 – 原稿，验证，数据整理。Xianjiang Ye: 方法论，调查，形式分析。Te Yu: 写作 – 原稿，数据整理，概念化。Zhijun Xia: 可视化，验证，软件。Muhammad Moeid Khan: 写作 – 原稿，软件，调查，形式分析，数据整理。Xuan Yao: 可视化，验证，方法论，形式分析。Rabiya Riaz: 写作 – 原稿，可视化，验证，方法论。Sadia
未引用参考文献
Fu et al., 2024
Fu et al., 2024
Ye, Yang, Riaz and Chen, 2025
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或可能被认为影响了本论文中报告的工作的人际关系。
致谢
本研究得到了广西自然科学基金（批准号 2026GXNSFD202160006）、中国财政部和农业农村部农业科研体系（CARS-40）、北京工商大学食品风味与健康交叉创新开放项目以及中国国家关键研发计划（批准号 2024YFF1106200）的支持。
Talha Riaz|Xianjiang Ye|Te Yu|Zhijun Xia|Muhammad Moeid Khan|Xuan Yao|Rabiya Riaz|Sadia Ansar|Zhou Chen|Muhammad Atiq Ashraf|Chuanyan Pan|Yongguo Jin|Xing Fu