超声波辅助碱提取珍珠粟蛋白：物理、结构、热及技术功能特性的表征

《Bioresource Technology Reports》：Ultrasound-assisted alkaline extraction of pearl millet protein: Characterization of physical, structural, thermal, and techno-functional properties

　　

摘要

粟类作物因其功能和治疗特性正受到关注，作为营养谷物的替代品，部分归功于其原生蛋白质中的生物活性肽。本研究调查了经超声波（US）处理的珍珠粟蛋白（PMPs）的结构、功能和热特性，以增强其食品应用潜力。PMPs 通过酸碱沉淀法从脱脂粉中分离出来，随后进行超声处理（45 kHz 下 5、10 和 15 分钟）。对照样品表现出最大的粒径（1321 nm），而经 US 处理 10 和 15 分钟的样品粒径显著减小（789.30 nm）。此外，Zeta 电位显示增加趋势，从对照样品的 -15.20 mV 转变为 US10 处理的 -23.96 mV，这共同表明蛋白质发生了显著的结构变化。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和圆二色谱（CD）分析揭示了蛋白质二级结构的修饰，包括α-螺旋和β-折叠含量。X 射线衍射（XRD）证实了这些结构的存在，而扫描电子显微镜（SEM）显示经 US 处理的样品中蛋白质片段更均匀且紧凑。热分析突出了降解行为，核磁共振（NMR）证实了氨基酸和有机酸的存在。因此，US 处理显著增强了 PMPs 的功能特性，提高了其食品应用潜力。

引言

粟类作物正获得全球认可，作为营养、气候韧性强作物，能够在人口增长和环境挑战背景下解决粮食安全和饮食需求。值得注意的是，粟类作物能在干旱、炎热和潮湿的气候中茁壮成长，而许多主要作物如水稻、甘蔗、花生、棉花和玉米难以生存（Kumar Siroha 等，2024）。在全球种植的 various 粟类物种中，珍珠粟（PM）（Pennisetum glaucum）种植最广泛，约占全球粟类种植面积的 75%，其中近 97% 的产量集中在非洲和亚洲（Deevi 等，2024）。珍珠粟因其高宏量营养素含量而备受重视，尤其是蛋白质和碳水化合物，并且是膳食纤维（可溶性和不溶性）以及抗性淀粉的丰富来源（Pei 等，2022）。传统上，它以罗蒂、帕科拉、多萨、拉杜、科科、富拉和拉巴迪的形式纳入地区菜肴（Meena 等，2024）。PM 提供了与小麦、水稻和玉米等主要谷物相当的营养成分。其成分包括 70–76% 碳水化合物、10–15% 蛋白质、2–5% 脂肪，以及显著水平的维生素（A 和 B）和必需矿物质（如钙、铁、锌、镁和磷）（Meena 等，2024；Ramashia 等，2025）。除了营养成分外，PM 在预防和管理代谢和心血管疾病方面表现出治疗潜力，如糖尿病、高血压、癌症和高胆固醇血症，这得益于其一系列生物活性化合物（Pei 等，2022）。这些健康促进属性推动了对分离珍珠粟蛋白（PMPs）的兴趣，作为可持续和经济的蛋白质来源。PMPs 特别富含必需氨基酸，如赖氨酸和蛋氨酸，这些在其他谷物蛋白质中常常是限制性的，同时无麸质、高消化性且经济实惠（Krishnan 和 Meera，2018；Jhan 等，2021b）。其优越的氨基酸谱和功能益处使 PMPs 成为开发旨在改善健康和营养的结构和功能食品的理想选择（Mudgil 等，2023；Latha Ravi 和 Rana，2024）。

近年来，超声波（US）辅助提取作为一种创新和高效的技术出现，用于提高植物来源的蛋白质产率和功能性。与传统方法相比，US 加工具有减少提取时间、提高蛋白质溶解度、更好的技术功能属性和保持营养完整性等优点（Ampofo 和 Ngadi，2022；Hegde 等，2025）。研究表明，US 处理产生的蛋白质粒径更小、消化性增强、抗营养因子（如皂苷、植酸盐和单宁）减少，同时增加粟类蛋白质中的生物活性含量（Hassan 等，2020；Aghababaei 等，2024）。尽管有这些令人鼓舞的发现，关于超声处理在 PMPs 中诱导的分子水平变化及其与技术功能特性的关系，仍然存在一个关键的知识空白。因为，超声波产生空化气泡，剧烈坍塌，产生局部高温和高压。这些效应破坏细胞膜和蛋白质聚集体，促进蛋白质释放并在分子水平上诱导构象变化。Sara 等人（2026 年）、Altarjami（2025 年）、Rueangsri 等人（2025 年）和 Qadeer 等人（2025 年）的近期研究描述了空化诱导的物理和化学修饰，包括键断裂和蛋白质/多酚结构展开、提取效率提高和功能特性改善。虽然一些报告评估了 US 对基本功能和热特性的影响，但缺乏整合热分析、显微镜、圆二色谱（CD）和质子核磁共振（¹H NMR）等先进表征技术的全面研究。这种整合方法对于阐明结构修饰如何影响 PMPs 在食品系统中的物理行为和性能至关重要。

本研究通过提供使用超声辅助方法提取的珍珠粟蛋白的详细多水平表征来解决这一空白，专注于其物理、结构、热和技术功能特性。通过结合分子和光谱分析与功能评估，本研究提供了关于超声如何改变蛋白质构象并增强其功能性能的新见解。研究结果不仅有助于科学理解 PMPs 行为，还支持其在开发创新、可持续的高蛋白食品产品中的潜在应用。

章节片段

原料、化学品和试剂

珍珠粟粉（蛋白质含量：12.31%，脂肪：4.20%）采购自 Anand Products（印度瓦拉纳西 Nirala Nagar；纬度：25.30766° N 经度：82.97567° E）。食品级n-己烷由 Finar Chemicals Ltd.（印度古吉拉特邦）提供，而氢氧化钠（NaOH）颗粒和 1 M 盐酸（HCl）则从 Fisher Scientific Pvt. Ltd.（印度孟买）获得。用于蛋白质测定的试剂是根据标准方案新鲜制备的。

面粉脱脂

珍珠粟粉已脱脂

US 处理对蛋白质含量和蛋白质回收率的影响

对照组和 US 辅助 PMPs 中的蛋白质含量范围从 61.86 ± 0.19 到 63.045 ± 0.11。这些值低于 Raghav 等人（2025 年）报告的数值，但高于 Thakur 等人（2025 年）报告的数值。Raghav 等人（2025 年）建议，较低的蛋白质含量可能是由于非蛋白质物质的溶解及其随后在碱性环境（pH 8.5）中与粟类蛋白质共沉淀造成的。对照组和 US 辅助 PMPs 的蛋白质回收率有所不同

结论

总之，对 US 辅助 PMPs 的先进表征提供了关于其物理、结构、热、¹H NMR 和功能特性的宝贵见解。US 的应用显著改善了物理化学特性，表明其在各种食品和工业应用中的潜力。结构分析揭示了蛋白质构象的变化，表明功能相互作用的可达性提高。热特性突出了稳定性和

CRediT 作者贡献声明

Upendra Singh: 方法论、调查、形式分析、数据整理。Raj Kumar Duary: 写作 – 回顾与编辑。Sunil Meena: 写作 – 回顾与编辑，写作 – 原始草稿，验证，监督，软件，项目管理，资金获取，数据整理，概念化。Kappat Valiyapeediyekkal Sunooj: 写作 – 回顾与编辑。Kamalesh Kumar Meena: 写作 – 回顾与编辑，调查。Chetan Prakash Yadav: 可视化。

生成式 AI 和 AI 辅助技术在写作过程中的声明

在准备本工作期间，作者使用 Biorender App 绘制了图形摘要。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

竞争利益声明

作者声明，没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报道的工作。

致谢

作者衷心感谢卓越机构（IoE）计划，贝拿勒斯印度大学，瓦拉纳西（UP）为“IoE 种子基金-II"（发展计划编号：6031(B) 和 PFMS 计划编号：3254），以及“教职员工/博士后研究员研究基金”（计划编号：6031(A)）提供的财政支持。作者还感谢 BHU 精密分析与技术帮助研究所（SATHI）的中心仪器设施进行 NMR 和圆二色谱分析，以及

Upendra Singh|Raj Kumar Duary|Sunil Meena|Kappat Valiyapeediyekkal Sunooj|Kamalesh Kumar Meena|Chetan Prakash Yadav

贝拿勒斯印度大学农业科学学院乳品科学与技术系，印度瓦拉纳西，221 005