《Gels》：Modification of Perilla (Perilla frutescens (L.) Britt.) Seed Protein via Physical Treatments for Enhanced Gelation Properties
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摘要
紫苏（*Perilla frutescens* (L.) Britt.）籽蛋白是一种来源于药食同源植物的未充分利用资源。研究人员对其分别或组合施加超声（400 W，20 min）、pH偏移（pH 12.0，1 h）和高压均质（90 MPa，3次循环）处
摘要
紫苏（*Perilla frutescens* (L.) Britt.）籽蛋白是一种来源于药食同源植物的未充分利用资源。研究人员对其分别或组合施加超声（400 W，20 min）、pH偏移（pH 12.0，1 h）和高压均质（90 MPa，3次循环）处理，随后经益生菌发酵诱导形成凝胶。三重组合处理（pH偏移+高压均质+超声）产生了最高的溶解度提升（129%）、最小的粒径、最高的无规卷曲含量以及最大的表面疏水性和游离巯基水平。经三重改性的蛋白凝胶呈现出高度均一的微观结构。同时，这些凝胶在多项功能和流变学性质上均获得了显著改善（p < 0.05），包括凝胶强度、持水性、黏度和储能模量，以及活菌数。这些结果表明，三种物理改性方法的联合应用能够有效重构紫苏籽蛋白并显著改善其在发酵条件下的凝胶行为，支持其作为发酵植物蛋白凝胶或类酸奶产品新型配料的潜力。
# 论文解读：多物理场协同改性紫苏籽蛋白凝胶特性的系统研究
## 一、研究背景与问题提出
随着全球人口增长和环境压力加剧，食品工业正积极寻求能够替代动物蛋白的可持续蛋白来源。植物蛋白因其较低的资源消耗和对多样化膳食习惯的适应性，已成为替代动物蛋白的有力候选。大豆、豌豆、鹰嘴豆、扁豆等植物蛋白已在食品体系中展现出替代动物蛋白的潜力。然而，一个重要的蛋白来源长期以来被忽视——中国的药食同源植物资源。这些资源中许多富含蛋白质，但通常仅被用于提取酚类化合物、油脂和多糖，蛋白组分往往作为副产物被废弃，造成大量蛋白质资源的浪费。
然而，植物蛋白的广泛应用常受限于其较差的技术功能性，这主要归因于其致密刚性的分子结构和较差的溶解性，限制了其在凝胶化、乳化等加工过程中的表现。紫苏（*Perilla frutescens* (L.) Britt.）籽是一种有价值的未充分开发资源，目前主要用于油脂和多糖提取，其蛋白组分在很大程度上尚未被表征。为此，亟需探索有效的改性策略以拓展紫苏籽蛋白的应用前景。
## 二、研究方法概述
本研究采用三种物理改性技术——高压均质、pH偏移和超声处理，分别单独或按二元及三元组合应用于紫苏籽蛋白分离物（PSPI）。研究人员首先制备PSPI（碱溶酸沉法，蛋白含量87.6 ± 1.6%），随后施加不同改性处理。基于溶解度筛选结果，采用分层选择策略：超声（U）作为单一改性的代表，pH偏移+超声（pH+U）作为二元组合代表，三重组合（pH+H+U）作为综合处理代表。研究系统表征了改性前后PSPI的溶解度、微观结构（TEM）、粒径与Zeta电位、亚基组成（SDS-PAGE）、二级结构（FTIR）与三级结构（内源荧光）、表面疏水性、热变性温度及游离巯基含量等理化性质。
## 三、主要研究结果
### 3.1 紫苏籽蛋白分离物（PSPI）的溶解度
三种改性处理均能提高PSPI溶解度，其机制归因于物理干预引起的构象重排。超声空化、高压剪切和pH偏移均能有效破坏天然致密蛋白聚集体，导致粒径减小和蛋白结构去折叠。在单一处理中，超声的效果最为显著；在二元组合中，包含超声的组合优于不含超声的组合；三重组合（pH+H+U）在所有处理中效果最佳，使溶解度提升了129%。
### 3.2 PSPI的透射电镜微观结构
TEM图像显示，天然PSPI呈100-200 nm的球形颗粒且易聚集为大团簇，这解释了其较差的溶解性。超声处理后大聚集体被明显破碎；pH+U联合处理后原始球形颗粒几乎消失，被更细小的颗粒替代；三重改性后小颗粒间的聚集程度显著降低，与最高的溶解度结果相对应。
### 3.3 PSPI的粒径分布与Zeta电位
未改性PSPI以约100 μm的大聚集体为主。超声处理后大颗粒比例降低，出现约10 μm及更小的新峰；pH+U组合使大峰消失，代之以约0.2 μm的主峰；三重改性获得最小粒径。Zeta电位结果显示，超声处理增加PSPI净表面电荷，pH+U进一步增加，三重改性达到最高净表面电荷。
### 3.4 PSPI的亚基组成
SDS-PAGE分析显示，各改性处理对PSPI的主要蛋白亚基组成无可辨识影响，表明这些物理处理不引起蛋白亚基的降解或共价修饰。
### 3.5 PSPI二级与三级结构分析
FTIR分析表明超声处理提高无规卷曲含量，使蛋白结构趋于柔性和无序化；pH+U进一步提高无规卷曲含量；三重改性获得最高无规卷曲含量。内源荧光光谱显示，超声处理增强最大发射波长处的荧光强度，表明色氨酸残基和疏水基团暴露于极性环境；pH+U进一步增强该效应；三重改性的荧光强度最高。
### 3.6 PSPI表面疏水性、热变性及游离巯基含量
表面疏水性在超声处理后增加，pH+U进一步增加，三重改性获得最大值。超声处理降低热变性温度，pH+U进一步降低，三重改性使热变性温度最低。游离巯基含量在超声处理后增加，pH+U后更高，三重改性获得最高游离巯基含量。
### 3.7 益生菌发酵诱导的PSPI凝胶
#### 3.7.1 PSPI凝胶的理化性质
所有样品经10 h发酵后均形成凝胶。天然PSPI凝胶稳定性差，无法贴附瓶壁；改性PSPI样品形成稳定凝胶，其中三重改性凝胶表面光滑均匀，无离壁现象。超声处理显著提高凝胶白度，三重改性获得最高白度。改性处理显著降低凝胶最终pH值，三重改性凝胶的最终pH最接近PSPI等电点。凝胶强度显著改善（p < 0.05），三重改性获得最强凝胶。持水性显著提高，三重改性效果最佳。所有凝胶活菌数均达到1 × 10? CFU/mL，满足国际食品法典委员会对发酵乳制品活菌数的阈值要求，改性处理显著提高活菌数。
#### 3.7.2 PSPI凝胶的流变学性质
所有凝胶样品均表现剪切稀化行为，改性PSPI凝胶表观黏度高于对照组，三重改性最高。储能模量均超过损耗模量，呈现典型凝胶行为。改性PSPI凝胶储能模量更高，三重改性最高，表明凝胶结构稳定性和完整性增强。蠕变恢复测试中，对照组凝胶出现超过30%的形变，反映其网络结构薄弱；三重改性凝胶形变最小。
#### 3.7.3 PSPI凝胶的微观结构
荧光显微镜显示改性处理显著改善凝胶网络连续性，三重改性凝胶孔隙大幅消除，形成更致密、均匀的微观结构。SEM观察进一步证实，改性凝胶呈现更均匀紧密的网络，孔隙尺寸显著减小。
## 四、结论与意义
本研究系统考察了超声、pH偏移和高压均质单独及联合作用对紫苏籽蛋白结构和凝胶性质的影响。三重组合处理效果最为显著，使溶解度提升129%、获得最小粒径、最高无规卷曲含量及最大表面疏水性和游离巯基含量。这些结构重排转化为益生菌发酵下优异的凝胶性能，包括增强的凝胶强度、持水性、黏度、储能模量和活菌数，以及致密均匀的微观结构。多物理改性策略可有效将未充分利用的植物蛋白升级为适用于发酵植物蛋白凝胶应用的功能性配料。
研究存在一定局限性：结构和理化表征均基于单一批次PSPI的技术重复，而凝胶性质评价基于三个独立实验重复。由于详细表征仅限于经溶解度筛选选出的处理序列，实验设计无法定量解析各因素独立贡献及交互作用。未来需采用全因子设计、实时监测凝胶动力学、评估感官特性和消化稳定性，以推动工业转化。尽管如此，本研究为合理设计的顺序改性方案有效提升PSPI用于发酵植物基凝胶应用提供了概念验证。该论文发表于《Gels》。
