电化学诱导豆浆凝胶化：蛋白质结构与豆腐凝胶特性

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Electrochemically induced gelation of soybean milk: Protein structure and tofu gel properties

　　

摘要

作为以大豆蛋白为原料的传统亚洲食品，豆腐加工技术的创新已成为提高豆腐品质的关键焦点。此前，我们的团队通过电化学反应器中的阳极处理诱导豆乳凝胶化。在先前研究的基础上，本研究开发了一种新型的电化学诱导豆乳凝胶化策略。豆乳首先进行阴极直流处理以减小粒径并破坏二硫键，随后进行阳极处理以触发凝胶形成。这种顺序电化学调控通过"先分散后聚集"机制促进了可控的蛋白质组装。实验结果表明，阴极碱诱导处理样品在80 mA时的拉曼光谱峰强比降至I₈₅₀/I₈₃₀ = 1.29和I₁₄₅₀/I₁₀₀₃ = 2.94。这促进了酪氨酸暴露和分子间相互作用，导致粒径减小和表面疏水性增加。对于阳极酸诱导处理样品，阳极酸诱导使二硫键含量增至3.06%，同时氢键和疏水相互作用的强度分别增至12.89和42.36，这有助于形成更多的疏水相互作用。此外，持水力提高至72.83%，凝胶硬度达到115.85 g。原本松散无序的结构转变为有序的凝胶结构，形成亲水屏障。凝胶网络结构变得更加均匀和致密。电化学诱导技术可以显著提高凝胶特性，增强豆腐的口感和稳定性。本研究为豆腐的精加工和植物蛋白的可控结构转化提供了理论依据和技术指导。

引言

大豆具有高蛋白含量和优异的氨基酸组成，使其成为少数能够替代动物蛋白的重要植物基来源之一。同时，大豆富含多不饱和脂肪酸、膳食纤维和各种生物活性物质。因此，大豆及其加工产品在营养强化食品、植物基食品和功能性食品的开发中具有广泛的应用价值。豆腐作为最常见的大豆制品，因其优异的口感、高营养价值和有益的功能特性而备受关注。本质上，豆腐的形成涉及豆乳蛋白（主要是7S和11S球蛋白）的热诱导变性，导致蛋白质结构展开，随后在凝固剂的介导下聚集，从而产生致密且均匀的三维凝胶网络。尽管豆乳凝胶化对豆腐生产至关重要，但热诱导蛋白质变性是启动蛋白质展开和聚集的基本前提步骤。豆乳凝胶化是豆腐生产的基本过程，传统上通过添加化学凝固剂（如盐类（例如MgSO?）或酸类（例如δ-葡萄糖酸内酯））来实现。尽管盐诱导和酸诱导的凝固方法在豆腐生产中已广泛应用了数个世纪。豆腐凝胶的形成主要依赖于添加凝固剂后变性蛋白质的自发聚集。缺乏对蛋白质构象变化和聚集行为的精确调控可能会限制凝胶结构和最终产品质量的可控性。因此，开发一种能够在凝胶形成过程中调控蛋白质相互作用的可控凝固策略仍然是一个重要的研究目标。电化学诱导技术（EIT）通过电极反应产生局部酸性和碱性环境，提供了一种潜在的替代方法，允许在不直接添加传统化学凝固剂的情况下顺序调控蛋白质的分散和聚集。

Aidarbekova和Aider（2022）证明，碱性电化学诱导可以增强乳清蛋白的功能特性。随后，碱性电化学诱导技术被用于将乳清蛋白与菜籽蛋白结合，产生了一种具有优越功能特性的新型复合可溶性蛋白（Momen和Aider，2023）。我们的团队也对这项技术进行了深入的研究。阳极水电解产生的质子（H⁺）使系统pH向蛋白质的等电点降低，从而促进蛋白质聚集和随后的凝胶形成（Wang等，2022）。此外，电场力可以诱导蛋白质分子伸展，暴露疏水基团并增强凝胶强度（Wang等，2024）。

尽管我们的初步研究探讨了不同电流强度对凝胶化动力学的影响，但关于如何使用电化学方法预先调控蛋白质初始状态的研究还很少。发生在阴极区域的还原反应（产生OH^?）有潜力破坏蛋白质聚集结构、切断二硫键并减小分子尺寸（Wang等，2023）。理论上，阴极碱诱导（CAI）处理可以首先减小豆乳蛋白粒径，随后进行阳极酸诱导（AAI）凝胶化。这种顺序策略可能在豆腐凝胶微结构中实现"先分散后聚集"的过程，从而产生更均匀的蛋白质网络，并改善口感性能。本研究旨在探索这种新型EIT的实用可行性。研究了不同电流强度下蛋白质二级结构和分子间相互作用的演变，以及它们对豆腐凝胶水分分布、流变性能和微结构的影响。随后为豆腐的精加工提供了新的见解，为植物蛋白结构的可控转化奠定了理论基础。

章节片段

材料

东农252大豆（蛋白质含量42.2%，脂肪含量20.7%，碳水化合物含量28.4%）购自东北农业大学大豆研究所（中国黑龙江）。南豆腐和北豆腐购自北大荒豆制品公司（中国黑龙江）。XR329铂电极（20 × 20 × 0.1 mm）购自上海仙仁仪器有限公司（中国上海）。H型三槽电解槽购自

CAI处理对豆乳蛋白质二级结构的影响

拉曼光谱基于光的不弹性散射。它是一种用于分析蛋白质二级结构的光谱技术。如图2(A)和表1所示，酰胺III带（1235–1300 cm^?1）的宽度增加，该带对应于N-H面内弯曲和C-N伸缩振动。这表明蛋白质二级结构中的有序结构减少，导致向更松散堆积、无序和无规卷曲

结论

本研究提出了一种新的电化学诱导豆乳凝胶化方法。首先通过CAI处理调控蛋白质的初始结构，随后通过AAI处理形成豆腐凝胶。结果表明，最佳电流下的CAI处理显著减小了蛋白质粒径，增强了H₀，并促进了部分蛋白质展开。随后，AAI处理导致β-折叠与β-转角的比例增加，形成致密且均匀的

CRediT作者贡献声明

Yiran Lian：撰写-原始草稿、形式分析、数据整理。Kunhong Yu：资源、概念化。Dianyu Yu：方法论、资金获取。Weining Wang：调查。Tong Wang：监督。Liqi Wang：软件。

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个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了"十四五"国家重点研发计划："大宗油料蛋白柔性加工关键技术研究与开发"（编号：2021YFD2100401）的资助。

Yiran Lian|Kunhong Yu|Dianyu Yu|Weining Wang|Tong Wang|Liqi Wang

东北农业大学，中国哈尔滨 150030