顺序脉冲电场-超声处理对辣椒籽蛋白分离物结构与功能特性的电声耦合改性

《Ultrasonics Sonochemistry》：Electro-acoustic coupling of sequential pulsed electric field-ultrasound treatment: A novel technique for modification of protein isolate extracted from Capsicum annum L. seeds

　　

辣椒（Capsicum annum L.）籽作为可持续蛋白资源的农工增值利用，需要创新加工策略以克服其天然蛋白结构局限并提升食品应用中的技术功能特性。研究人员旨在探究顺序脉冲电场（Pulsed Electric Field，PEF）与超声（Ultrasound，US）处理之间的电声耦合对未充分利用的辣椒籽蛋白分离物（Pepper Seed Protein Isolate，PSPI）的体外消化率、结构、功能及抗氧化特性的影响。顺序处理引起显著构象与结构变化：表面疏水性及游离巯基（-SH）含量升高，粒径由604.82 ± 7 nm降至275.97 ± 4 nm，ζ电位负电绝对值增大，表明分散稳定性改善；内源荧光强度下降并出现明显红移，提示芳香族残基暴露与构象去折叠；傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）证实二级结构重排，无规卷曲与α-螺旋含量增加；扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）显示明显破碎与破坏；X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）中2θ由20.12°降至19.71°，结晶度与分子有序性降低；差示扫描量热（Differential Scanning Calorimetry，DSC）焓变由126.75 ± 0.65 ΔH J/g降至100.27 ± 0.84 ΔH J/g，热稳定性下降。上述改性或功能提升包括溶解度由48.4 ± 0.59%升至75.2 ± 0.65%、持油能力（Oil-Holding Capacity，OHC）由5.68 ± 0.06 g/g升至7.30 ± 0.07 g/g、持水能力（Water-Holding Capacity，WHC）由2.69 ± 0.04 g/g升至3.82 ± 0.05 g/g，乳化与起泡特性改善，浊度降低。顺序处理还较单独PEF与单独US显著提高了体外蛋白消化率与抗氧化活性。研究人员得出结论：顺序PEF+US可作为新型绿色可持续工业工具，有效改性PSPI结构，将其升级为高价值功能食品配料。

研究背景方面，全球对新型植物膳食蛋白的需求增长，以及食品副产物高值化利用的诉求，使研究人员将目光投向辣椒（Capsicum spp.）籽等未被充分利用的可食性农工废弃物组分。辣椒籽是香辛料工业的营养丰富副产物，具备提供健康蛋白、抗氧化潜力与技术功能的空间，但其天然蛋白存在溶解度低、乳化与起泡性能次优、消化率较差等限制，制约了在食品基质中的可行应用。非热处理技术中，脉冲电场（Pulsed Electric Field，PEF：微秒至毫秒级高压脉冲作用于物料，诱导瞬态孔形成与构象重排）可通过电场介导的极化与分子间作用改变来调控蛋白结构；超声（Ultrasound，US：通过声空化、微流与剪切力破坏聚集体并暴露疏水端）则可借助空化与机械力促进蛋白去折叠与分散。已有文献提示PEF与US联用可在提取得率、传质与生物活性保留上产生协同，但针对植物蛋白，尤其是辣椒籽蛋白分离物（Pepper Seed Protein Isolate，PSPI）的结构、二级结构、抗氧化与消化率系统研究仍属空白。因此，研究人员在《Ultrasonics Sonochemistry》所报道的工作中，采用顺序PEF后US处理PSPI，验证电声耦合能否产生单技术无法获得的协同改性效应，并将其转化为高值功能配料。

关键技术方法上，研究人员以中国广州本地市场辣椒籽为样本来源，经脱脂与碱溶酸沉制备PSPI；采用连续式PEF系统于15 kV/cm与20 kV/cm处理120 s，采用40 kHz、720 W超声水浴处理10 min与15 min，并按PEF先于US的顺序构建PEF15+US10、PEF20+US10、PEF15+US15、PEF20+US15组合；随后通过粒度与ζ电位、表面疏水性、游离巯基（-SH）、内源荧光、FTIR、SEM、XRD、DSC及溶解度、浊度、OHC、WHC、起泡、乳化等指标进行结构与功能表征，并以体外消化率与抗氧化活性评价营养与保健属性。

研究结果部分，样品制备与脱脂环节显示，脱脂辣椒籽粉含蛋白24.87 ± 0.22%，PSPI提取得率6.08 ± 0.11%、蛋白纯度82.02 ± 0.21%。PSPI加工环节显示，PEF通过电场介导构象重排降低聚集壁垒，US通过空化与剪切进一步破坏聚集体；顺序处理中PEF先弱化分子间作用，使后续US空化阈值降低、微流与局域能量释放增强，从而形成电声耦合。颗粒尺寸、ζ电位与体外蛋白消化率（In Vitro Protein Digestibility，IVPD）研究显示，对照组粒径604.82 ± 7 nm、ζ电位?52.38 ± 0.18 mV、IVPD 82.23 ± 0.58%；PEF15+US15组粒径降至275.97 ± 4 nm、ζ电位?58.32 ± 0.24 mV、IVPD升至89.02 ± 0.38%，说明颗粒细化、负电性增强与消化可及性提高同步发生。热性质研究显示，对照变性焓ΔH为126.75 ± 0.65 J/g，PEF15+US15组降至100.27 ± 0.84 J/g，PEF20+US15组T_d由89.00 ℃降至80.42 ℃，表明顺序处理使蛋白分子有序结构被削弱、热稳定性下降。结构表征研究中，表面疏水性上升与游离-SH增加反映内部疏水区与二硫键相关位点暴露；内源荧光强度下降并红移说明色氨酸等芳香残基转向亲水环境；FTIR显示酰胺Ⅰ带中α-helix与random coil占比增加、β-sheet相关有序结构相对减少；SEM显示块状或聚集态结构变为碎片化和粗糙表面；XRD中2θ由20.12°移至19.71°、峰强减弱，证明结晶区与分子堆积有序度下降。功能特性研究中，溶解度由48.4 ± 0.59%增至75.2 ± 0.65%，OHC由5.68 ± 0.06 g/g增至7.30 ± 0.07 g/g，WHC由2.69 ± 0.04 g/g增至3.82 ± 0.05 g/g，乳化活性与起泡能力改善，浊度下降，说明结构开放与颗粒分散共同提升了水相、油相界面与泡沫体系中的行为。抗氧化与体外消化研究表明，顺序处理组较单独PEF、单独US具有更高自由基清除或相关抗氧化表现，并使IVPD提升，意味着蛋白序列可接近性增强、酶解效率改善。

讨论部分总结而言，研究人员指出PEF与US的改性机制互补：PEF以电场极化、瞬态穿孔和分子间作用调控为主，US以空化、微流和剪切为主；顺序PEF+US并非两技术效应的简单叠加，而是PEF预先去稳定蛋白构象、降低空化阈值，使US在较低阻力下产生更强机械扰动，因而在粒径、二级结构、热行为、功能特性和营养可及性上表现出协同。该结果弥补了辣椒籽蛋白分离物在非热协同改性研究中的缺失，也为农工副产物蛋白的高值化提供了可放大的绿色路径。研究结论部分译为：顺序脉冲电场与超声处理之间的电声耦合引起了辣椒籽蛋白分离物的显著构象与结构改变，表现为颗粒减小、ζ电位负电性增强、表面疏水性与游离巯基增加、芳香残基暴露及二级结构由有序向无规卷曲与α-螺旋方向重排；这些结构变化伴随结晶度与热焓降低，并最终提升溶解度、持水持油能力、乳化、起泡、体外消化率与抗氧化活性。综上，顺序PEF+US是一种新颖、绿色且可持续的工业工具，可有效改性PSPI结构，将其升级为具有高价值的食品功能配料。