《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Insights into yeast cell disruption: Linking thermo-mechanical processing effects to physicochemical properties of yeast extract
编辑推荐：
专业摘要翻译
多种细胞破碎方法可产生组成不同的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）酵母提取物，用于食品蛋白质提取。然而，导致提取物理化性质差异的潜在机制尚不明确。本研究旨在将这些性质与热机械及细胞应激诱导过程相关联。研究人员实施了五种细
专业摘要翻译
多种细胞破碎方法可产生组成不同的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）酵母提取物，用于食品蛋白质提取。然而，导致提取物理化性质差异的潜在机制尚不明确。本研究旨在将这些性质与热机械及细胞应激诱导过程相关联。研究人员实施了五种细胞破碎方法（内源酶解、外源酶解、超声破碎、在线分散器、胶体磨），并对酵母细胞形态、酵母提取物组成及视觉外观进行了分析。内源酶解破碎所得蛋白质含量最高，达65.0% ± 1.4%，而胶体磨破碎所得蛋白质含量最低，为25.1% ± 0.3%。此外，酵母细胞在破碎过程中，尤其是在在线分散器和胶体磨破碎期间，可能遭受氧化及热诱导应激。这与这些提取物中应激渗透调节物甘油含量最高（>70 g/kg）的结果一致，而超声破碎提取物中甘油含量最低（5.8 ± 0.1 g/kg）。升高的甘油含量对这两种提取物产生了增塑效应。此外，这两种提取物表现出最低的亮度值（L值<35）。破碎过程中精确诱导的高温暴露和氧气掺入支持了所提出的热机械反应，如美拉德反应和氧化反应，同时甘油与蛋白质含量呈显著负相关。将超声破碎悬浮液暴露于高达95 °C的温度后，蛋白质含量和L值分别降低了46%和36%。结果表明，高温和氧气可降低酿酒酵母酵母提取物的蛋白质含量和视觉外观，从而削弱其在食品中的应用潜力。
论文解读
一、研究背景与问题
全球动物源和植物源蛋白质供应的环境与伦理挑战日益严峻，而全球蛋白质需求预计将在未来数年内大幅增长。酵母单细胞蛋白，尤其是酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），具有可从食品副产物流中获取的诸多优势，例如啤酒酿造副产物可用作蛋白质提取的原料。酵母蛋白质含量介于40%–60%之间，超过植物源蛋白质原料的含量，且酵母蛋白具有优良的营养谱，因此近年来作为替代性食品蛋白质来源受到越来越多的关注。
在食品应用中，酵母蛋白通常以分离形式使用，需满足食品特定的外观、组成及技术功能性要求。蛋白质提取的基本步骤包括原料选择、细胞破碎、分离、纯化和干燥。现有多种细胞破碎方法，包括机械破碎（如超声破碎、研磨）和非机械破碎（如酶法、化学法）。已有大量研究关注不同破碎方法对酵母提取物组成的影响，尤其是蛋白质组成和回收率优化方面。然而，细胞破碎对视觉外观的影响尚未得到充分讨论，尽管视觉外观对食品应用潜力具有显著影响。研究人员提出假设：破碎方法相关的热机械过程对视觉外观产生强烈影响，同时这些过程使酵母细胞遭受应激，包括高温、渗透压和氧化应激，进而影响酵母提取物的外观和组成。因此，研究破碎方法对酵母代谢物（如甘油、海藻糖、钾）的影响至关重要。
二、研究内容与主要结论
本研究采用五种不同的细胞破碎方法从酿酒酵母中获得酵母提取物，其中三种为机械方法（超声破碎US、在线分散器ID、胶体磨CM），两种为非机械方法（自溶AU和外源酶解EZ）。研究在方法特异性条件下进行比较，旨在最大化蛋白质回收率和含量。研究将酵母细胞形态、酵母提取物的视觉外观和组成与热机械加工条件（即高温和氧气掺入）相关联，以揭示酵母提取物颜色与蛋白质、糖、氨基酸、脂肪和矿物质谱化学变化之间的联系，以及这些变化与酵母细胞应激和加工条件的关联。
主要结论包括：外源酶解破碎的蛋白质含量和回收率最高（分别为65.0% ± 1.4%和64.5% ± 2.0%），而胶体磨和在线分散器破碎的蛋白质含量和回收率最低（分别为25.1% ± 0.3%和0.62% ± 0.03%）。在线分散器和胶体磨提取物中甘油含量最高（>70 g/kg），表明酵母细胞遭受了氧化和热诱导应激。这两种提取物还表现出最低的亮度值（L值<35）和粘性非流动状态，这归因于高甘油含量的增塑效应降低了玻璃化转变温度。美拉德反应和氧化反应被认为是导致颜色变深的主要机制，赖氨酸和精氨酸含量的降低以及还原糖含量的减少支持了这一推断。精确诱导的加工变化实验证实，高温和氧气掺入可显著降低蛋白质含量和亮度值。
三、关键技术方法
本研究采用了以下主要技术方法：五种细胞破碎方法（超声破碎、自溶、外源酶解、在线分散器和胶体磨）；透射显微镜和细胞计数板用于酵母细胞形态评估和活力测定；杜马斯法（Dumas）测定蛋白质含量；高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测（HPAEC-PAD）分析碳水化合物；电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定矿物质元素；便携式分光光度计测定CIELab颜色参数；此外还设计了精确的加工变化实验，包括通气处理和高温处理，以验证热机械效应假设。
四、研究结果
4.1 蛋白质回收率与提取物组成分析
未经处理的酵母蛋白质含量为47.7% ± 0.5%，活力为88.0% ± 6.3%。所有破碎方法均降低了酵母细胞活力。外源酶解和自溶破碎后的活力最低（分别为1.6% ± 0.8%和6.9% ± 0.4%），在线分散器和胶体磨破碎后的剩余活力最高（分别为48.8% ± 0.9%和54.9% ± 1.7%）。外源酶解提取物的蛋白质含量显著最高（65.0% ± 1.4%），蛋白质回收率也最高（64.5% ± 2.0%），这可能与木瓜蛋白酶的添加有关——木瓜蛋白酶高度水溶且在中性pH下具有显著稳定性，其氮含量可能对蛋白质测定产生贡献。在线分散器和胶体磨提取物的蛋白质含量和回收率显著最低，表明细胞破碎不充分，可能伴随蛋白质变性、聚集和氧化反应。在线分散器和胶体磨提取物的灰分含量最高（分别为259 ± 13 g/kg和244 ± 37 g/kg），超声提取物的脂肪含量最高（93.1 ± 3.7 g/kg）。甘油和海藻糖作为酵母细胞应激的间接指标，在线分散器和胶体磨提取物的甘油含量最高（分别为76.0 ± 2.7 g/kg和133 ± 7 g/kg），而超声提取物最低（5.8 ± 0.1 g/kg），表明前两种方法中酵母细胞遭受了更强烈的氧化和热应激。
4.2 破碎后酵母悬浮液的显微成像
未破碎酵母细胞呈典型的酿酒酵母形态特征，细胞大小5–8 μm，呈圆形至椭圆形，细胞核和碎片清晰可见。两种酶法破碎后，酵母细胞收缩至5 μm以下，部分呈椭圆形，这与细胞通透化、降解和膨胀压丧失有关。外源酶解后的细胞收缩更为明显，与最低的细胞活力和最高的蛋白质含量及回收率一致。超声破碎后，细胞形态变化有限，但出现了空细胞壳和细胞壁碎片，表明机械力将整个细胞打开而非形成孔道。在线分散器和胶体磨破碎后，大多数酵母细胞未被破裂，但存在破碎、变形和收缩的细胞，尤其是在线分散器样品中出现了明显的细胞碎片聚集体，这可能是机械剪切力、高温峰值、蛋白质变性和氧化共同作用的结果。
4.3 冻干酵母提取物的视觉外观与颜色
在线分散器和胶体磨提取物呈现最深的颜色，且表现为粘性非流动状态，而其他三种提取物为可流动粉末。高甘油含量（最高133 g/kg）降低了玻璃化转变温度，可能使提取物在室温下发生从无定形态到橡胶态的相变，导致结块和粘附。颜色参数方面，超声提取物的L值显著最高（77.0 ± 0.5），其次为外源酶解（65.8 ± 3.0）和自溶（63.0 ± 2.2），在线分散器和胶体磨的L值接近零。所有提取物的色相角介于0°至90°之间，呈现黄红色特征，在线分散器和胶体磨的色相角最低（分别为48.2° ± 5.2°和30.0° ± 7.8°）。美拉德反应被认为是导致颜色差异的主要机制，酶法破碎过程中50–65 °C的温度和95 °C的酶灭活温度均达到美拉德反应发生的条件。超声破碎过程中温度保持在20 °C以下，最大温度升高仅3 K，因此美拉德反应速率较低。此外，在线分散器和胶体磨破碎过程中观察到大量泡沫形成，表明强烈的空气和氧气掺入，氧化反应可能同样影响颜色。
4.4 破碎过程中的热机械加工效应
美拉德反应可发生在还原糖（如葡萄糖和果糖）与氨基酸残基之间，赖氨酸和精氨酸是典型的高反应性氨基酸。未破碎酵母细胞中赖氨酸和精氨酸含量最高（分别为8.9 ± 0.1 g/100 g氨基酸和5.3 ± 0.1 g/100 g氨基酸），胶体磨提取物中最低（分别为5.7 ± 0.1 g/100 g氨基酸和2.3 ± 0.3 g/100 g氨基酸），表明美拉德反应可能消耗了这些氨基酸。超声提取物中葡萄糖含量最高（27.1 ± 0.4 g/kg），在线分散器提取物中最低（0.55 ± 0.02 g/kg）。加工变化实验证实：向超声破碎和自溶过程中通入空气增加了甘油含量并降低了蛋白质含量和L值；将超声破碎悬浮液加热至95 °C后，蛋白质含量和L值分别降低46%和36%。这些结果直接验证了高温和氧化对酵母提取物蛋白质含量和视觉外观的负面影响。
五、讨论与结论总结
讨论部分指出，不同破碎方法产生的热机械效应差异是导致酵母提取物理化性质差异的根本原因。美拉德反应、蛋白质氧化和脂质氧化可能同时发生并相互促进，共同导致在线分散器和胶体磨提取物的深色外观和低蛋白质含量。高甘油含量不仅反映酵母细胞应激状态，还通过增塑效应影响提取物的物理形态。蛋白质氧化和聚集降低了蛋白质溶解度，导致低蛋白质回收率。研究结论表明，高温和氧气掺入可显著降低酿酒酵母酵母提取物的蛋白质含量和视觉外观，从而削弱其在食品中的应用潜力。该研究为理解和控制酵母蛋白提取过程提供了微观和宏观层面的重要认识，对于食品应用中定制化和可控化的酵母蛋白提取具有重要意义。
