《Food Chemistry》：Compositional, structural, thermal, and microstructural modifications in black soldier fly larvae
Hermetia illucens) proteins induced by alkaline pulsed electric field-assisted extraction
编辑推荐：
本研究旨在探讨碱性脉冲电场辅助提取如何调控黑水虻幼虫（*Hermetia illucens*）蛋白的组成、分子、胶体、热性质及微观结构特性。研究人员对脱脂黑水虻幼虫粉在碱性条件下进行提取，并在电场强度1.25–3 kV/cm、脉冲数50–250的条件下施加
本研究旨在探讨碱性脉冲电场辅助提取如何调控黑水虻幼虫（*Hermetia illucens*）蛋白的组成、分子、胶体、热性质及微观结构特性。研究人员对脱脂黑水虻幼虫粉在碱性条件下进行提取，并在电场强度1.25–3 kV/cm、脉冲数50–250的条件下施加脉冲电场处理。采用氨基酸分析、圆二色谱（circular dichroism, CD）、傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、zeta电位、差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）、热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）及粒径分析对蛋白组分进行了组成、结构、胶体行为、热性质和微观结构的表征。粗蛋白含量保持相对稳定，介于56.86至57.92 g/100 g之间。相比之下，脉冲电场处理诱导了蛋白结构与功能呈明显的强度依赖性变化。热转变显著偏移，起始温度范围为51.62至75.59°C，焓值从0.65增加至1.17 J/g。Zeta电位保持负值，而圆二色谱、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射证实了分子重组的发生。微观结构和粒径变化进一步证明了处理效应。因此，碱性脉冲电场辅助提取可生成具有独特结构、胶体和热特性的黑水虻幼虫蛋白原料。
**论文解读文章**
**一、研究背景与目的**
随着全球对可持续优质蛋白原料需求的持续增长，传统动物性蛋白生产体系面临日益严峻的环境、经济及营养约束。在这一背景下，食用昆虫凭借其高饲料转化效率、低温室气体排放以及富含必需氨基酸、脂质和微量营养素的营养特性，已成为具有前景的替代蛋白来源。然而，昆虫蛋白成功融入主流食品体系，不仅取决于其营养充分性，更关键的是其在工业加工条件下所表现出的结构稳定性和功能可靠性。
在可食用昆虫中，黑水虻幼虫（*Hermetia illucens*）因其高蛋白含量、可规模化生产以及能够转化有机副流的能力而备受关注。黑水虻幼虫蛋白具有优良的必需氨基酸组成和较高比例的疏水性及支链氨基酸残基，这些特性支撑了其在食品配方中的技术功能潜力。尽管欧盟尚未授权黑水虻幼虫供人类食用，但欧洲食品安全局（EFSA）对其他食用昆虫物种的新型食品评估强调，食品安全、组成一致性、蛋白质结构和过程控制是获得监管批准的核心要素。
然而，蛋白质提取仍是制约该领域发展的关键瓶颈。传统化学提取可能引发构象重排、聚集以及表面电荷变异，进而损害蛋白质的溶解性、界面行为和热稳定性。此外，现有研究鲜有将氨基酸谱分析与光谱学、热学和胶体分析（包括FT-IR、圆二色谱、zeta电位和热分析）进行整合，导致脉冲电场强度、氨基酸再分布、蛋白质构象、表面电荷行为和热稳定性之间的关联仍不清晰。
本研究的新颖之处在于将碱性PEF辅助提取与多技术整合表征策略相结合，从分子到微观结构水平系统考察不同PEF处理条件对黑水虻幼虫蛋白组成和结构的影响。该研究超越了对粗蛋白含量的单一评价，为利用PEF辅助碱性加工生成具有可调控结构、胶体和热特性的昆虫蛋白原料提供了理论依据。
**二、主要技术方法**
研究人员采用了多种互补的分析技术：采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量；高效液相色谱-荧光检测法（HPLC/FLD）进行氨基酸组成分析；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）评估蛋白质二级结构；远紫外圆二色谱（CD）定量分析α-螺旋、β-折叠和β-转角等二级结构单元；X射线衍射（XRD）考察超分子有序性；Zetasizer纳米粒度仪测定zeta电位；差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）分别评估蛋白质变性温度和高温分解行为；扫描电子显微镜（SEM）结合激光衍射粒径分析仪表征微观形貌和粒径分布。黑水虻幼虫样本由德国食品技术研究所（DIL；德国夸肯布吕克）繁育，经己烷脱脂后制备脱脂粉，各处理组均以三份独立平行样本进行分析。
**三、主要研究结果**
**3.1 黑水虻幼虫蛋白与氨基酸组成**
蛋白质提取率在各处理间介于44.87%至51.78%之间，其中PEF 6-HH条件（3.0 kV/cm，250脉冲）获得最高提取率51.78%，较无PEF对照组（47.04%）绝对增加4.74个百分点。然而，粗蛋白含量在各处理间仅呈微幅变化（56.86–57.92 g/100 g），表明碱性PEF处理并未显著提高总蛋白富集程度。氨基酸组成方面，带电残基和疏水性氨基酸对PEF处理最为敏感。赖氨酸等正电荷残基随PEF强度增加而显著下降，而疏水性氨基酸在中等至高等场强条件下相对比例增加，表明碱性PEF辅助提取选择性富集了结构稳定、易于相互作用的蛋白组分。
**3.2 傅里叶变换红外光谱**
所有蛋白提取物均呈现典型的昆虫蛋白特征吸收带，酰胺I带（约1650 cm?1）在中等PEF处理条件下表现出明显的宽化和强度增加，反映氢键网络的破坏和α-螺旋及β-折叠结构的部分重组；而高强度PEF处理则表现为酰胺I带的锐化，指示蛋白质二级结构有序度增加和结构稳定化。
**3.3 圆二色谱**
CD光谱显示PEF强度对蛋白质二级结构呈非线性影响：温和处理（PEF 1-LL）基本保持天然构象特征；中等强度处理（PEF 3-MM）表现为β-折叠含量相对增加和α-螺旋结构的部分重排；高强度处理（PEF 5-HM和PEF 6-HH）则呈现更深的负吸收带和更宽的吸收谷，表明结构异质性和无序度增加，β-转角和随机卷曲组分升高。
**3.4 X射线衍射**
所有样品均在2θ≈19–20°处呈现宽泛反射峰，表明蛋白保持典型的无定形特征。然而，中高强度的PEF处理组合表现出更锐利、更明确的衍射峰，与氨基酸数据和光谱学结果一致，证实碱性PEF辅助提取在较高处理强度下促进了蛋白分子向更有序结构的重组。
**3.5 Zeta电位**
所有蛋白提取物的zeta电位均为负值，但处理间存在显著差异。PEF 1-LL的zeta电位绝对值最小（?24.83 mV），表明静电排斥力降低、聚集倾向增强；而PEF 4-MH和PEF 5-HM表现出更大的负值（?26.83和?26.43 mV），指示增强的静电稳定性和改善的分散稳定性。
**3.6 差示扫描量热法**
DSC分析揭示了PEF处理对蛋白热稳定性的显著调制作用。对照组起始变性温度为52.72°C，而PEF 5-HM处理组的起始温度大幅升至75.59°C，峰值温度达80.87°C。变性焓值方面，对照组为0.65 J/g，PEF 4-MH处理组最高达1.17 J/g。PEF 5-HM与PEF 6-HH之间起始温度的显著差异（75.59°C vs 52.82°C）表明存在非线性PEF响应：150脉冲可能促进了受控展开及随后的热稳定结构重组，而增加至250脉冲可能导致了过度破坏或形成不稳定的聚集体。
**3.7 热重分析**
TGA曲线呈多阶段质量损失模式。高强度PEF处理表现出更大的热持久性，其中PEF 5-HM在598°C时保留最高残余质量（30.72%），其次为PEF 6-HH（27.62%），而对照组和温和处理组残余质量分别为24.03%和25.99%。中等处理组（PEF 2-LM、PEF 3-MM和PEF 4-MH）集中在较低残余质量范围（约22–23%）。该结果与DSC发现高度一致，表明赋予低温热稳定性的结构特征同样促进了高温下热持久性残渣的形成。
**3.8 表面形貌与粒径**
SEM观察显示，对照组、温和处理组（PEF 1-LL和PEF 2-LM）以及高强度处理组（PEF 5-HM和PEF 6-HH）呈现较细小、更均质的微观结构；而中等PEF条件下（特别是PEF 3-MM和PEF 4-MH）获得的蛋白呈现更开放、不规则的架构，孔隙明显增大。粒径分析进一步量化了这一非单调响应：PEF 3-MM和PEF 4-MH的D50值约为0.5–0.6 mm，而对照组和PEF 6-HH约为0.15–0.2 mm，中位粒径相差约3–4倍。
**四、结论**
碱性脉冲电场辅助提取以强度依赖性的非线性方式调控了黑水虻幼虫蛋白的表达。尽管粗蛋白含量变化不大，但氨基酸组成、分子构象、胶体行为、热转变和微观结构组织均表现出显著差异。PEF与碱性提取的整合可在不必然提高总蛋白富集度的前提下改变黑水虻幼虫蛋白的理化特性。具有更高热稳定性的蛋白组分可能适用于烘焙、挤压和热结构化等高温加工应用，而zeta电位、粒径和形貌的差异可能影响分散性、水化行为和组织特性。然而，这些潜在应用仍需通过溶解度、乳化性、起泡性、抗氧化性和凝胶行为等功能特性的直接评估来加以验证，以确定观察到的结构变化如何在食品体系中转化为功能表现。
