超声改善冻融蛋清起泡特性的机制：从宏观流变到界面蛋白质组学

《Ultrasonics Sonochemistry》：Mechanistic insights into ultrasound?improved foaming properties of freeze?thawed egg white: From macroscopic rheology to interfacial proteomics

　　

反复冻融（freeze-thaw，F-T）循环严重破坏蛋清蛋白（egg white protein，EWP）的起泡特性，制约其在食品工业中的应用。研究人员考察了超声预处理在恢复经历反复F-T循环的EWP起泡特性方面的作用，并从泡沫行为、理化与界面性质、蛋白质结构及界面蛋白质组学角度进行综合分析。结果表明，360 W、10 min的超声预处理可有效维持经历8次F-T循环（EWP8-FTC）的蛋清起泡特性。超声预处理使起泡能力（foaming ability，FA）由41.35%降至18.56%，同时使泡沫稳定性（foam stability，FS）提升32.69%；超声处理组（UEWP8-FTC）的FA与新鲜EWP无显著差异（p > 0.05）。超声降低了EWP粒径，增强了分子柔性，提高了游离巯基含量与表面疏水性，并优化二级结构；其还调控溶菌酶C（lysozyme C）、黏蛋白-5B（mucin-5B）、簇集蛋白（clusterin）和卵防御素A1（Ovodefensin A1）等在气-水界面的吸附行为。该研究阐明了超声调控界面蛋白吸附的分子机制，为改善冷冻蛋清品质及推动高值化工业应用提供理论参考。

研究背景方面，冷冻储存可延长新鲜蛋清保质期，但冷链储运、中转与工厂解冻过程中难以避免温度波动，导致反复冻融（F-T）循环。冰晶生长会不可逆损伤蛋白质空间结构，引起部分变性、疏水基团异常聚集及不溶性聚集体生成，降低溶解度与表面疏水性；受损蛋白在气-水界面的迁移与吸附能力下降，界面膜形成受抑，整体起泡特性降低。现有缓解F-T不良影响的策略主要依赖冻融保护剂，效果不尽理想。超声作为绿色高效物理加工技术，可通过空化作用修饰蛋白质结构、改善功能特性，但关于超声在F-T循环过程中对蛋白作用及机制的研究仍较少。因此，研究人员以蛋清蛋白（EWP）为对象，用超声预处理抵消反复F-T导致的质量劣化，从宏观功能、分子结构、界面吸附动力学与蛋白质组学层面解析机制。论文发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

主要关键技术方法方面，样本为市售新鲜鸡蛋蛋清，设新鲜EWP、EWP8-FTC及360 W/10 min超声预处理后经历8次F-T的UEWP8-FTC等队列。方法包括泡沫流变与大幅振荡剪切（LAOS）表征宏观黏弹行为；激光粒度与ζ电位、胰蛋白酶敏感性测分子柔性、溴酚蓝法测表面疏水性、Ellman法测游离巯基；气-水界面张力用Ward-Tordai模型算扩散与重排速率常数；圆二色（CD）与荧光光谱解析二级结构与构象；界面蛋白用LC-MS/MS（Orbitrap Exploris 480）结合MaxQuant检索鸡蛋白数据库做界面蛋白质组学。

研究结果方面，泡沫特性部分，研究人员通过稀释蛋清高速均质测FA与FS，发现8次F-T使FA下降、FS受损，而360 W/10 min超声预处理使UEWP8-FTC的FA恢复至与新鲜EWP无显著差异，并将FS提升32.69%，说明超声以牺牲过度起泡量为代价增强界面膜持泡能力。流变性质部分，借助泡沫稳态剪切与动态频率扫描及LAOS测试，研究人员发现F-T使泡沫与蛋白体系黏弹性变差、非线性应变耐受降低，超声处理提高储能模量G′与损耗模量G″所代表的界面膜强度及结构回弹性。颗粒与电荷性质部分，粒径和ζ-电位结果显示F-T促聚集、电位绝对值改变，超声降低粒径并改善分散状态，利于蛋白向界面输运。分子柔性、表面疏水性与游离巯基部分，胰蛋白酶敏感性、溴酚蓝法与DTNB显色结果表明，超声提高分子柔性、表面疏水性（μ g）和游离巯基含量，使内部疏水残基与巯基暴露，促进界面铺展。界面吸附动力学部分，用Young-Laplace方程算界面压π=γ₀-γ，Ward-Tordai方程分析得到扩散速率K_diff，以及由ln[(π_f-π_t)/(π_f-π₀)]-t两段线性得渗透速率K_P与重排速率K_R；F-T降低扩散与重排效率，超声加快初始扩散并优化界面重排，从而稳定泡沫。蛋白质结构部分，CD显示F-T使α-螺旋减少、β-折叠/无规卷曲增加，超声优化二级结构；荧光光谱表明F-T引起色氨酸等发色团微环境改变，超声使构象更利于界面吸附。界面蛋白质组学部分，LC-MS/MS鉴定到lysozyme C、mucin-5B、clusterin、Ovodefensin A1等界面蛋白；F-T改变其界面富集与丰度，超声重塑界面蛋白组成，使具柔性或表面活性特征的蛋白更易驻留气-水界面。

讨论与结论部分，研究人员指出反复F-T通过冰晶损伤、氧化与聚集削弱EWP起泡能力，核心限制步骤是蛋白在气-水界面的扩散、吸附与重排受阻；超声空化把大分子聚集体打散，降低粒径，暴露疏水区与游离巯基（-SH），提升分子柔性，优化α-螺旋/β-折叠平衡，并从组学层面重排界面蛋白谱系。结论可译为：反复冻融循环会严重损害蛋清蛋白的起泡特性；360 W、10 min超声预处理可在8次F-T条件下维持泡沫稳定性并恢复起泡能力至接近新鲜水平。超声通过减小粒径、增强分子柔性、提高游离巯基与表面疏水性、优化二级结构，以及调控lysozyme C、mucin-5B、clusterin和Ovodefensin A1在气-水界面的吸附行为发挥作用。该工作阐明了超声调制界面蛋白吸附的分子通路，为冷冻蛋清品质保持、冷链加工及其他动植物蛋白的冷冻改性/冻护提供范式。