介质阻挡放电低温等离子体预处理改善大豆分离蛋白的分散性和热致凝胶化

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Dielectric barrier discharge low-temperature plasma pretreatment improves soy protein isolate dispersibility and heat-induced gelation

　　

摘要

本研究调查了介质阻挡放电低温等离子体（DBD-LTP）处理大豆分离蛋白（SPI）及其后续热诱导凝胶化的情况。羰基含量随处理强度增加，在350 W条件下处理9分钟后从2.82升至7.84 nmol/mg，而溶解度先升高后降至相同条件下的70.24%。在300 W条件下处理5分钟可使溶解度从62.69%提高到85.40%，平均粒径从342 nm减小至37.8 nm，绝对Zeta电位从10.8 mV增加至21.6 mV。选择在该条件下处理的SPI进行凝胶制备，并与未处理SPI在10%、12%和14%（w/v）蛋白质浓度下进行比较。在所有三个浓度下，等离子体处理SPI形成的凝胶均显著增强（p < 0.05），分别提高了22.4%、28.9%和15.6%。在12%浓度下，凝胶强度从91.81 g增至118.35 g，持水能力从72.64%增至77.18%，均为所测试配方中的最高值。流变学和微观分析支持了更强、更均匀的凝胶网络结构。这些结果表明，所选DBD-LTP处理条件改善了SPI的分散性和后续凝胶特性，支持其在开发基于SPI的凝胶食品中的潜在应用。

引言

大豆分离蛋白（SPI）是一种高蛋白含量且氨基酸组成相对完整的植物蛋白原料。凭借其营养价值、成本优势和加工适应性，SPI已广泛应用于植物基食品、乳化体系和凝胶类食品产品中（Yeasmen等，2026）。在热诱导条件下，SPI分子发生变性、展开和聚集，随后通过疏水相互作用、氢键、静电相互作用和二硫键等分子间力形成三维凝胶网络（Xue等，2025）。该网络可以截留水分并维持体系的结构完整性，因此热诱导SPI凝胶在植物基凝胶食品、蛋白质基质地调节和水分保持系统方面具有 considerable 潜力（Liu等，2023）。然而，天然SPI通常具有紧密的分子结构，疏水基团和反应性巯基被埋藏在蛋白质分子内部。此外，分子间疏水缔合和异质性聚集会降低SPI的水分散性和热诱导凝胶化能力（Rout & Srivastav, 2024）。

在热诱导凝胶化过程中，蛋白质分散不充分可能导致局部聚集先于有序凝胶网络的形成，从而产生大孔洞、不连续的网络结构，并损害凝胶强度、持水能力和流变特性（Nascimento等，2024）。因此，调节SPI的分子构象、聚集状态和反应性基团的暴露对于改善其热诱导凝胶化性能至关重要。物理改性因其相对绿色的加工特性和对蛋白质主链的有限损伤，已被广泛用于调节植物蛋白的结构和功能特性（Yeasmen, Bhuiyan, Ramaswamy, Orsat, & Dumont, 2025, Yeasmen等，2025）。超声、高压均质、微流化和球磨等技术可以改变SPI的聚集状态，改善其溶解性、乳化性能或凝胶化性能。例如，超声辅助碳水化合物结合可将SPI溶解度提高至86.3%（Yeasmen, Bhuiyan, Hammed等，2026）。

低温等离子体（LTP）是一种新兴的非热物理改性技术，可通过气体放电产生高活性物种，包括电子、离子、活性氧物种和活性氮物种（Ji等，2020）。在不同的LTP体系中，介质阻挡放电低温等离子体（DBD-LTP）可在常压下产生相对稳定的放电环境，使其适用于食品蛋白质分散液的非热改性（Liu等，2024b）。等离子体产生的活性物种可作用于蛋白质的氨基酸侧链和弱相互作用位点，诱导适度氧化、构象展开和表面基团重新分布，从而改变蛋白质胶体稳定性以及界面和凝胶化行为（Kim等，2023）。已有研究表明，LTP可改善多种植物蛋白的结构和功能特性，包括降低温度下豌豆蛋白的凝胶化（Zhang, Huang, Feizollahi, Roopesh, & Chen, 2021）、绿豆蛋白的流变和凝胶化特性（Rahman & Lamsal, 2023）、SPI的乳化性能（Tan, Hua, Yin, Jia, & Liu, 2024），以及轻度DBD诱导氧化后glycinin的凝胶化行为（Liu等，2022）。最近，Dehnad等（2026b）比较了热处理、真空冷等离子体、大气压冷等离子体和高静水压对SPI的改性效果，并进一步评估了它们对电纺和纳米纤维形成的影响。相比之下，本研究系统筛选了DBD-LTP条件，基于SPI的结构和分散响应，然后研究了所选LTP-SPI在不同蛋白质浓度下的热诱导凝胶化。在凝胶制备前改善SPI的结构和分散状态，可能使处理后的蛋白质更有效地参与后续网络形成，为其作为功能性蛋白质原料用于植物基肉制品和其他高蛋白凝胶食品提供了潜在依据。

因此，本研究旨在阐明DBD-LTP诱导的结构变化如何影响SPI的分散性和后续热诱导凝胶化。首先评估了不同DBD-LTP条件下的活性物种产生、蛋白质结构变化、粒径、Zeta电位和溶解度，然后选择适当的处理条件在不同蛋白质浓度下制备热诱导凝胶。进一步表征了凝胶强度、持水能力、水分分布、微观结构、流变特性和分子间力。我们假设适当的DBD-LTP处理将改善SPI的分散性和后续热诱导凝胶化，且这种改善程度将随蛋白质浓度而变化。

章节摘要

材料

SPI粉由东北农业大学大豆加工实验室制备，原料为东农42号大豆（中国黑龙江省哈尔滨市）。SPI粉的蛋白质含量为91.76 ± 0.63%。所有其他试剂均为分析纯。

SPI分散液的DBD-LTP处理

DBD-LTP处理系统（合肥友高科技有限公司，中国合肥）如图1所示。该系统由控制面板、DBD等离子体电源、变压器和等离子体产生装置组成。SPI分散于去离子

DBD-LTP处理过程中产生的活性物种

如图2所示，OES分析揭示了氮氧化物在200–280 nm处的发射信号、·OH在309 nm处的信号、N?在335–387 nm处的信号以及原子氧（O I）在777.4 nm处的信号（Feizollahi & Roopesh, 2021; Liu等，2024a）。这些发射表明空气放电过程中含氮和含氧物种的激发，并支持DBD-LTP处理过程中ROS和RNS的产生。

亚基组成

如图3A所示，未处理和DBD-LTP处理的SPI表现出7S特征亚基条带

结论

本研究证明，DBD-LTP处理有效调节了SPI的分子结构、分散行为和热诱导凝胶化性能。OES分析显示了·OH、O I和氮氧化物（NO/NO?）的发射信号，支持了DBD-LTP放电过程中活性氧和氮物种的产生。在适度处理条件下，DBD-LTP未导致SPI主链的可检测断裂，但促进了构象展开、侧链氧化，

CRediT作者贡献声明

Wang, X.：写作 – 初稿，方法论，调查研究。Wang, P.：验证，调查研究。Wang, L.：写作 – 审稿与编辑，概念构思。Zhang, N.：可视化，验证，方法论，调查研究。Han, K.：可视化，监督指导。Yu, D.：可视化，监督指导，方法论。

未引用参考文献

Yeasmen, Bhuiyan, Orsat and Dumont, 2026

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作得到十四五国家重点研发计划：大宗油料蛋白质柔性加工关键技术研发（项目编号2021YFD2100401）的资助。

Wang, X. | Wang, P. | Wang, L. | Zhang, N. | Han, K. | Yu, D.

哈尔滨商业大学食品工程学院，哈尔滨 150028，中国