热处理羽扇豆组分中蛋白质 - 纤维 - 水的相互作用

《Food Hydrocolloids》：Protein-Fibre-Water Interactions in Thermally-treated Lupin Fractions

　　

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  分离物 - 纤维混合物水合至 10-15% 固体，120 °C 加热 2.5 分钟
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  高蛋白样品机械强度较弱；纤维含量控制流变性
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  流变参数在 5.6-7.5% 纤维处收敛
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  可溶性纤维使水相增稠，组织颗粒发生拥挤聚集
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  蛋白质、纤维和水之间的相互作用决定了功能性

引言

蛋白质分离物传统上通过碱性提取和等电点沉淀后进行喷雾干燥生产。这些过程消耗大量水和能源 (Lie-Piang et al., 2021)，且剧烈的加工处理可能导致必需氨基酸部分难以消化 (Troise et al., 2018)。“蛋白质浓缩物”一词虽然定义不明确，但指的是蛋白质浓度低于分离物的高蛋白原料，通常为 50-70%。将蛋白质浓缩到较低程度减少了加工范围，这需要更少的能源和水，从而与蛋白质分离物相比降低了环境影响和成本。

豆类蛋白质浓缩物的非蛋白部分主要由淀粉或非淀粉碳水化合物主导（取决于原料），它们提供自身的营养和技术功能性。浓缩物中的蛋白质在变性、聚集和生化修饰方面，其结构也可能与分离物中的不同。浓缩物中的蛋白质在物理包装方式上也可能存在差异。也就是说，它们可能仍然被困在蛋白体内 (Escudero-Feliu et al., 2023) 或完整或部分破坏的细胞材料内部 (Schutyser et al., 2015)，限制了可及性和溶解度。蛋白质和非蛋白部分之间也可能存在相互作用，例如在中水分食品中对水的竞争以及加热过程中的美拉德反应。

已知蛋白富集浓缩物中蛋白质和纤维的比例会影响流变特性及其他功能性。在加热的豌豆蛋白和豌豆纤维混合物中，Karlsson 等人 (2024) 报道了随着纤维比例增加，加热期间储能模量呈非线性增加。Johansson 等人 (2022) 在取代高达 10% 纤维和 35% 淀粉的蚕豆蛋白混合物中发现了类似的效果。在冷却样品中，他们报告了随着蛋白质取代，模量增加而断裂应力和应变降低，并建议纤维和淀粉的水分吸附增加了蛋白质相的浓度。在基于豌豆的挤压肉类似物中，纤维 - 蛋白比显著影响质构参数并改变了微观结构 (Theng et al. 2025)。尚未见此类研究报道于鲁冰花。

鲁冰花籽胚乳含有 <1% w/w 淀粉 (Evans et al., 1993; Naumann et al., 2019)，纤维约占脱壳鲁冰花籽质量的三分之一 (B?hr et al., 2014; Evans et al., 1993)。文献中对鲁冰花籽纤维中可溶性和不可溶性纤维的平衡存在分歧，一些报道可溶性纤维为 73-81% (B?hr et al., 2014)，一项报道约三分之二的材料为可溶性 (Gdala & Buraczewska, 1996)，另一项报道高达 95% 为不可溶性材料 (Mazumder et al., 2021)。然而，品种间的差异相对较小 (Mazumder et al., 2021)，这表明报道的纤维溶解度差异很可能源于不同的提取和分析程序，而非基因型。Mazumder 等人 (2021) 似乎测量了酸性和中性洗涤纤维 (ADF/NDF)，这是畜牧业饲料和牧草分析中常见的方法，该方法无法可靠地区分果胶等可溶性纤维组分与不可溶性纤维 (Dhingra et al., 2011)。这可能解释了他们报道的可溶性纤维含量相对较低的原因。

鲁冰花籽纤维含有纤维素和半纤维素，以及相对较高比例的果胶 (B?hr et al., 2014; Brillouet & Riochet, 1983)。在涉及热和剪切的工艺中，如挤压，鲁冰花纤维可以被溶解 (Naumann et al., 2021)。在实践中，这种溶解往往只是部分的，其程度取决于加工条件及存在多少水 (Khanpit et al., 2023)。鲁冰花纤维在食品制造条件下溶解和膨胀的程度将影响所得基质的流变性和结构。

鲁冰花籽含有球蛋白和白蛋白蛋白，比例为 9:1，碱性提取和等电点沉淀条件导致白蛋白耗竭 (Berghout, Boom, et al., 2015)。寡聚体的缔合模式取决于 pH 值，由于提取 pH 不同，分离物之间也可能存在差异 (Lqari et al., 2002)。两种主要蛋白质组分，凝集素 a 和凝集素 b 分别在 103 °C 和 90 °C 变性 (Mazumder et al., 2021)，尽管二硫键更高，但鲁冰花蛋白凝胶的机械强度弱于大豆蛋白凝胶 (Berghout, Boom, et al., 2015)。这表明其他变量控制凝胶强度，包括蛋白质聚集体堆积及其非共价交联能力。

在食品配方中使用蛋白质浓缩物需要了解非蛋白部分如何贡献功能性，以及它们如何与蛋白质相互作用。许多食品工艺涉及加热和剪切，以创造具有理想质构的均质产品，并控制微生物危害。食品产品中蛋白质和非蛋白部分之间的相互作用将受工艺诱导的两者结构改变的影响。在干基分级的豌豆蛋白浓缩物中，由于淀粉糊化和蛋白质变性，加热可以逆转蛋白质和淀粉对持水性的影响 (Pelgrom et al. 2013)。

在这里，我们使用选定的鲁冰花蛋白质分离物和来自鲁冰花籽的富纤维组分混合物研究了蛋白 - 纤维相互作用，即纤维含量在 1.3 至 60.9% 之间，蛋白质含量在 84.2 至 29.1% 之间（干基）的混合物。

蛋白质含量通常被认为对蛋白富集基质的功能性影响最大。然而，这里研究的系统挑战了这一假设，因为鲁冰花蛋白形成弱凝胶，且吸湿性纤维组分在结构化中起更大作用。我们提出，加热的鲁冰花浓缩物的流变性取决于水的可用性，这决定了加热和剪切过程中发生的纤维水合、膨胀和溶解程度。为了在相关食品加工条件下探索这些蛋白 - 纤维相互作用，将分离物 - 纤维组分混合物在快速粘度分析仪 (RVA) 中进行加热和剪切。使用流变学、低场核磁共振 (水迁移性)、水分吸附等温线和显微镜探索热加工基质的结构和功能性。

章节片段

鲁冰花蛋白质分离物和鲁冰花纤维的制备

本研究中使用的鲁冰花籽是蓝鲁冰花，Lupinus angustifolius. 鲁冰花分粒（未指定品种）购自 Wide Open Agriculture (澳大利亚西澳州利德维尔)。分粒首先在温水 (60°C) 中按 1:2 (分粒：水) 的比例浸泡 30 分钟，随后使用胶体磨 (LV10, Probst und Class Kolloidtechnik, 德国) 进行湿磨。在 <5°C 下使用 10% NaOH 在 pH 9.0 进行碱性提取。碱性浆料通过倾析器 (CB300,

外观

图 1 显示了 RVA 加热前后样品的外观。固体含量较高和/或纤维组分较高的样品稠度较厚，在某些情况下，放在表面皿上时不会自发流动。

快速粘度分析

进行了 RVA 和流变学测试，以表征蛋白质和纤维组分如何贡献于鲁冰花蛋白 - 纤维样品的结构。

RVA 中记录的表观粘度通常随纤维含量的增加而增加 (图 2)。在

讨论

在本研究中，我们报告了浓缩物状混合物中纤维和蛋白质的比例如何影响加热样品的行为。选择的总固体浓度范围旨在产生流变行为从液体到半固体变化的样品。大多数液体或半固体谷物产品是经过烹煮以诱导有益的质构和结构变化的，因此测试热对样品的影响很重要。

我们应用了接近所能实现最大值的加热和冷却速率，通过

结论

在所研究的组成和固体含量范围内，是纤维而非蛋白质主导了流变响应，而蛋白质变性导致水迁移性和质构变化极小。随着总固体增加，流变参数对纤维含量的敏感性降低，在较高固体下较平缓的斜率清楚地表明水可用性对纤维溶解和膨胀的限制。

工艺介导的纤维与水之间的相互作用对

CRediT 作者贡献声明

Simon M Loveday: 写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿撰写，可视化，项目管理，方法论，正式分析，概念化。 Stephen Homer: 写作 - 审查与编辑，方法论，调查。 Adam Fitzgerald: 写作 - 审查与编辑，方法论，调查。 Amy Logan: 写作 - 审查与编辑，项目管理，资金获取，概念化

未引用参考文献

Berghout et al., 2015; Dhingra et al., 2012.

关于稿件准备过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在准备工作期间，作者使用了 Posit Assistant 来排除使用 R 软件生成数据图时的代码故障。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系，这可能被视为潜在的利益冲突：Simon Loveday 报告获得了 CSIRO Agriculture & Food 的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能看似影响本论文中报道的工作。

致谢

我们感谢 CSIRO Werribee 的 Akila SRV, Carol Mosca, Yakindra Timilsena, Andrew Lawrence, Michael Mazzonetto, Gabe Alvarez 和 Emma Lundin 生产鲁冰花蛋白质分离物和鲁冰花纤维组分。我们还感谢 CSIRO Black Mountain 的 Phil Hands 在显微镜和图像处理方面提供的专业协助，以及 Danyang Ying 拟合水分吸附等温线数据。

Simon M. Loveday|Stephen Homer|Adam Fitzgerald|Amy Logan