《Food Chemistry》：New insights into modifying structure and techno-functional properties of sesame protein: high-pressure homogenization coupled with pH-shifting
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芝麻蛋白（sesame protein）因其高营养价值及独特感官特性而在食品领域备受关注。本研究旨在系统探究高压均质（high-pressure homogenization，HPH）在不同加工pH条件（pH 2.0、7.0和11.0）下对芝麻蛋白分离物（se
芝麻蛋白（sesame protein）因其高营养价值及独特感官特性而在食品领域备受关注。本研究旨在系统探究高压均质（high-pressure homogenization，HPH）在不同加工pH条件（pH 2.0、7.0和11.0）下对芝麻蛋白分离物（sesame protein isolate，SMPI）结构与工艺功能特性的影响。研究发现，HPH对SMPI的响应高度依赖于加工pH：在pH 11.0、150 MPa条件下，蛋白质β-折叠含量显著增加，乳化稳定性得以提升；在pH 2.0、100 MPa条件下，蛋白质发生解折叠并暴露疏水基团，乳化性能明显改善，同时伴随α-螺旋向无规卷曲的构象转变。此外，pH偏移与HPH的协同作用可促进蛋白质可溶性聚集体的形成，进而改善溶解度、持水持油能力等功能特性。研究表明，pH偏移与HPH的组合策略可实现SMPI结构与功能特性的条件依赖性调控，为植物蛋白的定向改性提供了新的技术路径。
**研究背景与问题**
芝麻（*Sesamum indicum* L.）作为重要的油料种子，其蛋白质含量丰富且氨基酸组成优良，尤其是含硫氨基酸含量高于多数植物蛋白。然而，芝麻蛋白与其他植物蛋白类似，天然状态下工艺功能特性（如溶解度、乳化性、凝胶性等）较差，限制了其在食品体系中的广泛应用。目前，pH偏移（pH-shifting）作为一种化学改性手段，通过极端酸碱环境诱导蛋白质结构去折叠，可改善其功能特性，但单一处理往往难以达到理想效果。高压均质（high-pressure homogenization，HPH）作为一种新兴物理改性技术，利用剪切、湍流和空穴效应改变蛋白质的高级结构，已有研究将其与pH偏移联合应用于多种植物蛋白体系。然而，不同植物蛋白的分子组成和结构组织存在差异，已有结论不能直接外推至芝麻蛋白。截至目前，尚未有研究系统考察加工pH与HPH联合作用对芝麻蛋白分离物（sesame protein isolate，SMPI）的影响。为此，研究人员开展本研究，旨在评估不同pH条件（2.0、7.0、11.0）下HPH处理（50、100、150 MPa）对SMPI结构及工艺功能特性的影响，为芝麻蛋白的高值化应用提供理论依据。该论文发表于《Food Chemistry》。
**主要技术方法**
研究人员以巴西K3品种芝麻冷榨饼为原料，经脱脂、碱提酸沉获得SMPI。将SMPI分散液分别调节至pH 2.0、7.0和11.0，在0.1（未处理对照）、50、100和150 MPa条件下进行单次HPH处理，随后中和至pH 7.0并冷冻干燥。采用SDS-PAGE分析亚基组成；动态光散射（dynamic light scattering，DLS）测定粒径和Zeta电位；ANS荧光探针法、内源荧光光谱及紫外-可见二阶导数光谱分析表面疏水性和芳香族残基微环境变化；傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）结合主成分分析（principal component analysis，PCA）表征二级结构变化；并测定溶解度、乳化活性指数（emulsifying activity index，EAI）、乳化稳定性指数（emulsion stability index，ESI）、持水持油能力等功能指标。
**研究结果**
**3.1 SDS-PAGE**
还原条件下的电泳图谱显示，中性（pH 7.0）和碱性（pH 11.0）条件下，芝麻蛋白的7S、11S和2S主要球蛋白亚基条带在不同压力下均保持稳定，表明其亚基对压力诱导的解聚具有较强耐受性。而酸性条件（pH 2.0）下，11S/7S寡聚体发生解离，2S组分显著富集；随压力升高至150 MPa，20–25 kDa区域条带强度逐渐增强，表明酸性pH与高压联合诱导了蛋白质聚集。
**3.2 粒径与Zeta电位**
pH偏移处理（pH 2.0和11.0）较天然蛋白（pH 7.0）显著增大了颗粒尺寸。在pH 2.0和11.0条件下，150 MPa处理使粒径较各自对照减小，而50和100 MPa则导致粒径增大；pH 7.0下100 MPa出现双峰分布，150 MPa恢复单峰。所有样品Zeta电位均为负值，150 MPa处理组较50和100 MPa表现出显著更高的绝对电位值，这与HPH诱导的结构展开和带电基团暴露有关。
**3.3 表面疏水性指数（Ho）**
pH 2.0条件下，Ho随压力增加而升高，与粒径减小和蛋白质解聚一致。pH 11.0条件下整体Ho高于pH 2.0，但150 MPa处理导致Ho显著下降，表明碱性条件与高压组合促进了疏水基团的重新掩埋和蛋白质再聚集。pH 7.0下，Ho在50和100 MPa时升高，150 MPa时回落至对照水平，呈现压力依赖性响应。
**3.4 内源荧光光谱**
pH 2.0条件下，随压力增加，最大发射波长发生红移（337→339 nm），荧光强度逐渐降低，表明色氨酸残基暴露于极性环境。pH 7.0下，50和100 MPa处理引起荧光猝灭和红移，指示蛋白质部分去折叠。pH 11.0下，150 MPa处理反而使荧光强度升高，表明色氨酸残基重新埋藏于疏水核心，支持蛋白质聚集体的形成。
**3.5 紫外-可见二阶导数光谱**
pH 2.0下150 MPa处理使酪氨酸和色氨酸残基发生蓝移，r值升高，表明芳香族残基暴露于极性环境。pH 7.0下50和100 MPa处理也观察到类似蓝移。pH 11.0下150 MPa处理则出现红移，r值降低，进一步确认芳香族残基处于非极性环境。
**3.6 FTIR与PCA**
二级结构分析显示，未处理样品以β-折叠为主（pH 7.0：94.65%；pH 11.0：83.81%），而pH 2.0下α-螺旋含量显著升高（42.26%）。HPH处理诱导pH依赖性转变：pH 2.0下100/150 MPa促进α-螺旋向无规卷曲转变；pH 7.0下HPH使α-螺旋增加、β-折叠减少；pH 11.0下100 MPa增加无规卷曲含量，而150 MPa促进β-折叠形成。PCA结果中PC1（96.81%方差）将酸性样品与中性和碱性样品明确区分，PC4（0.36%方差）进一步分离中性与碱性样品，表明pH对构象变化具有主导性影响。
**3.7 溶解度**
pH 2.0条件下，所有HPH处理样品溶解度均较对照显著提高，150 MPa效果最佳。pH 7.0下，150 MPa处理在pH 5.0以上范围保持溶解优势，而50和100 MPa在pH 6.0–8.0区间因蛋白聚集导致溶解度显著下降。pH 11.0下，50和100 MPa处理提高了溶解度，150 MPa处理的溶解度与对照无显著差异，但可溶性聚集体形成表明其具有改善蛋白凝胶潜力的可能。
**3.8 乳化活性与乳化稳定性**
pH 2.0条件下100 MPa处理使EAI和ESI较对照分别显著提高（29.18 m2/g和8.71 min），与蛋白质去折叠和疏水性增强一致。pH 7.0下，HPH处理显著提高EAI（50和100 MPa最佳），但ESI较对照下降。pH 11.0下150 MPa处理同时提高了EAI（23.17 m2/g）和ESI（38.98 min），与β-折叠含量增加和粒径减小相关。
**3.9 持水与持油能力**
单独HPH处理对pH 7.0样品的持水能力无显著改善，但pH偏移与HPH联合后，pH 2.0和11.0样品在150 MPa下持水能力较对照分别提高22%和25%。持油能力方面，pH 2.0和11.0样品在100 MPa下分别提高48%和18%；pH 7.0下所有压力处理均显著提高持油能力，其中50 MPa效果最佳，与表面疏水性增强一致。
**讨论与结论**
讨论部分指出，pH偏移所设定的初始蛋白质状态是决定HPH响应方向的关键因素。酸性条件下HPH主要促进蛋白质去折叠和疏水基团暴露；中性条件下结构响应以压力为主导；碱性条件下高压则诱导结构重排和β-折叠富集。不同条件下形成的可溶性聚集体在改善溶解度、乳化性等方面发挥重要作用。研究结论表明，pH偏移与HPH的联合处理可实现SMPI结构与功能的条件依赖性调控，为植物蛋白定向改性提供了新的技术策略。该策略可适用于不同pH环境食品体系，具有广阔的工业应用前景。未来研究需进一步考察多次均质循环、温度效应、凝胶行为及在实际食品基质中的功能验证。
