高强度超声空化对大豆蛋白分离物产生的热效应：结构变化与凝胶化行为

《Food Hydrocolloids》：Thermal effects induced by high-intensity ultrasound cavitation on soy protein isolate: Structural modulations and gelation behaviors

　　本研究考察了高强度超声（HIU）空化引发的热效应对大豆分离蛋白（SPI）结构及凝胶特性的影响。通过对比冰水浴控温（Group A）与常温（Group B）HIU处理（20 kHz，400 W，5/10/15/20 min），发现未控温处理显著降低SPI颗粒粒径（D[4,3] 20.53±2.97 μm），提升蛋白溶解性（增加23.5%）、内源荧光强度（增强18.7%）及游离疏水基含量（提升32.4%）。GDL诱导凝胶实验表明，Group B处理15分钟时凝胶强度达峰值（66.88±7.07 g），其协同热效应促使SPI构象unfolding，增强非共价键作用。该研究揭示了HIU热效应对蛋白功能特性的调控机制，为超声辅助食品加工提供理论依据。

　　高强超声波（HIU）作为一种非热处理技术，因其在食品加工中的广泛应用而受到关注。然而，HIU空化效应所引发的热效应在蛋白质结构和凝胶特性中的具体影响尚未完全明确。本研究通过对比两种不同的温度控制条件，探讨了HIU空化热效应对大豆分离蛋白（SPI）结构和凝胶性能的影响，从而为蛋白质加工过程中HIU的应用提供新的见解。

在HIU处理过程中，空化现象会引发液体中的极端微环境，如高温（超过5000 K）和高压（超过1000 bar），这些条件对蛋白质分子结构造成破坏，并促进物质传递，从而改变蛋白质的物理化学性质。过去的研究表明，HIU能够显著影响SPI的结构，例如减小其颗粒尺寸、暴露更多的疏水基团以及增强表面疏水性。同时，HIU处理也被证实可以改善SPI的功能特性，包括凝胶形成能力和乳化能力。然而，对于HIU处理过程中热效应的具体机制及其对蛋白质结构和功能的影响，仍然存在一定的研究空白。

本研究采用了两种不同的温度控制方式：一种是使用冰水浴进行冷却（Group A），另一种是未进行温度控制（Group B）。在Group B中，HIU处理的温度迅速上升，10分钟内达到52.84°C，20分钟后达到62.62°C。相比之下，Group A中的温度始终维持在20°C以下。这种温度的显著差异可能对SPI的结构和功能特性产生不同的影响。研究发现，在Group B中，HIU处理后SPI的颗粒尺寸减小，同时其蛋白溶解度、内源荧光强度以及游离疏水基团的含量均有所提高。这表明，HIU空化热效应可能在促进SPI分子展开和结构变化方面发挥了关键作用。

进一步研究发现，当Group B中的SPI与葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）混合并在90°C水浴中形成凝胶时，其凝胶性能显著优于Group A中的SPI凝胶。具体表现为更高的凝胶强度、改善的储能模量以及更强的非共价相互作用。其中，Group B在15分钟HIU处理后形成的GDL-SPI凝胶表现出最高的凝胶强度（66.88 ± 7.07 g）。这一结果表明，HIU空化热效应不仅改变了SPI的物理结构，还对其凝胶性能产生了积极影响。

SPI的凝胶性能与其分子结构密切相关，而HIU处理通过空化效应和热效应共同作用，能够促进SPI分子的展开和重组，从而增强其凝胶能力。此外，研究还发现，HIU处理后的SPI在凝胶形成过程中表现出更高的稳定性，这可能与热效应引起的分子间相互作用增强有关。值得注意的是，Group B中SPI的热效应更为显著，因此其凝胶性能也更优。

在食品加工领域，HIU作为一种非热处理技术，已被广泛应用于食品成分的解冻、冷冻和过滤等过程。然而，HIU在蛋白质加工中的应用仍需进一步研究，尤其是在其热效应对蛋白质结构和功能的影响方面。传统热处理通常会导致蛋白质结构的破坏，从而影响其功能特性。相比之下，HIU处理能够以较低的温度实现对蛋白质结构的改性，这为开发新型蛋白质加工技术提供了可能性。

此外，研究还发现，HIU处理与热处理的结合可以产生协同效应，进一步改善蛋白质的结构和功能。例如，有研究表明，在70°C水浴和超声波处理的联合作用下，蛋白质的溶解度和稳定性显著提高。这种协同效应可能源于HIU处理过程中产生的机械力和热效应共同作用，促进了蛋白质分子的展开和重组。因此，HIU处理不仅能够独立改善蛋白质的结构和功能，还可以与热处理结合，以达到更好的加工效果。

在本研究中，HIU处理的时间对SPI的结构和功能特性也产生了重要影响。随着处理时间的增加，SPI的颗粒尺寸逐渐减小，但其均匀性呈现出先下降后上升的趋势。这可能与蛋白质分子在HIU处理过程中经历的动态变化有关，即在初始阶段，蛋白质分子受到空化效应的强烈作用，导致颗粒尺寸减小；而在后续阶段，蛋白质分子逐渐重组，颗粒尺寸趋于稳定。这种变化趋势为优化HIU处理参数提供了依据。

同时，研究还发现，HIU处理能够显著增强SPI的表面疏水性。这一现象可能与蛋白质分子在高温高压条件下的构象变化有关，即空化效应导致蛋白质分子的部分区域暴露，从而增加了其与水分子之间的相互作用。此外，HIU处理还促进了SPI中游离硫醇基团的形成，这可能与蛋白质分子在热效应下的断裂和重组有关。游离硫醇基团的增加不仅有助于蛋白质的溶解性，还可能影响其凝胶形成过程中的相互作用。

在凝胶形成过程中，GDL作为交联剂，能够促进SPI分子之间的相互作用，从而形成稳定的凝胶结构。研究发现，在Group B中，GDL-SPI凝胶的形成效果优于Group A，这可能与HIU处理过程中蛋白质分子的结构变化有关。蛋白质分子在HIU处理后可能更容易与GDL结合，从而增强凝胶的强度和稳定性。这一发现对于开发基于SPI的新型食品产品具有重要意义，尤其是在提高凝胶性能和稳定性方面。

总的来说，本研究通过系统分析HIU空化热效应对SPI结构和凝胶性能的影响，揭示了热效应在蛋白质改性中的关键作用。研究结果表明，HIU处理能够显著改善SPI的物理和化学特性，包括颗粒尺寸、溶解度、表面疏水性和凝胶性能。此外，HIU处理与温度控制条件的结合对蛋白质的结构和功能具有不同的影响，这为优化HIU处理参数提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨HIU处理过程中热效应与机械效应的相互作用，以及其对蛋白质加工效果的综合影响。通过深入理解这些机制，有望开发出更加高效和环保的蛋白质加工技术，以满足食品工业对高品质蛋白质产品的不断需求。