一种基于超临界二氧化碳的新型干燥技术，用于提升红小豆蛋白的功能特性

《Future Foods》：A novel drying technology based on supercritical carbon dioxide to enhance the functional properties of red lentil proteins

　　红扁豆蛋白通过超临界二氧化碳干燥优化（55°C，20 MPa，3 L/min）实现高效脱水（水分含量5.7%），显著提升泡沫能力（215%）和乳化稳定性，同时保留天然粉红色泽。比较显示该方法在功能性（如表面亲水性、粒径均匀性）和物理特性（孔隙率62.55%）上优于冷冻干燥和传统烤箱干燥，为可持续蛋白加工提供新方案。

　　### 红扁豆蛋白的干燥方法及其对功能性质的影响

红扁豆作为一种富含蛋白质的植物性食材，因其天然的红色和营养成分而受到植物基食品行业的高度重视。在食品加工过程中，选择适当的干燥方法对于保持蛋白质的理化性质和营养价值至关重要。本研究探讨了三种干燥方法——烘箱干燥、冻干和超临界二氧化碳（SC-CO?）干燥——对红扁豆蛋白（RLP）的理化和功能性质的影响。通过优化SC-CO?干燥的条件，研究发现其在保持蛋白质质量方面表现出色，同时还能增强其功能性，为食品应用提供了一种高效且环保的替代方案。

#### 干燥方法的概述

在食品加工中，干燥是一种关键步骤，它通过降低水活度来提高储存稳定性，并抑制微生物生长。然而，干燥过程中过度的热量可能引起蛋白质变性，从而降低其营养价值。传统的干燥方法，如冻干和喷雾干燥，虽然广泛应用，但它们通常成本高且耗时较长。相比之下，烘箱干燥是一种经济的选择，但其通常在较高温度下进行，这可能会对蛋白质的内部结构、颜色和质地造成损害。近年来，一些新兴的干燥技术，如微波干燥，虽然能够加快干燥速度，但往往无法实现均匀的干燥效果。

SC-CO?干燥是一种创新技术，利用二氧化碳在超临界状态下（即温度高于31.1°C，压力高于7.4 MPa）去除材料中的水分。在这种状态下，二氧化碳具有气体的扩散性和液体的密度，能够有效地渗透到材料中。SC-CO?干燥可以在较低的温度下进行，从而保护材料的结构和质量。此外，该技术具有非毒性、非易燃和成本效益高的特点，使其特别适合用于食品加工。尽管SC-CO?干燥已被广泛用于提取食品成分，但其在干燥过程中的应用仍较为有限。然而，近期的研究已经成功将其应用于干燥各种食品材料，如苹果、胡萝卜、甜椒和香菜叶。同时，当前的研究也开始探索其在干燥蛋白质方面的潜力，例如，Sadaf等人（2024）发现，使用SC-CO?干燥的高粱蛋白具有更好的溶解性和乳化活性指数，且消化率和氨基酸评分也更高。Basak和Singhal（2025）也报告了SC-CO?干燥的豌豆蛋白在乳化和起泡能力方面有所增强。干燥过程改变了蛋白质的二级结构和表面疏水性，从而改善了其功能性质。除了这些应用，SC-CO?干燥还被用于某些新颖的应用，如香气增强、气凝胶形成和纳米颗粒生成。

#### SC-CO?干燥的优化

为了优化SC-CO?干燥的条件，研究采用了全因子实验设计，并使用JMP Pro 18软件进行分析。实验变量包括温度（35–55°C）、压力（10–20 MPa）和CO?流量（2–3 L/min）。结果显示，温度、压力和流量对水分含量和水活度均具有显著影响。然而，由于存在显著的三因素交互作用，主效应的解释需要特别谨慎。交互效应表明，单一因素（如温度）的影响依赖于其他因素（如压力和流量）的特定组合。此外，温度和流量之间的两因素交互也因压力水平的不同而有所变化。虽然三因素交互是显著的，但理解两因素交互可以提供一些见解，尽管这些必须在三因素交互的背景下进行解释。

在优化条件下，SC-CO?干燥的最佳参数为55°C、20 MPa和3 L/min，这使得水分含量显著降低至5.7%。此外，SC-CO?干燥的样品表现出优异的起泡性和乳化性，这可以归因于其较小的颗粒尺寸、较高的溶解性和适中的表面疏水性。冻干样品则显示出多孔、海绵状的结构，颗粒松散聚集，这与较高的水和油吸收指数以及较高的奶油能力相关。相比之下，烘箱干燥样品表现出更密集和粗糙的表面形态，导致溶解性和功能性质下降。颜色分析显示，SC-CO?干燥能最好地保留红扁豆蛋白的天然粉红色调，而烘箱干燥样品则显得更暗淡，其色度和色调值较低。这些发现表明，SC-CO?干燥是一种有前景、高效且环保的蛋白质干燥方法，能够保持蛋白质质量并增强其功能性，适用于食品应用。

#### 物理性质的比较

研究对三种干燥方法的红扁豆蛋白样品进行了物理性质的比较。红扁豆蛋白的提取纯度为27.4 ± 0.1%（w/w）。冻干和SC-CO?干燥样品的纯度分别为89.78 ± 1.32%（w/w）和89.12 ± 0.27%（w/w），均高于烘箱干燥样品的87.27 ± 0.27%（w/w）。蛋白质收率在不同干燥方法中相对一致，分别为44.78 ± 3.32%（w/w）的烘箱干燥、49.94 ± 1.35%（w/w）的冻干和45.16 ± 1.06%（w/w）的SC-CO?干燥。烘箱干燥样品的纯度略低，可能是由于轻微的加工损失，但这些损失非常有限，所有干燥方法均能有效保留大部分提取的蛋白质。

冻干样品的水分含量最低（2.56 ± 0.03%），而SC-CO?干燥样品的水分含量为5.70 ± 0.99%，烘箱干燥样品为11.72 ± 0.54%。这些结果表明，SC-CO?干燥在水分去除方面优于烘箱干燥，但不如冻干有效。冻干样品的孔隙率较高（85.21 ± 0.05%），这与其多孔、海绵状的结构有关，而SC-CO?干燥样品的孔隙率较低（62.55 ± 0.01%），但其颗粒分布更为均匀。烘箱干燥样品的孔隙率较低（57.97 ± 0.30%），其表面形态更为紧密和粗糙，这可能导致其溶解性和功能性质较低。

#### 功能性质的比较

在功能性质方面，SC-CO?干燥样品表现出显著的起泡能力和乳化稳定性。起泡能力（FC）和起泡稳定性（FS）是蛋白质功能性质的重要指标，反映了蛋白质在气液界面的吸附能力。研究发现，SC-CO?干燥样品的起泡能力达到215%，显著高于烘箱干燥（187.50%）和冻干样品（未提供具体数值）。SC-CO?干燥样品的起泡稳定性也较高，其起泡能力（FC）和起泡稳定性（FS）均优于其他方法。此外，SC-CO?干燥样品的起泡率（OR）达到240.56%，表明其在气液界面的吸附能力较强，能够形成稳定的分子排列，防止泡沫塌陷。

乳化性质同样受到干燥方法的影响。乳化活性指数（EAI）、乳化稳定性（ES）和奶油指数（CI）是评估蛋白质乳化能力的重要指标。研究发现，冻干样品的EAI较高（4.38 ± 0.84 m2/g），这可能与其较高的表面疏水性和多孔结构有关。然而，SC-CO?干燥样品的ES和CI也显著提高，这表明其乳化稳定性较好。SC-CO?干燥样品的乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性（ES）均高于烘箱干燥样品，而奶油指数（CI）则与冻干样品相近，均高于烘箱干燥样品。这些结果表明，SC-CO?干燥样品在乳化性质方面表现出色，这可能与其较小的颗粒尺寸、较高的溶解性和适中的表面疏水性有关。

#### 水分吸收指数和油分吸收指数

水分吸收指数（WAI）和油分吸收指数（OAI）是衡量蛋白质吸水能力的重要指标。研究发现，冻干样品的WAI和OAI分别为2.54 ± 0.17%和3.72 ± 0.07%，显著高于烘箱干燥样品（1.59 ± 0.07%和2.14 ± 0.17%）和SC-CO?干燥样品（1.58 ± 0.16%和2.13 ± 0.05%）。这些结果可能与冻干样品的多孔结构有关，其大表面积能够吸收更多的水分和油脂。SC-CO?干燥样品的WAI和OAI与烘箱干燥样品相似，这可能与其较低的孔隙率和较高的溶解性有关。然而，冻干样品的高WAI和OAI表明其在水分和油脂吸收方面表现优异，这可能与其多孔结构和较大的表面积有关。

#### 水溶性、粒径、Zeta电位和表面疏水性

水溶性是蛋白质功能性质的重要指标，它影响蛋白质在食品中的应用。研究发现，冻干样品在pH 7时的水溶性最高，而SC-CO?干燥样品次之，烘箱干燥样品最低。这些结果表明，冻干和SC-CO?干燥样品在水溶性方面表现较好，可能与其多孔结构和表面疏水性有关。粒径分析显示，冻干样品的D50和D90值较低，而SC-CO?干燥样品的粒径分布更为均匀。Zeta电位是衡量蛋白质稳定性的重要指标，高Zeta电位值表明蛋白质在液体中的分散稳定性较高。研究发现，SC-CO?干燥样品的Zeta电位值较高，这可能与其较低的表面疏水性和较高的溶解性有关。然而，冻干样品的表面疏水性较高，这可能导致蛋白质聚集，从而降低其功能性质。

#### X射线衍射（XRD）分析

XRD分析显示，烘箱干燥样品的结晶度（34.55%）显著高于冻干（28.66%）和SC-CO?干燥样品（27.56%）。结晶度的高低反映了蛋白质分子在晶体结构中的有序排列。烘箱干燥样品的高结晶度可能与其在长时间干燥过程中部分蛋白质结晶有关。相比之下，冻干和SC-CO?干燥样品由于在真空和高压下快速脱水，可能形成多孔结构，从而阻碍分子的移动，防止蛋白质重新排列为更有序的晶体结构。因此，冻干和SC-CO?干燥样品的结晶度较低，这可能与其较高的功能性质有关。

#### 差示扫描量热法（DSC）分析

DSC分析显示，烘箱干燥、冻干和SC-CO?干燥样品的热性质在不同干燥方法中表现出一定的差异。起始温度、结束温度和变性温度反映了干燥样品的热稳定性。研究发现，冻干和SC-CO?干燥样品的变性温度较高，这表明它们的热稳定性较好。相比之下，烘箱干燥样品的变性温度较低，这可能与其部分变性和分子间相互作用的损失有关。热变性是蛋白质在热处理过程中失去其天然高级结构的过程，导致其多肽链的展开。每种蛋白质都有其特征的变性温度，即50%的蛋白质分子变性时的温度。在此温度下，蛋白质吸收热量进行变性，这使其成为评估热稳定性的关键参数。

#### 扫描电子显微镜（SEM）分析

SEM图像揭示了不同干燥方法对红扁豆蛋白微观结构的影响。烘箱干燥样品表现出光滑且致密的结构，没有明显的孔隙。相比之下，冻干和SC-CO?干燥样品则显示出多孔结构，其中冻干样品的孔隙较大。冻干过程中，样品被冷冻形成冰晶，然后在低压下升华，留下冰晶曾经存在的空隙。SC-CO?干燥样品的干燥过程减少了表面张力和毛细作用，从而在干燥过程中最小化了收缩。此外，SC-CO?干燥的温度和压力条件有助于防止结构坍塌，有效保留了蛋白质的微观结构和多孔特性。冻干样品的较大孔隙与其较高的油吸收指数和奶油指数相关，这表明其在油脂保留方面表现优异。

#### 结论

本研究发现，SC-CO?干燥在红扁豆蛋白的干燥过程中表现出色，其优化参数为55°C、20 MPa和3 L/min。SC-CO?干燥样品在起泡能力和乳化稳定性方面优于其他方法，这可能是由于其较小的颗粒尺寸、较高的溶解性和适中的表面疏水性。此外，SC-CO?干燥样品能够最好地保留红扁豆蛋白的天然粉红色调，这表明其在颜色保持方面表现优异。SEM图像显示，冻干样品的孔隙较大，这与其较高的油吸收指数和奶油指数相关，而SC-CO?干燥样品的孔隙较小但分布均匀，这可能与其较高的功能性质有关。

总体而言，SC-CO?干燥在保持蛋白质功能性和工业可扩展性之间提供了良好的平衡，使其成为一种成本效益高且具有竞争力的替代传统干燥方法（如冻干和烘箱干燥）的新技术。未来的研究可以进一步探讨SC-CO?干燥红扁豆蛋白的消化率、氨基酸组成和酚类物质含量，以深入了解其在大规模蛋白质加工中的潜在应用。