冷等离子体喷射对豌豆蛋白的影响：气体特异性效应的比较研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Cold plasma jet-induced modifications in pea protein: A comparative study of gas-specific effects

　　豌豆蛋白浓缩物（PPC）经冷等离子体（CP）处理，研究了不同气体（空气、氮气、氦气）和流速（4、8 L/min）对蛋白质结构、功能特性及挥发性成分的影响。结果显示：空气等离子体处理显著提高蛋白质溶解性（最高达92.8%）、水分和油分保持能力（WHC和OHC分别增加36%和44%），并导致α-螺旋减少、无序结构增加及颜色变浅（ΔE最大达11.93）。氮气等离子体主要改善WHC和OHC，而氦气仅在高流速下提升OHC。挥发性分析表明，CP处理增加醛类（如非anal）、醇类（如1-hexanol）和酮类（如2-heptanone）含量，其中空气等离子体处理样本的挥发性多样性最高（31种化合物），且PCA显示显著聚类差异。研究证实CP技术通过氧化和聚合反应优化蛋白质功能特性，为可持续食品加工提供新途径。

　　冷等离子体（Cold Plasma, CP）技术作为一种非热处理方式，近年来在食品工业中受到越来越多的关注。该技术通过引入高能气体分子，在不显著升高温度的前提下对食品成分进行物理和化学处理，具有环保、高效、安全等优势。本文探讨了在不同气体（空气、氮气和氦气）和流量条件下，冷等离子体处理对空气分级豌豆蛋白浓缩物（Pea Protein Concentrate, PPC）的结构、功能及挥发性成分的影响。研究发现，不同的气体和流量参数会导致不同的反应性物质产生，从而对PPC产生多样化的改性效果。这些改性效果不仅影响了PPC的物理特性，还对其功能性（如溶解性、持水性和持油性）及感官属性（如颜色和风味）产生了重要影响。通过这些研究，可以为食品工业在植物蛋白改性过程中优化冷等离子体的应用提供理论依据和技术支持。

### 1. 背景与意义

豌豆作为一种广泛种植的作物，不仅在加拿大具有重要地位，而且在全球范围内是重要的营养来源。随着食品工业对植物蛋白需求的增加，对豌豆蛋白的进一步加工和利用成为研究热点。空气分级是一种干式分级技术，相较于传统的湿式方法，它在可持续性方面具有明显优势，因为该方法无需使用水及后续的高能耗脱水步骤。这种技术可以保持蛋白质的天然功能特性，从而为食品工业提供高质量的蛋白质产品。

然而，尽管豌豆蛋白浓缩物在植物蛋白市场中受到关注，其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，低溶解性、较差的乳化和起泡能力，以及存在的“豆腥味”成分限制了其在多种食品中的使用。因此，研究者们探索了多种处理方式，包括热处理、化学处理和生物处理，以改善豌豆蛋白的结构、功能和感官特性。但这些方法在改善风味、保持营养价值、工业可行性和能耗等方面存在局限。因此，引入可持续的非热处理技术，如冷等离子体处理，成为当前研究的一个重要方向。

冷等离子体作为一种新兴技术，在食品加工和安全方面展现出巨大的潜力。它能够生成多种活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）和活性氮物种（Reactive Nitrogen Species, RNS），如臭氧（O?）、羟基自由基（OH）、过氧化氢（H?O?）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO?）、亚硝酸（HNO?）、硝酸（HNO?）和五氧化二氮（N?O?）。这些活性物质可以与蛋白质相互作用，导致蛋白质变性、表面电荷和二级结构的变化，从而改善其技术功能特性。然而，目前关于不同气体驱动的冷等离子体处理对豌豆蛋白结构和功能影响的研究仍较为有限，尤其是对挥发性成分的影响尚未得到充分研究。因此，本研究旨在通过分析不同气体和流量条件下的冷等离子体处理对豌豆蛋白的影响，探索其在食品加工中的潜在应用。

### 2. 材料与方法

#### 2.1. 豌豆蛋白浓缩物

本研究使用的空气分级豌豆蛋白浓缩物（PPC）由AGT Foods and Ingredients（加拿大萨斯卡通）提供。该浓缩物具有61.9%的总蛋白含量（以干基计算），采用Leco Combustion Analyzer测定。PPC的粒径分布使用Malvern Mastersizer 3000进行分析，该仪器配备了Aero S干式单元，结果显示其平均粒径为D[4,3] 9.65 μm和D[3,2] 4.15 μm（详情见补充材料中的图S.1）。

#### 2.2. 冷等离子体处理

PPC的冷等离子体处理在实验室规模的冷等离子体喷射装置中进行。该装置由研究团队设计和开发，使用高压和高频电源，峰值电压为6 kV，频率为2.4 MHz，平均输入功率为40 W。装置具有8个针状出口通道和一个独立的气体放电路径。处理过程中，PPC被放置在一个74×74×38 mm的小型反应器中，其中央腔室为60×30 mm，用于放置3克PPC。PPC被放置在不锈钢筛网上，距离等离子体放电区10 mm，等离子体气体通过PPC后，从反应器底部的7 mm排气管排出。处理参数包括三种气体（空气、氦气和氮气）和两种流量（4 L/min和8 L/min），所有样品的暴露时间为5分钟。每种处理条件下，制备约30克处理后的PPC，充分混合后储存在冰箱中，以备后续分析。

#### 2.3. 蛋白质二级结构分析

采用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）对未处理和冷等离子体处理后的PPC进行分析。使用Perkin Elmer Spectrum3傅里叶变换红外光谱仪，扫描范围为4000–400 cm?1，分辨率为2 cm?1。通过Quasar软件进行FTIR数据的分析，并采用高斯函数拟合方法对光谱进行解卷积处理。研究通过高斯曲线拟合，将不同波长区域的吸收峰分配给不同的二级结构成分，如α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲等。

#### 2.4. 物理特性测定

水分含量的测定按照AOAC方法925.10进行，使用HB103卤素水分分析仪。颜色参数通过Konica Minolta色差计（CM-700d分光光度计）进行测量，使用标准光源D65进行分析。测量时，PPC被放入透明玻璃培养皿中，直径为6.0 cm，颜色参数包括亮度（L*）、红绿度（a*）和黄蓝度（b*）。总色差（ΔE）通过计算L*、a*和b*的差异来确定，用于评估冷等离子体处理对PPC颜色变化的影响。

#### 2.5. 表面特性分析

表面电荷的测定采用Zetasizer Nano（Malvern Instruments）进行，通过电泳迁移率（UE）分析。UE与Zeta电位（ζ）相关，通过Henry方程进行计算。表面疏水性的测定采用荧光探针8-氨基-1-萘磺酸（ANS）方法，通过荧光强度分析评估。研究发现，不同气体和流量条件下的冷等离子体处理对PPC的表面电荷和疏水性产生了显著影响。

#### 2.6. 功能特性分析

功能特性包括溶解性、持水性、持油性、乳化活性和稳定性以及起泡能力。溶解性的测定通过调整pH值至7.0，并测量上清液中蛋白质的含量来评估。持水性和持油性通过悬浮PPC在水或油中，离心后计算吸收水分或油脂的百分比。乳化活性和稳定性通过将PPC与菜籽油混合，测量乳化液的吸光度变化来评估。起泡能力通过测量泡沫体积的变化进行分析。

#### 2.7. 挥发性成分分析

挥发性成分的分析采用头空气相色谱-质谱联用（HS-GC–MS）技术。使用Agilent 7890A气相色谱仪，配备Agilent DB-5 MS柱（30 m × 0.25 mm ID × 0.25 μm）和Jeol Accu TOF 4G GCv质谱仪。样品在20 mL GC瓶中密封，测量前进行多次重复。热脱附程序包括初始40°C保持5分钟，随后以10°C/min升温至200°C，保持1分钟，再以50°C/min升温至250°C，保持13分钟。质谱仪在电子轰击（EI）模式下运行，离子源温度为200°C，离子能量为70 eV，质量扫描范围为30–600 m/z。通过比较NIST和Wiley光谱库，确定挥发性成分，并通过计算保留指数进行识别。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1. 冷等离子体处理对PPC二级结构的影响

冷等离子体处理对PPC的二级结构产生了显著影响。ATR-FTIR分析显示，未处理PPC中α-螺旋占17.5%，β-折叠占20.5%，而其他结构如β-转角和无规卷曲则相对较低。在空气和氮气处理下，α-螺旋含量显著减少，而无规卷曲结构增加，表明蛋白质发生了从有序结构向无序结构的转变。这种变化可能与等离子体产生的氧化和键断裂反应有关。相比之下，氦气处理对α-螺旋和无规卷曲的影响较小，但β-折叠和β-转角结构显著变化，表明不同气体和流量条件下，等离子体产生的反应性物质对蛋白质结构具有不同的作用机制。

#### 3.2. 冷等离子体处理对PPC物理特性的影响

冷等离子体处理显著降低了PPC的水分含量，尤其是在氦气处理下，8 L/min流量的样品水分含量降低了1.16%。这种水分减少现象在之前的研究中也有所报道，表明等离子体处理可以通过表面改性和促进水分扩散和蒸发来实现。尽管水分含量的降低在统计学上显著，但在实际食品加工中，其对产品稳定性和保质期的影响可能有限。然而，这种微小的水分变化可能影响粉末的流动性及包装需求，因此在特定应用中仍需进一步研究。

冷等离子体处理对PPC的颜色产生了显著影响，尤其是对黄度（b*值）的降低。空气处理下，8 L/min流量的样品表现出最显著的颜色变化，而氦气处理下的样品则表现出轻微的亮度提升。这可能与等离子体产生的反应性物质有关，如羟基自由基和臭氧。这些物质能够有效降低黄度，从而改善PPC的感官特性。此外，空气处理的样品在总色差（ΔE）方面表现出最大变化，这与不同处理条件下反应性物质的组合和浓度变化有关。

表面电荷的变化较小，但表面疏水性在氦气处理下显著增加。这可能与蛋白质的变性和聚合有关，导致表面疏水性增强。空气和氮气处理下的疏水性变化不显著，这可能与反应性物质的种类和浓度有关。在氦气处理下，OH自由基的生成可能性较高，这可能是其疏水性显著增加的原因。

#### 3.3. 功能特性分析

冷等离子体处理显著提高了PPC的溶解性，尤其是空气处理的样品，其溶解性在4 L/min和8 L/min流量下分别提高了约36%和44%。持水性和持油性在空气处理下也有所改善，而氮气处理主要提高了持油性。氦气处理下，只有4 L/min流量的样品持油性显著提高。乳化活性和稳定性以及起泡能力的变化不显著，这可能与处理条件对蛋白质结构的影响较小有关。

#### 3.4. 挥发性成分分析

挥发性成分的分析显示，冷等离子体处理显著增加了PPC的挥发性成分种类和峰面积。空气处理的样品中检测到最多的挥发性成分，达31种，而未处理样品仅检测到19种。这表明等离子体处理可能促进了蛋白质的变性和氧化，从而释放出更多的挥发性成分。特别是，空气处理的样品中臭氧和羟基自由基的浓度较高，这可能促进了脂质氧化反应，导致更多挥发性成分的生成。这些挥发性成分包括多种醇类、醛类、酮类和呋喃类化合物，如1-戊醇、1-己醇、1-辛醇、己醛、壬醛和（E）-2-己醛等，它们被认为是植物蛋白中多不饱和脂肪酸的降解产物。这些成分的增加可能影响PPC的感官特性，如风味和颜色。

### 4. 结论

本研究探讨了不同气体和流量条件下的冷等离子体处理对空气分级豌豆蛋白浓缩物的影响。研究发现，空气处理显著提高了PPC的溶解性、持水性和持油性，并导致最显著的结构展开和颜色变化。氮气处理主要提高了持水性和持油性，而氦气处理仅在4 L/min流量下提高了持油性。此外，冷等离子体处理改变了PPC的挥发性成分，表明其具有氧化特性，并可能影响最终产品的感官特性。

这些发现填补了当前文献中的研究空白，为食品工业在优化植物蛋白功能性和感官质量方面提供了实际指导。通过冷等离子体处理改善PPC的技术功能特性，有助于其在多种食品系统中的应用，如饮料、肉制品替代品和乳制品替代品。此外，研究结果支持冷等离子体技术在工业规模应用中的潜力，尤其是在开发定制化蛋白质成分方面。未来的研究应关注中试规模工艺开发，以及技术经济性和生命周期评估，以推动该技术在现有生产线上商业化应用。