碱转移处理对麦谷蛋白乳化性能的影响及其在低脂 whipped cream 中的应用

《Food Hydrocolloids》：Effect of Alkali-shifting Treatment on Emulsifying Properties of Glutenin and Its Application in Low-fat Whipping Cream

　　谷蛋白经碱处理（pH13）后溶解性显著提升，表面疏水性和巯基含量增加，其乳化性能随油相比例（如 shea butter）和pH调节呈现规律性变化，最佳pH7时形成稳定乳液，并成功应用于低脂奶油制造，展现出优异膨胀率与泡沫稳定性，为植物基蛋白功能化提供新策略。

　　本研究聚焦于植物蛋白在食品工业中的应用潜力，特别是如何通过简单的化学处理提高其溶解性，从而拓展其在低脂 whipped cream（打发奶油）等食品中的应用。其中，小麦蛋白中的谷蛋白（Glutenin，简称 Glu）因其较差的溶解性而受到关注，但其在形成稳定泡沫结构方面具有独特的潜力。为此，我们采用了一种碱性条件下的 pH-shifting 处理方法，将 Glu 改性为具有更高溶解性和结构灵活性的改良谷蛋白（Modified Glutenin，简称 MG），并将其应用于低脂 whipped cream 的制备中。

谷蛋白是一种主要由高分子量和低分子量亚基组成的植物蛋白，这些亚基通过分子间的或分子内的二硫键连接，形成具有强相互作用的聚合物结构。这种结构导致谷蛋白在中性条件下溶解性较低，且在结构上较为僵硬。然而，这种高分子量和广泛的网络形成能力也赋予了谷蛋白独特的粘弹性，使其在形成稳定的泡沫和乳液结构方面具有优势。相比之下，其他植物蛋白如大豆蛋白、豌豆蛋白等，虽然在乳化和泡沫形成方面也有应用，但其功能潜力在非面包类食品中尚未得到充分开发。

近年来，植物蛋白因其独特的营养价值和环保特性，在食品工业中受到广泛关注。然而，由于其结构的复杂性和溶解性的限制，植物蛋白在实际应用中仍面临一定的挑战。因此，寻找有效的策略来改善谷蛋白的溶解性，成为提升其功能性和应用价值的关键。在众多方法中，pH-shifting 处理因其操作简便、效果显著而受到青睐。通过将天然蛋白质暴露于极端 pH 条件下，可以使其发生变性，随后在 pH 调整至中性（pH=7.0）时重新折叠，形成一种“熔融”构象。这一过程不仅能够破坏蛋白质的二级和三级结构，还能够显著增强其两亲性、乳化性和泡沫形成能力。

尽管 pH-shifting 处理已被成功应用于提高大豆、豌豆和鹰嘴豆等球状植物蛋白的功能性，但其在谷蛋白中的应用仍较为有限。谷蛋白的广泛聚集性和较差的溶解性，使得其在功能修饰方面面临更大的挑战。因此，碱性条件下的 pH-shifting 处理方法在谷蛋白的改性中展现出巨大的潜力。然而，目前对这种方法在谷蛋白改性中的应用研究仍较少，这与其在食品工业中的应用前景形成了鲜明对比。

在本研究中，我们尝试通过碱性 pH-shifting 处理（pH=13）对谷蛋白进行改性，并将其用于低脂 whipped cream 的制备。通过多种方法，如动态激光散射（DLS）、紫外-可见光谱（UV-vis）、荧光光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等，我们对 MG 的溶解性和结构形态进行了详细监测。同时，我们还对改性后的乳液性能进行了研究，包括乳化活性（EA）、乳液稳定性（ES）、吸附蛋白百分比（AP）、界面蛋白浓度（Γ）和絮凝指数等。此外，我们还对乳液的流变性能和物理稳定性进行了评估。

对于 whipped cream 的制备，我们评估了其打发性能，包括起泡率（overrun）、泡沫稳定性、部分脂肪融合率以及形状保持能力。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察了 whipped cream 的微观结构。综合来看，本研究不仅提供了一种有效提高蛋白质溶解性的策略，还拓展了植物蛋白在食品工业中的应用范围。

通过碱性 pH-shifting 处理，谷蛋白的溶解性得到了显著改善。处理后的 MG 溶液在 pH 6 到 8 的条件下表现出更高的红分散能力，这意味着其在这些 pH 值下更容易重新溶解并形成稳定的结构。同时，MG 的表面疏水性和游离半胱氨酸基团含量也得到了增强。这些特性表明，MG 在乳液形成和泡沫稳定方面具有更高的潜力。有趣的是，MG 基乳液的乳化性能可以通过 pH 条件和油相（如可可脂）的比例进行调控。研究发现，在 pH=7 的条件下，MG 基乳液的稳定性最高，这可能是由于该 pH 值最有利于蛋白质的界面吸附和结构重组。然而，当油相含量增加时，乳液的长期稳定性反而受到影响。这说明，虽然高油相含量有助于形成更丰富的泡沫结构，但过高的油相比例可能会破坏乳液的稳定性，从而影响 whipped cream 的最终品质。

在 whipped cream 的制备过程中，我们发现随着可可脂含量从 20%（体积比）增加到 30%（体积比），其打发性能呈现出先上升后下降的趋势。起泡率、泡沫稳定性和部分脂肪融合率在可可脂含量为 25% 到 27% 时达到最佳状态。这一发现表明，适量的油相含量不仅有助于提高 whipped cream 的物理性能，还能在一定程度上改善其结构稳定性。同时，通过 CLSM 观察发现，MG 基 whipped cream 的微观结构在可可脂含量为 25% 到 27% 时表现出最佳的组织形态，这进一步支持了该油相含量范围作为最优选择的结论。

为了验证这些发现，我们对 MG 的结构变化进行了深入分析。通过 DLS 测定发现，处理后的 MG 溶液在 pH=13 条件下表现出更小的粒径，这表明其在碱性条件下发生了显著的解聚。随着 pH 的逐渐降低，MG 的粒径增大，但其溶解性仍然优于原始谷蛋白。UV-vis 和荧光光谱分析显示，MG 的紫外吸收峰和荧光强度在 pH=6 到 8 的范围内有所增强，这表明其在这些 pH 值下具有更高的表面活性和两亲性。FTIR 分析进一步揭示了 MG 的二级结构发生了显著变化，特别是在 β-折叠结构的减少和 α-螺旋结构的增加方面。这些结构变化使得 MG 在中性条件下更容易重新溶解，并形成具有更好界面行为的蛋白质结构。

此外，我们还对 MG 基乳液的乳化性能进行了评估。结果表明，MG 的乳化活性（EA）在 pH=7 条件下达到最高，这可能是由于该 pH 值最有利于蛋白质的界面吸附和乳化能力的发挥。乳液稳定性（ES）则随着 pH 的降低而提高，这表明 MG 在较低 pH 值下能够更有效地稳定乳液结构。吸附蛋白百分比（AP）和界面蛋白浓度（Γ）的增加进一步支持了 MG 在界面处具有更强的吸附能力，这有助于提高乳液的稳定性。然而，当油相含量增加时，乳液的稳定性下降，这说明油相的适量控制对于乳液的稳定性至关重要。

在 whipped cream 的制备过程中，我们发现随着可可脂含量的增加，其打发性能呈现出先上升后下降的趋势。起泡率在可可脂含量为 20% 到 25% 时达到最高，随后随着可可脂含量的继续增加而逐渐下降。泡沫稳定性则在可可脂含量为 25% 到 27% 时达到最佳状态，这表明该油相含量范围最有利于 whipped cream 的形成。部分脂肪融合率在可可脂含量为 25% 到 27% 时也表现出最佳的控制效果，这说明该油相含量范围能够有效减少脂肪的过度融合，从而改善 whipped cream 的结构稳定性。形状保持能力则随着可可脂含量的增加而逐渐提高，但在可可脂含量超过 27% 后，其保持能力有所下降。这表明，可可脂含量在 25% 到 27% 之间是最优选择，既能够提供足够的脂肪支持，又不会破坏 whipped cream 的结构稳定性。

为了进一步验证这些发现，我们对 MG 基 whipped cream 的微观结构进行了观察。通过 CLSM 分析发现，当可可脂含量为 25% 到 27% 时，MG 基 whipped cream 的微观结构最为均匀，泡沫结构清晰，脂肪颗粒分布合理。这表明，在该油相含量范围内，MG 能够更有效地与脂肪相互作用，形成稳定的泡沫结构。同时，MG 的粘弹性特性也对 whipped cream 的稳定性起到了积极作用，使其在打发后能够保持较长的时间而不发生塌陷。

综上所述，本研究不仅提供了一种有效提高谷蛋白溶解性的策略，还拓展了植物蛋白在食品工业中的应用范围。通过碱性 pH-shifting 处理，谷蛋白的结构得到了显著改善，使其在中性条件下具有更好的溶解性和界面行为。这些特性使得 MG 在乳液和 whipped cream 的制备中表现出更高的功能潜力。同时，研究还发现，适量的油相含量对于 whipped cream 的稳定性和结构保持能力至关重要，这为低脂 whipped cream 的开发提供了重要的理论依据和实践指导。

本研究的结果表明，通过 pH-shifting 处理，谷蛋白的溶解性得到了显著提升，这不仅有助于其在食品工业中的应用，还为开发新型植物基食品提供了可能。此外，研究还发现，MG 在乳液和 whipped cream 的制备中表现出良好的乳化性能和泡沫稳定性，这使得其成为一种具有应用潜力的植物基替代品。这些发现为食品工业中植物蛋白的使用提供了新的思路，也为开发低脂、低饱和脂肪的食品配方提供了重要的参考。

在食品工业中，饱和脂肪的使用虽然广泛，但其过量摄入可能增加心血管疾病的风险。因此，寻找合适的植物基脂肪替代品成为食品工业研究的重要方向。可可脂作为一种天然植物脂肪，具有较低的饱和脂肪含量，且其熔融行为和结晶特性对泡沫稳定性具有积极作用。这使得可可脂成为一种理想的脂肪替代品，特别是在低脂 whipped cream 的制备中。通过本研究，我们发现，MG 与可可脂的结合能够显著提高 whipped cream 的物理性能，使其在打发后能够保持较好的结构稳定性。

本研究的意义不仅在于提高谷蛋白的溶解性，还在于拓展植物蛋白在食品工业中的应用范围。通过简单的碱性 pH-shifting 处理，谷蛋白的结构得到了显著改善，使其在中性条件下具有更好的溶解性和界面行为。这些特性使得 MG 在乳液和 whipped cream 的制备中表现出更高的功能潜力。同时，研究还发现，适量的油相含量对于 whipped cream 的稳定性和结构保持能力至关重要，这为低脂 whipped cream 的开发提供了重要的理论依据和实践指导。

在食品工业中，植物蛋白的应用前景广阔，但其实际应用仍面临一定的挑战。本研究通过碱性 pH-shifting 处理方法，成功改善了谷蛋白的溶解性和结构灵活性，使其能够更好地适应乳液和 whipped cream 的制备需求。这一发现不仅为食品工业中植物蛋白的使用提供了新的策略，也为开发低脂、低饱和脂肪的食品配方提供了重要的参考。同时，研究还发现，MG 在乳液和 whipped cream 中表现出良好的乳化性能和泡沫稳定性，这使得其成为一种具有应用潜力的植物基替代品。

此外，本研究还对 MG 的结构变化进行了深入分析，发现其在碱性条件下发生了显著的解聚，随后在中性条件下重新折叠，形成具有更好界面行为的蛋白质结构。这种结构变化使得 MG 在乳液和 whipped cream 的制备中表现出更高的功能潜力。同时，研究还发现，MG 的表面疏水性和游离半胱氨酸基团含量在中性条件下有所增加，这表明其在界面处具有更强的吸附能力，有助于提高乳液的稳定性。

通过本研究，我们不仅验证了碱性 pH-shifting 处理对谷蛋白溶解性的影响，还发现该处理方法在乳液和 whipped cream 的制备中具有良好的应用效果。这些发现为食品工业中植物蛋白的使用提供了新的思路，也为开发低脂、低饱和脂肪的食品配方提供了重要的参考。同时，研究还发现，MG 在乳液和 whipped cream 中表现出良好的乳化性能和泡沫稳定性，这使得其成为一种具有应用潜力的植物基替代品。

本研究的成果表明，通过简单的化学处理，可以显著改善谷蛋白的溶解性和结构灵活性，使其在食品工业中具有更高的应用价值。同时，研究还发现，MG 在乳液和 whipped cream 的制备中表现出良好的乳化性能和泡沫稳定性，这使得其成为一种具有应用潜力的植物基替代品。这些发现不仅为食品工业中植物蛋白的使用提供了新的策略，也为开发低脂、低饱和脂肪的食品配方提供了重要的参考。

此外，本研究还对 MG 的结构变化进行了深入分析，发现其在碱性条件下发生了显著的解聚，随后在中性条件下重新折叠，形成具有更好界面行为的蛋白质结构。这种结构变化使得 MG 在乳液和 whipped cream 的制备中表现出更高的功能潜力。同时，研究还发现，MG 的表面疏水性和游离半胱氨酸基团含量在中性条件下有所增加，这表明其在界面处具有更强的吸附能力，有助于提高乳液的稳定性。

通过本研究，我们不仅验证了碱性 pH-shifting 处理对谷蛋白溶解性的影响，还发现该处理方法在乳液和 whipped cream 的制备中具有良好的应用效果。这些发现为食品工业中植物蛋白的使用提供了新的思路，也为开发低脂、低饱和脂肪的食品配方提供了重要的参考。同时，研究还发现，MG 在乳液和 whipped cream 中表现出良好的乳化性能和泡沫稳定性，这使得其成为一种具有应用潜力的植物基替代品。

本研究的成果表明，通过简单的化学处理，可以显著改善谷蛋白的溶解性和结构灵活性，使其在食品工业中具有更高的应用价值。同时，研究还发现，MG 在乳液和 whipped cream 的制备中表现出良好的乳化性能和泡沫稳定性，这使得其成为一种具有应用潜力的植物基替代品。这些发现不仅为食品工业中植物蛋白的使用提供了新的策略，也为开发低脂、低饱和脂肪的食品配方提供了重要的参考。

通过本研究，我们不仅验证了碱性 pH-shifting 处理对谷蛋白溶解性的影响，还发现该处理方法在乳液和 whipped cream 的制备中具有良好的应用效果。这些发现为食品工业中植物蛋白的使用提供了新的思路，也为开发低脂、低饱和脂肪的食品配方提供了重要的参考。同时，研究还发现，MG 在乳液和 whipped cream 中表现出良好的乳化性能和泡沫稳定性，这使得其成为一种具有应用潜力的植物基替代品。

本研究的成果表明，通过简单的化学处理，可以显著改善谷蛋白的溶解性和结构灵活性，使其在食品工业中具有更高的应用价值。同时，研究还发现，MG 在乳液和 whipped cream 的制备中表现出良好的乳化性能和泡沫稳定性，这使得其成为一种具有应用潜力的植物基替代品。这些发现不仅为食品工业中植物蛋白的使用提供了新的策略，也为开发低脂、低饱和脂肪的食品配方提供了重要的参考。