J. Future Foods | 一种新型的植物源食品蛋白质（核桃-大豆分离蛋白）凝胶的制备、结构

2023-06-15 21:19:55

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Introduction

随着低碳环境需求及全球人口的增长，人们对食物蛋白质需求日益增加，质优价廉的食品蛋白质源成为保障人类生存及环境可持续发展的重要资源，因此找寻及开发更多更新的食物蛋白质是响应和落实习总书记“大食物观”及满足人们优质生活需求的重要体现。核桃、大豆等植物源食品中富含优质的蛋白质，极具开发利用价值。尤其是在近年来，我国核桃产业发展极其迅猛，中国的核桃产量居世界首位，已成为大豆、油菜和花生之后第四大油料来源，且除脂质营养以外，榨油后的核桃粕中含有丰富的核桃蛋白，是一种潜在的优质食品蛋白质资源；然长久以来，核桃粕除少量用于生产核桃蛋白粉、乳饮料等初级产品外，大部分常被用作牲畜饲料，其深度开发与高值化利用严重不足。凝胶特性是蛋白质的重要加工功能性质之一，它有助于食物结构的形成，使食物形成独特的质地、风味和口感，然由于核桃蛋白质自身在结构与加工功能特性等方面的客观属性，致使其在乳化、溶解和凝胶特性方面存在诸多不足，进而限制其作为高端食品配料在食品工业中的应用。

合肥工业大学食品与生物工程学院李述刚教授课题组基于核桃仁蛋白质资源的客观特性，综合运用低场核磁、红外光谱、荧光光谱、扫描电镜和分子间作用力等技术手段和方法，在系统研究核桃仁蛋白质加工功能特性的基础上，重点探究了盐离子（NaCl）、多糖（κ-卡拉胶）和蛋白（大豆分离蛋白）等对核桃分离蛋白凝胶特性的影响。研制开发了一种新型的复合型核桃蛋白质凝胶产品，为其在食品工业的高值化利用提供了坚实的理论与技术支撑。

Results and discussion

质构特性

不同浓度的SPI对WNPI-SPI-KC复合凝胶质构特性的影响如图1所示。SPI的加入可以显著提高复合凝胶的硬度、弹性、黏附性和咀嚼性。然而，高浓度的SPI会导致质构性能的降低。

图1 SPI对WNPI-KC复合凝胶质构特性的影响

流变特性

动态流变学反映了蛋白质的凝胶能力。温度扫描结果表明加入1% SPI 时，复合凝胶的G’和G”值最高，说明此时WNPI、SPI和KC建立了更稳定的凝胶网络结构，凝胶所形成的效果最好。从频率扫描结果可看出G’和G”都随着频率的增加而增加，表明形成了一个连续的网络；此外，G’与G”的比值不超过10，这意味着热诱导复合凝胶较弱。

图2 SPI对WNPI-KC复合凝胶流变特性的影响。(A)和(B):应力应变扫描时复合凝胶的存储模量(G’)和损耗模量(G”)；(C)和(D):加热过程中复合凝胶的G’和G”；(E)和(F):冷却过程中复合凝胶的G’和G”；(G)和(H):频率扫描时复合凝胶的G’和G”。

微观结构

通过CLSM和SEM观察添加SPI后复合凝胶的微观结构。随着SPI浓度的增加，蛋白的聚集量逐渐减少(A-C)；当SPI浓度达到1%时，蛋白分布更加均匀，凝胶网络得到改善(C)；当SPI浓度进一步增大，蛋白质聚集量增大，形成一些间隙较大的蛋白质网络(E-F)。此外SEM结果表明随着SPI浓度的增加，复合凝胶的均匀性呈现先增加后降低的趋势(a-f)，这也与CLSM的观察结果一致。

图3 WNPI-SPI-KC复合凝胶的CLSM (A−F: SPI-0%, SPI-0.5%, SPI-1%, SPI-1.5%, SPI-2%, SPI-2.5%) 和SEM (a−f: SPI-0%, SPI-0.5%, SPI-1%, SPI-1.5%, SPI-2%, SPI-2.5%) 图像

分子间作用力

如图4所示，所形成的复合凝胶中既有共价相互作用，也有非共价相互作用。在这4种分子间作用力中，疏水相互作用贡献最大。此外，随着SPI浓度的增加，静电相互作用、疏水相互作用、氢键和二硫键均呈现先增大后减小的趋势，说明这4种作用力在WNPI-SPI-KC凝胶的形成中发挥了重要作用。

图4 SPI对WNPI-KC复合凝胶分子间相互作用力的影响

机理示意图

WNPI-SPI-KC复合凝胶形成的机理示意图如图5所示，SPI可以作为WNPI凝胶网络的填充物，在适当的NaCl浓度下，Na⁺通过静电相互作用与蛋白质建立连接，部分Na⁺可以通过桥接带负电荷的羧基与KC相互作用，减少蛋白质的过度聚集，从而增加复合体系的凝胶化。在加热过程中，蛋白质的分子结构展开，暴露出更多的游离巯基。此外，SPI作为WNPI凝胶网络的填充物，增强了疏水相互作用等分子间作用力，诱导形成更稳定的凝胶网络结构，改善了复合凝胶的WHC和质构性能。

图5 WNPI-SPI-KC复合凝胶形成的机理示意图

Conclusion

本实验研究了不同浓度SPI对15 mmol/L NaCl处理下WNPI-KC复合物凝胶性能的影响。结果表明，1.0% SPI的加入可以增强WNPI-KC复合凝胶的分子间作用力，从而使凝胶网络结构更加致密均匀。在此基础上，复合凝胶的流变特性、质构特性、持水性、溶胀率、冻融稳定性和热稳定性均有显著提高。此外，1.0% SPI的加入使复合体系中蛋白质分子二级结构由α-螺旋转变为β-折叠，荧光强度和游离巯基含量增加，更有利于凝胶化。本研究开发了一种新型的植物蛋白凝胶，为提高核桃蛋白的凝胶特性和核桃蛋白凝胶食品的开发提供了技术支持。

第一作者简介

雷雨晴，女，合肥工业大学食品与生物工程学院2022级在读博士，研究方向为蛋白质科学与技术，目前以第一作者发表SCI和EI科研论文3篇。

通信作者简介

李述刚，男，博士，教授，博士生导师。研究方向为食品胶体科学与技术、禽蛋加工和质量控制、休闲食品创制与产业化。现任安徽省现代农业产业体系农产品加工产业技术体系特色农品加工岗位专家，全国畜牧业标准化技术委员会禽业标准化工作组委员，中国生物工程学会生食品生物技术专业委员会委员，中国食品科学技术学会休闲食品分会理事等。先后主持承担国家自然科学基金、国家重点研发计划任务、国家农业成果转化资金及公益性（农业）行业专项等各类科研课题20余项；国家基金项目网评和省级科技项目评审专家，《Journal of Future Foods》编委，《食品科学》杂志青年编委，《Journal of Agricultural and Food Chemistry》、《Food Hydrocolloid》和《食品科学》等20多个权威期刊杂志审稿人。先后获省市级科技进步奖励6项，获得省级中青年创新领军人才、省青年科技奖等称号；主编及参编出版教材8部，发表SCI和EI等高水平科研论文90余篇，授权技术专利30余件。

Influence of soy protein isolate on the gel properties of walnut protein isolate-κ-carrageenan treated with NaCl

Yuqing Lei^a, Lulu Ma^a, Hui Ouyang^a, Wu Peng^a, Feiran Xu^a, Ping Wang^b, Long Jin^c, Shugang Li^a,^*

^a Engineering Research Center of Bio-process, Ministry of Education, Key Laboratory for Agricultural Products Processing of Anhui Province, School of Food and Biological Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230601, China

^b School of Food Science and Engineering, Tarim University, Alaer 843300, China

^c Chacha Food Co., Ltd. Hefei 230601, China

*Corresponding author.

Abstract

The demand for plant protein is increasing significantly due to the shortage of protein resources. Walnut protein, the main by-product of preparing walnut oil, has limited application in the food industry due to its poor solubility. It was found that the soy protein isolate (SPI) concentration had significant effects on the gel properties of the walnut protein isolate (WNPI)-κ-Carrageenan (KC) composite system treated with 15 mmol/L NaCl. The results showed that the gel strength of the composite system increased first and then decreased with the increased concentration of SPI from 0 to 2.5%. The best rheological properties, texture properties, water holding capacity ((92.03 ± 1.05)%), swelling ratio ((2.04 ± 0.19)%), freeze-thaw stability and thermal stability (85.53 °C) of the composite gel were found at an SPI concentration of 1%. In the meantime, the secondary structure of protein had the least α-helix content of 10.17% and the highest β-sheet content of 39.64%, the fluorescence intensity and free sulfhydryl content reached the highest value. 1% SPI could also act as a filler for WNPI to enhance the intermolecular forces such as hydrophobic interaction between the two substances, thus forming a stable gel network structure. This study can provide technical support for improving the gel properties of walnut protein and producing new plant protein gel products.

Reference:

LEI Y Q, MA L L, OUYANG H, et al. Influence of soy protein isolate on the gel properties of walnut protein isolate-κ-carrageenan treated with NaCl[J]. Journal of Future Foods, 2023, 3(4): 364-373. DOI:10.1016/j.jfutfo.2023.03.007.

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