短时高强度超声波可直接诱导大豆蛋白分离物与葡萄糖-δ-内酯形成凝胶

时间：2026年5月23日

来源：Food Hydrocolloids

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作者：程曦、谭虎、苏洪晨、谢玉欣、袁媛、胡浩华中农业大学食品科学与技术学院，中国湖北省武汉市430070 摘要高强度超声波（HIU）已被广泛用于食品蛋白质加工中，以调节蛋白质的结构和功能。然而，传统的HIU辅助大豆蛋白分离物（SPI）凝胶化方法通常需要额外的长时间热处理来

作者：程曦、谭虎、苏洪晨、谢玉欣、袁媛、胡浩

华中农业大学食品科学与技术学院，中国湖北省武汉市430070

摘要

高强度超声波（HIU）已被广泛用于食品蛋白质加工中，以调节蛋白质的结构和功能。然而，传统的HIU辅助大豆蛋白分离物（SPI）凝胶化方法通常需要额外的长时间热处理来提高蛋白质的柔韧性，这导致加工过程复杂、能耗高且生产效率低。在本研究中，我们直接利用短时间的HIU处理，在不添加额外热量的情况下形成了葡萄糖-δ-内酯（GDL）诱导的SPI凝胶。加入1%的GDL并在不控制温度的情况下进行5分钟的HIU处理后，SPI能够直接形成凝胶（凝胶强度约为66.11克；持水能力约为53.38%），而冰浴对照组则无法形成凝胶。重要的是，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和分子间力分析结果表明，与对照组相比，HIU-1% GDL诱导的SPI凝胶含有更多的β-折叠结构、更少的无规卷曲结构，并且分子间的相互作用更强，包括疏水相互作用（7.18毫克/毫升）和二硫键（1.98毫克/毫升），这表明HIU的热效应和GDL的添加对SPI凝胶的分子交联至关重要。此外，HIU-0% GDL组的颗粒尺寸较大，溶解度较低，这表明HIU的剪切效应改善了SPI的分散性和溶解性，从而促进了凝胶的形成。本研究提供了一种通过直接短时间HIU处理形成GDL诱导SPI凝胶的新方法。

引言

食品蛋白凝胶（主要是动物和植物蛋白凝胶）由纤维状/链状或球状大分子的三维聚合物网络组成（Zha, Rao, & Chen, 2021），由于其能够改善食品的质地而在食品科学中得到广泛应用（Schreuders, Dekkers, Bodnár, Erni, Boom, & van der Goot, 2019）。最近的研究主要集中在动物蛋白凝胶的设计和开发上，如卵清蛋白、牛奶蛋白和肌原纤维蛋白（Zahra & Mehdi, 2024）。然而，生产动物蛋白凝胶需要大量的水资源、饲料和土地（Thakur, Pandey, Verma, Shrivastava, & Singh, 2024）。相比之下，植物蛋白凝胶因其成本效益、可持续性、丰富的可用性和健康益处而成为开发食品蛋白凝胶的有希望的选择（Thakur et al., 2024）。大豆蛋白分离物（SPI）是一种高质量植物蛋白，具有均衡的氨基酸组成，含有生理上有益的成分，并表现出优异的凝胶化能力（Basha, Fukuba, Moore, & Kinchla, 2025）。重要的是，生产SPI凝胶通常需要添加凝集剂（如转谷氨酰胺酶、Ca²⁺和葡萄糖-δ-内酯）来促进蛋白质聚集（Brito-Oliveira, Bispo, Moraes, Campanella, & Pinho, 2018）。Zhang等人（2016）报告称，在HIU预处理下（37°C，20 U/g的转谷氨酰胺酶浓度），SPI可以形成水凝胶。然而，这种方法受到高成本和严格反应温度的限制（Heck, Faccio, Richter, & Thöny-Meyer, 2013）。尽管Ca²⁺也能诱导SPI凝胶的形成，但由于离子水解迅速，形成的凝胶不够均匀（Ye et al., 2024）。葡萄糖-δ-内酯（GDL）也可以通过持续释放H⁺并降低溶液pH值来诱导SPI凝胶的形成，从而得到均匀的凝胶（Li, Zeng, Wang, et al., 2025）。然而，直接用GDL诱导的SPI凝胶具有较低的凝胶强度、较差的持水能力和较差的质地特性（Li, Zeng, Chen, Wang, Qin, & Liu, 2025）。因此，迫切需要改善GDL诱导的SPI凝胶的性能。最近，高强度超声波（HIU）（16-100 kHz，功率范围为10-1000 W cm^-2）被广泛用于改善蛋白质凝胶的性能，HIU被认为是一种绿色且安全的加工方法（Picot-Allain, Mahomoodally, Ak, & Zengin, 2021）。HIU通常通过空化作用影响蛋白质的物理化学性质。当HIU诱导的空化气泡破裂时，会在空化区内产生局部的高温和高压，从而产生高能量的剪切波和湍流效应，进而改变蛋白质结构（Hao Hu, Jiahui Wu, et al., 2013）。许多研究表明，HIU可以有效改善GDL诱导的SPI凝胶的性能。例如，Hu等人（2013）报告称，HIU与热处理（95°C，20分钟）的结合可以增强SPI GDL诱导的凝胶。Zhang等人（2024）发现，HIU预处理可以有效增强大豆蛋白-卵清蛋白复合凝胶的功能性能。然而，传统的HIU辅助SPI凝胶化方法通常需要额外的热处理（表S1）来提高蛋白质的柔韧性，这导致加工过程复杂、能耗高且生产效率低（H. Hu et al., 2013; Y. Sun, Wang, Wang, Zhou, Jiang, & Zhu, 2025; C. B. Zhao, Yin, Yan, Niu, Qi, & Liu, 2021）。因此，简化HIU蛋白凝胶化的加工方法十分紧迫。

目前关于HIU辅助GDL诱导的蛋白质凝胶的研究通常涉及额外的加热过程（50-90°C，>10分钟）和长时间的HIU处理（>10分钟）。我们之前的研究表明，直接使用HIU可以在不添加任何凝集剂的情况下诱导某些球状蛋白质（卵清蛋白、花生蛋白分离物和豌豆蛋白分离物）形成凝胶，而SPI仅通过直接HIU处理无法形成稳定的凝胶（Cheng et al., 2025）。我们假设，通过利用HIU的热效应（无需额外加热），SPI可以在添加凝集剂（GDL）的情况下直接形成稳定的HIU凝胶。在本研究中，我们使用HIU（20 kHz，400 W，5分钟，不使用冰浴）和凝集剂（GDL）来诱导SPI凝胶的形成（以下简称HIU-GDL诱导的凝胶）。系统评估了GDL浓度对SPI凝胶结构和性能的影响。还研究了HIU-GDL诱导凝胶化过程中SPI的聚集动力学。重要的是，在加入1%的GDL并在不控制温度的情况下进行5分钟的HIU处理后，SPI能够直接形成凝胶（凝胶强度约为66.11克，持水能力约为53.38%），而冰浴对照组则无法形成凝胶。这项工作提供了一种通过直接短时间HIU快速形成SPI-GDL凝胶的新方法。

章节片段

材料

从山东禹旺公司（中国山东）购买了纯度大于90%的大豆蛋白分离物（SPI）。尿素和DL-二硫苏糖醇（DTT）从Sigma-Aldrich化学有限公司（美国密苏里州圣路易斯）购买。甘氨酸、氯化钠和Coomassie Brilliant Blue G250从中国上海的Sinopharm化学试剂有限公司采购。

HIU-GDL诱导SPI凝胶的制备

将SPI溶解在蒸馏水中，浓度为10%（w/v），然后在室温下搅拌1.5小时，随后加入...

HIU处理过程中SPI的粒径和PDI分析

不同GDL浓度下SPI的粒径和PDI变化分别列在表1和表2中。在0%和0.5% GDL浓度下，随着HIU处理时间的延长，蛋白质粒径逐渐减小，表明HIU有助于蛋白质聚集体的分散（Li et al., 2022）。然而，在这些较低的GDL浓度下，蛋白质的交联和聚集不足，从而阻碍了凝胶网络的形成。

结论

在本研究中，我们证明了短时间的HIU可以在不添加任何额外热量的情况下直接形成GDL诱导的SPI凝胶。评估了HIU-GDL诱导SPI样品的结构和凝胶性能。结果表明，GDL浓度对SPI的结构和凝胶性能有显著影响。从凝胶强度、流变学、持水能力（WHC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）的结果来看，HIU-1% GDL诱导的SPI凝胶具有最佳的凝胶性能，其网络有序、均匀且致密，类似于蜂蜜。