球磨对酵母蛋白的物理化学性质、结构及功能特性的综合影响

张月|李佳丽|孙莎莎|朱淑贤|史俊哲|聂晨鹏|江毅|王明春

农业农村部江淮农产品精深加工与资源利用重点实验室，安徽农业大学食品与营养学院特色农产品高值化利用工程技术研究中心，中国合肥230036

摘要

酵母蛋白（YP）是一种有前景的可持续替代蛋白，但其工业应用往往受到较大粒径和次优功能特性的限制。本研究系统地探讨了在低能量输入（BM100，100 r/min）和高能量输入（BM500，500 r/min）下，球磨处理（BM）持续5-50分钟对商业酵母蛋白物理化学、结构和功能特性的影响。球磨处理显著改变了酵母蛋白的粉末性质：在BM100条件下体积密度和堆积密度增加，而在BM500条件下则降低。该处理还有效减小了粒径，增加了表面电荷，并使颜色变浅。BM500的效果最为显著，将平均粒径D_[4,3]从53.39 μm降低到5.64 μm，同时将ζ电位从−9.39 mV降至−12.94 mV。从结构上看，自由巯基含量最初增加但随后下降；球磨处理未影响分子量，但降低了表面疏水性并改变了二级结构组成，尤其是在较高机械能量输入下变化更为明显。这些改变共同提升了酵母蛋白的功能特性。具体而言，溶解度显著提高，体外消化率在BM500处理后从55.29%提高至最高64.67%。乳化能力和起泡能力也得到提升，尽管在高强度研磨下持水能力和持油能力有所下降。结果表明，球磨是一种有效的物理改性方法，能量输入决定了最终的改性效果。

引言

蛋白质是人体必需的营养素。为了维持最佳的新陈代谢和生理功能，需要摄入足够的优质蛋白质。动物蛋白富含营养，长期以来一直是人类饮食中优质蛋白质的主要来源；红肉（如猪肉和牛肉）是主要来源之一。然而，长期过量摄入红肉可能导致肥胖和糖尿病等慢性疾病，对人类健康构成风险（Wang, Shi, Lu, & Chen, 2023）。植物蛋白具有低成本和广泛可用性的优势，近年来被认为可能是肉类和乳制品的潜在替代品。然而，植物蛋白仍面临营养不平衡、高致敏性和低消化率等挑战，阻碍了其在消费者中的广泛接受（Akharume, Aluko, & Adedeji, 2021）。此外，由于全球人口增长、频繁的环境灾害和农业用地稀缺等因素，支撑动物蛋白和植物蛋白生产的畜牧业和农业部门难以满足不断增长的全球需求。因此，开发可持续的替代蛋白已成为近年来的研究热点。

根据中国国家卫生健康委员会（NHC）的最新公告，酵母蛋白（YP）已被批准作为新型食品成分（参见：http://www.nhc.gov.cn/sps/）。酵母蛋白使用Saccharomyces cerevisiae作为起始菌株生产，通过培养、发酵、离心获得生物质，随后进行核酸去除、酶水解及分离/纯化等工艺。作为天然酵母的主要成分，酵母蛋白占其干重的40-60%（Sun et al., 2023）。目前，大多数商业酵母生产利用来自工业、农业和林业的低成本食品级废弃物，使得酵母蛋白的生产既可持续又环保（Jach, Serefko, Ziaja, & Kieliszek, 2022）。与动物蛋白和植物蛋白相比，酵母蛋白具有低脂肪、低胆固醇、低致敏性和中性风味等优点（Ma et al., 2024a）。此外，其氨基酸组成相对均衡，尤其是赖氨酸含量丰富，而赖氨酸是许多植物蛋白中通常缺乏的必需氨基酸，这使得酵母蛋白成为一种有前景的可持续替代蛋白（Ma et al., 2024a）。近年来，酵母蛋白已在细胞培养肉支架（Wang, Zhong, Munawar, Zan, & Zhu, 2024）、乳化香肠（Guo et al., 2024）和饮料澄清（Francisco et al., 2021）等领域得到初步应用。然而，酵母蛋白加工的技术限制常常导致其溶解度、乳化能力和持水能力下降，因此需要对其进行改性以扩大其工业应用范围（Sun et al., 2023）。

蛋白质改性技术主要包括物理改性、化学改性、酶法改性和组合改性方法，其中物理改性方法以其简单性、安全性、高效性和环保性而受到青睐。球磨（BM）作为一种物理改性技术，利用外部机械力驱动材料与研磨介质之间的高速碰撞，从而实现颗粒破碎和微细化（Bangar, Singh, Ashogbon, & Bobade, 2023）。在此过程中，球磨处理通过冲击力、剪切力和摩擦力将蛋白质聚集体破碎成细小颗粒，导致结构重组。这包括二硫键的断裂和重排，α-螺旋和β-片层结构向β-转角和随机线圈结构的转变，以及高级结构的展开，从而暴露出原本隐藏的极性和疏水基团（Li et al., 2023; Yu et al., 2018）。这些结构变化会根据蛋白质来源的不同产生不同的功能效果。例如，球磨处理提高了小麦面筋的溶解度、乳化能力和起泡能力（Liu et al., 2021），以及贻贝蛋白的油结合能力和消化率（Yu et al., 2018）。

然而，酵母蛋白的球磨改性及其产物的性质尚未得到系统研究。目前关于酵母蛋白改性的研究主要采用超声波处理、糖基化、高压均质化和小分子偶联等技术，这些方法在提高溶解度、乳化能力和起泡能力等方面的效果各不相同（Cheng et al., 2024; Fu et al., 2024; Wang et al., 2025; Sun et al., 2023）。因此，本研究旨在通过球磨处理改性商业酵母蛋白，具体探讨不同能量输入（100 r/min和500 r/min，持续5-50分钟）对酵母蛋白物理化学性质、结构特性和功能特性的影响。研究结果将为酵母蛋白改性提供理论基础，并加速其工业应用。

章节片段

材料

酵母蛋白（YP, F80）由安琪酵母有限公司（中国湖北）提供。其成分如下（g/100g）：蛋白质78.2%，灰分4.8%，水分2.32%，总碳水化合物4.9%。豌豆蛋白分离物（PPI，80%蛋白质）、大豆蛋白分离物（SPI，90%蛋白质）和乳清蛋白分离物（WPI，80%蛋白质）购自上海源叶生物科技有限公司（中国上海）。所有使用的化学试剂均为分析级。

球磨处理

使用行星式球磨机（YD-YXQM，Miqi Instrument）进行球磨处理

球磨处理对酵母蛋白粉末性质的影响

食品材料的粉末性质可以通过体积密度（ρ_bulk）、堆积密度（ρ_tap）和安息角（θ）来表征（Abdullah & Geldart, 1999）。ρ_bulk和ρ_tap反映了粉末的压缩性，可用于预测包装体积，而θ与颗粒间的相互作用力有关，表明粉末的流动性（Fu et al., 2023）。如表2所示，BM100处理略微提高了酵母蛋白样品的ρ_bulk和ρ_tap，但降低了θ。相比之下，BM500处理

结论

球磨处理以能量依赖的方式有效改变了酵母蛋白的物理化学、结构和功能特性。在粉末特性方面，低能量球磨（100 r/min）提高了酵母蛋白的压缩性和流动性，而高能量球磨（500 r/min）则产生了相反的效果。在颜色、形态和结构方面，高能量球磨处理引起了更明显的变化，包括颜色显著变浅、颗粒破碎、表面疏水性降低等

CRediT作者贡献声明

张月：撰写——初稿、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。李佳丽：验证、方法学设计、实验研究、数据分析。江毅：方法学设计。王明春：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。史俊哲：方法学设计。聂晨鹏：概念构思。孙莎莎：方法学设计。朱淑贤：方法学设计

Huang et al., 2024; Li et al., 2023; Li et al., 2019; Wang et al., 2023.

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致谢

安徽省自然科学基金（2308085MC106）的支持。我们非常感谢审稿人的宝贵建议。