中国农业科学院农产品加工研究所王强团队：基于乙酰化花生球蛋白颗粒构建的W/O型Pickering乳液催化体系制备富含甘油二酯的大豆油

近日，中国农业科学院农产品加工研究所王强研究员团队在国际顶尖学术期刊Food Chemistry（JCR一区，IF=9.231）在线发表了题为“The preparation of Diacylglycerol-rich soybean oil by acetylated modification of arachin nanoparticles for W/O Pickering emulsion system”的最新研究成果。该团队在植物蛋白基Pickering乳液的构筑与应用方面开展了系列研究，此成果是团队继2018年于“Angewandte Chemie International Edition”（Jiao, et al., 2018, ESI前1%高被引, 228次被引用）、2021年于“Food Chemistry”（Li et al., 2021）以及2022年于“Food Hydrocolloids”（Li et al., 2022）发表的植物蛋白基Pickering乳液构筑及稳定机制相关研究后，基于该乳液体系在提高脂肪酶催化效率应用中的又一拓展性研究。中国农业科学院农产品加工研究所硕士研究生李薇为论文第一作者，王强研究员和焦博副研究员为通讯作者。

由固体颗粒稳定的Pickering乳液在食品工业中的实际应用一直是食品科研工作者关注的焦点。近年来，化学领域中已证明Pickering乳液催化体系（PEC）可以提升酶的催化效率，在不需要外施机械搅拌、不使用表面活性剂的情况下形成微米级乳液，每一个乳液液滴都可以作为一个微反应器，提供巨大的界面面积，促进酶和底物的接触，缩短生物酶和反应物之间的传质距离，进而提高催化效率，但食品领域中相关研究仍处于起步阶段。

王强研究团队通过丁二酸酐改性花生球蛋白制备乙酰化花生球蛋白，并使用盐热法制备乙酰化花生球蛋白颗粒（AAPs），通过戊二醛（GDA）交联脂肪酶与AAPs得到具有较高固载效率和比活性的固定化酶颗粒（Lipase-AAPs）进而构建蛋白基PEC（图1(A)）。此蛋白基PEC相比于传统两相催化体系（BCS）（图1(B)）提升了催化制备甘油二酯的效率，得到了富含甘油二酯的大豆油。结果表明，乙酰化处理可以降低花生球蛋白的pI（由5.5下降到3.5，图2(A)），且经过乙酰化处理后的花生球蛋白可以维持均一稳定的分散状态（图2(D)）。Lipase-AAPs的比活性约为游离脂肪酶的1.2倍（图3(B)）。Lipase-AAPs的最大反应速率（V_max）约为游离脂肪酶的2倍，而K_m仅为游离脂肪酶的1/5，能够在底物浓度较低的情况下依然发挥良好的催化活性（图3(C)和表1）。使用载酶颗粒构建的蛋白基PEC可在10000 s维持内保持稳定（图4(A)）并完成催化反应。Lipase-AAPs能使乳液界面粘度表现出剪切变稀的特性（图4(C)），且在线性粘弹性范围内均大于G'均大于G''（图4(D)），这表明载酶颗粒形成了较为坚固的类固体界面膜，促进了界面处的催化反应。激光共聚焦显微镜观察结果显示，随着剪切速率增加（4000-10000 rpm）乳液粒径变小（图5 A-D），对应的甘油二酯得率增大（图6(B)）。使用光学显微镜观察PEC在不同静止时间下的微观形态，发现随着静止时间的延长，液滴粒径逐渐增大，且乳液液滴数量逐渐减少（图5 E.1-E.4），催化效率减缓（图6(C)）。实验中静止PEC催化效率是BCS的2.36倍，且用于构建PEC的Lipase-AAPs具有良好的循环利用特性（图6(D)）。该研究基于花生蛋白基PEC提升了酶法制备DAG的催化效率，为绿色高效制备甘油二酯技术的建立提供了理论依据和技术支撑。

项目资助：

本研究得到了国家自然科学基金项目（U21A20270，32172149）、国家重点研发计划项目(2022YFF1101400)、中国农业科学院农产品加工研究所农业科技创新计划项目的资助（CAAS-ASTIP-G2022-IFST）。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.136615

图1 PEC (A)和BCS (B)的机理图

图2 不同pH条件下，花生球蛋白、AA、AAPs、脂肪酶和AAPs-GDA的ζ-电位(A)。花生球蛋白、AA、AAPs、脂肪酶和AAPs-GDA的粒径(B)。不同离子强度（0-900 mM）条件下AAPs的ζ-电位和粒径变化(C)。不同处理条件下花生球蛋白分散液的宏观状态(D)。

图 3 不同pH条件下游离脂肪酶的比活性(A)。游离脂肪酶和Lipase-AAPs的比活性(B)。游离脂肪酶和Lipase-AAPs的动力学曲线(C). *表示p < 0.05。

图4 PEC的TSI变化曲线(A)、界面张力(B)、粘度随剪切速率变化曲线(C)以及频率扫描(D)结果（Lipase-AAPs浓度为0-6.5wt%；实验温度25℃）。

图5 Lipase-AAPs稳定PEC的CLSM观察图像（A-D，剪切速率为4000~13000 rpm，比例尺为100 μm）和显微镜观察图像（E，静止时间为0、300、3600和6000 s，比例尺为20 μm）

图6 不同催化体系示意图：BCS(A1)，搅拌PEC(A2)和静止PEC(A3)。不同剪切速率构建的PEC制备的DAG含量(B)。不同催化体系制备DAG的含量(C)。Lipase-AAPs的循环利用特性(D)。

表1 游离脂肪酶和Lipase-AAPs的V_max和K_m

通讯作者介绍：

王  强

二级研究员/博士生导师

王强，二级研究员，博士生导师，国际食品科学院院士，2021年中国工程院院士增选有效候选人，入围“全球前2%顶尖科学家榜单”。现任中国农业科学院植物蛋白结构与功能调控创新团队首席专家，国家花生产业技术体系加工研究室主任、九三学社中央农林委委员，新疆自治区油料产业技术体系首席科学家。全国优秀科技工作者，全国首批农业科研杰出人才，全国科技助力精准扶贫先进个人，入选国家“百千万人才工程”并获“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院特殊津贴，农业农村部神农英才“领军人才”，中国农业科学院领军人才，中国粮油学会花生食品分会会长，中国食品科学技术学会植物基食品分会副理事长，Journal of Integrative Agriculture食品栏目执行主编、NPJ Science of Food编委、Foods客座主编。长期从事粮油加工与营养健康领域科学研究，首次构建了花生加工适宜性评价技术，筛选出加工专用品种，解决了我国花生混收混用、产品品质差的瓶颈问题；颠覆了传统压榨技术与方法，建立了国内第一条花生低温制油与蛋白联产生产线，开发出高品质系列新产品，推动了花生加工业的高质量发展；在国际上首次提出高水分挤压过程中蛋白纤维结构形成的“分层叠变”新理论，创建了基于高水分挤压的植物基肉制品颠覆性加工技术，革新设计了智能化加工装备和可视化平台，引领了产业发展方向。主持“十三五”国家重点研发计划专项（基础研究类）、国家自然科学基金、863、公益性农业行业科研专项等国家项目40余项。以第一完成人获得2014年国家技术发明二等奖、2013和2019中华农业科技奖一等奖、2015年中华农业科技奖“优秀创新团队类”、2012年ICC最高学术奖、2014年中国专利优秀奖、2017年中国商业联合会科学技术奖特等奖、2019年中国农业农村十大新装备，主笔撰写的《关于大力发展新疆花生产业夯实新疆长治久安基础的建议》、《关于“大力推动我国花生产业高质量发展”的建议》分别得到中共中央领导和国务院领导的批示。授权发明专利100余项（其中国际专利12项），软件著作权12项，制修订国家和行业标准10项，出版著作13部（英文专著3部），发表学术论文340余篇，其中SCI论文130篇、IF>10 35篇，IF>15 2篇，ESI全球前1%高被引论文4篇，F5000高被引论文1篇，总被引5000余次，培养硕博研究生、博士后及外国留学生120多人。

焦  博

副研究员

焦博，副研究员，中国农业科学院农产品加工研究所植物蛋白结构与功能调控创新团队科研骨干，曾就职于Novozymes中国区研发总部任Scientist，获中国农业科学院首批“优农计划”特别资助人才，Polymer（JCR 1区）期刊客座副主编。主要从事乳液体系界面酶催化及界面稳定机制研究，主持“十四五”国家重点研发计划科技型中小企业项目、博士后科学基金面上与特别资助等项目4项，新疆生产建设兵团科技计划等课题2项，以第一作者或通讯作者在Angewandte Chemie International Edition （IF: 16.823）、Food Hydrocolloids （IF: 11.504）、Food Chemistry（IF：9.231）等知名期刊发表论文10余篇，其中ESI化学领域前1%高被引论文1篇，单篇最高被引228次；参编著作5部，其中英文著作2部；授权国际专利2项，国家发明专利7项；制订农业行业标准1项；获中国农业科学院高水平论文奖、中国农业科学院优秀博士后等荣誉，研究成果被Chemical Review（IF:72.087）、Applied Catalysis B-Environmental（IF:24.319）等国际顶尖期刊正面引用，并曾被科技日报（头版头条）、人民网、China Daily等知名媒体报道。

第一作者介绍：

李薇

硕士研究生

李薇，中国农业科学院农产品加工研究所2020级硕士研究生，课题为蛋白基Pickering乳液酶法催化制备甘油二酯体系的构建。获得中国农业科学院社会活动优秀奖等奖项。目前以第一作者在Frontiers in Nutrition（JCR一区，IF=6.59）和Food Chemistry（JCR一区，IF=9.231）期刊上发表学术论文2篇，中文核心1篇，申请国家发明专利1项，参编著作1部。

供稿人： 焦博 李薇