DBD等离子体技术在大豆分离蛋白结构和理化性质改性中的潜在应用

背景介绍

大豆分离蛋白（SPI）其高营养价值、优异的加工性能和低成本，在许多蛋白质基食品配方中广泛使用，而大豆球蛋白的紧密四级结构通常通过静电和疏水作用以及二硫键来稳定，这导致分子柔韧性降低和乳化性能相对较差。可以通过物理、化学和生物改性来改善其功能特性，低温等离子体技术能够在微米和纳米尺度上改变材料的结构，是一种有利于食品成分改性的方法。等离子体是一种电离或部分电离的气体，其全部或大部分原子失去一个或多个电子，变成阳离子。由激发的原子和分子、阳离子、中性气体、自由基和紫外线组成。

本研究旨在了解低温等离子体在干燥状态下对SPI的微观结构及功能特性的影响。因此，探究了DBD等离子体不同处理电压和处理时间对SPI的构象、结构和物理化学性质的影响。

研究方法

首先将2g干大豆分离蛋白放入培养皿中，然后将其培养皿放置在电介质阻挡层上，该电介质阻挡层完全覆盖接地电极，另一个电极连接到高压电源，在两个电极之间建立电势以产生电场，电场的能量被传输到环境空气中，产生等离子体。样品分别在16、18和20 kV电压下处理5、10和15min。其次采用傅里叶变换红外光谱（FITR）、十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）、圆二色谱（CD）、粒度测定仪、扫描电镜（SEM）等对SPI的微观结构进行表征，最后研究了等离子体处理对的SPI溶解性、持水性、乳化性、发泡性功能特性的影响。

结果与分析

如图1所示，与对照组相比，在16和18 kV条件下，5min冷等离子体处理产生的球状SPI更多。这些处理后的球状SPI在彼此远离时分布更加有序，分析原因可能是反应性化学物质将带电荷的官能团结合到蛋白质表面。蛋白质分子的电荷产生排斥力。低温等离子体处理10min的SPI孔数显著增加。这种增加可能是由于处理时间更长，以及电晕对蛋白质颗粒表面的影响。在18和20kV的等离子体处理15min后，蛋白质分子表面的微小颗粒数量显著增加，并形成更大的聚集体。由于低温等离子体处理，颗粒直径增加。然而，在5 min/18 kV处理中获得的平均粒径最小。对照样品中的大豆蛋白在经过DBD等离子体处理后具有褶皱外观，改变为球形结构。这种结构变化反过来会增加蛋白质的直径和平均粒径。

图1 左图放大倍数为×500，右图放大倍数为5000；用扫描电镜测定SPI（A）未经处理的SPI;（B）16 kV,10min;（C）16 kV,5min;（D）16 kV,15min;（E）18 kV,5min;（F）18 kV,10min ; （G）18 kV,15min;（H）20 kV,5min ;（I）20 kV,10min; （J） 20 kV,15min

如图2所示，在最初的5-10min内，溶解度的变化呈现出轻微的斜率，在18kV电压下处理15min后，SPI溶解度出现最大值，比未处理的SPI溶解度高30.43%。可归因于产生更强的电晕会导致更多的机械碰撞，同时释放更多的自由基和活性基团，从而增加蛋白质聚集体之间的相互作用，导致溶解度增加；在20 kV下等离子体处理15min后，SPI样品的溶解度降低，这可能是由于二硫键的形成，导致形成大聚集体，溶解度降低。游离巯基和二硫键数量的变化将直接影响蛋白质的溶解度。

图2 DBD等离子体处理后SPI悬浮液的溶解度（A）。不同大写字母表示时间之间存在显著差异，不同小写字母表示不同电压之间存在显著差异（p<0.05）

如图3（A）所示的结果，在施加高达18 kV的电压进行等离子体处理后，SPI产生乳液的能力急剧上升。随着电压增加至20 kV，乳化活性下降。可能溶解度的增加导致蛋白质在乳化过程中更容易进入水-油界面。因此，乳化过程与溶解度之间存在正相关关系。如图3（B）所示，在等离子体处理期间，乳液稳定性下降。然而在16 kV/5min和20 kV/15min的处理中，乳状液的稳定性显著高于对照组的记录。造成这种差异的原因可能在于SPI的特殊结构。大豆蛋白含有7S和11S两种球蛋白，球蛋白的分子量、氨基酸组成、碳水化合物含量、等电点和柔韧性水平不同。

图3 DBD等离子体对SPI悬浮液乳化活性（A）和乳化稳定性（B）的影响。不同大写字母表示时间之间存在显著差异，不同小写字母表示不同电压之间存在显著差异（p<0.05）

结论

DBD等离子体处理SPI的过程中，一系列化学反应、机械崩解和热过程都会影响蛋白质的性质。根据等离子体处理的电压和时间不同，这些过程在不同处理条件下均占有不同的主导地位。打破了之前低温等离子体只对蛋白质水溶液产生化学反应的研究结论。本研究结果有望为理解DBD等离子体修饰SPI的机理开辟新途径。应用该技术对SPI进行改性具有工艺时间短、无酶、无化学物质、易于过程控制、成本效益高、无水、环境友好等优点。这项研究的结果有望帮助食品工业选择最佳电压和加工时间，以获得适当的蛋白质功能特性。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.107077

供稿人：

李闪闪