《Food and Bioprocess Technology》：Physicochemical, Structural, and Techno-functional Characterization of Solanum scabrum Leaf Protein Concentrates Obtained by Alkaline Extraction, Ultrasound-assisted Extraction, and Ultrafiltration
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為應對可持續和健康驅動的植物蛋白日益增長的需求，研究人員評估了三種提取方法——堿提取-等電沉淀法（AE-IP）、超聲輔助提取（UAE）和超濾法（UF）——對非洲龍葵（Solanum scabrum）葉蛋白濃縮物（SPC）的產量、結構和技術功能特性的影響。研究發現，UAE 顯著提高了蛋白產量（48.71%），而 UF 則獲得了最高蛋白純度（71.43%）和最優的膠體穩定性（ζ-電位在 pH 2 和 pH 10 時分別為 36 mV 和 -39 mV）。在功能上，UF_SPC 和 UAE_SPC 展現出更優越的乳化、起泡及在堿性 pH 下的溶解度。該研究揭示了不同的提取策略能夠有效調控葉蛋白的結構與功能，為開發高附加值的可持續植物基蛋白配料奠定了重要的工藝-結構-功能關系基礎。
隨著全球人口增長和飲食習慣向可持續轉型，對優質植物蛋白的需求正急劇上升。然而，依賴傳統動物蛋白的生產面臨著資源密集和環境壓力巨大的挑戰。在這一背景下，開發新型的、未被充分利用的植物蛋白來源變得至關重要。非洲龍葵（Solanum scabrum），這種在撒哈拉以南非洲地區茂盛生長的植物，其葉子富含蛋白質（干重可達31.54%），卻長期局限于傳統家庭用途，其作為植物基蛋白質原料的巨大潛力遠未被充分挖掘。面對這一機遇，一個關鍵的科學問題浮現：如何高效、溫和地提取非洲龍葵葉蛋白，同時最大限度地保留或提升其功能特性，使其能夠應用于食品工業？現有的常規提取方法，如堿提取-等電沉淀法（Alkaline Extraction-Isoelectric Precipitation， AE-IP），雖簡單且收率尚可，卻常常導致蛋白質過度展開、聚集，并伴隨色素和非蛋白成分的共提取，從而影響產品的純度、顏色和功能。為了應對這些問題，并探索更優的葉蛋白提取策略，研究人員將目光投向了兩種新興技術：超聲輔助提取（Ultrasound-Assisted Extraction， UAE）和超濾（Ultrafiltration， UF）。UAE 利用聲空化效應增強傳質，提高蛋白溶出；UF 則是一種膜分離技術，能溫和地濃縮和純化大分子蛋白。然而，這三種方法對非洲龍葵葉蛋白的具體影響，及其背后的“工藝-結構-功能”關系尚不明確。為填補這一空白，一項系統性的研究在《Food and Bioprocess Technology》上發表了。
為了探究上述問題，研究團隊采用了三種主要的技術方法：(1) 蛋白質提取與濃縮：分別采用傳統AE-IP、溫和物理場輔助的UAE（40 kHz， 150 W， 20 min），以及基于膜分離的UF（10 kDa 截留分子量， 2.0 bar）來制備蛋白濃縮物（SPC）。實驗原料為來自喀麥隆雅溫得的非洲龍葵新鮮葉片。(2) 多維表征：利用一系列分析技術對所得蛋白濃縮物進行全面評估。這包括采用杜馬斯定氮法測定蛋白質產量與純度，高效液相色譜（HPLC）分析氨基酸組成，掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀結構，動態光散射（DLS）和ζ-電位測定評估膠體穩定性，傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析蛋白質二級結構變化，并使用色差計測量顏色特性。(3) 技術功能特性評估：系統測定了不同pH下的蛋白質溶解度、水/油持留能力、乳化特性（乳化活性指數EAI和乳化穩定性指數ESI）、起泡特性（泡沫容量FC和穩定性FS），以及熱誘導和鈣離子誘導的蛋白質凝結行為。
研究結果
近端組成與蛋白質產量
SLP 的原始蛋白質含量為 31.54 g/100 g，證實了其作為蛋白源的潛力。三種提取方法顯著影響了蛋白質的回收率與純度。UAE_SPC 獲得了最高的蛋白質產量（48.71%），顯著高于 AE-IP_SPC（34.02%）和 UF_SPC（26.45%）。然而，UF_SPC 表現出最高的蛋白質純度（71.43%），同時灰分含量最低，這歸功于超濾膜對低分子量雜質（如礦物質）的有效去除。AE-IP_SPC 的纖維和灰分殘留相對較高，反映了堿提取過程中非蛋白成分的共沉淀。
氨基酸組成
所有蛋白濃縮物均富含谷氨酸和天冬氨酸。UF_SPC 整體氨基酸含量最高，對甲硫氨酸和半胱氨酸等含硫氨基酸的保留也最好。AE-IP_SPC 中這些氨基酸含量較低，可能源于堿性條件導致的降解。與FAO/WHO參考模式相比，所有 SPC 都滿足或超過了大多數必需氨基酸的需求量，尤其是賴氨酸含量豐富，這對于補充以谷物為主的飲食結構具有重要意義。
顏色特征
顏色分析揭示了工藝對產品外觀的顯著影響。UF_SPC 具有最高的亮度（L* = 71.53）和最低的褐變指數（20.76%），表明其顏色最淺，褐變程度最低。AE-IP_SPC 則顏色最深（L* = 57.89），褐變最嚴重（42.90%），這與其經歷的極端pH條件和可能發生的非酶褐變反應有關。UAE_SPC 表現出介于兩者之間的顏色特性。
作為pH函數的蛋白質溶解度
溶解度曲線呈典型的“U”型，在等電點附近（pH 4-5）溶解度最低。在堿性pH范圍（8-10）內，UF_SPC 的溶解度最高（pH 10時達 92.41%），顯著優于 UAE_SPC 和 AE-IP_SPC。在酸性pH 2時，UF_SPC 的溶解度也最高（78.24%）。這表明溫和的UF工藝更好地保持了蛋白質的天然溶解特性。
水合和乳化特性
UF_SPC 表現出最高的水合特性，其水持留能力（WHC）和油持留能力（OHC）均顯著優于其他兩種樣品。在乳化性能上，UF_SPC 和 UAE_SPC 的乳化活性指數（EAI）和乳化穩定性指數（ESI）均顯著高于 AE-IP_SPC，表明其能更有效地形成并穩定乳液。
起泡特性
在起泡能力方面，UAE_SPC 和 UF_SPC 再次表現出優勢，其泡沫容量（FC）和30分鐘后的泡沫穩定性（FS）均顯著高于 AE-IP_SPC。超聲和超濾處理可能通過改變蛋白質的構象和界面性質，增強了其穩定空氣-水界面的能力。
蛋白質凝結特性
UF_SPC 的熱誘導凝結百分比（44.2%）和鈣誘導凝結百分比（27.2%）均低于 AE-IP_SPC 和 UAE_SPC，表明其形成的凝膠網絡結構更緊密，持水性更好，水分釋放更少。這與其較高的膠體穩定性（通過ζ-電位證實）和較溫和的加工歷史有關。
粉末特性
UF_SPC 的休止角最小，卡爾指數（CI）和豪斯納比（HR）均表明其具有最佳的流動特性，這可能與其較高的蛋白質純度、較低的灰分和纖維含量，以及由溫和加工帶來的更均勻顆粒形態有關。
S. scabrum 葉蛋白的結構
Zeta 電位和粒度分析
UF_SPC 在酸性（pH 2時 +36 mV）和堿性（pH 10時 -39 mV）條件下均表現出最高的絕對ζ-電位值，表明其具有最強的靜電排斥力和最佳的膠體穩定性。AE-IP_SPC 的ζ-電位絕對值最低，預示其分散體系更不穩定。動態光散射（DLS）結果顯示，所有樣品的水合粒徑均在微米級別，表明存在蛋白質聚集體，而非單一蛋白質分子。
掃描電子顯微鏡
SEM圖像揭示了不同的微觀結構：AE-IP_SPC 呈現致密、纖維狀結構并帶有不規則裂紋；UAE_SPC 顯示出光滑、分層的片狀結構，具有相互連接的通道和空腔；UF_SPC 則表現為不規則波浪狀和淺凹陷結構。這些結構差異直接影響粉末的流動性和水合特性。
傅里葉變換紅外光譜
FTIR光譜顯示，所有樣品在酰胺I帶（~1650 cm-1）和酰胺II帶（~1540 cm-1）均有特征吸收峰。UF_SPC 在酰胺I帶的峰形略有不同，提示其蛋白質二級結構（如α-螺旋和β-折疊）的相對比例可能與經過更劇烈化學處理的 AE-IP_SPC 存在差異，這與其改進的功能特性相關。
研究結論與意義
本項研究系統闡明了不同提取方法（AE-IP、UAE、UF）對非洲龍葵（Solanum scabrum）葉蛋白濃縮物理化結構和技術功能特性的深刻影響。研究發現，溫和的物理場輔助提取（UAE）和基于膜分離的純化技術（UF）在改善蛋白質功能性方面展現出顯著優勢。盡管 UAE 實現了最高的蛋白質提取率（48.71%），但 UF 工藝獲得了蛋白質純度最高（71.43%）、顏色最淺、膠體穩定性最佳，且在堿性條件下溶解度、乳化性和起泡性均最優的蛋白產品。AE-IP 雖然操作簡單，但導致蛋白質嚴重聚集、顏色褐變和功能特性下降。
這項研究的重要意義在于，它清晰地建立了從“提取工藝”到“蛋白質結構（微觀形態、帶電狀態、構象）”，再到“宏觀功能表現（溶解、乳化、起泡、凝膠）”之間的內在聯系。具體而言，UF 工藝通過避免劇烈的酸堿處理，更好地保留了蛋白質的天然構象和表面特性（如較高的凈電荷），從而賦予了產品卓越的溶解度和界面活性。相比之下，AE-IP 的極端pH條件誘發了蛋白質的不可逆變性和聚集，損害了其功能。這些發現為針對特定食品應用（如需要高溶解度的飲料、需要強乳化/起泡能力的醬料和甜點）選擇或優化葉蛋白提取工藝提供了關鍵的理論依據和實踐指導。研究證明，非洲龍葵葉蛋白，尤其是通過 UAE 和 UF 方法制備的，不僅是一種營養豐富的可持續蛋白質來源，更具備成為高性能食品配料的潛力，為開發下一代植物基食品開辟了新的原料路徑。
