《Food Research International》：Processing sequence as a design lever: pectin pre-complexation enhances ultrasound-driven interfacial loading, functionality, and volatile profile of yeast protein
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酵母蛋白通過低甲氧基果膠復合與超聲波處理的順序調控可優化其分散性、界面性能及風味。PEC→US序列使粒徑最小（DLS 78 nm），ζ電位最負（-24.5 mV），分散蛋白分數最高（68.7%），并增強乳化/起泡活性（EAS 0.82，FoC 18.3）。分子光譜與硫鍵分析表明超聲 unfolding結合果膠靜電/空間穩定，促使β-折疊構象與巰基-二硫鍵網絡重構，形成致密界面層，降低硫醚類揮發性物質（降幅達34%）。該序列設計為功能性微生物蛋白開發的通用策略。
塔爾哈·里亞茲（Talha Riaz）|袁瑪（Yuan Ma）|夏志軍（Zhijun Xia）|穆罕默德·莫埃德·汗（Muhammad Moeid Khan）|葉先江（Xianjiang Ye）|穆罕默德·阿提克·阿什拉夫（Muhammad Atiq Ashraf）|拉比婭·里亞茲（Rabiya Riaz）|傅星（Xing Fu）|金永國（Yongguo Jin）
中國湖北省武漢市華中農業大學食品科學與技術學院國家蛋品加工研發中心，郵編430070
摘要
酵母蛋白（YP）在中性pH值下會聚集，這限制了其分散性、界面性能和風味接受度。我們研究了低甲氧基果膠（PEC）絡合與高強度超聲（US）之間的處理順序是否可以作為重新設計酵母蛋白的策略。準備了六種處理方案（原始酵母蛋白、緩沖液介導的對照組、僅超聲處理、僅PEC處理、超聲→PEC處理以及PEC→超聲處理），并在pH 7.0的條件下對其進行了評估，評估內容包括膠體性質（動態光散射粒徑/ζ電位、濁度、可分散蛋白比例）、界面吸附量（AP）和表面過剩量（Γ）、技術功能（乳化和起泡能力）、分子結構（表面疏水性、熒光特性、圓二色光譜、傅里葉變換紅外光譜、–SH/S–S鍵）、以及揮發性成分（HS-SPME–GC–MS、電子鼻/電子舌分析）。結果顯示，PEC→超聲處理方案獲得了最小的流體動力學直徑和最負的ζ電位，顯著降低了濁度，并提高了可分散蛋白的比例。在各處理組中，界面參數逐步改善（AP從20.5%增加到68.7%，Γ從1.05 mg m?2增加到3.35 mg m?2），同時乳化和起泡能力也得到提升。選擇性溶解度實驗表明，疏水性、靜電作用和氫鍵作用均有所增強，這與空化作用暴露出疏水/陽離子基團并被PEC捕獲的假設一致，從而形成了負電荷層，提供了疏水錨定和靜電/空間排斥作用。光譜學和–SH/S–S鍵分析證實了PEC結合的、超聲處理后的蛋白質發生了β-折疊和巰基-二硫鍵的重排。揮發性成分分析顯示，PEC→超聲處理后的樣品中醛類和硫化合物含量減少，這與更致密的界面膜形成相吻合�？傮w而言，通過控制處理順序（PEC→超聲），可以制備出分散性更好、界面吸附量更高（AP和Γ值增加）、功能性和風味更優的食品級酵母蛋白。
引言
隨著全球蛋白質需求的增加和可持續性問題的凸顯，從動物和商品植物蛋白轉向微生物蛋白的進程正在加速（Jiao等人，2024年）。在微生物蛋白中，酵母蛋白（YP）因其高蛋白含量、幾乎完整的必需氨基酸組成以及低水和土地需求的發酵生產方式而獨具優勢（Ismail等人，2024年）。然而，YP成分通常具有強烈的聚集性、較低的水溶性以及明顯的酵母類異味，這些特性影響了其在空氣-水或油-水界面上的表現，從而降低了消費者的接受度（Timira等人，2024年）。若要廣泛應用于高功能產品中，必須通過有針對性的分子設計和相互作用調控來克服這些缺點，而不僅僅是簡單的配方調整。多糖-蛋白質絡合是一種有效的策略，可以通過靜電吸引、氫鍵作用和空間穩定作用來調節蛋白質在分散體中的行為（Ma等人，2024年）。低甲氧基果膠（PEC）是一種陰離子型、富含羧基的食品級多糖，能夠調節蛋白質周圍的局部電荷密度并形成空間屏障，抑制聚集（Yang等人，2024年）。然而，PEC對蛋白質溶解性和功能性的影響因系統而異：在某些體系中，單獨使用PEC無法破壞頑固的蛋白質聚集體，甚至在不利pH值或離子強度條件下還可能促進再聚集（Zhang等人，2025年）。因此，需要結合額外的物理處理方法來破壞蛋白質的緊密結構并重新分配非共價和共價相互作用。
高功率超聲（US）具有這種物理作用機制。聲空化產生的微剪切、沖擊波和界面湍流可以破壞弱鍵合，減小顆粒尺寸，并部分展開蛋白質結構，從而提高表面活性和溶解性（Bisht等人，2024年）。研究還表明，超聲可以改變蛋白質與揮發性物質的相互作用和物質傳遞（Meerasri等人，2024年）。然而，僅靠超聲處理獲得的改善通常是暫時的，因為部分展開的蛋白質鏈在聲場消失或靜電排斥力減弱后可能會重新聚集（Lin等人，2025年）。因此，將超聲與精選的多糖結合使用，可以穩定超聲誘導的結構變化，并延長其功能和感官效果。這一設計原則（超聲驅動的解聚/展開與陰離子多糖的快速空間穩定作用）應適用于其他在中性pH附近聚集的蛋白質。盡管當前研究主要針對酵母蛋白，但已有研究表明超聲-果膠技術也能改善大豆蛋白分離物的穩定性和結構/溶解性。不過，對于不同的蛋白質體系，可能需要調整最佳的絡合pH值、PEC與蛋白質的比例以及超聲能量。
初步證據表明，含有甘露聚糖的酵母系統具有這種協同效應，但盡管果膠具有獨特的半乳糖醛酸骨架、可調的甲基化程度和電荷調節能力，果膠-YP之間的相互作用仍缺乏系統研究（Li等人，2024年）。特別是，處理順序（絡合發生在超聲處理之前還是之后）尚未得到系統研究。將多糖添加和超聲處理的順序視為可控變量，可以為酵母蛋白的超分子結構提供理性設計的方法，而不僅僅是依靠經驗性試驗。從分子角度來看，超聲處理后添加PEC可能會捕獲不同的蛋白質構象；在超聲處理前添加PEC時，結合的PEC可以保護新暴露的蛋白質結構免受空化過程中的再聚集。因此，我們假設相對于超聲→PEC和單步處理，先與PEC絡合再超聲處理（PEC→US）能更有效地促進巰基-二硫鍵交換和蛋白質主鏈重排（螺旋結構→β-折疊結構），抑制再聚集，并顯著改善溶解性、乳化和起泡性能以及風味。這些分子重排有望提高油-水或空氣-水界面上的吸附動力學和表面堆積密度（AP和Γ值增加），增強界面膜的形成，從而改善乳液和泡沫的性能。
為了驗證這一假設，我們在六種條件下制備了酵母蛋白：原始酵母蛋白（對照組）、緩沖液介導的調整（YP-BM）、僅超聲處理（YP-US）、僅PEC處理（YP-PEC）、超聲處理后添加PEC（YP-US-PEC）以及PEC處理后超聲處理（YP-PEC-US）。通過互補的光譜學、熱分析和顯微技術，對這些蛋白質-多糖體系的分散行為（顆粒尺寸、ζ電位、可分散蛋白比例）、起泡和乳化性能（乳化活性和穩定性、起泡能力和穩定性）以及分子和超分子結構進行了表征。通過整合這些數據，我們試圖建立處理順序與酵母蛋白-PEC復合物的二級/三級結構、超分子組織變化及其分散行為和揮發性成分變化之間的關系。據我們所知，這是首次在相同條件下系統比較超聲處理前后酵母蛋白果膠絡合的研究，并量化了二級/三級結構、固態有序性、巰基-二硫鍵化學、膠體行為和揮發性成分的變化。
材料
食品級酵母蛋白粉購自Angel Yeast Co., Ltd.；低甲氧基果膠（LM-pectin，聲明純度99%）由山西南巴生物技術有限公司（中國山西吉縣）提供。酵母蛋白主要由球形儲存蛋白和代謝蛋白組成，而低甲氧基果膠（PEC）是一種部分甲基化的聚（α-1,4-半乳糖醛酸），含有豐富的羧基。
堆積密度
噴霧干燥粉末的堆積密度順序為：YP > YP-BM > YP-US > YP-PEC ≈ YP-US-PEC > YP-PEC-US（表2），表明每一步修飾都會降低堆積效率。在堆積床中，較低的堆積密度意味著顆粒更小、更不規則且更多孔隙，因此相同質量占據更大的體積并含有更多空隙（Günal-K?ro?lu等人，2025年）。PEC絡合與超聲處理的結合有望進一步改善這些性質。結論
研究表明，在食品相關條件下，處理順序是重新設計酵母蛋白的有效策略。通過先與低甲氧基果膠絡合再超聲處理，可以穩定蛋白質結構，產生具有更大凈負電荷和更強靜電排斥力的復合物。在pH 7.0時，這些改性的膠體性質得到改善，包括更小的流體動力學直徑等。
作者貢獻聲明
塔爾哈·里亞茲（Talha Riaz）：撰寫初稿、數據可視化、結果驗證。袁瑪（Yuan Ma）：方法設計、實驗研究。夏志軍（Zhijun Xia）：數據分析、概念構建。穆罕默德·莫埃德·汗（Muhammad Moeid Khan）：數據可視化、結果驗證、方法設計、實驗研究。葉先江（Xianjiang Ye）：實驗研究、數據管理、概念構建。穆罕默德·阿提克·阿什拉夫（Muhammad Atiq Ashraf）：軟件開發、方法設計、實驗研究。拉比婭·里亞茲（Rabiya Riaz）：撰寫初稿、結果驗證、軟件應用。傅星（Xing Fu）：撰寫稿件、編輯審核、結果驗證、項目監督、資源協調。未引用參考文獻
Guo等人，2024年
Wang等人，2022年
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本研究得到了國家重點研發計劃（2024YFF1106200）、四川省食品微生物學重點實驗室（FM 2025-03）以及農業農村部與中國農業科學院的農業研究體系（CARS-40）的支持。
關于手稿準備過程中使用生成式AI和AI輔助技術的聲明
在研究過程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）來輔助英語編輯和提升文章清晰度。使用該工具后，作者對內容進行了必要的審查和修改，并對發表文章的內容負全責。
