基于生物质谱的超声波诱导食品蛋白质体系聚集行为及调控机制研究

For now, to build (or design) new function protein foods with different features by the effective utilization of processing technology is a research focus in food industry. Ultrasound technology has been widely used in food processing because of its advantages such as high efficiency, energy saving and green, especially in the aspect of food protein modification. To improve effectively the functional properties of food proteins, understanding the aggregation behavior of protein induced by ultrasound and its effects is necessary, but there is still no systematically reported. A variety of effects of ultrasound (cavitation effect and heat effect, etc.) play synergistic effects on food protein aggregation. On the microscopic, mesoscopic and macroscopic multi-scale level point of view, the aggregation behavior and the regulation mechanism of common food proteins induced by ultrasound were studied in the project. In this project, the ice/water bath temperature controlled ultrasound and uncontrolled ultrasound were adopt to treat food protein system, by real-time temperature monitoring the temperature changes of different processes. The multi-scale space conformation, multi-level structure and aggregation behavior characteristics were characterized, respectively, using biological mass spectrometry technology combined with traditional spectrum, chromatographic and microscopic technology analysis. The mechanism of ultrasound induced food proteins aggregation behavior were elucidated by statistical analysis of the influence of different ultrasonic conditions, temperature, pH, concentration and polysaccharides, and to guide the design different functional properties of protein.

目前，有效利用加工技术构建（或设计）具有不同功能特性的新蛋白质食品是食品加工领域的热点问题。超声波技术因其高效、节能、绿色等优势，已在食品加工中广泛应用，尤其在食品蛋白质改性方面。为更有效地改善食品蛋白质的功能特性，了解超声波诱导的蛋白质聚集行为及影响是必需的，但是尚未见系统的研究报道。超声波的多种效应（空化作用和热效应等）协同作用诱导食品蛋白质聚集。本项目从微观、介观和宏观多角度对超声波诱导食品常见蛋白质的聚集行为及调控机制进行研究。采用冰浴/水浴控温和非控温超声波对食品蛋白质体系进行处理，实时监测超声体系的温度变化，利用生物质谱技术结合光谱、色谱和显微技术联用的方法，分别从多尺度空间构象、多级结构、聚集行为特性和微观结构进行表征。统计分析不同超声条件、温度、pH、浓度和多糖等因素对超声过程中食品蛋白质聚集行为的影响，阐明超声波诱导食品蛋白质聚集的机理，进而指导设计不同功能性质的蛋白质。

本项目针对有效利用加工技术构建（或设计）不同功能特性的新蛋白质食品的食品加工领域的热点问题，为更有效地改善食品蛋白质的功能特性，探讨超声波诱导对蛋白质聚集行为和功能特性的影响，本项目针对超声波技术对不同食品蛋白质的组分（包括单独蛋白质、蛋白质-单糖、蛋白质-多糖复合物）的作用，主要表征对结构和特性的影响进行研究。具体内容及结论如下：对比研究超声波对乳清蛋白体系和乳清蛋白-海藻酸钠体系的影响，超声波处理对牛血清蛋白与单糖复合物体系的影响，超声波预处理对玉米醇溶蛋白的结构与聚集性的影响，热效应在超声波处理过程中的作用，超声波处理对玉米醇溶蛋白与亚麻籽胶复合物体系的结构、聚集性与Pickering乳液的乳化性的影响规律，最后还对超声波作用底物的先后顺序对作用结果的影响进行研究。我们发现，超声波对水溶性蛋白与醇溶性蛋白质的作用机理不同；超声波预处理可以促进水溶性蛋白质的单糖糖基化程度，且不同单糖的反应程度不同，对构象以及乳化性的影响程度具有显著性差异。然而，超声波对醇溶性蛋白乳玉米醇溶蛋白具有更多的α-螺旋和β-折叠结构之间发生转化，使zein分子结构更加具有刚性。而对水溶性蛋白的影响主要是使其具有更松散的结构并有利于美拉德反应的进行。针对超声波对蛋白质与多糖复合物的影响规律，也发现了醇溶蛋白与水溶蛋白的显著性差异。超声波对水溶蛋白与多糖复合物的影响更显著，但是所需的超声功率更强，控温超声可以最大限度地降低蛋白质的变性温度。此外，研究超声波在制备乳液时的作用发现，超声对象为蛋白质时比蛋白质与多糖复合物的具有更好稳定性，且超声叠加均质会降低乳液的稳定性。最终初步得出超声波对水溶和醇溶蛋白聚集行为的影响规律，可以指导设计超声波在不同加工食品中的应用。