Food Hydrocolloids|pH 偏移处理大豆蛋白淀粉样原纤维的结构转变与乳化性能
近日，东北农业大学隋晓楠教授和徐泽健副教授及其团队在《Food Hydrocolloids》期刊上发表了题为《Structural transitions and emulsification properties of pH-shift soy protein amyloid fibrils》的研究性论文（一区，IF：12.4）。该研究采用 pH 偏移法调控大豆蛋白淀粉样原纤维（SAFs）的结构，探究其在水包油乳液中的界面行为，分析了 pH 偏移处理对 SAFs 形态、结构及乳化性能的影响，揭示了该处理使 SAFs 解聚并再聚集为复杂多态聚集体，其中 SAFs-7-2 和 SAFs-9-2 形成的多片段柔性原纤维可构建致密界面层，乳化活性与稳定性显著提升，为食品用植物基乳化剂的合理设计提供了新的思路和理论依据。
大豆蛋白作为一种含有人体所需全部九种必需氨基酸的完全植物蛋白，具备高消化率的特点，营养价值可与动物蛋白相媲美，同时还拥有乳化、发泡、凝胶、持水持油等多种功能特性，是食品工业中应用广泛的重要原料，大豆分离蛋白（SPI）作为大豆蛋白的重要产品，可通过加工改性获得独特的功能特性，成为食品功能改性研究的重要对象。
大豆蛋白淀粉样原纤维（SAFs）是大豆蛋白在酸性加热条件下形成的富含 β- 折叠的高度有序纤维聚集体，其具有典型的 β- 折叠层状结构，与 SPI 相比，SAFs 拥有更高的长径比、比表面积，且表面暴露的疏水基团更多，这使其成为食品质构工程的优质功能基元。依托高长径比结构带来的优异凝胶、增稠和界面稳定性能，以及表面丰富官能团具备的活性成分负载与相互作用能力，SAFs 已被证实是高效的稳定剂、质构改良剂和活性载体，成功应用于植物基奶酪、高稳定性乳液等高端食品体系及化妆品配方中，还被用于制备蛋白基过滤膜，在水处理领域展现出应用潜力，其中 SAFs 的乳化性能尤为突出，其形成的界面层相较于 SPI 及其衍生物更稳定、弹性更佳，成为植物基乳化剂开发的重要方向。
蛋白原纤维的形态是影响其乳液稳定效果的关键因素，而 pH 偏移处理作为一种非机械改性手段，已被证实能对乳清蛋白原纤维的形态和结构产生特异性改变，进而调控其界面性质：该处理可触发蛋白结构重排，促进二硫键形成和酪氨酸残基暴露，提升蛋白表面疏水性，还能有效调控并减小乳清蛋白分离物原纤维的尺寸，削弱乳液中的桥接絮凝，提升其在小油滴表面的吸附覆盖率，增加的蠕虫状原纤维还能促进油滴的吸附和紧密堆积，改善乳液稳定性。已有研究表明，蛋白淀粉样原纤维的界面吸附行为与其形态特征密切相关，这种构效关系直接决定了其在乳液体系中的界面稳定效果，但关于 pH 偏移处理诱导 SAFs 聚集的机制，以及经该处理后的 SAFs 聚集体在油水乳液界面的吸附机制，目前尚未得到充分阐明。
此外，前期研究虽已探究了不同形态结构的 SAFs 在水 - 水和油 - 水界面的独特吸附机制，证实了 SAFs 相较于 SPI 拥有独特的界面吸附机制和能力，但针对 pH 偏移处理对 SAFs 聚集体形态特征的影响，以及由此引发的界面吸附行为变化仍缺乏系统研究。基于此，为明确植物蛋白原纤维的 pH 依赖性结构转变规律，建立原纤维组装状态与乳液稳定机制间的构效关系，开展 pH 偏移处理对 SAFs 结构及乳化性能的研究具有重要的科学意义和实际应用价值，也能为食品和化妆品行业利用大豆蛋白原料定制化制备功能配料提供理论支撑。
pH 偏移（先碱化后酸化）处理会引发大豆蛋白淀粉样原纤维（SAFs）发生解聚与再聚集的结构转变，随碱化程度升高，原生 SAFs 从长纤维逐步转变为短纤维，最终在高碱性条件下降解为小寡聚体，此过程中氢键被破坏，平行 β- 折叠结构占比呈下降趋势。当体系再酸化至 pH2 后，解聚的纤维片段会通过氢键和疏水相互作用重新组装，形成形态复杂多样的多态聚集体，且除 pH11 的强碱性处理外，pH 偏移诱导的 SAFs 构象变化整体具有可逆性。其中经 pH7 和 pH9 碱化再酸化得到的 SAFs-7-2 和 SAFs-9-2 形成了多片段柔性纤维结构，同时二者的表面疏水性均显著提升，SAFs-9-2 的表面疏水性提升幅度最为明显。
pH 偏移处理后的 SAFs 乳化活性和乳化稳定性均显著优于未改性的大豆分离蛋白（SPI）和原始 SAFs-2，其中 SAFs-7-2 和 SAFs-9-2 的乳化性能表现最优。SAFs-7-2 的乳化活性指数（EAI）达 552 m²/g、乳化稳定性指数（ESI）达 264 min，SAFs-9-2 的 EAI 为 387 m²/g、ESI 为 128 min，二者均显著高于 SPI 的 EAI（150 m²/g）和 ESI（60 min）。同时 SAFs-7-2 和 SAFs-9-2 稳定的乳液离心稳定性显著提升、界面张力显著降低，乳液 zeta 电位均超过 20 mV 的胶体稳定阈值，且乳液均呈现凝胶特性，形成了稳定的三维网络结构，其中 SAFs-7-2 乳液的粘弹性模量更优，油滴在体系中分散更均匀，能有效抵抗油滴聚结。
SAFs 的乳化性能并非由其在油水界面的蛋白吸附量决定，而是与吸附层的结构特征密切相关。SAFs-7-2 和 SAFs-9-2 的柔性纤维结构能在油水界面构建致密的界面层，其中 SAFs-7-2 的长短纤维相互缠结形成交联的纤维网络，SAFs-9-2 的蠕虫状纤维则形成较厚的蛋白吸附层，二者均提升了界面膜的粘弹性和机械强度，进而显著增强乳液稳定性。而 SAFs-4-2 在近等电点条件下形成了不可逆的大尺寸疏水聚集体，SAFs-11-2 经强碱性处理发生蛋白过度变性并引发无序聚集，二者均无法在油水界面形成有效覆盖，因此乳化性能较差。
通过 pH 偏移处理可实现对 SAFs 形态和结构的可控调节，利用该方法能通过调控大豆蛋白的超分子结构转变，精准优化其乳化性能，进而制备出性能优异的植物基乳化剂。该改性方法依托食品级大豆蛋白原料和温和的酸碱加工条件，所得的 pH 偏移改性 SAFs 兼具清洁标签来源、结构可定制、界面和凝胶稳定性优异的特点，为食品和化妆品行业利用单一大豆蛋白原料定制化制备功能配料提供了理论支撑，在下一代高稳定性植物基食品、功能活性成分递送体系及可持续化妆品领域具有独特的应用潜力。
Fig. 1. The spectral characterization, particle size and surface hydrophobicity of fibrils under different pH conditions were studied. (a) The research process of this study. (b) The Th T fluorescence of fibrils treated by pH-shift, (c1) FT IR spectra, (c2) the self-deconvolution of the amide I spectral region (1600-1700 cm−1) in FT IR spectra and (c3) The secondary structure content of fibrils treated by pH-shift, (d) particle size and (e) surface hydrophobicity of fibrils. The different superscript letters indicate significant differences (p < 0.05)
Fig. 2. Morphological examination of SAFs with different pH values was conducted using AFM. (a-e) The morphological structure of SAFs at pH 2, 4, 7, 9, and 11. (a2-7)-(e2-7) The magnified AFM images in (a1-e1). (a2i-7i)-(e2i-7i) height profiles against the internal contour length along the longitudinal sections of the fibrils in (a2-7)-(e2-7). Samples were diluted to 0.01 g/L for AFM observations. The structural details of fibrils were analyzed using the FiberApp software.
Fig. 3. Morphological examination was conducted after the pH of SAFs with different pH values was adjusted back to 2 using AFM. (a-d) The morphological structures of SAFs with different pH values (4,7,9,11) adjusted back to 2. (a2-7)-(d2-7) The magnified AFM images in (a1-d1). (a2i-7i)-(d2i-7i) height profiles against the internal contour length along the longitudinal sections of the fibrils in (a2-7)-(d2-7). The sample was diluted to 0.01 g/L for AFM observation. The structural details of the original fibrils were analyzed using the FiberApp software.
Fig. 4. (a) The appearance of the emulsion before and after 15 days of storage (a1: Fresh emulsion, a2: emulsion stored for 15 days) and (b) zeta potential. (c) Rheological studies of the emulsion were conducted through frequency scan rheological tests and (d) shear rate-dependent viscosity. (e) Interfacial tension. (f) The emulsifying activity and the emulsifying stability. (g) The centrifugal stability and (h) the amount of protein adsorbed on the interface of five emulsions were determined. The different superscript letters indicate significant differences (p < 0.05).
Fig. 5. (a-b) CLSM image of the top layer of a fresh emulsion (diluted 10 times) stabilized by five fibrine-formed solutions (SAFs-2, SAFs-4-2, SAFs-7-2, SAFs-9-2 and SAFs-11-2). Oil droplets are shown in red and proteins in green. In b1-b5 (the white dotted box), (c1-c5) are enlarged CLSM images. (d1-d5) Schematic of SAFs adsorption at the oil-water interface. (e1-e5) Low-temperature SEM image of the top layer of a fresh emulsion stabilized by five fibrinous solutions (SAFs-2, SAFs-4-2, SAFs-7-2, SAFs-9-2 and SAFs-11-2). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)
隋晓楠
获得国家自然科学“杰出青年基金”、国家自然科学“优秀青年基金”。先后主持参与国家级、省部级项目/课题20余项。包括国家自然科学“区域创新发展联合基金”重点支持项目、国家自然科学基金“面上项目”、人社部“高层次留学回国人才”、教育部霍英东青年教师基金、中国科协“青年人才托举工程”、黑龙江省青年“龙江学者”、黑龙江省“头雁”团队骨干成员等。科研成果入选2022年中国食品科技十大进展，获得2021年黑龙江省高校科学技术成果一等奖、2020年黑龙江省自然科学一等奖、2019年中国轻工业联合会技术发明一等奖、2018年中国发明协会发明创业成果奖一等奖等。先后获得2023年度中国食品科学技术学会科技创新奖-杰出青年奖、2023年美国化学会（ACS）农化部青年科学家奖（Young Scientist Award，每年全球仅授予1人）、2023年美国油脂化学家协会（AOCS）青年科学家奖（Young Scientist Research Award，自该奖设立24年以来首位获奖中国学者，每年全球仅授予1人）、2022-2023年度国际食品科学技术联盟（IUFoST）青年科学家奖（Young Scientist Award，本年度唯一获奖中国学者，每2年全球约7-8人获奖）、2022年黑龙江省“青年五四”奖章、2022年黑龙江省“向上向善好青年”、2019年和2017年美国油脂化学家协会最佳论文奖、2016年德国Springer施普林格全球百篇优秀博士论文奖等。以第一或通讯作者在国际高影响力学术期刊发表SCI论文100余篇，其中IF>15论文3篇，IF>10论文26篇，封面论文3篇，全球前0.1% ESI热点论文2篇、1% ESI高被引论文6篇，他引5000余次，h-index指数35，入选美国斯坦福大学与Elsevier出版社联合评选全球前2%顶尖科学家（2022 World’s Top 2% Scientists），论文发表在包括Biomaterials（IF: 15.304）、Annual Review of Food Science and Technology（IF: 14.714）、Trends in Food Science and Technology（IF: 16.002）、Food Hydrocolloids（IF: 11.504）、ACS Sustainable Chemistry & Engineering（IF: 9.224）、Food Chemistry（IF: 9.231）、Journal of Agricultural and Food Chemistry（IF: 5.895）等期刊，出版英文独著1部（Springer出版社，唯一作者），参编英文专著2部（Elsevier和Wiley出版社）
徐泽健
男，博士，副教授，硕士生导师，东北农业大学高层次引进人才。主持国家自然科学基金青年基金，黑龙江省优秀青年基金等八项课题及项目，获2022年度中国食品科技十大进展，黑龙江省高校科学技术自然科学一等奖等荣誉。
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2026.112527
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