农业与生物工程学院科研团队研究成果发表于国际食品胶体科学旗舰期刊《Food Hydrocolloids》(影响因子12.4,中科院一区TOP)

陇东学院农业与生物工程学院青年教师康淑芳博士团队之研究成果 "Dose-dependent ultrasound mediated TGase catalysis: Mechanistic insights into the dynamic balance between protein unfolding and covalent cross-linking for yeast protein film modification" 于2026年4月15日在线发表于国际食品胶体科学领域旗舰期刊《Food Hydrocolloids》（ISSN 0268-005X，Elsevier出版，影响因子12.4，2023年JCR数据，中科院一区TOP期刊，食品科学与技术领域Q1）。该研究以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来源之食品级酵母蛋白（蛋白纯度77.1 g/100g，干基）为基材，首次系统阐明了功率超声（power ultrasound）辅助微生物转谷氨酰胺酶（microbial transglutaminase，mTGase）催化改性酵母蛋白膜（yeast protein film, YPF）之剂量依赖性阈值效应，揭示了超声功率梯度（0–500 W）驱动下蛋白质去折叠（protein unfolding）与共价交联（covalent cross-linking）之动态平衡机制，为微生物蛋白资源高值化利用与蛋白基绿色包装材料之精准设计提供了分子机制基础与工艺优化路径。

图1 ScienceDirect论文在线发表页面

一、科学背景与问题提出

全球食品与酿造产业每年产生巨量酵母生物质，传统处理方式（填埋或低值饲料）不仅造成优质蛋白资源浪费，亦加重环境负荷。酿酒酵母蛋白富含优质蛋白（40%–60%），其氨基酸组成契合FAO/WHO推荐标准，且蕴含生物活性肽、β-葡聚糖及多种维生素，具备显著的高值化开发潜力。然而，将酵母蛋白转化为可生物降解蛋白基膜材料的研究尚属空白，且酵母蛋白成膜性能不足、膜结构稳定性差等问题制约其实际应用。

功率超声作为绿色高效的物理改性技术，可通过空化效应（cavitation）、剪切力（shear forces）与微射流（microjet）破坏蛋白分子内外非共价键，诱导构象去折叠并暴露活性位点；mTGase则催化谷氨酰胺（Gln，含量9.03 g/100g蛋白）与赖氨酸（Lys，含量7.25 g/100g蛋白）残基间形成ε-(γ-谷氨酰)-赖氨酸异肽键（isopeptide bonds），构建致密稳定的共价交联网络。尽管二者在豌豆蛋白、乳清蛋白等体系中已有单独应用，但其协同调控酵母蛋白膜之机制，尤其是超声剂量对"去折叠-交联"动态平衡的精准调控规律，此前未见报道。

图2 文章摘要图

二、方法创新

本研究建立了一种超声-mTGase协同改性策略，系统考察了功率超声梯度（0、100、200、300、500 W，处理5 min）与固定mTGase剂量（10 U/g蛋白）对酵母蛋白成膜溶液（YPS）及成膜性能的多尺度调控效应。研究采用旋转流变仪、激光粒度仪、内源荧光光谱、ATR-FTIR、XRD、AFM、SEM、LF-NMR、TGA及力学测试等手段，从溶液流变学、分子构象、微观形貌、水分分布、热稳定性及宏观功能特性等层面，构建了"超声功率→蛋白构象→酶催化效率→网络拓扑结构→膜性能"之完整关联。

三、机制发现：剂量依赖性阈值效应与动态平衡

研究之核心发现在于揭示了超声剂量依赖性阈值效应（dose-dependent threshold effect）对蛋白质去折叠与mTGase介导共价交联之动态平衡调控。

低功率窗口（100 W）： 轻度空化产生的剪切应力不足，未能有效破坏蛋白分子内非共价键，反而因能量输入抑制mTGase活性，导致谷氨酰胺/赖氨酸交联位点暴露不充分，ε-(γ-谷氨酰)-赖氨酸键形成密度低下。成膜溶液储能模量（G'）降至20.47 Pa（显著低于对照组34.02 Pa），膜网络疏松，拉伸强度（tensile strength, TS）降至1.21 ± 0.13 MPa，为各组最低。

最优阈值窗口（300 W）： 强烈空化效应彻底破坏非共价键，使多肽链充分伸展，色氨酸（Trp）残基最大发射波长从335 nm红移至336 nm，疏水基团大量暴露（表面疏水性H0在200 W组达峰值236,573.89 a.u.，较对照组提升446.1%），为mTGase提供了充足的底物可及性。此时mTGase高效催化异肽键形成，构建以疏水相互作用为主导、氢键为辅助之致密三维网络。成膜溶液G'显著提升至55.17 Pa，膜表面算术平均粗糙度（Ra）降至26.5 nm（为各组最低），截面SEM显示无缺陷致密层状结构，流变学行为呈现显著弹性主导特征（tan δ < 1）。

图3 超声结合TGase处理前后YPS的分子构象变化

高功率边界（500 W）： 过度空化可能在蛋白分子柔性区域诱导局部肽键断裂，导致已形成的交联网络轻微破坏、疏水基团重新包埋（H0较峰值下降49.6%），表现为G'增速趋缓（60.45 Pa，较300 W组增幅减缓）及膜性能边际递减。然而，核心交联框架保持完整，综合性能仍优于对照组与低功率组。

四、性能优化：多维度数据验证

在最优阈值300 W条件下，酵母蛋白膜实现多维度性能协同提升：

- 水分阻隔与稳定性：低场核磁共振（LF-NMR）显示强结合水比例最大化（占总水分79%），弱结合水与自由水被有效约束；水蒸气透过率（WVP）在100 W组达最低值2.89 × 10⁻¹¹ g·m/(m²·s·Pa)，300 W组维持在较低水平；水溶性降至42.37%，溶胀度降至89.45%，均显著优于对照组，证实致密交联网络有效抑制了水分子渗透与蛋白链溶胀。

- 力学性能：300 W组拉伸强度恢复至与对照组无显著差异水平（约1.3–1.5 MPa），断裂伸长率（elongation at break, EAB）稳定在约110%，各处理组间无显著差异，表明甘油增塑（添加量40%，以蛋白质量计）与调控性交联之协同有效保持了膜柔韧性，避免了过度交联所致脆性。

图4 超声结合TGase处理前后YPF的微观结构变化

- 热稳定性：中-高功率组显著提高了热稳定性。300 W组在200 °C及300–800 °C残重均高于对照组；DTG曲线在420 °C处因高能ε-(γ-谷氨酰)-赖氨酸共价键之存在而峰形宽化并向高温偏移，证实交联网络通过空间位阻效应提升了蛋白骨架抗热裂解能力。

- 光学性能：所有样品在200–300 nm深紫外区透过率为0%，具备优异UV屏蔽性能；300 W组不透明度与透光率实现适宜平衡，适用于需避光保鲜之食品包装场景。

- 二级结构有序化：ATR-FTIR定量分析显示，β-折叠（β-sheet）比例从对照组31.58%增至300 W组31.77%，无规卷曲（random coil）从34.74%降至34.61%，酰胺II带（1500–1580 cm⁻¹）蓝移至1502.8 cm⁻¹，半高宽缩减10%–15%，表明交联致密化均一化了N-H微环境，分子有序度显著提升。

图5 超声结合TGase处理前后YPF指标的变化

五、学术价值

该成果之学术价值体现于三重维度：其一，理论层面，首次系统阐明了功率超声物理场与mTGase酶催化之非线性协同机制，揭示了超声功率梯度作为"分子开关"精准调控蛋白构象去折叠程度与酶促交联密度之动态平衡规律，拓展了蛋白质胶体化学中"构效关系"（structure-function relationship）之调控维度，为《Food Hydrocolloids》持续关注之"物理场辅助生物大分子组装"主题提供了来自微生物蛋白体系的新证据；其二，方法层面，建立之剂量-响应模型与300 W最优阈值可为工业放大之参数设计提供直接依据，较传统化学交联法更具食品安全优势，且采用食品级工业化成熟技术，兼容现有连续成膜生产线，工艺可放大性（process scalability）优异；其三，战略层面，响应我国"大食物观"与微生物蛋白产业发展规划，为酿酒酵母等单细胞蛋白（single-cell protein, SCP）资源替代传统动植物蛋白、缓解土地与水资源约束提供了材料科学支撑，契合联合国可持续发展目标（SDG 12：负责任消费与生产）及欧盟"从农场到餐桌"（Farm to Fork）战略中关于减少塑料包装之政策导向。

六、应用前景

基于该策略优化之高性能酵母蛋白膜，其力学强度、阻隔性能与热稳定性可满足多元化可食用包装场景之核心需求，包括：果蔬采后保鲜涂层、冷鲜肉及水产品阻隔内衬、即食食品隔氧包材、预制食品可食用分隔包装等。研究团队指出，后续将系统评价该材料在真实食品体系中之抗菌性能与保鲜效能，开发靶向功能化抗菌改性策略，以建立完整的酵母蛋白基生物降解包装研究体系，为其工业化应用与商业化铺平道路。

【结语：团队背景与机构支撑】

该研究依托陇东学院农业与生物工程学院完成，康淑芳博士与韩雍教授为共同通讯作者，张腾（西北农林科技大学食品科学与工程学院）、吴梦颖参与研究。康淑芳博士于2025年6月毕业于西北农林科技大学，同年入职陇东学院，入职后紧密围绕学院食品科学与工程学科发展方向，聚焦食品蛋白功能化改性、食品胶体结构调控及绿色食品包装材料开发等领域持续开展科研攻关。此项成果之发表，是其长期科研积累与入职后持续攻关的重要体现，亦标志着陇东学院食品科学与工程学科在国际学术前沿之实质性突破。

图6 参与研究的团队成员

近年来，陇东学院农业与生物工程学院高度重视学科建设和青年教师成长，持续加强科研平台条件保障，鼓励青年教师围绕学科前沿与地方产业需求凝练方向、扎实研究。该成果之取得，离不开学校和学院在人才引育、科研启动、平台建设和团队培育等方面之支持，亦离不开食品学科组教师间之协同配合。康淑芳博士表示，将倍加珍惜学校和学院提供的发展平台，继续立足食品学科前沿与地方资源特色，扎实推进科学研究，努力产出更多具有学术价值、应用潜力与学科支撑作用之成果，为学院学科建设和学校高质量发展贡献力量。

【附录：论文完整信息】

Title: Dose-dependent ultrasound mediated TGase catalysis: Mechanistic insights into the dynamic balance between protein unfolding and covalent cross-linking for yeast protein film modification

Authors: Shufang Kang, Teng Zhang, Mengying Wu, Yong Han

Corresponding Authors: Dr. Shufang Kang (E-mail: ksf3728@163.com), Prof. Yong Han

Affiliations:

- College of Agriculture and Bioengineering, Longdong University, Qingyang 745000, Gansu, China

- College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China

DOI: 10.1016/j.foodhyd.2026.112774

Publication Date: Available online 15 April 2026

Journal: Food Hydrocolloids (ISSN: 0268-005X), Volume 179 (2026), Article 112774

Publisher: Elsevier Ltd.

Journal Metrics: Impact Factor 12.4 (2023 JCR); Q1 in Food Science & Technology; TOP journal in Chinese Academy of Sciences分区（一区）

Keywords: Yeast protein film; Ultrasound technology; Transglutaminase; Covalent cross-linking; Green packaging

Funding Sources:

- Doctoral Research Fund Project of Longdong University (XYBYZK2514)

- Key Talent Program of Gansu Province (2025RCXM013)

- Department of Education of Gansu Province (2025CYZC-063)

编  辑：倪 弘

校  对：李左瞳

审  核：南鸿志   安沛沛

总  审：欧晓彬

投稿邮箱:peipeian@ldxy.edu.cn