湿热美拉德反应制备核桃分离蛋白-苹果果胶缀合物的结构功能特性研究及其在乳化食品中的应用潜力

《LWT》：Characterization of Structural and Functional Properties of Walnut Protein Isolate-Apple Pectin Maillard Conjugates

本研究针对核桃分离蛋白(WPI)水溶性差、功能特性有限的问题，通过湿热美拉德反应将其与苹果果胶(AP)共价缀合。结果表明，在WPI/AP比例为1:2、pH 8.0、90°C反应3小时的最佳条件下，接枝度达46.60%，溶解度从33.06%提升至71.65%，乳化活性和稳定性分别提高至36.20 m2/g和80.55%。该研究为开发高性能植物蛋白乳化剂提供了新策略。

　　

在中国这个核桃产量占全球36.14%的农业大国，核桃加工却面临着一个令人惋惜的现状：榨取核桃油后产生的富含蛋白质的核桃粕往往被废弃或仅作为低价值动物饲料使用。这些被浪费的核桃粕其实含有18%-25%的优质蛋白质，其中谷蛋白占比高达67%。然而，由于谷蛋白水溶性差、亲水性有限，极大地限制了核桃蛋白在食品工业中的应用前景。

如何将这种宝贵的植物蛋白资源变废为宝，成为食品科学家们亟待解决的难题。传统的物理改性方法虽然绿色环保，但效果有限；酶法改性条件温和、副反应少，但生物酶成本高昂且反应条件苛刻；而化学改性虽然简单有效，但安全性常令人担忧。正是在这样的背景下，新疆大学生命科学与技术学院的研究团队独辟蹊径，选择了一种既高效又安全的蛋白质改性策略——美拉德反应。

美拉德反应作为蛋白质糖基化修饰的经典方法，能够在加热条件下自发进行，确保反应过程的绿色安全。与需要冷冻干燥步骤且耗时的干热法相比，湿热法能够在高温下快速实现蛋白质与多糖的缀合，大大缩短反应时间。研究团队创新性地采用苹果果胶这种商业上广泛使用的阴离子多糖，与核桃分离蛋白进行湿热美拉德反应，成功制备出WPI-AP缀合物。

研究人员通过系统优化发现，当WPI与AP以1:2的比例、在pH 8.0、90°C条件下反应3小时时，接枝度达到最佳的46.60%。结构表征结果证实，氨基和羰基之间形成了共价键，缀合物呈现无定形结构，色氨酸残基暴露。扫描电镜进一步观察到明显的结构变化，形成了刚性层状结构。

最为引人注目的是功能性质的显著改善：溶解度从33.06%大幅提升至71.65%，表面疏水性从1168.25降低至733.03，乳化活性从20.93 m²/g增强至36.20 m²/g，乳化稳定性从32.94%提高至80.55%，同时起泡活性从7.91%增加至23.25%，泡沫稳定性从3.42%提升至18.41%。这些卓越的功能特性使得WPI-AP缀合物在饮料、冰淇淋、高蛋白营养补充剂等乳化食品中具有广阔的应用前景。

这项发表在《LWT》杂志上的研究，不仅为核桃蛋白的高值化利用开辟了新途径，也为其他植物蛋白-多糖体系的改性提供了重要参考。随着消费者对清洁标签和天然配料的需求日益增长，这种通过美拉德反应制备的蛋白缀合物有望成为传统合成乳化剂的理想替代品。

关键技术方法包括：通过碱溶酸沉法制备核桃分离蛋白；采用湿热美拉德反应制备蛋白-多糖缀合物；使用邻苯二甲醛法测定接枝度；通过傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、内在荧光光谱和扫描电子显微镜进行结构表征；系统评估溶解度、表面疏水性、乳化性和起泡性等功能性质。

研究结果分析：

接枝度测定：通过系统研究pH、加热时间和质量比对接枝度的影响，发现WPI/AP比例为1:2时接枝度最高(46.40%)。适度加热(3小时)使WPI结构展开，增强了氨基与AP的缀合能力，而延长加热时间(5小时)则会促进不良美拉德副产物的形成。pH 8.0时接枝效果最佳，过高pH会导致高级糖基化终产物的生成。

颜色变化：颜色分析显示，随着AP含量的增加，L值降低，a和b*值升高，在WPI/AP比例为1:2时，△E值表明颜色变化最为显著，这反映了美拉德反应的进行程度。

SDS-PAGE电泳：电泳结果表明，与天然WPI相比，WPI-AP缀合物的条带强度明显减弱，特别是在1:2比例下条带消失最为明显，证明蛋白质亚基积极参与了美拉德反应。

FT-IR光谱和蛋白质二级结构：红外光谱证实了席夫碱的形成，二级结构分析显示，与天然WPI相比，缀合物的α-螺旋含量显著降低，无规卷曲增加，表明蛋白质构象变得更加松散和无序。

X射线衍射：XRD图谱表明WPI-AP缀合物呈现无定形结构，这与天然WPI和AP的结晶特性形成鲜明对比。

内在荧光光谱：荧光强度逐渐降低，最大发射波长发生红移，表明色氨酸残基的局部微环境发生变化，蛋白质结构发生展开和松弛。

扫描电子显微镜：SEM图像显示WPI-AP缀合物形成了明显的薄层刚性结构，在最佳比例下出现密集孔隙，这与改善的水溶性密切相关。

功能性质：溶解度在WPI/AP比例为1:2时达到峰值71.65%，表面疏水性显著降低。乳化活性和稳定性分别提高至36.20 m²/g和80.55%，起泡能力和泡沫稳定性也得到显著增强。

研究结论表明，湿热美拉德反应是一种有效的WPI改性方法，能够显著改善其结构和功能特性。通过优化反应条件，成功制备了具有优异乳化性和发泡性的WPI-AP缀合物，为核桃蛋白的高值化利用奠定了理论基础。该研究不仅为开发高性能植物蛋白乳化剂提供了新策略，也为其他蛋白-多糖体系的改性提供了重要参考，在食品工业中具有广阔的应用前景。

未来研究应重点评估缀合物在实际食品体系中的应用潜力，包括饮料、调味品、冰淇淋和高蛋白营养粉等产品，以及在不同条件下的储存稳定性。随着消费者对清洁标签和天然配料需求的增长，这种通过美拉德反应制备的蛋白缀合物有望成为传统合成乳化剂的理想替代品，推动食品工业向更加可持续和健康的方向发展。