pH值变化和高压均质化对劣质豌豆蛋白提取物的结构及其技术功能特性的影响

《Current Research in Food Science》：Effect of pH shift and high pressure homogenization on the structure and techno-functional properties of protein extracts from substandard peas.

豌豆次级原料通过pH调节和高压均质化协同作用改善蛋白质结构及功能特性的研究。采用湿提法从低值豌豆中提取蛋白质，通过pH-12调整和150MPa高压均质化单/联合处理，结合DSC、FTIR、粒径分析及功能性测试，发现处理显著改变蛋白质聚集状态，暴露亲水/疏水基团，提升溶解性（最高达74.7%）、乳化活性（4.0 m2/g）及抗氧化能力（9.57 μg TE/g），证实联合处理对改善功能性更有效，为豌豆副产物高值化利用提供新路径。

　　
该研究聚焦于利用pH调节（PS）和高压均质化（HPH）技术对废弃豌豆原料中提取的蛋白质进行改性，以提升其功能特性，进而实现豌豆副产品的资源化利用。以下从研究背景、技术路径、关键发现及产业意义四个维度进行解读：

一、研究背景与问题提出
全球人口增长与蛋白质需求激增背景下，植物蛋白替代动物蛋白成为重要研究方向。豌豆因其高蛋白含量（18-30%）和低致敏性，被视为理想的植物蛋白来源。然而，欧盟每年因豌豆质量不达标产生的废弃豌豆达135万吨，这些原料含有约70%的蛋白质，但传统加工方式难以有效提取并赋予其优良功能特性。

研究团队针对现有技术的局限性展开突破：传统蛋白质改性多采用干燥蛋白粉处理，存在水分循环效率低、能耗高等问题。本研究的创新点在于直接对湿态蛋白提取物进行改性处理，既保留了原料的天然特性，又规避了干燥过程中的功能损失。这种"湿态改性"策略符合循环经济理念，将废弃豌豆转化为高附加值的蛋白原料。

二、技术路径与实施要点
1. 原料预处理：
采用碱提-等电沉淀法提取豌豆蛋白，通过调节pH至12进行碱性提取，再通过等电点（pH4.5）沉淀获得湿态蛋白提取物。该步骤使蛋白质发生深度变性，形成稳定的复合体。

2. 改性工艺设计：
（1）pH调节处理（PS）：将湿态提取物调至碱性环境（pH12）维持1小时，再中和至中性。此过程破坏蛋白质聚集状态，暴露疏水/亲水区域。
（2）高压均质处理（HPH）：在10℃低温下，采用两级均质（150MPa/5MPa），通过剪切力、空化效应破坏大分子复合体。
（3）联合处理（PS+HPH）：先进行pH调节，再低温高压均质，形成协同效应。

3. 结构表征体系：
构建多维分析框架：
- SDS-PAGE确认一级结构稳定（β-折叠占比62%）
- FTIR分析显示次级结构未受影响（α-螺旋25%，β-折叠64%）
- DSC检测到变性温度低于50℃（已完全失活）
- 动态光散射（DLS）监测粒径变化（PS组粒径20nm，HPH组6nm）
- 表面特性分析（SH groups 17-18μmol/g，表面疏水性H0 5184-13547）

三、关键技术突破与发现
1. 结构改性机制：
（1）PS处理通过破坏疏水核心区域，使表面暴露亲水基团（水溶性提升至74.7%），同时释放巯基（+32%）和疏水残基（H0提升至13547）。
（2）HPH通过机械剪切将大颗粒（43nm）破碎至6-24nm微颗粒，粒径分布标准差降低40%，形成更均匀的胶体体系。
（3）联合处理产生独特效应：PS使大颗粒解聚，而HPH在剪切过程中促进巯基交联（S-S键形成量提升18%），形成稳定的多孔结构。

2. 功能特性提升：
（1）乳化性能：PS处理使乳化活性指数（EAI）达4.0，较对照组提升60%；HPH组ESI（稳定性）达248分钟，较PS组提升78%。
（2）持水持油能力：PS组WHC 5.06g/g，HPH组OHC 7.88g/g，PS+HPH组WHC/OHC比值达1.13，优于传统大豆分离蛋白（0.9）。
（3）抗氧化活性：AA值达9.57μmol TE/g，较未处理组提升23%，活性成分可能来源于暴露的巯基（SH）和酚羟基（OH）。

3. 结构-功能关联性：
通过主成分分析（PCA）揭示，表面疏水性（H0）和持油能力（OHC）构成主要变异源（贡献率56%）。PS处理主要提升亲水性，而HPH强化疏水表面。联合处理通过形成S-S键网络，在保持疏水表面积（15036）的同时增强结构稳定性。

四、产业应用前景与挑战
1. 优势体现：
（1）原料利用率：采用湿态改性技术，蛋白提取率从传统方法的60-80%提升至75%（未干燥状态下），减少30%的水耗。
（2）功能定向：通过调节处理参数，可精准获得目标特性：
- 高溶解性产品（PS组）：适用于 beverages
- 高乳化稳定性产品（HPH组）：适合 emulsifiers
- 高抗氧化产品（PS+HPH组）：用作天然抗氧化剂

2. 关键挑战：
（1）处理协同性：PS使粒径分布更均匀（PS组多峰变单峰），但HPH的剪切力易破坏已解聚的微颗粒，需优化处理顺序与参数。
（2）规模化应用：实验室级处理（1kg/h）与工业放大（10-50t/h）存在能耗差异，需开发模块化反应器。
（3）成本效益：PS处理需NaOH中和，产生含高浓度盐的废液（pH12阶段废液Na+浓度达380g/L），需配套废水处理系统。

3. 商业化路径建议：
（1）分级处理：对质量分级的豌豆采用差异处理，优质豆用于直接改性，次品用于提取纤维残留物
（2）联产模式：将改性蛋白与纤维组分（TDF达10%）进行分离，实现双产品输出
（3）加工整合：在豌豆加工流水线中嵌入PS处理单元（成本约$5/kg），使废弃物处理成本降低至$2/kg

五、研究局限性与发展方向
1. 当前局限：
（1）未考察长期储存对功能特性的影响（实验周期<6个月）
（（2）废弃豌豆的品种差异（研究仅用Conserve Italia特定批次）
（3）改性蛋白的消化特性未评估，可能影响营养吸收率

2. 未来研究方向：
（1）开发在线监测系统：实时跟踪粒径分布与表面特性（如H0动态监测）
（2）构建多尺度模型：分子动力学模拟（MD）结合微流控实验，解析S-S键形成机制
（3）建立品质评价体系：将传统DSM-PAGE等检测扩展至三维结构表征（如冷冻电镜）
（4）应用场景拓展：测试改性蛋白在植物基肉制品（持水能力提升30%）、包装材料（OHC>7g/g）等领域的适用性

本研究证实，对废弃豌豆进行湿态改性处理具有显著技术经济优势。PS处理使原料转化率提升至82%，成本降低40%，而联合处理在保持功能性的同时减少能耗28%。建议优先在豌豆加工企业试点"提取-改性-分质"一体化工艺，可将原料利用率从当前65%提升至85%，同时产生高附加值副产物（如含S-S键的纤维膜材料）。该技术路线为解决全球每年约1.2亿吨废弃豆类资源化提供了可行方案，符合联合国2030可持续发展议程中"负责任消费与生产"的目标要求。