中国农业大学季俊夫副教授团队：高静压通过修饰酪蛋白天然纳米胶束结构大幅度提高其粉体的复水行为
Food Research International
天然胶束酪蛋白通常被干燥成粉体形式用于商业运输和储存。然而，由于胶体磷酸钙（CCP）介导的致密胶束结构存在，胶束酪蛋白粉体通常显示出较差的复水能力，这大大限制了胶束酪蛋白粉末的潜在应用价值。作为一种新型非热加工技术，研究表明超高压（HHP）技术可以在保持食品原有的营养、色泽和风味的同时，通过作用于酪蛋白非共价键，诱导胶束结构改变，从而显示出改善酪蛋白功能性的巨大潜力。但据我们所知，关于HHP技术与胶束酪蛋白粉末的动态复水行为（包括润湿、分散和溶解）之间的关系还有待进一步探究。近日，中国农业大学季俊夫副教授团队，采用中试HHP技术在100 MPa-500 MPa不同压力条件下处理胶束酪蛋白溶液，通过冷冻干燥保持其改性结构，全面研究了HHP技术对酪蛋白纳米胶束结构及其粉末复水特性（包括润湿、分散和溶解）的作用机制，相应的成果以“Enhanced rehydration behaviors of micellar casein powder: The effects of high hydrostatic pressure treatments on micelle structures”为题发表在Food Research International杂志上。第一作者倪丹丹，为中国农业大学食品科学与营养工程学院硕士。通讯作者季俊夫，为中国农业大学食品科学与营养工程学院副教授、中国农业大学高层次引进人才。
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研究方法
研究人员首先利用粒径、电位、多分散性指数、浊度和游离钙含量来全面评价中试HHP技术对重构胶束酪蛋白溶液的作用。在将处理的酪蛋白溶液冷冻干燥成粉体后，采用Washburn法和接触角定量粉末在复水过程中的沾湿性；利用动态粒径变化评价胶束酪蛋白粉末在复水过程中的分散性；而溶解动力学和微观结构变化可以用来表征粉末的溶解性，进而全面探究了HHP技术对胶束酪蛋白粉末复水特性的作用机制。
研究结果
对于重构胶束酪蛋白溶液，粒径、电位、多分散性指数、浊度和游离钙含量表明HHP技术通过精准解离CCP诱导酪蛋白胶束部分崩解进而产生粒径更小的亚胶束，从而提高了重构胶束酪蛋白溶液的分散稳定性。但这种解离效果是短暂并可逆的，因此将重构溶液进行冷冻干燥处理有利于稳定酪蛋白胶束在HHP处理后的解离状态。对于粉体而言，Washburn法和接触角的结果表明HHP技术可以通过提高粉体多孔性进一步改善胶束酪蛋白的润湿性。动态粒径变化表明胶束酪蛋白粉末的对照组表现出非常缓慢的分散行为，但HHP技术可以使得酪蛋白胶束部分破坏，从而大幅度加速了胶束酪蛋白粉末的分散过程。结果表明300 MPa的压力处理可导致胶束酪蛋白粉末展现出最佳的分散特性。溶解动力学曲线结果表明HHP预处理的粉末在150 min的溶解过程中表现出更高的初始溶解率和更多的最终可溶性固形物含量，证明了HHP对溶解度的明显改善作用。最终，300 MPa 是使复水特性显著改善的最佳压力水平，酪蛋白粉体溶解能力可提升100%。
研究结论
HHP技术可以通过修饰酪蛋白的胶束结构从而提高相应胶束酪蛋白粉末的复水能力。这种改善作用归因于随着HHP技术压力水平的不断提高，维持酪蛋白胶束结构的CCP解离程度也不断提高，从而产生粒径更小的亚胶束。当溶液被冷冻干燥成粉末后，相应的粉末具有更高的孔隙率和更加松散的结构，从而能在润湿过程中通过毛细管力大大提高粉末的吸水能力。此外，CCP桥梁的解离大大削弱了酪蛋白胶束之间的交联，因此酪蛋白粉末的分散性和溶解性也被显著改善。特别地，对于300 MPa压力的样品，相应的粉末表现出近93％的溶解度，高达对照样品的两倍。因此，HHP具有改善胶束酪蛋白结构并且提高胶束酪蛋白粉末复水特性的潜力。然而，HHP的连续生产仍然是试点工厂和大规模应用的关键挑战，未来的推广也应将成本、可实施性和产量等纳入考虑范围。
论文受资助情况
本研究受到国家十三五重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
本研究从酪蛋白天然的胶束结构出发，以酪蛋白胶束结构中的CCP为关键突破口，在没有添加任何化学试剂的情况下，利用HHP这种绿色高效的非热加工技术来修饰酪蛋白的胶束结构，并对相应粉末复水过程的各个阶段进行了全面的表征。揭示出HHP技术用于绿色改性蛋白结构并提高蛋白功能特性的巨大应用潜力。
参考文献
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2021.110797
专 家 简 介
季俊夫（通讯作者），博士，副教授，博士生导师。曾任爱尔兰农业部Teagasc食品研究中心特聘研究员。现任中国农业大学兴化健康食品产业研究院副院长、江苏省科技镇长团优秀团员、江苏省泰州“双创人才”。主要研究领域及方向为：1. 果蔬功能性成分稳态化及递送体系；2. 蛋白非热加工及应用；3. 食品粉体结构与功能性。主持包括十三五重点研发计划子课题及国家自然基金在内的国家级课题3项，产学研横向项目7项。
简历链接：http://spxy.cau.edu.cn/art/2018/1/23/art_22477_553925.html
撰稿人：
廖敏杰，来自中国农业大学食品科学与营养工程学院季俊夫副教授团队，博士在读，主要研究方向为：果蔬中多酚类活性物质的稳态化和体内递送、蛋白结构修饰和加工应用。
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