《食品科学》：哈尔滨学院卞春教授等：超声与盐离子协同调控对乳清分离蛋白聚合动力学的影响

乳清蛋白分离（WPI）是一种通过特殊工艺从乳清中分离出来的高纯度蛋白，而乳清是奶酪生产过程中的主要副产物，主要由

-乳球蛋白（

-Lg）、

-乳白蛋白、免疫球蛋白和牛血清白蛋白组成 ，因其营养价值高、功能性多样化和价格低等特点而在食品和饮料行业得到了相应的应用 。

WPI在低pH值、低离子强度、高温和长时间加热的条件下可以实现纤维化，其纤维聚合物具有凝胶化程度高、乳化和泡沫稳定性好、抗氧化活性强、耐酸和耐热性强、低过敏性等优点。但是WPI形成纤维聚合物过程缓慢，耗时较长。影响纤维聚合物形成的因素还包括样品的浓度、pH值、温度和离子强度。盐离子强度可以调节原纤维构建单元之间的静电相互作用强度，添加盐离子一定程度可以加速WPI聚集速率，形成的纤维更短和更柔韧。此外，超声处理可以最大限度地缩短自组装的滞后期。

超声波主要是在水介质环境下利用空化作用和空穴效应改变蛋白质的四级结构，使蛋白质结构发生改变释放小分子亚基或者肽，是一种新型绿色环保安全的蛋白质加工技术。通过改变WPI纤维化聚合动力学可以缩短其形成纤维聚合物的周期，进而节约成本，拓宽WPI纤维聚合物的应用。

哈尔滨学院食品工程学院的董世荣、孙宇、卞春*等基于WPI可以形成纤维聚合物，研究超声和不同离子强度的NaCl协同修饰WPI后，WPI形成纤维聚合物动力学的变化，并且分析不同修饰后WPI形成纤维聚合物的微观形态、乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）的差异，旨在为开发新型蛋白聚合物提供理论和技术支持。

1 不同样品微观形态的变化

WPI纤维聚合物的形成遵循成核和增长机理。超声可以有效地激发蛋白质的成核。将WPI超声不同时间（0、10、20 min和30 min）后，形成纳米纤维的微观形态见图1。天然的WPI形成的纳米纤维较短，但WPI没有产生其他聚集形态。随着超声时间的延长，WPI形成的纳米纤维的形态发生不同程度的变化。当WPI超声10 min和20 min后，WPI形成的纳米纤维可以保持较好状态，且纤维聚合物较长，但形成了团簇状的聚合物。延长超声时间至30 min后，WPI形成了细长的形态良好的纤维聚合物，且没有产生其他形态聚合物。所以本研究确定超声时间为30 min。

利用TEM观察超声和NaCl协同作用对WPI形成纤维聚合物形态的影响，具体结果如图1所示。不同浓度的NaCl协同超声处理的WPI形成的纤维聚合物形态存在很大差异。15 mmol/L NaCl协同超声处理后的WPI形成的纤维聚合物形态较好，保持细长的状态。30 mmol/L NaCl协同超声处理后的WPI形成的纤维聚合物仍然保持较好的形态，且纤维聚合物的长度较长。45 mmol/L NaCl和60 mmol/L NaCl协同超声处理后的WPI形成了 大量的团簇状聚合物，而且形成的纤维聚合物较短。当盐离子浓度较低时，

-Lg形成了细长的纤维聚合物，而盐离子浓度较高时形成的纤维聚合物变短且弯曲 。添加盐 离子可以加速

-Lg的自组装，当NaCl浓度≥60 mmol/L时，纤维聚合物变短且紧密卷曲 。本研究结果发现超声协同45 mmol/L NaCl处理的WPI形成的纤维聚合物较短，而且有大量的团簇状聚合物产生。WPI最终形成纤维聚合物形态的不同可能源于聚合动力学的改变。

2 不同样品浊度变化分析

蛋白质聚集体具有增强散射入射光的能力，可以通过监测蛋白质溶液在可见光区域的吸光度的变化反映蛋白质聚集变化，本研究利用不同处理的WPI纤维化过程中聚合物在600 nm处的吸光度表示浊度。天然WPI，超声30 min的WPI，超声协同15、30、45、60 mmol/L NaCl修饰WPI纤维化过程中直观图和浊度变化结果见图2。6 种样品的浊度均随着加热时间的延长呈现先降低后增加的趋势。这些样品均在加热2 h时浊度值最低。这可能是因为WPI纤维化过程伴随着水解，WPI先水解成小分子物质，小分子物质再聚合形成纤维聚合物。但是6 种样品的变化程度不同。与天然WPI形成纤维聚合物过程相比较，超声30 min协同30 mmol/L NaCl修饰WPI形成纤维聚合物浊度的变化过程更加平稳，纤维聚合物的形成是一个缓慢的过程，聚合太快不利于纤维聚合物的形成。而浊度的变化一定程度能够反映聚合速度，这种相对平稳的变化说明聚合过程较为平稳，而浊度平稳的变化利于纤维聚合物的形成。但是当盐离子浓度增加至更高时，WPI纤维聚合物的浊度变化较大。这些浊度的变化反映了超声和NaCl浓度影响了WPI纤维聚合物的形成过程。

3 硫黄素T荧光强度变化分析

硫黄素T是一种荧光剂，可以与纤维聚合物中的

-折叠结构结合，使荧光强度增强。通过测定荧光强度的变化可以评估纤维聚合物形成情况。超声、超声和NaCl协同作用对WPI纤维聚合物形成过程中硫黄素T荧光强度的影响见图3。天然WPI形成 纤维聚合物的过程呈现先平稳、后迅速上升、再平稳的过程，荧光强度最大为626.43。超声WPI形成纤维聚合物的过程也呈现相似的趋势，但是荧光强度最大增加至694.60。与天然 WPI相比，超声和NaCl协同作用修饰的WPI形成纤维聚合物的过程硫黄素T荧光强度发生变化。当NaCl浓度为15 mmol/L时，WPI形成的纤维聚合物过程与天然WPI形成过程相似，但是最大荧光强度增加至985.213。当NaCl浓度为30、45 mmol/L和60 mmol/L时，荧光强度直接进入快速增长阶段，最终的强度分别为887.32、842.30和985.39。盐离子强度可以调节原纤维构建块之间的静电相互作用，离子强度和超声作用对WPI聚合过程有加速作用。

4 动力学参数的分析

硫黄素T荧光数据拟合通过Morris等提出的公式（式（1））进行经验曲线拟合，拟合结果见图4。不同样品的硫黄素T荧光强度数据拟合度均较高。其中天然WPI，超声30 min WPI，超声协同15、30、45、60 mmol/L NaCl修饰WPI的硫黄素T荧光强度的拟合度（R2）分别为0.990、0.988、0.991、0.980、0.988和0.983（表1）。6 种样品的最大荧光强度fmax分别为626.434、694.605、985.213、887.322、842.304和985.397（表1）。单一的超声或者超声和盐离子协同作用后的WPI形成纤维聚合物的tlag明显缩短，天然WPI的

t

lag 为 5.360 h，而超声处理后的

t

lag 为3.042 h。随着盐离子浓度的增加，

t

lag进一步缩短，当盐离子浓度增加至60 mmol/L时，

t

lag缩短至0.784 h。与天然WPI形成纤维聚合物滞后时间相比较，超声修饰WPI，超声协同15、30、45、60 mmol/L NaCl修饰WPI形成纤维聚合物的滞后时间缩短的幅度分别为43.24%、39.73%、55.19%、70.50%和85.37%。超声或者超声和盐离子协同作用均缩短了

t

1/2 max，也改变了荧光强度的最大增加速率。超声或者超声协同盐离子作用改变了WPI纤维聚合物的聚合动力学，这也可能是导致其在加热相同时间后形成的纤维聚合物的形态有差异的原因。

5 EAI和ESI分析

不同处理后WPI形成的纤维聚合物的EAI和ESI结果见图5。超声或者超声协同NaCl修饰WPI形成的纤维聚合物的EAI和ESI均有所改变。天然WPI纤维聚合物的EAI和ESI分别为0.75 m 2 /g和40.52%，超声处理WPI形成的纤维聚合物的EAI和ESI分别为1.07 m 2 /g和60.38%。当加入盐离子后EAI和ESI进一步提高，其中超声协同30 mmol/L NaCl修饰WPI形成的纤维聚合物的EAI和ESI最高，分别为1.44 m 2 /g和73.21%。

6 乳化液微观形态分析

为了进一步确定超 声协同30 mmol/L NaCl修饰WPI形成的纤维聚合物的ESI最好，利用激光共聚焦显微镜观察了此条件下乳化液的微观形态，如图6所示。其乳化液液滴颗粒大小较为稳定，纤 维聚合物均匀地包裹在油的表面。

结论

超声可以改变WPI纤维聚合物的形态，超声协同NaCl也改变了WPI纤维聚合物的形态，而且随着盐离子浓度（0、15、30、45、60 mmol/L）的增加，纤维聚合物的形态从原来的细长变得更短，而且形成了其他形态的聚集体。与天然WPI纤维聚合物相比较，超声协同不同浓度的NaCl改变了WPI纤维聚合物的滞后时间、最大荧光强度、最大增加速率和达到最大荧光强度一半的时间。通过不同修饰的WPI形成的纤维聚合物的EAI和ESI也有所改变。其中超声协同30 mmol/L NaCl修饰WPI形成的纤维聚合物的EAI和ESI最高，分别为1.44 m2/g和73.21%。激光共聚焦显微镜的观察结果表明纤维聚合物可以均匀地包裹在油的表面。超声协同NaCl作用改变了WPI纤维聚合物动力学过程，但是缺乏从WPI分子角度揭示改变动力学的机理的研究。本研究结果可为超声协同NaCl修饰WPI制备纤维聚合物在食品加工行业的研究开发提供一定的理论依据和数据支撑。

第一作者：

董世荣 副教授

董世荣，1988年出生，博士，副教授。2017年9月至今于哈尔滨学院食品工程学院从事一线教学工作，主讲《食品营养学》、《食品原料学》、《食品工艺学》等课程。主要从事植物蛋白修饰及自组装、植物蛋白纳米材料制备及应用、饲料营养等方面的研究。目前已主持国家自然科学基金项目青年基金项目、黑龙江省自然科学基金项目、黑龙江省高等教育教学改革项目、2023年高等教育研究课题、哈尔滨学院青年博士科研启动基金项目、哈尔滨学院教师教学发展基金项目哈苑青椒计划项目各1 项，参与黑龙江省自然科学基金项目、黑龙江省教育科学规划省专项重点课题各1 项；主编著作1 部；以第一作者或通信作者发表科研论文20余篇，其中4 篇被SCI收录；以第一作者发表教改论文4 篇；指导国家级、省级以及校级学生科研项目5 项。

通信作者：

卞春 教授

卞春，教授，博士，硕士生导师，现任哈尔滨学院食品工程学院院长。主要从事天然化学产物结构及功能方面的研究，致力于黑龙江省农林产品精深加工技术等方面的研究。黑龙江省食品科技学会理事会成员，《食品工业科技》青年编委。主持完成省自然科学基金项目2 项，参与国家、省级科研项目10余项，发表高水平文章10余篇，出版专著3 部，获得哈尔滨市科技成果一等奖1 项，发明专利2 项。卞春教授主讲《食品生物化学》、《食品机械与设备》和《食品工艺学》等课程，以其深厚的专业知识和丰富的实践经验，培养了一大批食品科学与工程领域的专业人才。

本文《超声与盐离子协同调控对乳清分离蛋白聚合动力学的影响》来源于《食品科学》2025年46卷第4期237-243页，作者：董世荣，孙 宇，卞 春*，栾 澈。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240617-104。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：林安琪；责任编辑：张睿梅。点击下方 阅读原文 即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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