超聲對動物蛋白結構及性質影響研究進展

鄒宇欣，謝靜雯，王洪濤，吳 越，劉嘉涵，劉思琦，王躍猛，李 鑫,*

（1.煙臺大學生命科學學院，山東煙臺 264005；2.煙臺理工學院食品與生物工程學院，山東煙臺 264003）

作為常見的動物蛋白，禽、畜及魚類等的肉、蛋、奶營養組成與人類的營養結構比較吻合。除營養價值外，動物蛋白的功能性質也尤為重要，其中與界面性質有關的起泡性、乳化性以及凝膠性在蛋白質工業應用中占據重要地位。然而，天然動物蛋白質的功能性質通常不能完全滿足工業要求。例如天然膠原蛋白具有較差的熱穩定和機械強度，蛋黃顆粒的水不溶性致密結構導致蛋黃顆粒溶解度較低，限制了其在食品工業的應用[1-3]。如肌原纖維蛋白質（myofibrillar protein，MP）是比較有代表性的動物蛋白，它的天然結構具體如圖1 所示，MP 是一種鹽溶性蛋白質，在低離子強度溶液中的溶解性較差，這是因為天然的MP 在靜電吸引的作用下容易聚集從而形成不溶性的絲狀聚合物，這就導致MP 具有不溶性和不穩定的特性。近年來，人們對動物蛋白的品質要求也越來越高，因此許多技術手段被用來修飾和改善動物蛋白，這些理化手段包括溫度、紫外線、超聲波、高壓、剪切等物理手段及酸、堿、有機溶劑、重金屬鹽類等化學方法[4-6]。而其中的超聲處理作為一種非熱物理處理技術，在食品行業中得到了廣泛應用。

圖1 肌原纖維蛋白天然結構示意圖及其劣勢Fig.1 Natural structure diagram of myofibrillar protein and its disadvantage

超聲波是一種機械波，聲波頻率大于或者等于20 kHz。對于蛋白的改性一般采用低頻高強度功率超聲[7]。超聲之所以能夠改善蛋白性質，是因為它能夠產生快速移動的微氣泡流以及氣泡破裂即空化效應，產生高溫和高壓，而且整個過程中通常伴隨著強烈的沖擊波和微射流，從而影響蛋白結構及其功能性質[8-9]。圖2 為超聲空化現象的具體原理圖?，F階段，已有很多研究利用超聲波技術對動物蛋白進行改性，主要是因為超聲的空化效應能夠破壞動物蛋白非共價相互作用和結構，進而引起功能性質的改變[10-11]。因此，本文將從超聲功率、超聲時間和動物蛋白種類出發，重點綜述超聲處理對動物蛋白理化性質、微觀結構、界面性質和功能性質的影響，旨在梳理超聲處理后動物蛋白理化性質及微觀結構的變化與其界面性質和功能性質的變化之間的關系，為超聲技術更好地應用于動物蛋白工業提供理論基礎。

圖2 超聲波空化效應原理圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic cavitation effect

1 超聲處理對動物蛋白理化性質的影響

超聲波處理對動物蛋白理化性質影響顯著，但不同理化性質影響程度不盡相同，主要包括對其溶解度、粒徑、電位和表面疏水性的影響，具體情況如下：

1.1 溶解度

溶解度與蛋白質的乳化性、凝膠性、起泡性密切相關，不溶性蛋白在食品中的應用則十分有限[12]。研究學者們發現，超聲處理對蛋白溶解度影響較大，且無論超聲功率還是超聲處理時間均有不同程度的影響。從超聲功率出發，Sheng 等[13]研究發現，采用高強度超聲（0～480 W/10 min）處理蛋清蛋白（egg white protein，EWP）后，溶解度呈現先增加后減小的趨勢。溶解度在360 W 時達到最大值。這是因為超聲的空化效應和機械剪切作用使EWP 中卵粘蛋白-溶菌酶復合物被解離以及蛋白親水部分由內向外移動，分別導致了可溶性蛋白含量和蛋白質-水相互作用的增加，最終溶解度上升。當超聲功率超過360 W 時，原本分散的蛋白質由于過度處理發生結合、沉淀進而導致EWP 溶解度下降。研究表明[14]，當采用高強度超聲（0～600 W/15 min）處理豬肉MP 時，隨著超聲功率的增加，蛋白溶解度一直呈增加趨勢。超聲處理的機械剪切力和空化效應所產生的沖擊力造成蛋白超螺旋結構的丟失和絲狀肌球蛋白結構的解離是MP 溶解度增加的主要機制。超聲處理使得蛋白質的結構展開和顆粒尺寸的減小一定程度上也增大了蛋白溶解度，可見溶解度受多重因素影響。此外，因為MP 結構比EWP 致密，對于超聲功率過度處理的界限也變得更高。

有學者[15]發現超聲處理時間也會影響EWP 溶解度。超聲處理（0～20 min/振幅40%）EWP 溶液后，蛋白溶解度呈現先上升后下降的趨勢，溶解度在15 min 時達到最大值。蛋白質的親水基團從內部向外部逐漸暴露，蛋白質-水相互作用不斷增加，導致溶解度逐漸上升。此外，超聲處理EWP 時導致的蛋白質構象變化也使得電荷基團（NH4+，COO-）數量增加從而導致更強的靜電力、更強的蛋白質-水相互作用，表現為溶解度的增大。但當超聲處理時間延長至20 min 時，蛋白內部疏水基團暴露過多，使得蛋白之間出現聚集，最終表現為溶解度的下降。

實際上，超聲對動物蛋白溶解度的影響也取決于蛋白種類。例如，Arzeni 等[16]研究了相同超聲處理條件下乳清濃縮蛋白（whey protein concentrate，WPC）和EWP 溶解度的變化，發現EWP 的溶解度顯著升高，而WPC 溶解度沒有顯著變化，這是由于WPC 中含有大量的乳糖，在處理過程中表現出保護作用。由此可見，蛋白種類不同，超聲處理效果也不同。

綜上所述，當超聲處理動物蛋白質時，為了達到改善蛋白溶解度的效果，必須控制功率和時間，因為當超聲應用于復雜的蛋白質系統時，過度增大功率和過度延長處理時間會出現蛋白質功能性降低的聚集現象，最終導致溶解度下降。

1.2 粒徑

蛋白質顆粒的大小及聚集程度會影響蛋白的功能性質。超聲作為一種改性蛋白質的手段，能夠產生快速移動的微氣泡流，具有空化效應和機械剪切作用，導致處理過程中對蛋白質產生機械、化學或者物理影響，從而使得蛋白質顆粒粒徑發生變化[17]。

Zhang 等[18]研究了超聲處理（0～500 W/20 min）對乳清分離蛋白（whey protein isolate，WPI）的影響，表明隨著超聲功率的增加，蛋白質的粒徑顯著減小。一方面，這是因為超聲空化和聲湍流的聯合效應導致蛋白質顆粒碰撞的速率和強度增加引起的；另一方面，超聲波產生的機械剪切力有助于通過破壞疏水相互作用和靜電相互作用來減小蛋白質的粒徑[19]。

也有學者[20]發現，不同的超聲處理時間（0～30 min/120 W）對EWP 的粒徑影響較大。粒徑呈現先減小后增大的趨勢，在20 min 時達到最小值。這可能是由于超聲所產生的空化效應和機械剪切破壞了疏水和靜電相互作用等非共價結合力，促進顆粒解體，從而減小了蛋白質的粒徑。而超聲處理30 min時粒徑有所增大，這可能是暴露出了更多的疏水性基團，這些疏水基團通過疏水和靜電作用相互交聯，使蛋白質重新生成聚集體，從而增加了蛋白質的粒徑。

由此可見，超聲功率、超聲時間都會在不同程度上影響蛋白質粒徑大小。一定的超聲處理能夠減小粒徑大小，而過度的超聲處理會增大粒徑。一般顆粒粒徑越小，比自由表面積、溶解度越大。因此，對于粒徑大小最優化，設計合適的超聲處理參數顯得格外重要。

1.3 Zeta 電位

Zeta 電位是反映蛋白質穩定性的重要參數，也是反映蛋白質溶液pH 和靜電力的主要指標之一[21-22]。研究學者們提出超聲空化效應會破壞蛋白分子間的聚集和蛋白質構象，使得蛋白表面電荷和極性殘基暴露出來[23-24]，使電位絕對值上升。其中超聲處理時間和超聲處理功率都與蛋白質Zeta 電位變化有關。

Stefanovic 等[15]研究發現延長超聲處理時間對EWP 電位有明顯的效果，超聲處理導致了顆粒間的靜電排斥，破壞了可能出現的蛋白質聚集，并阻止了后續的聚集。這些都是蛋白質作為一種分散體而穩定性良好的表現，也為EWP 后續起泡性、乳化性等功能性質奠定了良好基礎。

關于超聲處理功率，研究發現超聲處理（0～500 W/20 min）WPI，隨著功率上升，Zeta 電位絕對值呈上升趨勢[18]。電位變化表明蛋白質結構發生了變化，蛋白表面暴露出了不同數量的可電離基團。超聲波機械剪切產生較小顆粒增加了內部基團與水接觸的機會，進一步增加了蛋白質表面帶負電氨基酸的數量[25]。Liu 等[26]研究超聲處理（0～600 W/15 min）對MP 的電位影響，發現隨著超聲功率的增加，電位絕對值呈現先增加后降低的趨勢，在450 W 時達到最大電位絕對值。Zeta 電位的增加是由于超聲處理誘導了MP 絲狀聚合物的物理降解和展開，暴露了內部極性位點。這些極性基團因為轉移到了顆粒表面而賦予了蛋白質更高的靜電荷[27]。而過高的超聲功率處理時，蛋白質過度展開而促進了分子間疏水相互作用，導致蛋白質聚集從而導致疏水極性位點遷移至蛋白內部，使得電位絕對值下降。

綜上所述，Zeta 電位是對顆粒之間相互排斥或吸引力強度大小的度量。蛋白顆粒的粒徑、溶解性和電位都與蛋白聚集程度有關。一定的超聲處理所具有的空化效應和機械剪切作用會使蛋白顆粒聚集程度下降，因而蛋白粒徑變小，Zeta 電位絕對值變高，體系也隨之更加穩定，也為后續蛋白質功能性質的改善提供了基礎條件。

1.4 表面疏水性

蛋白質的表面疏水性（H0）是用于反映表面疏水基團數量的指標，是判斷蛋白質構象變化的最重要指標之一。研究表明[28-32]，超聲波能通過空化效應影響動物蛋白氫鍵和疏水相互作用，改變蛋白構象，使蛋白質分子展開，引起內部疏水基團遷移和暴露，從而增加蛋白表面疏水性。

關于超聲處理功率對動物蛋白表面疏水性的影響。李可等[33]研究了不同超聲波功率（0～600 W/6 min）對雞肉MP 表面疏水性的影響，發現隨著超聲功率的增加，MP 表面疏水性顯著增大，且在450 W時達到最大表面疏水性。H0的增加歸因于超聲處理的空化效應和剪切作用促進了MP 大分子聚集體的分解，從而暴露了部分埋藏的內部疏水基團。同時，超聲處理時空化效應導致了氣泡崩塌釋放能量，釋放的能量可提供疏水相互作用所需的能量，這也是H0增加的另一個原因。此后，蛋白表面疏水性的降低可能是由于蛋白質在疏水相互作用的驅使下相互靠近形成二聚體或者聚合物，聚集體的形成使疏水基團被包埋，因此表面疏水性下降，具體過程可見圖3。

圖3 蛋白質疏水基團在不同超聲程度下的變化圖Fig.3 Changes of protein hydrophobic groups under different degrees of ultrasound

超聲處理時間也會影響蛋白質表面疏水性。李弓中等[34]研究了超聲時間（0～30 min/580 W）對EWP表面疏水性的影響，發現隨著超聲時間的延長，EWP的表面疏水性呈先升高后降低的趨勢，在15 min 時表面疏水性達到最大。表面疏水性的增大是因為超聲處理時的空化效應可以展開蛋白結構、減小蛋白粒徑、增大疏水基團的暴露，進而提高EWP 的表面疏水性。而過度延長超聲處理時間，蛋白質會重新聚集，表面疏水性下降。關于超聲處理對不同動物蛋白理化性質的影響具體可見表1。

表1 超聲處理對動物蛋白理化性質的影響Table 1 Effect of ultrasonic treatment on physicochemical characteristics of animal proteins

總的來說，一定的超聲功率和超聲時間會展開動物蛋白結構從而減小粒徑，增大電位絕對值、溶解度和表面疏水性，而這幾種理化性質之間也有著緊密的聯系。例動物蛋白粒徑的減小有利于蛋白溶解度的上升等，這些為后續動物蛋白界面可吸附蛋白含量上升以及蛋白靈活性增強提供了有利條件。然而，超聲過度處理時，動物蛋白的溶解度降低、粒徑增大、電位絕對值以及表面疏水性下降，這會影響動物蛋白的結構以及后續與界面性質息息相關的乳化性和起泡性等。由此可見，超聲技術應用于動物蛋白質改性時，合適的超聲處理參數設置顯得尤為重要。

2 超聲處理對動物蛋白微觀結構的影響

蛋白質的微觀結構常常與其理化性質及功能特性密切相關。近年來研究發現[35-38]，超聲波技術能夠使蛋白質的非共價作用遭到破壞，引起蛋白質分子結構和聚集方式發生改變，從而使動物蛋白微觀結構發生改變。

王靜宇等[23]研究發現，超聲波處理后的MP 凝膠空間結構與未處理的樣品相比，結構變得更加致密均勻，網孔更小。但是當超聲功率達到300 W 及以上時，靜電斥力與疏水相互作用之間的平衡遭到破壞，致使其均勻的凝膠結構遭到破壞，凝膠網孔變大，且不均勻，蛋白質凝膠網絡結構變得粗糙。董智銘等[39]研究了不同超聲功率（0～600 W/30 min）對牛肉MP 微觀結構的影響，發現隨著超聲功率的增加，超聲空化效應和機械效應導致MP 排列逐漸變得散亂且肌束間間隙變得越來越大，可見肌肉結構逐漸松弛，600 W 時甚至發生細胞破裂。這些發現表明超聲功率對蛋白質微觀結構具有重要影響，超聲空化效應直接關系到蛋白網絡結構的大小及粗糙程度。

戴澤川等[40]探究了不同超聲處理時間（0～30 min/382 W）對凡納濱對蝦蛋白結構和功能特性的影響，發現未經過超聲處理的樣品細胞組織之間連接緊密且分布不均勻，隨著超聲時間的延長，樣品組織之間間隙擴大，蛋白組織趨于均勻。另一方面，未經過超聲處理的樣品顯示出光滑、完整的邊緣，而超聲處理5 min 即可觀察到片狀組織碎片，且直到15 min 時能觀察到越來越多的碎片，并且出現條狀組織碎片，時間超過25 min 時表面出現不規則的孔洞，結構受到嚴重破壞，這足以說明超聲處理可以改變其微觀結構。Meng 等[41]研究了不同超聲處理時間（0～40 min/600 W）對WPI 微觀結構的影響，發現未經過超聲處理的WPI 的片狀結構相對較大。超聲處理后，大薄片被破碎成不規則的小薄片。這是因為超聲所產生的剪切力、微射流可以減小蛋白粒徑大小甚至分解蛋白聚集體。Ahmad 等[42]研究了不同超聲時間（2～4 h/500 W）提取牛皮明膠時微觀結構的變化，發現超聲處理時間越長，明膠樣品的結構完整性越低。明膠的微觀結構與明膠的物理性質有關。隨著超聲處理時間的增加，明膠結構密度增大使結構完整度降低，粒徑變小，結構不規則且相互連接，孔隙增大。長時間超聲處理導致蛋白質部分展開，疏水基團暴露，這導致蛋白分子之間有較強的疏水相互作用，從而蛋白質聚集和網絡形成。

由此可見，微觀結構其實是蛋白質聚集程度的一種反映。超聲處理作為一種空化效應的來源，能使蛋白聚集程度發生變化。當超聲功率過大或超聲時間過長時，動物蛋白分布不均勻，微觀結構變得粗糙、不規則，結構完整度變低，受到不可逆的破壞。因此，對不同要求的改變程度應該設計合理的超聲處理條件，以達到改善蛋白后續功能性質的要求。

3 超聲處理對動物蛋白界面性質的影響

3.1 表面張力

表面張力可反映蛋白質在界面處的吸附和覆蓋情況，進而決定蛋白質界面性質。一般來說，蛋白質分子靠近液滴表面，會降低液滴的表面張力[43]。研究指出[44]，一定的超聲能導致多肽解聚，產生更小的粒徑，增加表面電荷并暴露疏水性基團從而使得蛋白質表面活性增強，表面張力減小。

Odelli 等[45]測量了超聲處理后魚皮明膠在氣-液界面的表面張力，發現與未經超聲處理的明膠相比表面張力有所下降，這是因為超聲處理后明膠對分散相的親和性提高，暴露出更多的疏水區域。此外，關于超聲處理功率對蛋白表面張力的影響，有學者[13]研究了不同超聲功率處理（0～480 W/10 min）對EWP表面張力的影響，發現表面張力隨著超聲功率的增大呈現先減小后增大的趨勢。這是因為超聲空化效應導致蛋白粒徑減小，使得蛋白質更好地吸附在界面上，但是后續功率過大導致蛋白聚集、分子柔韌性下降、吸附位點被掩埋，因此，蛋白表面張力增大。Zhang 等[18]研究了不同超聲功率處理（0～500 W）下的WPI 的表面張力，發現蛋白表面張力均降低。這是因為超聲處理促進了蛋白構象狀態的改變和疏水殘基的暴露以及結構的展開，并增強了界面處的吸附接觸點，這促進了蛋白質分子在界面處的吸附，降低了表面張力。同時，空化效應導致蛋白顆粒變小，促進蛋白質遷移到界面。最后，疏水殘基的暴露和結構的展開也有利于蛋白質的吸附，從而降低表面張力。

鄒捷等[20]研究了不同超聲處理時間（0～30 min/240 W）對蛋清液表面張力的影響，發現所有樣品一開始表面張力都顯示出逐漸降低的趨勢，這是因為EWP 超聲處理后蛋白質結構發生變化，出現去折疊現象，蛋白質在界面迅速擴散并重排。而后表面張力下降不明顯則是因為蛋白質在界面上的吸附逐漸趨于飽和，從而在吸附和重排過程中形成了能壁。然而當超聲處理時間超過20 min 時，表面張力呈下降趨勢，這是因為過度超聲處理使蛋白粒徑以及電荷絕對值增大從而導致靜電壁壘，減緩了蛋白在氣-液界面的吸附速率。

由此可見，表面張力其實與動物蛋白界面性質息息相關。超聲處理對動物蛋白溶解度、粒徑、電位、表面疏水性以及微觀結構等的影響也會影響其在界面的吸附和排列。一定的超聲處理參數能使動物蛋白的表面張力降低，從而達到后續改善蛋白功能性質的要求。

3.2 界面流變

乳液和泡沫的穩定性與蛋白質界面性質之間存在明顯的聯系。從蛋白質界面性質來說，除了表面張力之外，還有諸如粘彈性能此類的機械性能，這種機械性能可以通過蛋白質膜界面流變學來研究[46]。近年來，許多研究[47-49]發現，超聲處理通過影響動物蛋白分子結構、粒徑及表面張力等來改變蛋白質的油-水界面和氣-水界面的流變性質。

Yu 等[50]研究了不同超聲功率（0～600 W/16 min）對貽貝肌原纖維蛋白（mussel myofibrillar protein，MMP）界面流變的影響，發現隨著超聲功率的增加，黏度整體呈下降趨勢，儲能模量（G′）和損耗模量（G?）也呈下降趨勢?？栈沟肕MP 穩定的乳狀液液滴尺寸更均勻、更小，液滴之間的聚集程度減小從而黏度降低。這種降低也可以認為與超聲空化效應所產生的物理力有關，空化破壞了MMP 蛋白細絲之間的相互作用，導致流體中分子重新排列，從而降低了流動阻力。G′和G?的下降一方面是因為超聲空化效應減小了乳液液滴的粒徑和聚集程度，進而影響乳液的分子間相互作用和流變性能，另一方面則因為超聲處理在促進蛋白展開的同時，還削弱了蛋白分子之間的非共價作用，導致分子間相互作用減少。

Akber 等[51]研究了不同超聲處理時間（4～20 min/320 W）對EWP 乳狀液界面流變的影響，發現隨著超聲處理時間的增加，乳液黏性逐漸降低。這是因為超聲空化效應能降低蛋白粒徑和表面張力從而降低乳狀液粘度。然而，有學者[52]研究了不同超聲處理時間（0～5 min/振幅20%）對烏賊蛋白泡沫液界面流變的影響，發現隨著超聲時間的增加，泡沫液黏性逐漸增大，這是因為超聲的空化效應使得烏賊蛋白表面疏水性上升，蛋白質側鏈就能更好的與其他蛋白或水分子發生相互作用。分子相互作用越大，蛋白流動阻力也就越大，因此黏性增大?？梢?，不同動物蛋白質黏性的變化與自身性質、聚集程度和變性程度有關。Tan 等[53]研究了不同超聲處理時間（0～25 min/振幅60%）對WP 所穩定的泡沫體系界面流變的影響，發現超聲處理后的蛋白G′和G?均高于未處理的樣品。較高的G′和G?是因為超聲處理后，WP 通過疏水相互作用和二硫鍵發生了輕微聚集，而這種蛋白間的相互作用能夠穩定泡沫網絡結構從而形成粘彈性凝膠狀薄膜，最終產生更堅固的泡沫，即泡沫穩定性更高。此外，WP 泡沫的G′和G?會隨著超聲時間的增加而增加，這是因為超聲的空化效應能夠引起氣泡周圍變性的WP 聚集，從而形成一層真正的凝膠網絡吸附層，這種改變同樣也提高了泡沫體系的黏性。

綜上所述，超聲功率和超聲時間分別對動物蛋白的界面流變有著不同程度的影響，超聲空化效應導致動物蛋白粒徑、結構、表面張力、相互作用等發生改變，從而使蛋白乳液和泡沫體系的粘彈性發生變化。然而，過度處理后的動物蛋白會出現溶解度減小、粒徑增大、電位減小、表面疏水性減小等表現，蛋白的理化性質和界面性質也并不是相互獨立的，這些理化性質的改變也會影響蛋白的界面特性，而界面性質的改變又影響著如起泡性和乳化性等功能性質的改變。

20世紀90年代，美國哈佛大學的教授根據服務性企業的數據，對利潤與市場份額在企業中兩者的關系進行研究。研究發現，在企業的利潤中顧客的忠誠度是一個相當重要的重要因素。每爭取一位新顧客所花成本是維系一位老顧客的5-10倍；而維系一位老顧客給予企業的價值是開發一個新顧客所無法給予的。在20世紀初意大利經濟學家帕累托提出的二八營銷法則也表明，80%的公司利潤來自20%的重要客戶，企業經營利潤的最大來源是占企業顧客群體中20%的忠誠顧客的重復購買[2]。這些數據表明了忠實顧客對于企業的重要性，及提高顧客忠誠度的必要性。

4 超聲處理對動物蛋白功能性質的影響

近年來的食品科學研究表明，食品結構單元和相態特性多通過改變界面（氣-液界面和油-水界面）性質、控制界面膜形成來控制食品功能性質（乳化性、起泡性、凝膠性等）[54]。超聲處理可通過空化效應及機械剪切等作用改變蛋白質的理化性質以及結構從而影響界面性質，而起泡性和乳化性是蛋白質在不同界面（即氣-水界面和油-水界面）吸附特性的表現。具體情況如下：

4.1 起泡性

泡沫由液相薄層、液壁和普拉特奧邊界組成。泡沫結構中的氣泡被捕獲在液相薄層之間，液壁是兩個相鄰氣泡之間的界面。液壁相遇的地方被稱為“普拉特奧邊界”（即三個液薄壁連接成120°）。關于泡沫具體結構可見圖4。動物蛋白作為一種表面活性劑能夠降低表面張力，泡沫的形成和穩定性很大程度上也取決于蛋白質在氣-液界面的吸附、展開、定向排列以及它們之間的相互作用[55]。超聲處理之所以能改善動物蛋白泡沫性質主要是因為超聲空化產生的高剪切力和湍流會破壞蛋白質中的共價鍵，從而構建腔室泡沫[56]。近年來有學者[57-58]提出，超聲處理作為一種物理處理手段，能夠在蛋白質的表面張力、表面疏水性、粒徑和結構靈活性等基礎上影響蛋白質分子動力吸附進而影響起泡性。

圖4 泡沫結構示意圖Fig.4 Diagram of foam structure

超聲對蛋白起泡性的影響與其處理功率密切相關。Ding 等[59]研究了不同超聲功率下EWP 發泡性能的變化，在超聲處理（0～480 W/30 min）的條件下，起泡能力（foaming capacity，FC）隨功率的增加呈先上升后下降趨勢，在360 W 時達到最大。超聲處理能通過調節蛋白質分子之間的靜電力和疏水相互作用來改變蛋白質聚集狀態，使EWP 出現明顯的細小碎屑和不規則孔隙，EWP 的溶解度和分子柔韌性上升。蛋白溶解度越高，可吸附在氣-水界面的蛋白含量也就越高。分子柔韌性上升使EWP 更快地吸附到氣-水界面并實現定向排列，最終表現為起泡能力的增強。而超聲功率過高會導致蛋白疏水基團過度暴露，蛋白質間發生交聯而重新聚集、降低分子靈活性最終影響界面吸附和排列速率。此外，泡沫穩定性（foaming stability，FS）整體卻呈下降趨勢。這主要是因為超聲的空化效應和機械剪切作用會斷裂卵粘蛋白中的肽鍵和二硫鍵從而分解EWP 中的卵粘蛋白，而卵粘蛋白在蛋清的FS 中起著重要作用。Omana等[60]認為卵粘蛋白是蛋清中濃厚蛋白的主要成分，是EWP 粘度的主要貢獻者。因此卵粘蛋白的減少會破壞蛋白質分子之間的網絡結構，從而降低FS。然而，Xiong 等[61]在超聲對卵白蛋白發泡性能影響的研究中發現卵白蛋白的FS 整體呈上升趨勢，與Ding 等[59]發現的EWP 隨超聲功率上升，FS 下降并不一致。這種差異是由于EWP 屬于復合蛋白質，是由40 多種單一蛋白組成的混合物，而卵白蛋白為其中一種單一蛋白，因此，不能直接決定EWP 的泡沫變化情況。

超聲時間對動物蛋白起泡性也有一定影響。Amir 等[62]研究了不同超聲處理時間（0～30 min/200 W）對MP 的功能性質的影響，發現FC 呈現先增大后減小的趨勢，在15 min 達到最大值。而后延長處理時間會導致FC 和FS 呈下降趨勢。這是因為適度的處理時間會誘導蛋白質的部分展開，使蛋白質迅速吸附在氣-水界面，使其具有相對較高的FC 和FS。然而，隨著處理時間的延長，氣泡尺寸增大，導致蛋白質分子在界面出現解吸現象，且與其它解吸分子相互作用會形成新的聚集體[63]。其次，長時間處理會使蛋白質暴露更多的疏水基團，蛋白中出現聚集現象。這種聚集不僅會降低蛋白質的吸附能力還會降低界面蛋白質的穩定效應。

綜上所述，蛋白質的吸附動力學受其分子粒徑、表面疏水性和結構等的影響，一定的超聲處理使動物蛋白分子粒徑減小、分子靈活性及疏水性增加，從而改善蛋白在界面的吸附和排列等界面行為。然而，過度的超聲處理也會導致蛋白分子的表面疏水性下降、粒徑增大、分子靈活性下降，這些都會破壞蛋白在界面的吸附，從而影響起泡特性。

4.2 乳化性

乳液和泡沫一樣，屬于熱力學不穩定體系。而動物蛋白作為一種表面活性劑可以降低連續相和分散相之間的界面張力，來提高乳液體系的穩定性[64]。單層乳液包括水包油型（O/W）和油包水型（W/O），乳液液滴類型形成機理可見圖5。研究發現，超聲技術能夠在蛋白質的表面張力、表面疏水性、粒徑和表面電荷等理化性質的基礎上影響蛋白質分子動力吸附進而影響乳化性[65-66]。

圖5 乳液液滴結構示意圖Fig.5 Diagram of the structure of emulsion droplet

超聲處理功率會影響動物蛋白乳化性。Shi 等[67]研究了超聲處理（0～600 W/30 min）對WPI 乳化性影響，發現隨著超聲功率的上升，乳化活性（emulsifying activity index，EAI）逐漸增大。這是因為超聲處理的空化效應使蛋白質結構展開從而增大了WPI 的表面疏水性，減小了蛋白粒徑，使WPI 完全分散在油-水界面，使蛋白質更快更好地吸附在界面上，從而改善乳化性能。乳化穩定性（emulsification stability index，ESI）隨著超聲功率增加而提高。乳化穩定性與蛋白質分子柔韌性相關，超聲改變了蛋白結構，使分子柔韌性上升，蛋白吸附量增大，從而阻礙油滴的重新聚集，最終表現為ESI 的上升。此外，Xiong 等[68]探究了不同超聲處理功率（0～600 W/12 min）下MP 乳液穩定性的變化，結果發現，300 W 超聲處理的乳液表現出最小的粒徑和表面張力，并具有最均勻的液滴分布和最佳的乳液穩定性，而600 W 超聲處理下卻最差。這是因為過度超聲會導致蛋白質分子發生自聚集行為，形成不溶性聚集體，使其在油-水界面的吸附作用減弱，從而導致乳液穩定性降低。此外，Zou等[69]研究了超聲處理（0～200 W/20 min）對雞肉肌動球蛋白的乳化性的影響，發現所有超聲處理功率均降低了雞肉肌動球蛋白的ESI，與100 W 和150 W 的超聲功率相比，200 W 的超聲功率顯著降低了雞肌動球蛋白的EAI。這些差異可能是由于肌肉種類和超聲功率的不同。

綜上所述，超聲處理對動物蛋白的乳化性的影響與蛋白質的粒徑、電位、表面張力和結構等理化性質的變化息息相關。超聲過度處理時，溶解度的減小和粒徑的增大等理化性質的改變會影響動物蛋白的分子結構、分子靈活性等，使動物蛋白在界面上的吸附受到限制，進而乳化性會發生不良變化。因此，一定的超聲處理條件能夠改善蛋白的EAI 和ESI。

4.3 凝膠性

動物蛋白的凝膠性是指其膠體溶液在一定條件下，分子發生聚集形成網絡結構，成為凝膠狀態的一種性質。近年來，一些研究[71-72]發現，超聲處理能通過影響蛋白質-水相互作用、蛋白質-蛋白質相互作用、蛋白質結構、表面疏水性等進而影響動物蛋白的凝膠性質。

關于超聲處理功率對動物蛋白凝膠性的影響，Li 等[73]研究了超聲不同功率（0～500 W/60 min）處理對凡納濱對蝦MP 凝膠強度的影響，發現隨著超聲功率增大，蛋白凝膠強度顯著增加。超聲處理時的空化效應使得分子快速運動，加速了蛋白分子展開及交聯過程，影響了蛋白質之間的疏水相互作用致使其形成剛性、均勻的凝膠網絡且凝膠強度增加。Zhang等[74]研究了不同超聲處理（0～1000 W/15 min）對雞胸肉MP 凝膠性的影響，發現中度超聲功率處理（500～600 W）之后，凝膠密度變得更大、分布更均勻，這是因為超聲處理后，蛋白質顆粒粒徑減小，疏水基團暴露在蛋白質表面，使得蛋白質分子間能通過二硫鍵和疏水相互作用形成網絡更緊密均勻的凝膠。但是，當功率超過600 W 時，凝膠空腔變大且不均勻，這是因為在熱誘導蛋白凝膠形成的過程中，其致密網絡結構的形成主要取決于蛋白質展開和聚集的相對速度，當聚合速度超過展開速度時，凝膠結構會更致密更均勻，反之則更粗糙、更不均勻。而過度的超聲功率處理使得蛋白質變性嚴重，蛋白分子大幅度展開，大量疏水性基團暴露，以至于在熱誘導形成凝膠的過程中，聚合速度相對于展開速度來說更慢從而導致凝膠結構不均勻。

超聲處理時間對動物蛋白凝膠性質也有一定影響。有學者研究了不同超聲時間處理（0～9 min/150 W）對EWP 凝膠性質的影響，發現隨著超聲時間的延長，EWP 凝膠硬度和持水能力均先上升后下降[75]。這是因為EWP 的凝膠性質跟蛋白質的聚集速率和變性程度有關。一定的超聲空化效應使得EWP 解聚，生成粒徑更小的粒子，內部疏水基團的暴露程度增大，表面電荷的增加，都有利于EWP 的聚集，從而提升EWP 的凝膠硬度。而持水能力的上升是因為超聲在暴露疏水基團的同時也暴露了更多的?；荏w，生成了更多磷酸化基團。這些基團能與水分子通過氫鍵連接，因此持水能力上升。而長時間超聲處理使得蛋白質聚集，部分化學鍵斷裂，從而影響凝膠性質。姜昕等[76]研究了不同超聲時間處理（0～50 min/360 W）對鰱魚魚糜凝膠特性的影響及相關性分析，發現魚糜凝膠強度隨著超聲時間呈先上升后下降的趨勢，這是因為適當超聲時間處理的空化效應使鹽溶性蛋白質二級結構發生改變，分離肌球蛋白自組裝，這有利于魚糜在加熱成型過程中形成緊湊的網絡結構。而過度時間處理導致蛋白變性嚴重，結構變化程度較大，影響凝膠特性。關于超聲對動物蛋白功能性質的影響具體如表2 所示。

表2 超聲處理對動物蛋白功能性質的影響Table 2 Effect of ultrasonic treatment on functional characteristics of animal proteins

綜上所述，超聲處理對動物蛋白起泡性、乳化性和凝膠性等功能性質的影響與蛋白質的疏水相互作用、粒徑、結構等息息相關。因此，可看出動物蛋白的功能性質本身是由許多相關因素的共同作用而產生的結合，蛋白本身的物理化學性質，如粒徑、表面疏水性、溶解度、結構等，均會對其功能性質產生影響。此外，動物蛋白的功能性質與界面性質并不是相互獨立、完全不同的性質，它們之間會相互聯系、相互影響。

4.4 超聲協同技術

值得一提的是，當超聲處理協同其他改性技術時比單獨的改性處理更能有效改善動物蛋白的功能性質。有學者研究了超聲復合高壓均質處理對WPI起泡性的影響，發現在120 MPa 和600 W 的高壓均質和超聲復合處理下，蛋白的FS 比單一處理時有顯著性提高[74]。劉明艷等[77]將超聲復合糖基化反應來改善蠶蛹蛋白乳化性，發現超聲功率為580 W，超聲時間2 min 時與糖基化反應結合時有效優化了蛋白乳化性。Gao 等[78]研究了超聲和酸堿聯合處理對WPI 的影響，發現在堿性條件下聯合超聲處理比單一超聲處理更能顯著減小蛋白的粒徑，提高表面疏水性，從而改善WPI 的乳液性能。

然而，無論是超聲單獨處理還是超聲協同其他改性技術處理，都應該注意處理時動物蛋白的溫度變化。超聲處理時除了最主要的空化效應，實際上還有熱效應。這是因為超聲波能量會被介質吸收從而溫度局部升高。同時，振動超聲波也會使介質間相互摩擦而產生熱能[8]。溫度可以影響蛋白質的空間結構及其功能性質。適當的熱處理使動物蛋白的表面疏水性增加，且起泡性及乳化性等功能性質均會有不同程度的改善；而溫度過高可能會導致蛋白質發生熱變性，促進蛋白質-蛋白質相互作用，從而出現聚集現象，這會引起不溶性蛋白質的絮凝和蛋白質顆粒的再聚集而使蛋白溶解度下降。例如有研究[18]發現進行超聲處理EWP 后達到的最高溫度為49 ℃，比較接近EWP 的變性溫度60 ℃?，F在的超聲設備一般都配有溫度警示系統，如今普遍采用冰水浴來控制蛋白溫度。

5 結語

超聲作為一種非熱處理技術可通過空化效應所產生的物理作用來改變蛋白質的結構進而改善其界面性質和功能性質，系統地介紹了超聲處理對幾種動物蛋白質的影響，發現超聲處理能夠改變動物蛋白的溶解度、粒徑Zeta 電位、表面疏水性等理化性質及微觀結構，這些理化性質會影響蛋白在氣-水界面和油-水界面的吸附、排列、相互作用進而影響動物蛋白起泡性、乳化性和凝膠性等功能性質?？梢?，動物蛋白的理化性質、結構、界面性質、功能性質并不是相互獨立的。另外，超聲協同其他改性技術在蛋白加工業中具有很大潛力，例如超聲復合酶解、高壓等處理，相信隨著這些技術的不斷完善，動物蛋白的界面性質將得到更大程度地改善從而獲得蛋白更佳的功能性質。但也存在以下問題：

a.關于超聲條件參數設置還需要深入研究。超聲功率和超聲時間等參數應該得到合理控制，避免蛋白結構被過度破壞。因此，根據動物蛋白種類選擇適宜的處理條件至關重要，這為后續的研究與探索提供了堅實的理論基礎和可行意義，且科學技術與科研能力也在不斷地進步和完善，相信超聲處理在食品領域中必將有廣泛的應用前景。

b.目前超聲波技術的研究大多處于實驗室階段，還未能實現規模化的應用。超聲技術在蛋白理化性質及功能特性方面的研究將有助于市場和企業深入了解超聲處理對動物蛋白的影響，也便于針對不同的工業需求設計和開發專用型超聲波設備，以實現快速、高效工業化生產。

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