《Future Foods》：High-pressure modifications of plant-based proteins: Enhancing quality and techno-functionality for food applications
植物蛋白作为动物蛋白的可持续替代品，在全球范围内日益受到认可。但较差的溶解性、结构刚性和不良的技术功能性限制了它们在食品系统中的应用。本综述评估了基于加工的方法，以增强植物蛋白的结构、营养和功能性，重点研究了高静水压（HHP）和动态高压微射流（DHPM）。这些高压技术改变了分子组织，破坏了聚集体，并诱导了结构重排，从而共同改善了多种植物蛋白来源的溶解性、乳化性、起泡性和凝胶性。此外，它还通过提高蛋白质消化率、增加氨基酸可及性以及减少抗营养因子（如胰蛋白酶抑制剂和植酸）来提升营养品质。比较分析表明，HHP在蛋白质组织化和降低致敏性方面特别有效，而DHPM在分散稳定性和乳液形成方面提供了更优的改善效果。本综述综合了当前的机制、应用和挑战，强调了高压加工作为一项变革性和可持续导向的方法，用于开发下一代植物蛋白配料，以应用于创新食品系统。
1. 引言
蛋白质由通过肽键连接的一个或多个氨基酸链组成，对人类健康至关重要。它们具有多种功能特性，如乳化性、脂肪吸收性、持水性、增稠性和胶凝能力。由于其卓越的功能特性，包括高产量和平衡的必需氨基酸组成，动物蛋白在食品工业中被广泛用于多种用途。然而，预计到2030年，植物蛋白将占据总蛋白市场约8%的份额。由于环境因素（温室气体排放）、资源稀缺、高生产成本以及对素食主义者的考虑等多种因素，寻找可持续和可再生的动物蛋白替代品已引起广泛关注。此外，动物蛋白的高摄入可能增加致敏潜力并导致多种健康风险，如肥胖和高血压。植物如谷物、豆类、坚果、油籽、可食用种子和块茎是动物蛋白的良好替代来源。这些植物蛋白作为功能性配料广泛用于食品配方中，具有多种功能，包括水和脂肪的结合剂、泡沫和乳液的稳定剂、胶凝剂和增稠剂。此外，某些蛋白质还具有抗菌和抗氧化特性。
蛋白质改性可以改善蛋白质的功能性和理化性质，如凝胶性、溶解性和乳化性。大多数植物蛋白的利用通常因其复杂的结构特性、在水中的低溶解性以及对离子强度、pH值和温度变化的敏感性而具有挑战性。这些因素限制了它们的实际应用。大多数植物蛋白由具有不同结构和功能特性的蛋白质混合物组成，这些蛋白质涵盖广泛的等电点范围。植物蛋白的另一个缺点是存在抗营养因子（特定的植物残留物），这些因子在存在时表现出特定功能，如作为植物和种子对抗真菌、病毒、昆虫和微生物的保护剂。因此，迫切需要改性植物蛋白以增强其功能特性。有许多策略，如物理、化学或生物方法，来改性植物蛋白。然而，传统的改性方法有明显的局限性。例如，化学处理通常缺乏特异性，可能产生不良副产物，并且通常与清洁标签要求不相容。虽然酶水解是一种更温和的替代方法，但它也有自身的挑战，包括高成本和对底物类型的依赖性增加。控制此过程可能很困难，常导致过度水解或功能结果不一致。另一种常见方法是热处理，但该方法通常会损害营养品质并可能导致不可逆的蛋白质变性。
在物理方法中，基于高压的技术近年来越来越受关注，因为它们是非热力的，可能保持营养品质，并且可能以高精度在分子水平上改变蛋白质结构。高静水压（HHP）和动态高压微射流（DHPM）等技术正被广泛接受为操纵蛋白质构象、消化性和技术功能性能的独特技术。每种技术根据其预期用途和处理条件可能具有优缺点。虽然一些综述文章讨论了蛋白质改性的一般情况，但很少有全面综述指出或比较HHP和DHPM对植物蛋白特有的因素。在本综述中，研究人员批判性地综合了最新技术，探讨了高压转化的分子机制，并研究了未来关于为未来食品工业创造可持续高性能植物蛋白配料的研究方向。
2. 食品系统中的植物蛋白
植物蛋白已成为现代食品系统中的关键组成部分，这得益于消费者对可持续、经济有效且促进健康的饮食替代品日益增长的需求。这些蛋白质具有从肉类类似物到功能性食品的多种应用，这归因于其独特的营养和技术功能属性。采用植物蛋白应对了多项全球挑战，包括蛋白质可及性、环境可持续性和慢性疾病预防，同时支持食品配方的多样化。尽管有潜力，植物蛋白表现出内在局限性，如不完全的氨基酸谱、可变的溶解性和对加工条件的敏感性，这些可能影响它们在复杂食品基质中的功能表现。
2.1. 满足全球蛋白质需求
与植物性替代品相比，动物蛋白通常价格昂贵且全球可及性较差。无论社会经济背景如何，以植物蛋白为基础的饮食提供了一种经济有效的方式来提高营养品质。植物蛋白可以从不同来源提取，包括谷物、豆类、油籽及其副产品，以满足日益增长的膳食蛋白质需求。来自各种谷物、豆类、油籽及其衍生物的植物蛋白及其相应成果列于表1。
[表1内容总结] 谷物如大米、小麦、玉米、燕麦、大麦、高粱、小米及其副产品可用作植物蛋白提取的底物。米糠蛋白是从大米加工的副产品米糠中提取的可持续植物蛋白来源。碱提取结合等电点和热凝固沉淀可提高蛋白质收率和功能特性。作为一种主粮作物且大量种植，米糠蛋白可以成为满足不断增长人口蛋白质需求的潜在来源。然而，一项优化研究表明，通过低共熔溶剂-微波提取方法，脱脂小麦胚芽的最大蛋白质收率可达33%，并具有较高的持水能力以形成更坚固的凝胶结构。玉米和藜麦粉含有植物蛋白，并用于配制无麸质功能性面包和蛋糕。燕麦蛋白浓缩物的碱提取根据品种不同收率从9.8%到90.5%不等，因其营养特性、无麸质特性、高纤维和在植物性食品市场中温和的风味而受到广泛关注。对大麦籽粒的研究表明，外层、细麸和胚芽含有较高含量的多胺和蛋白质，并建议这些副产品可作为可持续废物增值的蛋白质来源。豆类是蛋白质的优良来源，并提供多种健康益处。一些富含蛋白质的豆类包括大豆、扁豆、鹰嘴豆以及各种豆类如蚕豆、黑豆和白芸豆。植物蛋白提取的优化研究已展示了先进和可持续技术对满足日益增长的全球蛋白质需求做出显著贡献的潜力。高强度超声辅助碱提取大豆蛋白，以及黑扁豆的优化碱提取，已显示出提高的回收效率和改进的功能属性，如持水和持油能力、起泡性、乳化性和凝胶性。类似地，鹰嘴豆蛋白的碱提取-等电沉淀方法和蚕豆蛋白的超声辅助提取已产生改进的提取性能和功能特性。此外，黑豆蛋白提取中碱和酶处理的整合已导致更高的效率和质量。在白芸豆全粉的超声提取中也观察到了类似的改进。总的来说，这些提取优化的进展不仅提高了来自不同植物来源的蛋白质收率和质量，而且支持了全球开发可持续替代蛋白配料的努力，这些配料能够应对日益增长的全球蛋白质需求。油籽的蛋白质含量低于豆类。但油籽蛋白分离物和浓缩物因其工业可行性和消化性而日益受到关注。一项研究发现，油菜籽和葵花籽的蛋白分离物和浓缩物显示出与白蛋白分离物相当的总蛋白体外消化率，并强调了油籽蛋白在食品应用中的巨大潜力。谷物、豆类和油籽的生产相对比畜牧业更易获得且成本效益高。因此，来自不同谷物、豆类、油籽及其副产品的植物蛋白为应对全球蛋白质需求提供了有前景的来源。
2.2. 功能和营养属性
消费者越来越关注更健康的饮食习惯，推动了向肉类替代品，特别是植物蛋白的转变。这一转变主要由低脂、低热量和无胆固醇饮食日益增长的吸引力驱动，这些饮食与更好的长期健康结果相关。与动物蛋白相比，植物蛋白含有最少的饱和脂肪且不含胆固醇，使其有利于心血管健康和代谢平衡。多项研究表明，定期食用植物蛋白可以降低血液胆固醇水平，降低心血管疾病风险，并有助于改善脂质代谢。越来越多的流行病学证据表明，用植物源替代部分膳食动物蛋白具有多种健康益处，特别是在慢性疾病预防方面。例如，Glenn等人（2024）证明，植物蛋白与动物蛋白摄入比例较高的个体，其心血管疾病风险显著降低。这种关系通常归因于植物性饮食中较低的饱和脂肪含量、较高的纤维摄入量和丰富的生物活性化合物。近期实验研究的机制见解进一步强化了这些流行病学模式。H. Wang等人（2025）报告，植物蛋白摄入通过调节胆固醇转运途径和增强肝脏脂质氧化来改善脂质代谢。他们的研究还揭示了肠道微生物群组成的有利变化，其特征是短链脂肪酸产生菌群增加，这些菌群已知支持代谢和免疫健康。此外，与富含动物蛋白的饮食相比，植物蛋白以促进更好能量调节的方式影响了肝脏代谢网络。临床观察与这些发现一致，并强调了潜在的长期健康影响。Wu等人（2024）表明，更依赖动物蛋白的个体与糖尿病肾病相关的死亡风险更高。这种关联被认为源于动物蛋白丰富饮食通常带来的更大酸负荷、更高含硫氨基酸和升高的炎症标志物，这些可能随时间推移加剧肾脏应激。这些功能和健康优势使植物蛋白成为越来越受青睐的动物蛋白替代品（图1）。
如今，植物性肉类替代品广泛可得，并设计为密切复制传统肉类的外观和味道。除了营养等效性外，许多这些产品还含有功能性配料和生物活性化合物，提供额外的生理益处。例如，米糠蛋白富含生物活性化合物和抗氧化特性，可用于开发支持肠道健康和缓解与氧化应激相关疾病的功能性食品。大豆蛋白是研究最广泛的植物蛋白之一，具有独特的促进健康属性。大豆蛋白缓解婴儿配方奶粉中的蛋白质糖化，并且比牛奶和山羊奶配方奶粉具有显著更高浓度的精氨酸和精氨酸衍生膳食晚期糖化终末产物，证明了大豆蛋白的相对优势。一项研究发现，在模拟老年条件下胃肠道变化的影响下，大豆蛋白在体外消化中优于肉类蛋白。一种由花生粕和辣木制成的植物蛋白粉配方是一种可持续、营养密集且可行的产品，并对人类健康促进表现出强抗菌和抗氧化活性。虽然植物性肉类替代品对于实现营养充足的饮食并非必需，但将当前饮食模式转向更健康和更可持续的方向对于减少非传染性疾病的流行和推动缓解环境压力的生产层面变化至关重要。优化模型的使用为设计可持续和营养丰富的植物性饮食提供了巨大潜力，同时也突出了必须在未来研究中解决的关键研究空白。
2.3. 混合方法以提升品质
植物蛋白通常被认为是不完全的，因为其氨基酸组成营养不足，并且通常与其他营养素如铁和维生素B
12的生物利用度较低有关。然而，一些已开发的植物源蛋白，包括大豆、藜麦、苋菜等，是完全的，并具有附加功能特性如纤维、生物活性化合物和较低的饱和脂肪。此外，混合植物蛋白已成为克服单一蛋白源内在限制并增强营养品质和技术功能行为的有效策略。近期研究表明，适当设计的蛋白混合物可以实现更平衡的必需氨基酸组成，同时改善对食品配方至关重要的功能属性。例如，Etzbach等人（2025）表明，将羽扇豆、豌豆或大豆蛋白分离物与马铃薯或大米蛋白分离物以优化比例组合，显著增强了起泡能力、乳化性能和凝胶强度。这些改进归因于具有不同结构特征和分子灵活性的蛋白质之间的协同相互作用，共同拓宽了它们的功能谱。将玉米醇溶蛋白（一种疏水性醇溶蛋白）整合到多组分植物蛋白系统中进一步说明了混合定制材料特性的潜力。Ozturk等人（2025）报告，将玉米醇溶蛋白掺入大豆、豌豆、鹰嘴豆、大米和南瓜籽蛋白的混合物中增加了热稳定性，改善了粘弹性特性，并促进了更连贯的蛋白质网络的形成。同样，Rolandelli等人（2025）证明，玉米醇溶蛋白有助于开发具有理想纤维结构和质地保真度的高水分挤出物，突出了其在肉类类似物应用中的实用性。总的来说，这些发现表明，战略性混合能够设计出具有增强加工性能和结构稳定性的蛋白质基质，这对于下一代植物性食品至关重要。
2.4. 植物蛋白的挑战和局限性
用于食品配方的植物蛋白因其多方面的作用（包括增稠剂、胶凝剂、乳化剂、泡沫稳定剂和脂肪/水结合剂）而受到广泛关注。除了这些技术功能特性外，某些蛋白质还具有促进健康的生物活性，如抗氧化、抗菌、抗高血压和抗炎作用。然而，由于结构和组成上的挑战，它们在食品系统中的广泛应用常受到阻碍。具体来说，许多蛋白质表现出较差的水溶性（紧密折叠的球状结构）、复杂性以及对pH、离子浓度和温度等因素的敏感性。然而，大多数植物蛋白导致聚集或相分离，主要由具有不同等电点的多种蛋白质组分组成。例如，亚麻籽蛋白由异质的球蛋白和清蛋白组成，每种都具有独特的溶解性和电荷特性，使其在配方行为中的可预测性复杂化，导致乳化、起泡和其他功能特性不一致。存在固有的抗营养因子（天然存在的植物化学物质）是另一个显著限制，可能干扰营养吸收和生物利用度。这些化合物是植物作为其防御机制的一部分，抵御草食动物、病原体和环境胁迫而生物合成的。幸运的是，几种蛋白质改性策略已证明在减少或灭活这些抗营养因子方面有效。不良的感官特性，如苦味、涩味或异味，限制了某些植物蛋白在各种食品中的掺入。图2展示了与在食品系统中利用植物蛋白相关的主要挑战的示意图。
3. 高压改性方法
高压改性是一种有前景的物理改性方法，用于改善植物蛋白的功能性，而无需使用任何类型的化学物质或酶。通过施加高压，该技术改变蛋白质构象并实现溶解性、乳化性、凝胶性、消化性等方面的增强（图3）。HHP和DHPM技术通常广泛用于植物蛋白的改性（表2）。
3.1. 高静水压（HHP）
HHP是一种非热加工技术，将食品系统暴露在通常100至800 MPa的压力下，持续受控时间（图4）。与热处理不同，热处理常通过热驱动的化学反应诱导不可逆的蛋白质变性，而HHP主要通过物理的、体积依赖的机制改变蛋白质结构，同时保持营养完整性和感官质量。植物蛋白由氢键、疏水相互作用、静电吸引、范德华力以及在某些情况下二硫键的网络稳定。当受到高压时，所有这些都会经历显著的构象变化。在高压下，蛋白质结构的稳定性发生改变，因为非共价相互作用占据更大的分子体积，因此在压缩下热力学不利。结果，HHP优先破坏较弱的相互作用，特别是氢键和疏水缔合。这导致二级和三级结构的部分或完全展开。α-螺旋区域可能失稳并转变为β-折叠或无规卷曲，而四级蛋白组装体随着亚基解离而松散（图5）。先前埋藏的疏水残基、巯基和带电侧链的暴露改变了蛋白质的表面拓扑结构和相互作用潜力。这些结构变化是由于压力引起的自由能和水分动力学变化。高压下的蛋白质采用最小化偏摩尔体积的构象。压力迫使水分子深入蛋白质核心，水合极性残基并破坏疏水口袋。这种水合驱动的穿透削弱了分子内力，促进了更紧凑和溶剂化的构象状态。压力释放后，新暴露的疏水和反应基团可以形成分子间缔合。这导致可溶性聚集体（在中等压力下）或更大、不溶性聚集体（在较高压力下），具体取决于蛋白质类型、基质组成、pH、离子强度和处理持续时间。
分子重排直接影响技术功能行为，因为结构灵活性和表面活性决定了蛋白质如何与水、脂质和空气相互作用。HHP诱导的展开通过增加表面亲水性增强溶解性，通过暴露能够稳定油-水界面的疏水斑块改善乳化特性，并通过促进气泡周围快速形成膜增强起泡能力。部分变性和随后的聚集也可以改善凝胶性，促进更强、更连贯的蛋白质网络的形成。通过HHP实现的改性程度受多个变量影响，包括压力强度、处理时间、温度、固有蛋白质架构和周围食品基质。这些机制见解表明，HHP是以受控方式定制植物蛋白结构和功能性的强大工具，并能够为下一代植物性食品系统开发高性能配料。
3.1.1. 结构改性：增强的功能性
HHP改变植物蛋白的结构组织（二级、三级结构等）并增强功能特性。例如，Deng等人（2025）研究了HHP对辣椒籽蛋白分离物改性的影响。他们表明，HHP导致隐藏的发色团和疏水基团由于蛋白分离物结构展开而暴露，游离巯基发生变化，以及由于不溶性聚集体或大分子聚合物形成而导致的较大粒径。因此，他们发现辣椒籽蛋白分离物的功能特性增强，如乳化特性、起泡活性以及持油和持水能力。类似地，在水糠蛋白水解物中，HHP处理降低了β-转角、β-折叠和无规卷曲的含量，同时增加了α-螺旋含量，改变了疏水性和荧光强度。HHP处理也改变了蛋白水解物的三级结构并增强了乳化特性（S. Wang等人，2021）。R. Zhang等人（2025）发现，低静水压（60、100和120 MPa）未显著改变溶解性。然而，当施加压力增加到180 MPa时，溶解性增加到10.57%，并在压力达到200 MPa时降低到5.96%，这可能是由于蛋白质的重新聚集。由于固有的功能性和结构组成，蛋白质改性因植物蛋白类型而异。例如，主要由紧凑球蛋白组成的豆类蛋白通常表现出有限的溶解性，并且需要更强烈的处理来实现结构展开，相比之下谷物或油籽蛋白。此外，疏水和亲水残基、二硫键模式和等电点的不同分布影响每种蛋白源如何响应物理、化学或酶改性。
3.1.2. 抗营养因子和致敏性
HHP处理在减轻抗营养因子、降低致敏性和改善植物蛋白消化性方面显示出有希望的潜力。这些改进主要归因于压力诱导的构象变化、非共价相互作用的破坏以及增强的蛋白质展开，从而暴露了先前不可及的位点用于酶促或生化反应。在分子水平上，高压破坏了紧密折叠的疏水核心，并破坏了稳定天然蛋白质结构的氢键和静电网络。这促进了水分子渗入蛋白质内部，增加了极性残基的水合作用，并削弱了围绕抗营养化合物或过敏表位的相互作用。结果，胰蛋白酶抑制剂、凝集素和植酸-蛋白复合物变得更容易解离或失活，而埋藏的肽键变得更容易被消化酶接近，共同改善了营养品质。一些研究表明，HHP处理通过结构变化降低了抗原性和致敏性。Yao等人（2022）的一项研究评估了不同水平的高静水压（200–500 MPa）、蛋白质浓度（1–5% w/v）和处理时间（5–25分钟）对小麦面筋结构的影响。他们发现，在静水压、蛋白质浓度和处理时间分别为400 MPa、3%和20分钟的组合下，致敏性降低了72.2%。这些结果表明结构改性可能降低面筋致敏性。奇异果甜蛋白样蛋白（TLP）具有促炎和致敏活性，存在于多种水果中。Y. Li等人（2024）证明了HHP（250–500 MPa，5–10分钟）对荔枝果实中奇异果甜蛋白样蛋白的影响。他们发现，通过不可逆地修饰其活性V-裂缝结构域，有效减轻了荔枝TLP的促炎活性，这由蛋白质印迹和ELISA证实。总的来说，这些发现强调，HHP诱导的结构展开和聚集可导致IgE结合表位的掩蔽或破坏，从而在不损害营养品质的情况下降低致敏潜力。然而，致敏性降低的程度高度依赖于蛋白源、压力强度、暴露时间和所涉及的致敏蛋白的分子特性。
3.1.3. HHP与其他方法在蛋白质改性中的整合
将HHP与其他物理、酶促或化学改性策略整合通常比单独应用单个处理产生更大的植物蛋白功能性改善。在多项研究中，出现了一个一致的趋势：HHP增加蛋白质结构流动性，增强酶可及性，并促进更具表面活性或生物活性的组分的形成，从而产生优越的乳化、起泡、抗氧化和凝胶特性。最常报告的协同策略之一是HHP辅助酶水解，其中压力诱导的展开暴露了切割位点和反应基团。这一机制已在多种植物蛋白中得到证明，包括大米、亚麻籽、鹰嘴豆、藜麦和芸豆蛋白。在所有情况下，HHP预处理导致更高的水解度，增加低分子量肽的产生，并增强抗氧化活性，突出了其加速酶反应和改善乳化系统中功能性能的能力。与物理技术的协同组合也产生了有希望的结果。Falade等人（2021）表明，将HHP与超声-微波辅助水解耦合显著改善了甘薯蛋白水解物的乳化和抗氧化特性，产生更小的粒径、更高的zeta电位和更大的界面肽吸附——这些是与稳定乳液相关的特征。HHP还与矿物质的添加有积极相互作用。例如，将HHP与钙强化结合通过促进交联界面膜和中等大小聚集体的形成，增强了大豆蛋白分离物的泡沫稳定性，导致泡沫体积和液体保留增加。这表明开发具有改善结构完整性的钙强化充气产品具有潜力。诸如pH偏移等化学方法也受益于HHP诱导的展开。Yildiz（2025）报告，将pH偏移与HHP整合显著改善了甜瓜籽蛋白的溶解性、消化性、乳化性能、凝胶行为、热稳定性，并减小了粒径，突出了组合静电和压力驱动机制的强烈影响。
3.1.4. HHP应用中的挑战
HHP是一种改变植物蛋白结构和功能性的非热方法；然而，存在几个限制HHP更广泛应用的局限性。首先，压力诱导聚集是一个大问题。当使用中等水平的HHP时，蛋白质结构可以展开，这允许更好的酶水解或溶解潜力。然而，较高的压力水平更常导致聚集，因为疏水和巯基的暴露和连接，从而阻碍了功能特性的任何判别性改善。例如，米糠蛋白最初在溶解性方面通过HHP改善了功能特性，但随后的更高压力导致蛋白质聚集，消除了通过蛋白质结构展开获得的益处。其次，是压力的相对水平。低于阈值水平施加的压力的细微差异意味着展开不足，而高于阈值值则意味着太多蛋白质结构聚集，功能改善丧失。已经注意到，对于大多数植物蛋白，最大功能响应可能发生在约300 MPa，而如果在高于400 MPa的压力下进行特定工作，功能改善可能会逆转。第三是压力下酶的稳定性影响，以及HHP辅助水解发生的条件。已发现同时施加压力可改善酶切割的可及性。在最佳压力下，酶保持结构完整，而底物变得更容易水解，导致反应速率提高和肽释放增加。然而，这种平衡难以维持，过高的压力迅速变得有害。高压会破坏酶结构，改变催化残基的取向，或破坏活性位点内的基本氢键。这种结构扰动降低了底物亲和力和催化周转率，最终降低水解效率。在更高压力下，许多酶经历不可逆变性，完全失去功能几何结构，使酶促过程无效。这种压力依赖性酶稳定性变化代表了工业应用的一个重要限制。选择具有足够压力耐受性的酶、定义最佳压力-时间组合以及防止酶失活仍然是设计HHP辅助蛋白质改性过程的持续挑战。此外，不同植物蛋白源在HHP下的可变性和不可预测性意味着功能性没有确定性；例如，植物蛋白源（藜麦、大豆、豆类）在溶解性、致敏性、消化性和对HHP的功能行为方面差异很大。
最后，规模化和成本代表了一些现实世界的挑战。工业HHP系统表现出高能耗、高固定资本足迹。如果没有明确的前竞争商业市场潜力优势超过热力和/或化学方法，尽管最终产品具有更好的营养和感官特性，HHP的使用可能仅限于寻求改善营养/疾病预防特性或感官方面的企业。已经提出了几种策略来减少HHP实施的财务负担。一种方法涉及工艺优化，如降低压力强度、缩短保压时间或在仍然诱导所需蛋白质改性的同时最小化能耗的中等压力下操作。设备设计改进，包括更高效的压力传输系统和连续流HHP反应器，也为节能和提高产量提供了潜力。此外，将HHP与互补技术（如超声、pH偏移或温和酶预处理）整合可能允许使用较低压力实现类似的结构和功能结果，从而降低运营费用。或者，新兴技术，包括脉冲电场、冷等离子体、超声处理和微波辅助加工，可能以较低的基础设施成本提供可比的蛋白质改性效果。
3.1.5. HHP改性的未来展望
HHP应用于植物蛋白改性的未来代表了非凡的机遇。一种方法是使用已建立的压力方案，识别精确的条件，如压力“脉冲”或多步过程，导致可逆且不聚集的展开状态。将HHP处理与可针对压力稳定性优化的酶混合物相结合，可以在保持酶活性的同时产生更大的水解产量。其他机会与基于新数据为每种蛋白质定义HHP有关，这些数据可用于藜麦、米糠、大豆、豆类等。了解每种蛋白质的压力限制及其功能响应，可以允许战略性设计加工技术，以最大化技术功能性，如溶解性、凝胶性、乳化性和消化性。HHP在致敏蛋白减少和改善营养特性方面也具有潜力。例如，HHP已被证明可降低大豆蛋白的致敏性，并改善谷物和豆类中的蛋白质消化性和生物活性肽的释放。进一步开发设计更好、更节能和连续流的HHP工业设备可以降低成本并可能促进大规模应用。HHP有机会与其他非热技术（如超声处理、温和热或酶处理）耦合，以在合理的成本和法规范围内协同改善任何益处。总体而言，通过适当校准的协议、蛋白质特异性定制和技术创新，HHP在推进可持续和高质量的植物蛋白配料和产品方面具有良好潜力。
3.2. 动态高压微射流（DHPM）
动态高压微射流（DHPM）是一种非热、环境友好的均质化技术，涉及高达250–300 MPa的压力（图4）。由于强剪切、高速冲击、高频振动、流体动力学空化和瞬时压降，DHPM提供了更高的能量密度。该过程通过产生机械力导致大分子破碎，从而减小植物蛋白颗粒的尺寸。这促进了颗粒-溶剂相互作用胜过颗粒间相互作用。
3.2.1. 对植物蛋白的机制效应
动态高压微射流（DHPM）施加强烈的剪切、湍流和空化力，共同诱导植物蛋白中显著的结构重组。最一致的结果之一是蛋白质聚集体的减少或解离，这减小了粒径并产生了更均匀的分散体。对紫苏、油菜籽和豌豆蛋白分离物的研究表明，60至120 MPa之间的压力大大降低了流体动力学直径并破坏了大的不溶性复合物，导致溶解性和表面活性的显著增加。这种解聚效应增加了可及表面积，并促进了与水、油和空气界面的更有效相互作用，有助于增强溶解性、乳化能力和起泡行为。除了粒径减小，DHPM还驱动二级和三级结构重排。在经受中等压力（90–120 MPa）的几种植物蛋白中观察到表面疏水性增加、巯基暴露以及从α-螺旋到富β-折叠构象的转变，反映了部分展开同时保持完整的初级亚基。这些构象转变暴露了先前埋藏在球状结构域内的功能残基，改善了界面吸附、凝胶行为以及对下游过程中酶切割的敏感性（图5）。DHPM削弱了非共价相互作用，包括疏水相互作用、氢键以及在某些情况下稳定不溶性复合物的二硫键连接聚集体。此外，DHPM通过修改蛋白质表面的电荷分布来改变静电相互作用。粒径的减小常伴随着zeta电位的变化——由于埋藏酸性残基的暴露常变得更负，或者在某些情况下，如果电荷中性基团主导新暴露的表面，则电荷减少。这些静电排斥的变化影响胶体稳定性，并且根据压力强度和環境條件可以增强分散或促进重新聚集。虽然在典型条件下共价主链断裂不常见，但DHPM可以通过改变蛋白网络内相互作用的平衡来改变热稳定性、胶体稳定性和流变行为。例如，油菜籽蛋白分离物中压力诱导的展开与凝胶化温度和粘弹性模量的变化有关，这是由于蛋白质-蛋白质缔合和分散行为的变化。然而，DHPM表现出阈值效应。中等压力增强功能特性，但过度剪切或反复通过可导致重新聚集、溶解性损失或部分结构损伤。这种平衡强烈依赖于蛋白质的内在特性（如球蛋白与清蛋白优势、半胱氨酸含量），以及环境因素如pH、离子强度、温度和蛋白质浓度。很少有研究量化这种平衡，或不同蛋白质聚集超过益处的阈值。富含球蛋白的分离物（大豆、豌豆、紫苏等）似乎与富含清蛋白的蛋白质或低半胱氨酸含量的反应不同。例如，具有更多二硫键形成残基的蛋白质可能通过DHPM后的新型交联表现出更多稳定化。但许多研究未报告详细的氨基酸组成或半胱氨酸含量，使得难以概括。参数如pH、离子强度、DHPM期间的温度、蛋白质浓度和其他溶质（盐、脂质）的存在调节结构结果，但通常未系统变化。这使得跨研究比较困难。展开后，蛋白质倾向于重新聚集。但动力学、热力学以及分子基础（哪些残基相互作用，哪种交联或非共价相互作用占主导）很少被深入探究。一般认为DHPM在典型条件下不切割肽键，但副反应（含硫氨基酸的氧化、脱酰胺等）在高剪切/局部加热下发生的情况少有数据。
3.2.2. 对技术功能特性的影响
提高蛋白质溶解性是通过DHPM减小聚集体尺寸、暴露亲水残基和减少疏水相互作用最稳健的改进之一。当处理参数（压力、通过次数）适中以避免不可逆聚集时，影响最强。然而，对于许多植物蛋白（豆类、油籽），溶解性改进不均匀。例如，一些分离物在pH 7–9时显示大幅增加，但在等电pH附近，益处下降。还有报告称，过度强烈处理导致重新聚集或溶解性损失。因此，参数优化（压力水平、通过次数和冷却）至关重要但在许多研究中未充分探索。DHPM通过多种机制途径增强乳化，包括降低乳液中的液滴尺寸、加速界面吸附、增加表面疏水暴露以及改善乳化剂膜粘弹性。在高压均质改进的双蛋白乳液系统中，液滴尺寸减小和更高的界面蛋白吸附导致更大的物理稳定性和改善的消化特性。然而，储存稳定性（乳析、聚结）有时滞后，除非使用其他稳定剂或适当的pH/离子强度条件。此外，一些蛋白质（尤其是已经严重变性的）改进不多，因为它们的界面灵活性低；刚性或聚集的蛋白质显示出较少增益。许多研究报告了植物蛋白基乳液在各种条件下的乳化活性和稳定性，包括储存、热处理和离子强度。通常，这些改进是在实验室规模、简化的系统中测量的，而不是在复杂的食品基质（可变pH、天然抑制剂、其他成分）中。在实际产品（调味品、植物奶、肉类类似物）中的行为可能差异很大。
起泡性对表面活性和膜形成都很敏感。DHPM倾向于通过增强更小的粒径（允许更快扩散到空气-水界面）以及暴露疏水和带电基团并改善膜强度来改善起泡能力。在通过较温和提取/改性获得与更强烈处理的植物蛋白的比较中，泡沫稳定性通常与保留灵活结构和适度展开而非完全变性相关。尽管如此，在动态条件（混合、加热、剪切）下的泡沫稳定性记录较少，且重处理可导致脆性膜或泡沫坍塌。形成具有所需机械强度、弹性、持水性和正确微观结构凝胶的能力取决于DHPM如何影响蛋白质间相互作用和网络形成。DHPM处理通过减小尺寸和改善分散，可导致更均匀的凝胶网络，通常具有更高的储能模量、改善的弹性和更好的持水能力。流变行为也被修改：预凝胶分散体的粘度降低、剪切下的流动行为改变以及热凝胶化温度的变化常被观察到。在持油/水方面，更小的液滴尺寸和更好的界面覆盖减少了油泄漏并改善了稳定性。
3.2.3. DHPM与其他方法结合
将DHPM与任何其他改性方法（如酶交联、多酚或多糖复合）同时引入会产生一些潜在的协同效应。DHPM可以影响结构（尺寸、展开、功能基团暴露），而潜在的协同方法可以稳定或交联和/或功能化。然而，专门使用此类组合的植物蛋白文献仍在涌现；批判性评估揭示了前景和空白。一个记录良好的例子是土豆蛋白分离物（PPI）在DHPM处理下与壳聚糖（CS）复合。适中的DHPM（60 MPa）减小了粒径，增加了表面电荷，提高了溶解性，并增强了PPI和CS-PPI复合物的乳化和起泡能力。CS的添加对分子损伤提供了保护作用，减轻了疏水残基的过度暴露，并改变了热稳定性。同一作者的相关工作阐明了在DHPM加CS下，氢键和疏水相互作用（而非共价修饰）如何形成具有改性热行为、粒径和表面特性的复合物。这些研究表明，多糖添加（如CS）有助于调节单独DHPM造成的结构损伤，将改性导向增强功能特性，同时控制不良聚集或展开。将DHPM与酶交联或水解专门结合在植物蛋白中的已发表工作较少。然而，最近的一些研究表明可行性。例如，一项研究中对豌豆蛋白分离物采用了DHPM加转谷氨酰胺酶（TG）组合，以生成用于Pickering乳液的PPI-TG复合物。在该工作中，DHPM提高了交联效率，产生了更均匀的颗粒形态，减小了粒径，调整了表面疏水性和荧光，并在120 MPa条件下改善了乳液稳定性。使用小分子相互作用物（多酚、芦丁等）与DHPM结合是另一个有前景的策略。一项关于小麦醇溶蛋白加芦丁结合DHPM的研究表明，芦丁添加改变了DHPM下醇溶蛋白的结构变化（氢键、疏水相互作用），并改善了乳化和流变特性。这表明，将DHPM与多酚结合可以超越单独DHPM改善功能特性。DHPM与多糖或交联剂结合的好处很大程度上取决于压力、通过次数、伙伴分子（如壳聚糖或酶）的浓度、pH和温度。过高的DHPM应力可能会覆盖保护作用并导致聚集或功能丧失。
3.2.4. DHPM应用的挑战和未来展望
虽然DHPM在调节植物蛋白结构和功能性方面提供了令人信服的优势，但几个关键挑战阻碍了其更广泛的采用。解决这些挑战对于从实验室规模成功转化到商业食品系统至关重要。尽管DHPM对连续加工有吸引力，但大多数研究仍局限于实验室或中试规模。放大涉及更高的能源需求、微通道磨损增加以及热管理问题，这些可能抵消非热加工的优势。如果没有详细的技术经济分析，DHPM用于大规模植物蛋白加工的可行性仍不确定。虽然DHPM避免了热加工的大体积高温，但强烈的剪切、空化和冲击固有地产生局部加热。如果控制不当，可能导致不良变性或聚集，抵消预期的结构改性。此外，重复通过或非常高的压力增加了能源消耗和设备成本。需要优化压力、通过次数、冷却和通道几何形状，以平衡有益展开与过度加工或损伤。在文献中，DHPM实验在压力水平、通过次数、蛋白质浓度、溶剂基质、温度控制和蛋白源方面差异显著。这种异质性妨碍了结果的直接比较和荟萃分析。例如，三级结构变化报告方式或功能性测量方式的差异阻碍了概括性结论的得出。虽然DHPM在尺寸减小、聚集体破坏和功能基团暴露方面的能力已充分记录，但建立特定结构变化（如α-螺旋→β-折叠转变、二硫键重排）与技术功能结果（如乳化能力、凝胶强度）之间的可预测联系仍不完整。没有这个预测框架，工艺优化仍然是经验性的，而非假设驱动的。不同的植物蛋白源（豆类、谷物、油籽、次要作物）呈现不同的天然结构、聚集状态和组成（例如，存在多糖或酚类物质）。因此，DHPM响应因底物而异，限制了通用性。此外，真实食品基质（存在脂质、盐、其他大分子）可能会减弱或改变DHPM效应。在现实基质（植物奶类似物、肉类类似物）中需要更多应用工作。DHPM诱导的结构改性可能影响消化性、致敏性、生物利用度或自由基/氧化产物的生成，但安全性评估有限。随着该技术应用于新型植物蛋白（包括未充分利用或废物来源的），需要解决监管和消费者接受问题。
未来对动态高压微射流（DHPM）的研究应从经验性研究转向机制更明确且更可持续导向的应用。应研究DHPM与其他改性方法（如酶水解、超声、脉冲电场或温和热预处理）的整合。这种方法可能产生协同效应，支持以更少能量输入实现最佳蛋白质展开、聚集和功能性。在一项研究中，DHPM和酶水解导致了更多肽释放和消化性，以及改善的营养生物利用度，这为创造营养丰富的植物性产品提供了机会。可能还有机会采用多尺度表征策略，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、圆二色光谱（CD）、小角X射线散射（SAXS）和分子动力学模拟，以产生定量的结构-功能关系。计算建模与实验方法的整合为从基于经验或共同开发的DHPM优化方法转向使用预测性理性设计提供了机会。在工业层面，工艺优化和中试规模建模对于将实验室可行性连接到商业应用至关重要。未来的研究应将DHPM工艺条件（如压力强度、通过次数、流速和冷却效率）与能耗、结构和技术功能性能联系起来。技术经济评估和生命周期分析（LCA）也可以提供相对于其他非热工艺（如高静水压或微射流基均质）的相对可持续性和成本效益的背景。因此，针对特定植物蛋白基质（包括大豆、豌豆、绿豆、大米和油籽蛋白）的DHPM工艺条件，以实现对所需特性的精确工程。基于机器学习的预测模型也可以加速优化，允许关联工艺条件和蛋白质构象及功能响应的转变。此外，还需要进行系统的营养和安全性评估，以衡量DHPM对致敏性、氧化稳定性和营养素保留的影响。虽然有越来越多的证据表明DHPM可以增强消化性和生物活性肽的产生，但仍与DHPM的长期营养安全性及其对消费者认知的影响有关。最后，DHPM应在循环生物经济的背景下考虑，特别是用于未充分利用或副产品蛋白源（如油籽粕、谷物麸皮或豆类残渣）的增值。这不仅增强了植物蛋白的技术功能性能，而且通过减少农工废物和改善资源利用促进了可持续性。总之，植物蛋白改性的DHPM未来将与互补技术紧密整合、预测性机制理解、工艺可持续性及其对绿色和循环食品系统全球战略的贡献密切相关。
4. HHP与DHPM的比较分析
虽然动态高压微射流（DHPM）和高静水压（HHP）都在高压条件下运行，但它们的机制、能量传递模式以及对植物蛋白结构的影响差异很大，导致不同的技术功能结果。HHP涉及通过液体介质传递的均匀、等静压压缩（100–600 MPa），主要诱导可逆变性、四级结构解离以及氢键和疏水力等非共价相互作用的改变。相比之下，DHPM在微通道内将瞬态压力梯度（高达300 MPa）与强烈的剪切、湍流和空化相结合，导致机械破坏、分子展开-再折叠和粒径减小。机制差异转化为不同的结构响应。HHP处理的蛋白质通常保留其一级结构，但经历部分展开，暴露反应基团，增强溶解性和凝胶性。DHPM由于更高的剪切和空化产生粒径减小和表面疏水性增加的更精细分散体，有利于乳化和起泡能力。然而，过度剪切也可能引起肽片段化或巯基氧化，不利影响稳定性。使用FTIR、DSC和内在荧光的研究表明，DHPM产生更大的分子灵活性，而HHP更好地保存蛋白质的天然构象和热稳定性。从技术功能角度来看，HHP对于结构化应用（如植物性肉类类似物中的凝胶化和组织化）特别有效，其中需要受控的蛋白质聚集。相反，DHPM对于胶体系统（如饮料）有利，其中改善的分散性和界面活性至关重要。尽管如此，由于研究中样品基质、处理循环和压力强度的差异，直接比较常受到阻碍。缺乏标准化的工艺条件限制了通用结构-功能关系的建立。关键的是，两种方法都面临操作限制：HHP是批处理的、能量密集型的，且不适合粘性系统，而DHPM尽管具有连续加工能力，但在高流速下可能诱导热热点和变性。未来的研究应强调使用相同蛋白质底物进行系统的、头对头的评估，以量化静水压力和动水压力之间的相互作用如何控制功能结果。两种处理的整合——HHP用于初始展开，随后DHPM用于分散——可能代表一种协同策略，用于在多样化的食品系统中定制植物蛋白功能性。
5. 结论
高压技术如HHP和DHPM为定制植物蛋白的结构和功能特性提供了强大工具。通过调节非共价相互作用、改变分子构象和改善蛋白质分散性，这些方法增强了溶解性、乳化性、起泡性和凝胶性，以支持它们融入多样化的食品系统。然而，这些改进的程度强烈依赖于工艺条件、蛋白源和组成因素，并且在展开和重新聚集之间取得适当平衡仍然是一个核心挑战。大多数发现仍来自受控的实验室研究，而非复杂的食品基质，并且在蛋白质系统之间响应差异很大。需要更详细的分子水平研究来阐明压力诱导变化的机制，并确定不同蛋白质的最佳工艺条件。实际障碍如高设备成本、能源需求和放大限制仍然是工业采用的重要障碍。需要继续努力改进压力-时间组合、理解蛋白质特异性响应并将高压处理与互补技术整合。这些领域的进展将支持在下一代食品应用中更可预测、高效和可持续地使用植物蛋白。
