《食品科学》：吉林农业大学张浩教授、吴玉柱讲师等：微波和远红外改性对玉米醇溶蛋白结构功能差异的影响

植物蛋白因其可持续性与营养价值，已成为食品工业领域的研究热点。玉米醇溶蛋白作为玉米深加工的副产物，占玉米蛋白总量的40%～50%，具有良好的生物相容性、成膜性及抗氧化潜力，在食品包埋、功能添加剂等方面展现广阔前景。然而，其分子结构中富含疏水性氨基酸，天然状态下通过分子内氢键与疏水作用形成紧密的α-螺旋为主的构象，导致其在水相体系中溶解度（PS）极低，乳化、起泡等功能特性薄弱，严重限制了其产业化应用。因此，通过改性处理调控玉米醇溶蛋白的构象结构，实现功能特性的定向优化，成为当前研究的核心需求。

蛋白改性技术主要包括化学改性、酶法改性以及物理改性。化学改性（如乙酰化、磷酸化）虽能改善蛋白功能特性，但存在化学试剂残留、安全性争议及环境污染等问题，限制了其在食品工业中的应用；酶法改性（如蛋白酶水解、转谷氨酰胺酶交联）具有特异性强、反应条件温和等优势，但酶制剂成本较高，且易导致蛋白过度降解。相比之下，物理改性（如微波（MW）、远红外（FIR）、超声、高压均质）通过非化学手段（热、机械、电磁等）作用于蛋白分子，具有绿色环保、无化学残留、成本低廉、可规模化生产等突出优势。

MW和FIR作为两种典型的热效应改性技术，均通过能量输入破坏蛋白次级键引发构象变化，但二者的能量传递机制存在本质差异：MW依赖高频电磁场使分子发生偶极转向与离子传导，实现瞬时、内部均匀的体积加热。FIR则通过分子共振吸收能量，以辐射传热方式实现温和、渐进的热渗透。现有研究多聚焦于单一改性方式对蛋白本身的影响，缺乏两种改性技术的系统性对比，且关于改性蛋白的相关研究对“改性→结构→功能”的内在关联阐释不足。吉林农业大学食品科学与工程学院的刘颜嘉、吴玉柱*和吉林农业大学小麦和玉米深加工国家工程研究中心的张浩*等人探讨MW与FIR对玉米醇溶蛋白结构调控的差异化规律，揭示结构差异与功能特性的内在机制，筛选两种改性方式的最优参数，旨在为玉米醇溶蛋白的功能化改性提供精准技术方案，推动玉米深加工副产物高值化利用。

1 不同改性方式处理后玉米醇溶蛋白CD光谱分析

使用CD光谱仪于远紫外区（190～250 nm）测定玉米醇溶蛋白的二级结构相对含量及构象变化。由图1可知，样品在207（酰胺键的π→ π * 跃迁）、222 nm（酰胺键的n→π跃迁）处存在α-螺旋特征双负峰，在195 nm左右有一个正峰，说明其具有α-螺旋构象的特征。与对照组相比，多数FIR组双负峰的平均摩尔椭圆率绝对值降低，呈现α-螺旋向β-折叠转化的趋势。FIR-80组双负峰的平均摩尔椭圆率高于对照组，为所有FIR组中最高值，表明其α-螺旋构象最为稳定。MW同样减弱α-螺旋特征，且模式与FIR组不同；MW-1 000的β-折叠特征峰信号增强，可能是肽链聚集形成β-折叠聚集体所致。

表1为FIR与MW改性处理的玉米醇溶蛋白的二级结构含量。对照组以高占比α-螺旋（40.42%）为核心特征，β-折叠（12.1%）与无规卷曲（20.24%）占比较低，符合其典型构象特征。MW处理诱导玉米醇溶蛋白发生显著的功率依赖性结构重排（P＜0.05）：低功率（MW-100）时，即出现α-螺旋含量下降，β-折叠含量上升的初始转化；随功率从300 W升至800 W，β-折叠含量持续上升，相对增幅达13.70%，蛋白逐步形成更为伸展有序的β-折叠结构；当功率进一步增至1 000 W，β-折叠含量转而下降，同时β-转角含量上升，蛋白结构趋向无序。FIR处理呈现不同演变特征：低温（FIR60、FIR-80）下α-螺旋含量下降，β-转角与无规卷曲占比上升，蛋白结构初步松动；FIR-100时α-螺旋占比降低至28.66%，β-折叠、无规卷曲占比分别升至20.87%、27.41%，α-螺旋向β-折叠及无规卷曲的大量转化驱动蛋白完成深度去折叠与结构重构，此结果与Badgujar等报道的结果类似；FIR-120时，α-螺旋回升、β-折叠下降，表明过度热处理破坏了前期形成的有序结构，蛋白构象松散蜷缩。故FIR改性的最优效果（FIR-100）优于MW改性（MW-800），前者β-折叠占比（20.87%）高于后者（19.25%），α-螺旋解旋更充分。

2 不同改性方式处理后玉米醇溶蛋白的UV-Vis分析

UV-Vis通过检测280 nm处的特征吸收，可反映蛋白分子中疏水残基的暴露程度。玉米醇溶蛋白天然结构中，疏水性的Trp、Tyr、Phe残基因疏水作用被包埋于分子内部，故对照组紫外吸收弱。如图2所示，FIR与MW改性后，280 nm特征吸收峰增强且无明显蓝移/红移，表明改性破坏了维持蛋白天然构象的氢键和疏水键，使疏水残基暴露，同时未损伤芳香族氨基酸的共轭体系，吸光度变化仅源于残基暴露量差异，而非发色团结构改变或微环境极性剧烈波动。两种改性方式的构象变化机制存在差异：MW处理下280 nm处吸光度随功率升高呈先升后降趋势，MW-800时残基充分暴露，吸光度达峰值；MW-1 000时过度能量引发疏水残基聚集，部分发色团重新被包埋，吸光度回落。FIR改性更温和复杂，FIR100吸光度高于FIR-120，原因在于临界条件下FIR热效应与分子共振适度减弱疏水键、促进残基暴露；而FIR-120的蛋白疏水残基发生弱聚集，同时过度热处理可能诱导美拉德反应遮蔽吸收基团，最终导致吸光度下降。

3 不同改性方式处理后玉米醇溶蛋白的FTIR分析

如图3所示，在3 600～3 300 cm －1 的宽吸收带为N—H、O—H伸缩振动特征峰，反映蛋白质的水合状态及分子间氢键作用。MW处理中，功率升至800 W时，吸收峰蓝移锐化，可能是强偶极转向效应破坏蛋白质聚集体强氢键网络，使束缚态基团转为自由态；MW-1 000组峰位红移，是极性基团重新形成结合更紧密的分子间氢键所致。与MW的快速强制脱水不同，FIR的共振效应调控蛋白周围水分子分布，温度达100～120 ℃时，峰形不对称拓宽，伴随有序脱水与分子间氢键重构。

酰胺I带（1 700～1 600 cm－1）是FTIR中蛋白质C＝O伸缩振动与C—N拉伸和N—H弯曲弱耦合的特征吸收带。该波段在二级结构分析中最为常用，且对蛋白质的构象改变具有高度敏感性。MW-800、MW-1 000、FIR-100在3 600～3 300 cm－1和1 700～1 600 cm－1处的吸收峰明显增强，可能是经过热处理的玉米醇溶蛋白分子间氢键和C＝O键的伸缩振动加强。

4 不同改性方式处理后玉米醇溶蛋白微观结构分析

SEM通过电子束扫描样品表面，可直观表征样品的孔隙、表面粗糙度及聚集状态。如图4所示，对照组呈现为表面光滑且边缘锐利的片状结构。MW改性玉米醇溶蛋白的形貌随着功率增加呈现规律性变化：在MW-100～MW-500，蛋白颗粒表面开始变得粗糙，且出现少量孔隙结构；MW-800致密的块状结构解离，转变为由粗糙颗粒聚集而成的多孔松散三维网络结构。这一结构特性为蛋白质提供了更大的比表面积，直接印证了2.3节中FTIR中观察到的氢键断裂。这种多孔网状结构还能提升蛋白质在水相中的分散性和对功能成分的包埋能力。MW-1 000形貌重新变得致密，但并未恢复到原始状态，而是形成表面粗糙的不规则大尺寸片层。这证实了MW在高功率下会导致蛋白质的过度变性、聚集，这与SunXiaohong等的结果类似。FIR改性玉米醇溶蛋白的形貌演变则呈现出不同的特征，在低温下，FIR-60至FIR-100蛋白形貌与对照组相比变化不大，仅表面略有粗糙化，这一现象进一步佐证了FIR改性能量传递较为温和的特点。高温下，FIR-120的蛋白颗粒的完整性被破坏，形成更为均一、连续且平坦的片层状结构，蛋白结构的致密性提高。

5 不同改性方式处理对玉米醇溶蛋白热稳定性的影响

通过DSC图谱（图5）可知，对照组在一定的温度范围内（100～120 ℃）出现一个最大特征峰。DSC图谱里最大特征峰的对应温度，是衡量蛋白质变性温度的关键指标——峰值变性温度（ T p ）。较高的特征峰温度意味着蛋白质需在更高温度条件下才会发生结构变性，直观反映蛋白质结构的稳定性。由图5可知，无论是MW还是FIR处理， T p 均高于对照组，表明FIR与MW改性均可有效提升玉米醇溶蛋白的热稳定性；FIR组 T p 随处理温度升高先升后降，FIR-100的 T p 达峰值（117.62 ℃），FIR-120的 T p 回落，这是因为过度增加热处理温度会破坏维系蛋白结构的化学键与分子间作用力，使其难以形成稳定网状结构；MW的 T p 变化趋势与FIR组相近， T p 随功率增大而升高，从MW-100时的107.59 ℃上升至MW-500的111.02 ℃，并在MW-800达到组内最高值（113.18 ℃），这可能是因为高MW功率产生的热效应和电场效应引起蛋白分子交联聚合，使热稳定性增强；而MW-1 000时的 T p 受超高功率引起的过热效应再次下降，推测是过热效应破坏了蛋白分子的交联结构。整体来看，最优条件下FIR改性提升热稳定性的效果优于MW改性，且过度改性时对蛋白结构的破坏更温和。

6 不同改性方式处理对玉米醇溶蛋白PS的影响

玉米醇溶蛋白的PS是其功能特性的重要指标。如图6所示，对照组的PS仅为6.77%，与其天然构象中疏水氨基酸丰富、分子内相互作用紧密的特性相符。与对照组相比，除MW-100组，其他改性处理组的PS均显著增强（P＜0.05）。FIR温度由60 ℃升至100 ℃，其PS从18.42%升至峰值48.93%，这一趋势表明适度处理诱导蛋白质解折叠，亲水性氨基酸残基暴露，增强了与水分子的作用。温度升至120 ℃时，PS降至40.52%，是由于过度热处理导致蛋白非天然再聚集，形成不溶性聚集体，这一现象与López等所述一致。MW改性下，功率由100 W提高至500 W，PS提升有限（6.85%～12.67%），其中MW-100无显著提升（P＞0.05）。功率升至800 W时，PS达峰值25.87%，但仍远低于FIR最优条件。功率增加至1 000 W时，PS反而下降至20.42%。这种非线性变化可能与MW加热的独特机制有关：初期处理使蛋白质适度展开，高强度处理则因瞬时过热导致蛋白质快速变性并形成致密聚集体。

7 不同改性方式对玉米醇溶蛋白EAI和ESI的影响

EAI用于评价蛋白质在油-水界面快速吸附并形成稳定乳液的能力，而ESI则反映其维持乳液滴长期稳定的性能。PS是EAI的重要前提，一定范围内PS越高，界面吸附效率越高。如图7所示，FIR组和MW组的玉米醇溶蛋白EAI显著高于对照组（P＜0.05）。其中，FIR组EAI整体更优，FIR-100组EAI达到29.75 m 2 /g ，为所有处理组中最高值，这与温和加热提升蛋白PS、增强界面吸附效率直接相关。而FIR-120或MW-1 000时EAI下降，前者因蛋白过度聚集导致PS降低，后者因结构展开不足使PS提升有限，均减弱了蛋白质的界面吸附能力。MW高功率组（MW-800、MW-1 000）ESI显著优于对照组及FIR组（P＜0.05），其中MW-1 000组ESI为51.79 min，为所有处理组中最高值；MW-800组ESI为48.9 min，表现出优异的乳化稳定性。这是由于MW-800的α-螺旋占比较对照组适度下降、β-折叠占比显著提升（P＜0.05），舒展构象暴露的疏水残基与β-折叠的有序排列共同增强了界面膜稳定性。而其他组ESI均低于对照组。其中FIR-100的无规卷曲占比偏高，过度柔性的界面膜易破损，ESI为所有组中最低；FIR中低温组（FIR-60、FIR-120）的β-折叠占比远低于对照组，界面膜缺乏刚性支撑；MW低功率组（MW-100、MW-300、MW-500）则因α-螺旋解旋不充分或β-折叠占比不足，蛋白在界面排布松散，无法形成稳定膜结构。

8 不同改性方式对玉米醇溶蛋白WHC和OHC的影响

WHC反映蛋白质与水分子的结合能力，而OHC是衡量蛋白质结合并保留油脂能力的关键功能指标，二者均影响蛋白质在食品体系中的质构和口感。WHC与蛋白结构（构象柔性、氢键网络及聚集状态）变化有一定相关性。如图8所示，FIR组WHC呈先升后降趋势：温度从60 ℃升至100 ℃，WHC从38.27%升至峰值47.05%（较对照组提升18.72%）；当温度为120 ℃时，WHC降低至44.03%，其核心机制与分子间氢键重构直接相关，这与2.3节FTIR分析结果一致。MW组WHC提升平缓且低于FIR组峰值：功率由100 W升至800 W时，WHC从31.62% 升至35.79%，较对照组提升7.46%；功率为1 000 W时，WHC降至32.84%，可能是因MW在高功率下的瞬时过热效应引发蛋白局部不均匀聚集，包埋亲水基团并破坏了蛋白的水合网络。

OHC是衡量蛋白质结合并保留油脂能力的关键功能指标。如图9所示，FIR与MW改性均显著提升玉米醇溶蛋白的OHC（P＜0.05）。FIR组OHC呈先升后降趋势：温度从60 ℃升至100 ℃，OHC从36.41%升至峰值（54.97%），较对照组提升28.12%，这是由于大量疏水残基的暴露，进而增强对油脂的吸附能力；而FIR-120组的过度热效应导致蛋白疏水聚集，OHC下降。MW组OHC提升有限且规律复杂：功率从100 W提高至800 W，OHC从29.40%升至最优值（37.54%），较对照组提升10.69%，随后下降至35.68%。这一变化反映了MW改性的两阶段效应：低功率下MW温和破坏次级键，蛋白链适度展开，提升OHC；高功率下瞬时过热诱导蛋白不可逆聚集，严重削弱持油能力。

9 不同改性方式对玉米醇溶蛋白的FC和FS的影响

FC代表蛋白吸附于气-液界面形成泡沫的潜能，主要与蛋白质的界面蛋白的PS、构象柔性及疏水基团暴露量相关，而FS则是蛋白维持泡沫结构稳定的能力，主要取决于蛋白质氢键强度、三维网络完整性及界面膜强度。由图10可知，所有改性样品的FC和FS均显著优于对照组（P＜0.05）。MW组FC呈先升后降趋势：功率从100 W提高至800 W，瞬时高温破坏蛋白天然结构，使其舒展并暴露疏水与极性基团，实现FC与FS协同提升，其中MW-800组FC达到82.46%，FS为85.58%，为所有处理组中最优；而MW-1 000的过强能量引发蛋白过度聚集，破坏其两亲性结构，导致FC下降。相比之下，FIR的温和穿透性加热通过均匀断裂氢键，使蛋白结构适度柔性舒展，温度从60 ℃升至100 ℃，FC随之提升；其中FIR-80的FC并非组内最高，但因易形成强分子间作用的界面膜，展现出优异FS。FIR-120的FC呈下降趋势，过度的FIR改性导致蛋白部分聚集，使起泡性能受到抑制。

10 结论

本研究系统对比了MW与FIR物理改性对玉米醇溶蛋白结构与功能特性的影响。与对照组相比，结构方面，两种改性均打破天然蛋白高α-螺旋构象，驱动结构重构：CD光谱结果显示α-螺旋占比下降、β-折叠占比升高；UV-Vis 280 nm吸光度增强，表明疏水残基暴露且共轭体系完好；FTIR揭示3 600～3 300 cm －1 区间氢键重排、1 700～1 600 cm －1 酰胺I带吸收增强，印证构象与官能团振动关联；扫描电镜显示过度改性会使蛋白质聚集。功能方面，改性组均显著优于对照组（P＜0.05）。FIR-100在热稳定性、PS、WHC、OHC及乳化活性上最优，MW-800在ESI、FC和FS上优势显著。综上，本研究的结果将为玉米醇溶蛋白在食品中的应用提供理论依据。

作者简介

通信作者：

吴玉柱，吉林农业大学食品科学与工程学院，硕士生导师，吉林大学博士，主要研究方向为粮食和农副产品的干燥储藏及相关装备开发。主持省级项目2 项，参与国家基金、重点研发计划等省部级项目10余项，近5年第一作者和通信作者发表SCI/EI期刊检索论文10余篇，其中Top期刊2 篇，中文领军期刊2 篇，授权专利4 件，以参加人身份获得省科技进步一等奖1项。

第一作者：

刘颜嘉，吉林农业大学食品科学与工程学院，硕士研究生，主要研究方向为植物蛋白改性、食品胶体与功能特性、玉米深加工。

引文格式：

刘颜嘉, 李倩倩, 王羽, 等. 微波和远红外改性对玉米醇溶蛋白结构功能差异的影响[J]. 食品科学, 2026, 47(9): 261-269. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251119-148.

LIU Yanjia, LI Qianqian, WANG Yu, et al. Effects of microwave and far-infrared modifications on structural and functional properties of corn zein[J]. Food Science, 2026, 47(9): 261-269. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251119-148.

实习编辑：俞逸岚；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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