食源蛋白淀粉样纤维及其在食品中的应用研究进展
——东北农业大学隋晓楠教授课题组
本文于《未来食品科学》期刊正式出版
研究背景
食源蛋白淀粉样纤维是以食品中天然蛋白为原料,经一定条件加工处理后得到的一种富含交叉β-折叠结构的蛋白聚集体。随着科学界对淀粉样蛋白纤维研究的不断深入,人们发现在食品领域,β-乳球蛋白、大豆蛋白、小麦蛋白、玉米蛋白和大米谷蛋白等在特殊实验环境或者加工过程中能够形成富含交叉β-折叠结构的纤维状蛋白,这一发现为天然食品蛋白制备食源蛋白淀粉样纤维奠定了基础.淀粉样蛋白纤维具有高杨氏模量、高拉伸强度、高疏水性、优异的稳定性和界面特性、抗氧化和抗菌活性等性质。优良性质的食源蛋白淀粉样纤维在食品行业中的未来应用将有利于推动功能性食品的开发和食品工业的发展。因此,对食源蛋白淀粉样纤维及其在食品领域的应用研究进展进行综述具有重要意义。1食源蛋白淀粉样纤维的来源与形成
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（点击图片放大查看）食源蛋白淀粉样纤维的原料来源十分广泛。研究表明,牛乳、鸡蛋、豆类、大米等食品中的蛋白质如β-乳球蛋白、小麦蛋白、溶菌酶蛋白、乳清分离蛋白、大豆分离蛋白、豌豆蛋白、米糠蛋白等均可形成食源蛋白淀粉样纤维(图1)。
不同食源蛋白淀粉样纤维的制备方法及形貌学观察结果如表1所示。WanZhili等用6mol/L盐酸调节大豆球蛋白溶液pH值至2.0,离心并去除杂质后以r/min速率连续搅拌,在85℃条件下加热20h,得到长2.3μm、宽1~10nm的大豆球蛋白蛋白淀粉样纤维。Humblet等用1mol/L盐酸调节卵清蛋白溶液的pH值至2.0,4℃搅拌过夜,离心并去除杂质后连续搅拌,在80℃条件下加热3h,得到外轮廓长度0.1~1μm、直径1~10nm的半柔性纤维。
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如今食源蛋白淀粉样纤维形成机制的研究越来越多,近年来研究数量稳步提升(图2A)。在食源蛋白淀粉样纤维形成机理的研究中,目前至少有3种不同的分子机制来阐释及定义食源蛋白淀粉样纤维化：成核聚合作用;成核构象转变机制;自上而下聚合作用。食源蛋白淀粉样纤维在被组装之前一般先发生部分变性,三级结构展开,β-折叠相互接触并形成氢键。在酸性条件下,人们认为蛋白质受静电相互作用、氢键、疏水相互作用等的影响发生成核聚合作用,从而形成食源蛋白淀粉样纤维(图2B)。例如溶菌酶蛋白单体通过非共价相互作用聚合形成富含交叉β-折叠结构的低聚物,当这种低聚物达到一定浓度时就开始发生纤维成核化,一旦核心区域达到临界尺寸,则发生不可逆组装过程,低聚物逐步聚合到纤维末端,最终形成具有高长宽比的成熟食源蛋白淀粉样纤维。
2食源蛋白淀粉样纤维的结构特征与理化特性
2.1食源蛋白淀粉样纤维的结构特征
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在食源蛋白淀粉样纤维的形成过程中,虽然实验条件差异会在一定程度上影响其内部结构的组成,但在原子尺度上拥有相似的交叉β-折叠结构,这种结构中β-折叠层平行于纤维轴,单个片层中β-折叠结构垂直于纤维轴排列。虽然主链上由氢键稳定的单个β-折叠层容易形成或破裂,但相互交叉的双β-折叠层由于受到附加力的作用,结构变得十分稳定.许多食源蛋白淀粉样纤维带有较高的芳香基团相互作用倾向,这使得带电残基能够稳定反平行层状结构。此外,在食源蛋白淀粉样纤维的形成过程中,许多单个淀粉样蛋白层层交错排列形成原丝,多个原丝横向结合或相互缠绕形成一个食源蛋白淀粉样纤维(图3)。除了这些典型特征外,由于淀粉样蛋白中肽构象或堆积方式的不同、构成食源蛋白淀粉样纤维的原丝数量和排列方式存在差异等,最终形成了食源蛋白淀粉样纤维的多样性。
2.2食源蛋白淀粉样纤维的理化特性
食源蛋白淀粉样纤维的典型特征是其长宽比较高,这种特征使食源蛋白淀粉样纤维在较低的体积分数下就能形成空间填充网络,增加体系黏度,从而有望成为一种高效泡沫或乳液胶凝剂、食品增稠剂、稳定剂或形成水凝胶。随着剪切速率的提高,食源蛋白淀粉样纤维团聚体会逐渐解缠并重新排列,溶液表现出剪切稀化的特征。在蛋白质形成食源蛋白淀粉样纤维的过程中还会引起界面性质的变化,如气—水界面吸附动力学的不同;食源蛋白淀粉样纤维和多肽聚集可以形成更有凝聚力的界面,这使得形成的界面层具有类固体般性质稳定且弹性较高。
此外,食源蛋白淀粉样纤维的自身结构使其具有一些独特特征,如形成交叉β-折叠结构的能力、高疏水性和低电荷等。食源蛋白淀粉样纤维中交叉β-折叠结构的有序排列使得食源蛋白淀粉样纤维表现出纤维特性、不溶性和抗蛋白水解特性。此外,食源蛋白淀粉样纤维侧链之间还存在着广泛的氢键,导致淀粉样纤维可能是多肽结构中最稳定的聚合物,因此通常具有比球状蛋白更高的热抗性。在食源蛋白淀粉样纤维形成过程中,蛋白质疏水部分被埋藏在核心中,因此表面疏水性较高,很容易通过疏水相互作用与疏水性生物活性物质相结合,用于包埋药物或活性成分,改善物质的生物活性,提高其水溶性、稳定性和生物利用度。
食源蛋白淀粉样纤维在形成过程中需要加热,在此期间蛋白质单体展开、水解、组装成食源蛋白淀粉样纤维,此过程中会发生一系列复杂的物理和化学反应,使蛋白质结构受到破坏,最终可能导致一些食物蛋白质的致敏性降低。在蛋白质形成食源蛋白淀粉样纤维的过程中界面性质会发生变化,界面膜会带上静电并形成稳定的空间位阻,使得食源蛋白淀粉样纤维表现出较强的氧化稳定性和抗氧化能力。
3食源蛋白淀粉样纤维在食品领域中的应用
3.1表面活性物质
3.1.1改善发泡性能
由于泡沫能够赋予产品特殊的质构、外观和口感,已成为许多食品的重要组成部分。蛋白质可作为表面活性成分形成高弹性的界面膜,防止泡沫的聚集、粗化。研究表明,与天然蛋白相比,食源蛋白淀粉样纤维能更好的改善食品的发泡性能,包括促进泡沫的形成以及提高其稳定性,例如即使在蛋白质含量相对较低的情况下,乳清蛋白淀粉样纤维也能成为一种高效发泡剂,其发泡性能可与传统发泡剂蛋清相媲美。食源蛋白淀粉样纤维除了可以改善食品的发泡性能,还可以起到稳定泡沫的作用。然而在实际加工过程中往往需要高浓度蛋白质来稳定泡沫,这大大增加了生产成本,并限制了其在食品工业中的应用。
3.1.2乳液稳定剂
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乳液中的乳化剂能够吸附在新形成的细小油滴的油水界面上,防止相邻油滴相互粘连或结合成更大的油滴。食源蛋白淀粉样纤维可作为乳化剂用于水包油乳液。Serfert等通过对样品进行流变学特性分析发现,食源蛋白淀粉样纤维体系的油水界面处弹性模量显著较高,从天然乳清分离蛋白的8~17mN/m提高到了28~35mN/m,而相位角从18.0°降至5.7°,这表明在含油量固定的情况下,乳清分离蛋白淀粉样纤维比天然乳清分离蛋白具有更好的乳化活性。在乳化过程中蛋白纤维会受到缩短纤维长度的高速率剪切力作用,而覆盖在小油滴周围的纤维碎片可能比长纤维更利于乳液界面的稳定(图4A)。
目前,在食品工业生产中由于无机胶体粒子生物相溶性、可降解能力和安全性较差,其作为乳化剂的应用前景仍尚未明确,而消费者对纯天然食品需求的日益增加,使得食源蛋白淀粉样纤维乳化剂在未来具有较大的应用潜力。
3.2增稠剂和质构改良剂
胶凝特性是食物蛋白最重要的功能特性之一。食源蛋白淀粉样纤维能够在较低浓度下增加体系黏度,改善产品质构特性,可应用于食品领域中,特别是液态食品和低热量食品。WuXiaoli等研究发现,通过酸诱导凝胶化制得的乳清蛋白淀粉样纤维聚集体凝胶强度高于球状聚集体;此外,纤维状聚集体经过硫代化后可以在较低的蛋白含量下形成凝胶,并增强凝胶强度。
3.3生物活性物质递送系统
目前,将蛋白质纳米颗粒用于药物和食品的生物活性成分递送引起了人们较大的兴趣。食源蛋白淀粉样纤维耐热耐酸碱,引入后可以保护药物和敏感性生物活性物质在加工、贮存过程和胃中等恶劣条件下不被降解,如壳聚糖包被的乳清蛋白淀粉样纤维水凝胶被用于对十二指肠靶向输送人体所需元素和生物活性化合物。除形成水凝胶外,由于食源蛋白淀粉样纤维具有优异的乳化和成膜特性,已被用于单独或与其他生物聚合物结合生产微胶囊。其中采用基于β-乳球蛋白、大豆分离蛋白和卵清蛋白的淀粉样蛋白纤维形成的微胶囊已被用来包埋生物活性化合物,如鱼油和柠檬烯。
Shimanovich等以天然蛋白溶菌酶为原料,经处理后形成食源蛋白淀粉样纤维,通过形成油包水乳液制得中空凝胶壳以及形成水包油乳液制得单分散微凝胶,并利用微射流技术控制胶凝尺寸在2~60μm之间;溶菌酶淀粉样纤维所负载的微凝胶表现出的抗菌活性显著增强;与相同含量抗生素的抗菌活性比较可知,微凝胶的抗菌活性在低凝胶和高凝胶浓度下分别提高了20％、60％(图4B)。Shimanovich等采用预先添加蛋白形成微胶囊之后经加热形成食源蛋白淀粉样纤维的方法同样制得了食源蛋白淀粉样纤维微胶囊(图4C)。虽然食源蛋白淀粉样纤维作为活性物质的递送系统具有很多优势,但仍要注意的是,由于被包埋物质的亲水性和蛋白质亲和力等性质的不同,活性物质释放速率和时间的差异明显,但可以通过调节食源蛋白淀粉样纤维与游离蛋白或多肽的比例或凝胶网络的密度来控制包埋物质的释放速率。食源蛋白淀粉样纤维因其具有可食用性,因此在未来药品和食品工业中用作物质输送系统具有广阔的发展前景。
3.4抑菌水凝胶与纳米薄膜
水凝胶具有交联聚合物网络结构可保持大量水分,它们被认为是保护和控制释放生物活性物质和矿物质等微量营养素的理想基质。食源蛋白淀粉样纤维通过与小分子多酚发生非静电物理相互作用,可以实现可逆水凝胶的制备。可逆水凝胶具有剪切稀释性、可逆性和耐热性等理想性质,并且食源蛋白淀粉样纤维与其及多酚的聚合体均能使细胞膜崩解而显示出对革兰氏阴性和革兰氏阳性菌的有效抗菌活性。
3.5抗氧化剂
随着生活节奏的加快、电子产品的大量使用等,人体饱受外界环境的侵蚀,导致生成过量的自由基,因此能清除自由基的抗氧化产品逐渐受到人们的追捧。Mohammadian等研究表明,蛋白质的抗氧化能力在形成食源蛋白淀粉样纤维后进一步提高。
食源蛋白淀粉样纤维体系能够提高食品的抗氧化活性,这可能与纤维形成过程中热处理和酸性环境导致蛋白构象改变及蛋白或多肽水解有关,但目前相关研究仍然较少。食源蛋白淀粉样纤维系统中存在的未转化多肽对其相关特性均具有一定的辅助作用,也许在实际应用中可免去纤维的分离提纯,从而降低生产成本,因此有待进一步研究。
结语
本文总结归纳了食源蛋白淀粉样纤维的形成机理与理化特性,综述了其在食品工业中的应用研究进展。在未来食源蛋白淀粉样纤维可用于形成各种功能特性的生物材料。与基于合成聚合物的传统凝胶不同,食源蛋白淀粉样纤维微凝胶可以通过自组装方式来增加其核心区域的丝状网络密度,最终形成可调节的动态材料,可以通过此特性调节其化学稳定性或反应性.通过添加食源蛋白淀粉样纤维可制备具有不同微观结构和流变性质的纤维水凝胶。
此外,由于食源蛋白淀粉样纤维具有众多独特的理化特性使其可应用于多个领域。例如良好的质构特性可使食源蛋白淀粉样纤维用于低热量与功能性食品的开发;食源蛋白淀粉样纤维可在较低成本条件下对食品进行增稠和质构改良,在脂肪替代和人造肉等方面具有一定的发展潜力。
相关研究表明,食源蛋白淀粉样纤维的功能特性和形态结构之间存在密切联系,但是这些研究更多采用的是只有少量影响因素的简单模型,而要精确食源蛋白淀粉样纤维在复杂食品体系中所发挥的作用,仍需要进行更多的研究予以支撑,因此要加快食源蛋白淀粉样纤维的产业化进程,最终实现其高值化利用。
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嗯，就这么简单！
团队主要负责人简介
隋晓楠教授
东北农业大学食品学院
博导，食品学院粮食工程系副主任。国家优秀青年科学基金获得者，国家人社部高层次留学人才，获得国家教育部“霍英东青年教师”基金、入选中国科协“青年人才托举”工程，黑龙江省青年“龙江学者”，黑龙江省“头雁计划”骨干。担任JournalofFoodBiochemistry编委、Molecules编委、未来食品科学杂志编委。主要从事大豆蛋白质高值化加工与利用、食品功能因子研发、蛋白质与多酚互作机理研究等领域的科研与教学工作。主持国家自然科学基金“面上项目”和“青年基金”，国家重点研发计划子课题、中国博士后面上“一等资助”和“特别资助”。以第一或通讯作者在AnnualReviewofFoodScienceandTechnology、TrendsinFoodScienceandTechnology、ACSSustainableChemistryEngineering、JournalofAgriculturalandFoodChemistry等期刊上发表SCI论文33篇，总引用余次。出版英文独著1部，英文专著2部，中文专著2部。团队或实验室简介
团队研究方向：大豆蛋白质高值化加工与利用、大豆蛋白质结构与功能研究
代表性成果：大豆蛋白质分子结构与功能研究、多酚类物质研究
团队成员：共22人，其中博士6人，博士后1人。
代表性科研成果：
代表性著作
[1].英文独著，ImpactofFoodProcessingonAnthocyanins，德国Springer施普林格出版集团
[2].英文专著，AnthocyaninsinFood,EncyclopediaofFoodChemistry,Elsevier出版集团
[3].英文专著，GrainandGrainProductsSafety,FoodSafetyinChina:Science,Technology,Wiley出版集团
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[5].传统豆制品加工工艺学，中国林业出版社
代表性论文
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