低聚糖改性对蛋清蛋白凝胶性影响研究进展.pdf

基金项目:黑龙 江 省“百 千 万”工 程 科 技 重 大 专 项(编 号:Z X B )作者简介:张根生,男,哈尔滨商业大学教授,硕士.通信作者:费英敏(),女,黑龙江民族职业学院副教授,硕士.E m a i l:d d h g k c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()低聚糖改性对蛋清蛋白凝胶性影响研究进展P r o g r e s s i n t h ee f f e c t o f o l i g o s a c c h a r i d em o d i f i c a t i o no ng e l a b i l i t yo f e g gw h i t ep r o t e i n张根生ZHANGG e n s h e n g苏文文S U W e n w e n徐桂杨XUG u i y a n g孙立瑞S UL i r u i费英敏F E IY i n g m i n(哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江 哈尔滨 ;黑龙江民族职业学院,黑龙江 哈尔滨 )(C o l l e g eo fF o o dE n g i n e e r i n g,H a r b i nU n i v e r s i t yo fC o mm e r c e,H a r b i n,H e i l o n g j i a n g ,C h i n a;H e i l o n g j i a n gV o c a t i o n a lC o l l e g e f o rN a t i o n a l i t i e s,H a r b i n,H e i l o n g j i a n g ,C h i n a)摘要:蛋清蛋白是一种营养价值丰富,具有多种功能特性的优质蛋白.低聚糖可通过糖基化反应与蛋清蛋白共价结合,其偶联物的功能特性较天然蛋清蛋白有所改善.文章综述了低聚糖蛋清蛋白偶联物的凝胶机理,探讨了低聚糖改性蛋清蛋白凝胶的影响因素,梳理了低聚糖对蛋清蛋白功能特性产生的影响,并对低聚糖改性蛋清蛋白的加工应用进行了展望.关键词:蛋清蛋白;低聚糖;糖基化;凝胶特性A b s t r a c t:E g gw h i t ep r o t e i ni sah i g h q u a l i t yp r o t e i nw i t hh i g hn u t r i t i o n a lv a l u ea n d a v a r i e t y o ff u n c t i o n a lp r o p e r t i e s T h eo l i g o s a c c h a r i d e sc a nb ec o v a l e n t l yb o u n dt o t h ee g gw h i t ep r o t e i nt h r o u g ht h eg l y c o s y l a t i o nr e a c t i o n,a n dt h ef u n c t i o n a lp r o p e r t i e so f t h ec o n j u g a t e sw e r ei m p r o v e dc o m p a r e dw i t ht h en a t u r a le g gw h i t e p r o t e i n I n t h i s r e v i e w,t h e g e l m e c h a n i s mo fo l i g o s a c c h a r i d e e g gw h i t ep r o t e i nc o n j u g a t e sw a sr e v i e w e d,a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fo l i g o s a c c h a r i d e m o d i f i e de g ga l b u m i ng e l sw e r ed i s c u s s e d M o r e o v e r,e f f e c t so fo l i g o s a c c h a r i d e so nt h ef u n c t i o n a l p r o p e r t i e so fe g ga l b u m i n sw e r es u mm a r i z e d,a n dt h ep r o c e s s i n g a n d a p p l i c a t i o n o f o l i g o s a c c h a r i d e m o d i f i e d e g ga l b u m i nw e r ep r o s p e c t e d K e y w o r d s:e g g w h i t ep r o t e i n;o l i g o s a c c h a r i d e s;g l y c o s y l a t i o n;g e l p r o p e r t i e s蛋清蛋白(e g gw h i t ep r o t e i n,EWP)是位于蛋黄与蛋壳之间,由蛋白质组成的透明胶质物,具有凝胶特性、乳化特性和起泡特性等多种功能特性.蛋清蛋白凝胶常被用于改善食品硬度、弹性和持水力等,然而,蛋清蛋白凝胶化过程容易受到环境或添加物的影响,导致蛋清蛋白凝胶弹性、硬度和持水力等性能下降.因此,在食品加工中常常采用物理、化学、酶解法对蛋清蛋白进行改性以提高蛋清蛋白凝胶性能,化学改性相较于物理和酶法改性速度快,效果显著.其中,糖基化反应已被证实是一种绿色安全、简单有效改善蛋白凝胶功能特性的方法,与酰化、磷酸化、烷基化等化学方法不同,经糖基化改性后的蛋清蛋白凝胶特性显著提高.低聚糖是一种糖类聚合物,通常由 个单糖通过糖苷键连接在一起,存在于天然植物中,具有温和的甜味和良好的稳定性.功能性低聚糖不被人体消化酶水解,具有改善肠道菌群、抗龋齿和保护肝脏等功效.蛋清蛋白通过添加低聚糖进行糖基化反应,可增强蛋清蛋白凝胶特性,提高其在食品加工中的应用效果.文章通过对近年来国内外相关研究文献的梳理,综述了低聚糖改性蛋清蛋白的凝胶机理,探讨了低聚糖改性蛋清蛋白凝胶性质的影响因素,以及低聚糖对蛋清蛋白凝胶功能特性产生的影响,旨在为进一步开展低聚糖改性蛋清蛋白凝胶研究提供理论参考,拓展低聚糖改性蛋清蛋白的加工应用途径.低聚糖改性蛋清蛋白凝胶机理糖基化是美拉德反应的初始阶段,还原糖的羰基与蛋白质游离的或氨基通过共价键连接生成糖蛋白质偶联物,相比于天然蛋白质其功能特性得到提升,如高持水性和硬度等.不同分子量的还原糖对蛋清蛋白凝胶特性的影响不同,此外,糖基化反应速率与还原糖链长短有关,还原糖链短(空间位阻小)可表现出较快的反应速率,易发生褐变,不易被消费者接受.H u a n g等将葡萄糖、乳糖和可溶性淀粉分别与卵清蛋白进行糖基化F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第 期 总第 期|年 月|反应,发现葡萄糖卵清蛋白复合凝胶的褐变强度高于其他混合体系,葡萄糖和乳糖均体现了较高的反应速率和抗氧化性.低聚糖具有良好的水溶性和低黏度,低聚糖蛋清蛋白偶联物结构和性能稳定,相比于单糖蛋清蛋白偶联物褐变程度低,多糖不易溶于蛋清蛋白,二者之间的电负性差异导致蛋白质相分离,多糖的低反应性和空间位阻限制了糖基化的程度.综上,低聚糖是糖基化改性蛋清蛋白的理想还原糖.糖基化改性分为干法糖基化改性和湿法糖基化改性,两种改性方法机理相同.图为低聚糖改性蛋清蛋白机理图.热诱导前天然的蛋清蛋白呈球状,大多数疏水残基埋藏在分子结构中,只有小部分暴露在表面.在热诱导过程中低聚糖和蛋清蛋白结构展开,蛋白质分子内部的氨基酸残基暴露在表面,进一步与低聚糖的羰基共价结合,形成较小的聚集体,阻碍了蛋白质分子之间的聚集交联,凝胶形成初期的低聚集率有利于最终形成更稳定的凝胶网络.表面疏水性(H)与游离巯基可以反映蛋白质的展开程度,有助于偶联物形成网状结构,从而增强偶联物的功能特性,且二者有显著相关性.W a n g等 发现异麦芽低聚糖(I MO)通过糖基化改性蛋清蛋白可以推动蛋白质的螺旋向折叠转化,蛋白质结构展开导致内部疏水基团暴露在分子表面,其H增加,促进蛋白质和蛋白分子间的疏水相互作用,进而使额外的蛋白质排列或聚集.M a等 通过研究糖基化对蛋清蛋白的影响证实,在糖基化过程中,蛋白质结构展开,一些嵌入的S H基团暴露出来,表面S H基团的含量显著增加,而总S H基团含量下降,巯基键和二硫键相互转化加强网络结构形成一定强度的凝胶.图低聚糖改性蛋清蛋白机理图F i g u r eM e c h a n i s mo fo l i g o s a c c h a r i d e m o d i f i e de g ga l b u m i n影响低聚糖改性蛋清蛋白凝胶特性的主要因素低聚糖蛋清蛋白偶联物的凝胶特性主要受低聚糖性质、添加量、加热温度、时间、p H值和离子浓度等多种因素的影响(表).低聚糖由酮糖和醛糖构成,醛糖多的低聚糖羰基数量多,由于活性氨基酸残基的反应位点有限,天然蛋清蛋白一般只能与或个低聚糖分子进行糖基化,在热诱导下天然蛋白质变性,更多的低聚糖分子可以与暴露的氨基酸残基共价连接 .根据反应部位的不同,蛋白质与低聚糖的质量比应为氨基与羰基的摩尔比,随着羰基数量的增加,蛋清蛋白与低聚糖接枝率提高,接枝度与凝胶硬度显著相关,低聚糖的性质和添加量显著影响蛋清蛋白凝胶特性 .一般情况下,反应时间与反应温度密切相关,即反应温度越高,反应时间越短.蛋清蛋白在干法糖基化过程中选择的温度为 ,是最常用的反应温度;蛋清蛋白在湿法糖基化过程中选择的温度为 ,是最常用的反应温度.低聚糖改性蛋清蛋白电位绝对值增大,净电荷升高,分子间的静电斥力增大,添加p H值和盐离子浓度能够影响蛋白质分子的净电荷值,进而改变了分子之间的吸引力和排斥力以及蛋白质分子与水分子结合的能力,从而影响低聚糖改性蛋清蛋白凝胶形成和维持的作用力 .此外,不同种类的盐离子对蛋清蛋白凝胶的影响不同,例如低浓度C a C l可降低卵白蛋白的变性温度,C a可通过桥接带负电荷的羧基削弱蛋白质与低聚糖之间的相互作用,进而导致复合凝胶强度下降;相比于M g C l,N a C l与 蛋 白质 的结 合 具有 更强 的静 电 屏蔽 效应.目前糖基化改性蛋清蛋白中研究较多的为N a C l.崔冰 研究发现在添加N a C l后,经糖基化改性后的卵清蛋白结构稳定且黏性显著增加.选择适当的p H值、盐离子浓度和类型对低聚糖改性蛋清蛋白凝胶至关重要.低聚糖改性对蛋清蛋白凝胶功能特性的影响蛋清蛋白凝胶质构特性低聚糖改性蛋清蛋白其分子间作用力增强,导致复合凝胶硬度和弹性提升,硬度和弹性是表征凝胶质构特性的重要指标.张根生等 添加低聚半乳糖对蛋清蛋白进行湿法糖基化修饰,结果发现与天然蛋清蛋白凝胶相比,改性后的蛋清蛋白凝胶硬度和弹性分别增加 和 ,证实添加低聚半乳糖可改善蛋清蛋白凝胶的硬度和弹性.王玉玺 将葡萄糖、麦芽三糖分别对蛋清蛋白进行干法糖基化改性,研究复合凝胶强度变化,蛋清蛋白与还原糖的物质的量比均为,结果发现在反应初期经还原糖改性的蛋清蛋白凝胶强度高于天然的蛋清蛋白,其中麦芽三糖蛋清蛋白复合凝胶强度呈良好的上升趋势,而葡萄糖蛋清蛋白复合凝胶则出现先升高后下降的趋势.无论是湿法还是干法糖基化,低聚糖改性蛋清蛋白凝胶都可改善其质构特性.低聚糖改性对蛋清蛋白凝胶流变特性的影响A b d u l a z i z等 在研究低聚木糖对蛋清蛋白流变特性的影响时发现,与天然蛋清蛋白相比,蛋清蛋白低聚木糖复合凝胶的黏弹性显著提高,低聚木糖的加入导致蛋白质结构延伸,分子内和分子间的相互作用增强,空间网络结构得到促进,有助于形成更紧密的凝胶网络,从而提高偶联物凝胶黏弹性.H u等 研究低聚壳聚糖对卵|V o l ,N o 张根生等:低聚糖改性对蛋清蛋白凝胶性影响研究进展表影响低聚糖改性蛋清蛋白凝胶特性的因素T a b l e I n f l u e n c i n gf a c t o r so fo l i g o s a c c h a r i d e m o d i f i e de g gw h i t ep r o t e i ng e l影响因素反应条件结论参考文献低聚糖结构酮糖糖基化反应使得复合凝胶强度提升 醛糖相比于由酮糖构成的低聚糖,由醛糖构成的低聚糖羰基多,与蛋清蛋白接枝度高导致复合凝胶强度提升 低聚糖添加量添加量过高复合凝胶强度呈下降趋势,可能是因为低聚糖具有还原性,会破坏蛋白质分子的二硫键,分子过度断裂导致复合凝胶强度降低 添加量低破坏蛋白质的三级结构,蛋白质分子延展,复合凝胶强度增强,低聚糖添加量少与反应体系中活性位点接触的机会减少 温度温度过高蛋白质之间发生不同程度的聚集,反应体系中不溶性组分显著增多,不利于糖基化反应的进行,复合凝胶强度下降 温度低蛋白质的疏水相互作用增强影响复合凝胶强度 时间时间长导致暴露在表面的疏水基团重新被蛋白质嵌入体内,偶联物表面疏水性降低,复合凝胶网络结构致密性下降,硬度和持水性随之降低 时间短蛋白质和低聚糖结构不完全伸展,接枝度低影响复合凝胶的功能特性 p H高 于 蛋 白 质等电点(p I)当p H大于p I时,糖基化后的电位绝对值增加导致异麦芽糖蛋清蛋白分子间的静电斥力增强;随着p H值升高,蛋白质结构展开,碱性环境有利于偶联物的形成 接 近 蛋 白 质等电点(p I)当p H接近蛋白质的等电点时会诱导蛋白质聚集,不利于糖基化反应,蛋清蛋白的电荷降低,分子间相互作用力下降,导致凝胶强度和持水性显著降低 离子强度高浓度能够屏蔽蛋清蛋白分子间的电荷效应,降低肽链间的静电相互作用,阻碍肽链间氢键的形成,蛋清蛋白结构稳定性下降,不利于糖基化改性 低浓度能与蛋白发生非特异性的静电相互作用,使蛋白分子在凝胶化前肽链充分展开对低聚糖蛋清蛋白交联起到促进作用,改善复合凝胶的功能性能 清蛋白流变特性的影响时发现,低聚壳聚糖卵清蛋白复合凝胶表现出较高的黏性特性,随着剪切速率增加表观黏度先升后降;低聚壳聚糖卵清蛋白复合凝胶的弹性模量(G)、黏性模量(G)随着时间的增加而增加,且均显著高于天然卵清蛋白,此外,G G,说明低聚壳聚糖通过糖基化改性卵清蛋白的形成的是弹性凝胶.Y a n g等 采用低聚异麦芽糖对蛋清蛋白进行改性,结果发现在冷却阶段低聚异麦芽糖蛋清蛋白复合凝胶的弹性模量显著高于天然蛋清蛋白凝胶,表明低聚异麦芽糖蛋清蛋白复合凝胶在形成过程中有更多的氢键参与.低聚糖改性蛋清蛋白凝胶对流变特性有显著影响,蛋白质分子间氢键作用增强进而改善复合凝胶黏弹性.低聚糖改性对蛋清蛋白持水性的影响持水性是衡量复合凝胶特性的重要指标,即凝胶网络结构锁住水分的能力,反映了蛋白质分子间相互作用以及与水作用的程度.低聚糖的部分引入增加了蛋白质的静电荷,静电荷是蛋白质分子吸引水分子的强有力的中心,使其具有静电斥力,静电斥力的增加导致复合凝胶的持水性升高.张根生等 用低聚半乳糖对蛋清蛋白进行糖基化修饰,结果发现与天然蛋清蛋白凝胶相比,改性后的蛋清蛋白凝胶保水性增加 .此外,王晨莹 发现低聚异麦芽糖蛋清蛋白偶联物的持水性与T弛豫时间存在显著相关性,随着糖基化程度的增加更多的水分子作为结合水被捕获在凝胶网络中,氢键和疏水相互作用在糖基化后贡献增强,可以更好地锁住水分,凝胶中的结合水与持水性呈显著相关性.经低聚糖改性蛋清蛋白后偶联物结合水的能力增强,偶联物的网络结构有助于改善其持水性.低聚糖改性对蛋清蛋白凝胶热稳定性的影响刘欣慈等 研究异麦芽低聚糖对蛋清蛋白的影响时发现,当加热温度高于 时,蛋清蛋白凝胶浊度明显增加,而异麦芽低聚糖蛋清蛋白偶联物浊度随加热温度的升高几乎没有变化,仍然保持透明,异麦芽低聚糖蛋清蛋白偶联物疏水相互作用显著增强,加热后共轭聚集的抑制可能归因于热稳定性增强和静电斥力的增加.A b d u l a z i z等 在研究糖基化对卵清蛋白的特性影响时,研究进展A DVAN C E S总第 期|年 月|同样发现乳糖和麦芽糖可以提高蛋白质的热稳定性.低聚糖通过糖基化反应可以提高蛋清蛋白的热稳定性,低聚糖与蛋白质分子共价接枝形成了一种抗热能力较强的结构,这种结构可以抑制变性过程中蛋白与蛋白之间的相互作用,由于空间位阻作用,变性的蛋白分子不易聚集在一起.结语低聚糖改性后的蛋清蛋白空间结构和分子构象发生改变,共价键和非共价键贡献增强,相比于蛋清蛋白凝胶,低聚糖蛋清蛋白复合凝胶质构特性、流变特性、持水性、热稳定性显著提升.目前,糖基化改性蛋清蛋白凝胶常用的低聚糖有低聚木糖、低聚异麦芽糖、低聚半乳糖等,低聚糖种类繁多,且个别具有独特的功能性质,有望更多的低聚糖参与到改性蛋清蛋白的试验研究中.低聚糖相对于单糖褐变程度浅,但仍然存在,在未来的研究中应考虑如何阻止褐变情况发生.p H值和盐离子对低聚糖改性蛋清蛋白影响显著,但p H值和盐离子协同作用的试验研究较为空白,还需进一步探索低聚糖改性蛋清蛋白的条件,以期得到较好的低聚糖蛋清蛋白复合凝胶,有益于其在食品加工中的应用.参考文献1 ZANG J W,ZHANG Y Y,PAN X Y,et al.Advances in theformation mechanism,influencing factors and applications of eggwhite gels:A reviewJ.Food Science&Technology,2023,138:417432.2 程进霞,李景军.蛋清蛋白修饰改性方法研究进展J.陕西理工大学学报(自然科学版),2023,39(3):6268.CHENG J X,LI J J.Research progress on modification methods ofegg white proteinJ.Journal of Shaanxi University of Technology(Natural Science Edition),2023,39(3):6268.3 CATENZA K F,DONKOR K K.Recent approaches for thequantitative analysis of functional oligosaccharides used in the foodindustry:A reviewJ.Food 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