蛋白质-卵磷脂复合体系功能特性的研究进展_兰天彤.pdf

第 14 卷 第 11 期 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 Vol.14 No.11 2023 年 6 月 Journal of Food Safety and Quality Jun.,2023 基金项目:国家自然科学基金项目(32072169)、国家级大学生创新创业训练计划(202210193013)Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(32072169),and the National Undergraduate Training Program for Innovation and Entrepreneurship(202210193013)*通信作者:张浩,博士,副教授,主要研究方向为粮食深加工及副产物综合利用。E-mail:*Corresponding author:ZHANG Hao,Ph.D,Associate Professor,Jilin Agricultural University,No.2888 Xincheng Street,Nanguan District,Changchun 130118,China.E-mail: 蛋白质-卵磷脂复合体系功能特性的研究进展 兰天彤1,李炎彤1,刘 磊2,王莹菊1,孙 维1,徐 阳1,张钰茹1,张 浩1*(1.吉林农业大学食品科学与工程学院小麦和玉米深加工国家工程研究中心,长春 130118;2.中国检验认证集团吉林有限公司,长春 130015)摘摘 要要:蛋白质与卵磷脂间发生的相互作用可以增强蛋白质功能特性,且二者形成的复合体系不仅能够作为递送系统传递生物活性物质、药物等以达到在胃肠道中的缓释效果,提高包埋物质的装载率及体外释放度,还能够实际应用于食品工业中提高传统蛋白基产品的质量,并拓宽其种类,如蛋白粉、婴儿配方乳及运动营养食品等。本文综述了玉米醇溶蛋白、大豆蛋白、卵磷脂的理化性质和功能特性,蛋白质-卵磷脂二者间的相互作用对蛋白理化、功能特性的改善,蛋白质-卵磷脂复合纳米颗粒、乳液及凝胶的特性,以及复合体系在食品工业、医药等领域作为递送系统提高食品质量中的应用,为改善单一蛋白体系的稳定性及提高其应用价值提供理论依据,进一步推动我国蛋白基食品产业高质量发展。关键词关键词:蛋白;卵磷脂;复合体系;功能特性;改性 Advances in functional characteristics of protein-lecithin composite system LAN Tian-Tong1,LI Yan-Tong1,LIU Lei2,WANG Ying-Ju1,SUN Wei1,XU Yang1,ZHANG Yu-Ru1,ZHANG Hao1*(1.National Engineering Laboratory for Wheat and Corn Deep Processing,College of Food Science and Engineering,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China;2.China Certification&Inspection Group Jilin Co.,Ltd.,Changchun 130015,China)ABSTRACT:The interaction between proteins and lecithin can enhance the functional properties of proteins,and the composite system formed by them can not only be used as a delivery system to deliver bioactive substances,drugs,etc.to achieve slow release effect in the gastrointestinal tract and improve the loading rate and in vitro release of embedded substances.It can also be used in food industry to improve the quality of traditional protein-based products and broaden the variety,such as protein powder,infant formula milk and sports nutrition food.This paper reviewed the physicochemical properties and functional properties of zein,soy protein and lecithin,the improvement of protein by the interaction between protein and lecithin,the properties of protein-lecithin composite nanoparticles,emulsion and gel,and the application of composite system as delivery system in food industry,medicine and other fields to improve food quality.In order to provide a theoretical basis for improving the stability and application value of single protein system,and further promote the high-quality development of protein-based food industry in China.KEY WORDS:protein;lecithin;composite system;functional characteristics;modification DOI:10.19812/ki.jfsq11-5956/ts.2023.11.003第 11 期 兰天彤,等:蛋白质-卵磷脂复合体系功能特性的研究进展 97 0 引 言 目前,通过合理利用蛋白资源构建复合体系以开发符合特定人群所需的食品,既能够缓解对蛋白资源的浪费,也符合当前研究热点的趋势。本文综述了蛋白质与卵磷脂的功能特性,多组分蛋白复合体系设计及其功能性应用研究进展,列举了 3 种常见的蛋白质与卵磷脂复合体系,阐述了蛋白质与卵磷脂复合体系在食品工业中的应用,如卵磷脂和蛋白发生相互作用改善蛋白的功能特性,将复合体系进一步包封生物活性物质得到具有功能性的蛋白基食品,实现对生物活性物质的控缓释效果,以期为丰富我国传统蛋白基产品种类提供参考。1 复合体系原料及其功能特性 1.1 蛋白质 蛋白质是一种丰富的可再生可降解的聚合物,是人体必需营养素之一,它广泛存在于动、植物性食物及生物体中。蛋白质能够和多酚1、脂类物质2等发生相互作用,改变蛋白质的高级结构,使其理化性质和功能性质发生改变,进而改善食品的营养特性和感官特性,并且蛋白适合制备为纳米颗粒,其具有溶解度更高、反应表面更大并且生物渗透速率更快等独特的理化特性与生物学特性3。目前,在食品工业中常用的蛋白有玉米醇溶蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白等4,它们已被广泛作为递送生物活性物质的载体,以应用于功能性产品的开发5,本文主要介绍玉米醇溶蛋白和大豆蛋白与卵磷脂的复合体系。1.1.1 玉米醇溶蛋白 玉米醇溶蛋白广泛存在于自然界中,因其具有价格低廉、环境友好、易得及生物相容性好等诸多优点,受到许多研究人员的广泛关注,特别是在食品工业中作为载体对功能因子进行递送,以及和其他材料复合生产出纳米颗粒、乳液凝胶和薄膜等6。玉米醇溶蛋白富含疏水性氨基酸,如亮氨酸、谷氨酸、脯氨酸和丙氨酸等,但含酸性及碱性氨基酸少,这种独特的氨基酸组成使玉米醇溶蛋白有许多特殊的功能特性,如自组装特性、成膜性、保水性、热可塑性及生物降解性7。(1)自组装性 在内部因素或温度、浓度和不同极性溶液环境等外部因素作用下,通过范德华力、疏水、氢键和静电作用力驱动,自发地形成特定的形状、大小和功能的聚集体8。玉米醇溶蛋白在自组装过程中,二级结构中部分-螺旋转变为-折叠结构,-折叠结构再在疏水作用下形成首尾相连的条带,条带再卷曲成环状,从而逐渐完成自组装过程。WANG 等9研究发现玉米醇溶蛋白的自组装是由两亲性驱动的从无序自发变为有序。基于玉米醇溶蛋白的这种特性,它可构建多种核壳结构微粒,以递送生物活性物质,提高生物利用度。(2)成膜性 蛋白质分子间的二硫键与疏水键相连,是其具备成膜性的基础10。而玉米醇溶蛋白中的氨基酸结构之所以能形成很强的分子内二硫键,是因为它缺乏带电的酸性、碱性和极性基团的氨基。因此玉米醇溶蛋白通常用作制备纳米纤维薄膜的基础材料11,这种膜具有光滑、隔氧阻水、防腐、抗紫外线、抗菌及生物可降解性等多种优点12。然而,单一的蛋白膜具有脆性较大等缺点,因此可以通过加入其他物质如多酚、脂类物质构建复合体系从而解决这一问题所带来的局限性。1.1.2 大豆蛋白 大豆蛋白的营养价值几乎能与动物蛋白等同,它的氨基酸含量非常丰富13,易消化吸收、易得,成本十分低廉14。它还具有出色的乳化性、凝胶性、起泡性等功能特性,能够较好地提高食品的营养和感官特性,现已成为食品加工业中研究与开发的热点之一15,如在生产饮料、冰激凌、糖果等方面16。(1)乳化性 大豆蛋白具有两亲性结构,分子中含有亲水基团和亲油基团,可以降低油水相间的界面张力17。它的乳化性能易受自身内部因素的影响,如空间结构、变性程度、疏水基团分布等。它存在大量的疏水氨基酸残基,使其形成疏水中心在里面,亲水外层在外面的球形结构18。目前在食品加工中制备乳液,使用大豆蛋白是较为常见的,乳状液表面凝集的蛋白能使乳化的油滴稳定,形成保护层,其不仅能够防止油滴积聚,还能够维持乳化状态。(2)胶凝性 大豆蛋白的凝胶性对于调节食品质构有着重要的作用19,它会受到温度、pH、蛋白质浓度等影响。TRAN等20研究表明多酚能够与蛋白形成共价键以硬化和稳定基于蛋白质制备的凝胶。李秋慧等21研究发现,采用适当功率的微波处理能够明显改善大豆分离蛋白质-磷脂复合凝胶特性,如硬度、弹性及微观结构。因此,可通过加入多酚、脂类等与蛋白发生相互作用,从而改善其功能特性、理化特性及微观结构,这是一种简单、安全的方法22。(3)起泡性 起泡性在食品加工中非常重要,它能够赋予食品独特的感官。大豆蛋白是广泛应于与食品工业中的天然发泡剂,它的两亲性能使其快速吸附到空气-水界面,然后进行构象的重排,促进界面交联从而形成黏弹性薄膜23。它的起泡性与其内在结构和聚集状态密不可分,除此以外,通过与其他物质复合也能够增强其发泡性,如其他蛋白质24、多酚23、脂类物质25和多糖26等。98 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 第 14 卷 1.2 卵磷脂 卵磷脂结构中存在极性和非极性部分,它是具有两亲基团的物质,有亲水端和疏水端。由于它具有营养价值高、易加工、来源丰富等优点,被广泛应用于食品工业中。卵磷脂是自然界生物膜和细胞膜的主要成分27,具有特殊的磷脂双分子层,能够作为一种在机体内运送营养物质的较好载体,实现控缓释效果,安全有效地使生物活性成分在胃肠道中的吸收率和利用程度得到很大的提高28。但卵磷脂是一种较不稳定的物质,无法抵抗胃液中的酸性条件。因此将卵磷脂与蛋白复合也能够在一定程度上解决其不稳定所带来的局限性,在一定条件下,卵磷脂能够通过氢键、静电作用力及范德华力与具有给予电子或接受电子能力的活性物质形成复合物。1.3 卵磷脂对蛋白理化特性的影响 卵磷脂能够与蛋白质发生相互作用以改变蛋白空间构象,而蛋白的结构与其理化性质息息相关。玉米醇溶蛋白具有大量的非极性疏水氨基酸,能够通过加入其他表面活性剂来改善其功能特性29,张乐乐等30研究发现,加入卵磷脂能够有效改善玉米醇溶蛋白膜分子结构,形成阻油阻水性能更好的膜层,其透明度和稳定性也更佳。LI 等31研究表明,卵磷脂能够与醇溶蛋白发生疏水和静电相互作用,从而提高复合颗粒的热稳定性。因此加入卵磷脂使其与玉米醇溶蛋白发生相互作用,是改善蛋白成膜性等理化性质的有效方法。MANTOVANI 等32发现大豆蛋白与卵磷脂能够发生疏水、静电相互作用,从而改变蛋白构象,使蛋白功能特性得到改善。其中大豆蛋白主要的功能特性就是溶解度、乳化性和凝胶性,其乳化性在实际应用中格外重要,陈龙等33发现蛋白质与卵磷脂间的结合量和相互作用强弱会对乳化稳定性产生影响。综上,目前有较多研究关注于大豆蛋白质-卵磷脂复合体系乳液,其相互作用能够较好改善乳液的理化性质。2 蛋白质-卵磷脂复合体系 2.1 蛋白质-卵磷脂复合纳米颗粒 因为复合纳米颗粒具有良好的物理和化学稳定性,能够较好的作为生物活性成分的共递送系统应用于食品工业中34。并且目前纳米颗粒也已经被研究用于真皮和透皮药物递送系统,其在医药领域也有广泛的应用前景。其中,玉米醇溶蛋白质-卵磷脂复合纳米颗粒不仅能够利用玉米醇溶蛋白的特殊性质避免生物活性物质在胃肠道环境中的降解,实现一定程度的控缓释功能,还可以依靠卵磷脂的两亲结构来增加生物活性物质的溶解度和负载量。XIE 等35研究发现,表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)能够通过静电、疏水和氢键相互作用被玉米醇溶蛋白质-卵磷脂纳米颗粒较好的包封,并且在胃肠道中能够达到优异的缓释效果,除此之外,从粒径变化中能够发现得到的纳米颗粒具有优异的储存稳定性。DAI 等36制备了用于递送姜黄素的玉米醇溶蛋白质-卵磷脂复合纳米颗粒,与单一蛋白的纳米颗粒相比,与卵磷脂复合后的纳米颗粒对活性物质的包封效率相对更高,对环境压力的稳定性也更高。XIE 等37制备了负载雷帕霉素的玉米醇溶蛋白质-卵磷脂纳米颗粒用于口服给药,研究表明加入卵磷脂能够提高纳米粒子的载药能力和耐酸特性。可见,玉米醇溶蛋白质-卵磷脂纳米颗粒可作为多酚、药物等物质的有效递送系统。蛋白和卵磷脂间的相互作用主要依靠氢键、静电和疏水作用力,形成的复合纳米颗粒能够提高与单一蛋白纳米颗粒相比对多酚黄酮类物质的装载率,改善其对环境的稳定性,达到控缓释作用,从而提高生物利用度。2.2 蛋白质-卵磷脂复合乳液 蛋白质、多糖、磷脂等天然乳化剂通常用于稳定乳液38,且制备蛋白基复合体系能够从消化吸收、增加生物活性物质和药物的利用率等方面提高乳液性能39,如蛋白质和磷脂间的相互作用能使表面活性发生变化,并改变蛋白质结构和净电荷,改善蛋白在水中的分散性能,防止结团。并且,添加卵磷脂后,即使蛋白复合体系接近蛋白等电点,它的乳液稳定性也能够被显著提高40,二者的协同作用还能够显著提高功能油的生物可及性41。毕爽等42研究了大豆分离蛋白与卵磷脂相互作用对乳化体系的影响,发现二者复合能够提高乳液的乳化活性和乳化稳定性,从而提高复合体系的稳定性、理化特性及功能特性。COMAS 等43研究发现热处理大豆蛋白与卵磷脂复合物后能够增强其乳化活性,且在 pH 为 2.0 和 6.2 时其稳定性增加。ANDRADE 等44使用乳清蛋白、阿拉伯胶和大豆卵磷脂乳化辣椒油树脂,这 3 种乳化剂都具有表面活性,且乳清蛋白和大豆卵磷脂是更有效的乳化剂,可以获得纳米级的粒径。除此以外,采用场辅助技术能够使二者间相互作用更加明显,SUI 等45通过超声处理大豆分离蛋白质-卵磷脂稳定的乳液,结果表明在 150 W 和 24 min的条件下,能够得到乳化性能和乳化稳定性最好的乳液,然而值得注意的是,过度的超声会导致蛋白质分子发生再聚集,降低蛋白质与卵磷脂间的相互作用,导致复合体系的功能特性变差。LI 等46制备了大豆分离蛋白质-磷脂酰胆碱稳定的鱼油乳液,结果表明大豆分离蛋白质-磷脂酰胆碱复合体系能够在模拟胃肠道条件下稳定鱼油,并提高其消化率。综上,目前已有较多研究表明加入卵磷脂能够较好提高蛋白基乳液的稳定性,但用其包埋、运载生物活性物质的研究较少。加入适量的卵磷脂与蛋白发生相互作用能改变蛋白的二级结构,二者形成的复合物可以增强蛋白疏水性,使第 11 期 兰天彤,等:蛋白质-卵磷脂复合体系功能特性的研究进展 99 乳状液更稳定均匀的分散,提高乳液的乳化活性和乳化稳定性,这些研究使得蛋白质-卵磷脂乳液能够较好地应用于食品工业中,如改善配方奶粉的消化特性等。2.3 蛋白质-卵磷脂复合凝胶 由于卵磷脂中具有丰富的磷脂酰胆碱成分,它能够在水性介质中形成层状中间相和囊泡,因此添加卵磷脂能够与蛋白发生相互作用进一步填充凝胶网络从而增加凝胶强度,对流变学特性产生积极作用,改善其理化性质和功能特性。毕爽等47通过超声处理大豆蛋白质-磷脂复合体系,发现适当的超声能够提高其理化性质及持水、持油等能力,并且凝胶的功能性质的改善和蛋白质二级结构改变相关。王革新等48研究了表面活性剂对大豆分离蛋白凝胶性质的影响,结果表明无论低油还是高油的大豆卵磷脂,都能够明显提高凝胶的持水性。除植物蛋白,卵磷脂同样能够与动物蛋白发生相互作用并改善复合凝胶的功能特性,如 XIA 等49研究发现,向肌原纤维蛋白中添加卵磷脂有助于在不同盐浓度下改变凝胶的质地特性、持水能力和白度,且可以抑制高盐浓度下的“盐析效应”。VERENA 等50研究了卵磷脂、蔗糖棕榈酸酯和吐温 20对热诱导的-乳球蛋白聚集体和冷固性凝胶性能的影响,随着乳化剂的加入,聚集体的大小和电位绝对值增加,其中卵磷脂的作用最为明显。分析蛋白质-卵磷脂复合体系的构象变化对改善凝胶的理化及功能特性有着重要意义,因为凝胶的质地及其持水性、持油性都与蛋白二级结构有很大关联,这些研究为开发蛋白质-卵磷脂复合凝胶产品提供了一定的理论依据。3 蛋白质-卵磷脂复合体系的应用 3.1 在递送药物中的应用 目前,蛋白基递送体系广泛应用于制药和生物医学领域,特别是玉米醇溶蛋白,由于其具有特殊的氨基酸组成,适合作为纳米载体输送药物51。然而单一蛋白的稳定性较差,这限制了它的应用52,加入卵磷脂能够增强复合体系的稳定性以及载药量。WANG 等53研究开发一种具有靶向递送功能的玉米醇溶蛋白与磷脂酰胆碱复合纳米颗粒,实现了对异甘草素的口服递送,对异甘草素具有较高的包封率。FU 等54制备负载三七总皂苷的玉米醇溶蛋白质-卵磷脂纳米粒子,该复合体系能够更好地抵抗酸和酶,并且能够改善三七总皂苷在纳米载体中的载药量,增加口服吸收率。ZHANG 等55制备了用于抗真菌治疗的玉米醇溶蛋白质-卵磷脂纳米颗粒,该复合体系能够提高局部给药时的药物浓度,延长药物在皮肤中的滞留时间,并能降低毒性。综上所述,可以根据口服或皮肤给药的需求来设计蛋白复合体系,蛋白质-卵磷脂复合作为递送系统能够较好地作为药物载体,从而提高药物的生物利用度。3.2 在递送生物活性物质中的应用 蛋白复合体系可以增强包埋生物活性物质的稳定性和功能性,而向其中加入卵磷脂是简单且有效的设计方法之一,特别是在递送脂溶性物质时,可提供较好的保护、缓 释 作 用,从 而 增 强 活 性 物 质 的 生 物 利 用 度56。CHUACHAROEN 等57分别制备了负载叶黄素的单一玉米醇溶蛋白纳米颗粒,以及有卵磷脂和泊洛沙姆表面活性剂的玉米醇溶蛋白纳米颗粒,结果表明加入卵磷脂的纳米颗粒对叶黄素的包封效率提高,对不同环境的化学稳定性更好,并具有缓释能力。邓卓丹等58制备了包埋槲皮素的玉米醇溶蛋白质-卵磷脂纳米颗粒,复合体系较单一蛋白相比对槲皮素的包封率更佳,且具有更强的抗氧化能力,其对热处理的稳定性也被显著提高。由此可见,玉米醇溶蛋白质-卵磷脂复合纳米颗粒对水不溶性生物活性物质具有较好的包封效率和化学稳定性,是一种较好的递送系统。综上所述,构建蛋白质-卵磷脂复合纳米颗粒可以改善蛋白作为载体的能力,能够更有效地负载/包埋生物活性物质,实现对它们的保护、递送和控缓释作用使其更加广泛地应用于食品工业和生物医药等领域。3.3 在其他方面的应用 蛋白质-卵磷脂复合体系不仅能够应用于对药物、生物活性物质等的递送,还能够在实际食品工业的应用中发挥重要作用,这源自于蛋白和卵磷脂优异的功能性质。加入卵磷脂能够降低界面处的蛋白含量,提高人体对蛋白和脂肪的消化率,对功能性食品的开发具有广阔的前景。周洋等59构建了酶解大豆蛋白质-磷脂体系,与单一蛋白相比,加入合适比例的卵磷脂后聚集体具有更好的液滴特性,能够得到较理想的水包油型乳化体系,将其作为壁材能够提高复合乳液的稳定性,从而拓宽在运动营养食品领域中大豆蛋白类食品乳化体系的应用前景。张清华60制备了用大豆分离蛋白质-卵磷脂预乳化液作为脂肪替代物的鸭肉乳化香肠,结果发现该乳液能够改善产品的质构,如弹性、内聚性和回复性。ZHANG 等61研究了大豆卵磷脂浓度对蛋清蛋白粉理化性质和复水行为的影响,研究表明随着卵磷脂浓度的增加,蛋清蛋白粉的分散性和润湿性也逐渐增加,这是因为卵磷脂促进了蛋白质二级结构的展开。除此以外,动物蛋白与卵磷脂的复合在实际应用中也非常重要,WU 等62研究了大豆卵磷脂的浓度对分离乳清蛋白、酪蛋白稳定模拟婴儿配方乳及其相应微胶囊理化性质的影响,发现添加大豆卵磷脂能显著降低婴儿配方乳的表观黏度,且微胶囊制剂在水中表现出良好的再分散性。综上所述,蛋白质-卵磷脂复合体系能够在食品工业的实际应用中发挥重要作用,如蛋白粉、婴儿配方乳、运动营养食品等方面,这对于蛋白类食品在食品中的应用以及探究消化吸收机制具有重要意义。100 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 第 14 卷 4 总结与展望 目前,已有较多关于蛋白质-卵磷脂相互作用的研究,其主要通过氢键、静电及疏水作用力发生互作,且各种蛋白由于其理化及功能特性不同适合设计成不同的复合体系,如纳米颗粒、乳液或凝胶,这些复合体系在某些方面都能够达到比单一蛋白更好的效果,如对生物活性物质的包封、提高乳化稳定性、增强凝胶强度等,得到的复合体系能够应用于医药、食品领域对药物、活性物质等进行递送,在药物递送方面还可按照需要设计口服或皮肤给药,除此以外,蛋白质-卵磷脂复合还能够应用于蛋白基食品的开发中,如改善蛋白粉理化性质,改善婴儿配方乳使其更加稳定等。但目前的研究仍有一些有待解决的问题,如目前多为单一蛋白质与卵磷脂相结合,可以采用两种及以上具有不同功能特性的蛋白共同与卵磷脂复合;已有较多对蛋白质-卵磷脂互作机制的研究,应进一步将其实际应用于食品工业中;应在一定程度上研究如何利用植物蛋白代替动物蛋白,以解决资源浪费问题。因此对于未来构建蛋白质复合体系有以下展望:已有较多研究表明蛋白质与卵磷脂复合体系能够提高对活性物质的包封率,在模拟胃肠道消化时其也能够表现出较好的控缓释能力。未来可以尝试构建具有不同功能特性的蛋白质与卵磷脂共同复合,以及加入具有环境响应的物质,构建多元复合体系,使递送系统能够在不同 pH、温度及其他环境下做出响应,以得到包封率更高、稳定性更好、功能性更全且具有靶向性的递送系统。目前关于蛋白质-卵磷脂相互作用及对复合体系的基础研究已有较多,但对于其实际应用较少,未来可以进一步探究复合体系的功能特性,实现其其在食品、医药等领域的实际应用。如在设计出一个完整的递送体系后进行毒理学实验,确定包封药物、活性物质后的复合体系对人体无害,并探究人体对其的吸收与代谢机制,开发出确保能够食用的对人体有益的功能性食品。在蛋白质-卵磷脂复合体系实际应用中,如改善婴儿配方乳时,多采用的是动物蛋白,未来可以进一步探究采用植物蛋白解决实际应用中的问题,这能够在一定程度上解决目前我国存在的粮食加工副产物资源利用率较低,资源被浪费和环境污染的问题。参考文献 1 徐梦婷,郝艳宾,齐建勋,等.多酚与蛋白相互作用对蛋白特性影响研究进展J.食品与机械,2022,38(10):224229.XU MT,HAO YB,QI JX,et al.Interactions between food polyphenols and 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