藜麥蛋白的提取及功能性質與生物活性概述

王 雷 董吉林 申瑞玲

(鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，鄭州 450001)

在健康食品與營養產業快速發展的大環境下，高蛋白攝入成為飲食需求的主流。由于對動物蛋白過多攝入不利于健康的擔憂，越來越多的消費者和食品生產商將目光投向植物蛋白。據Lumina營養市場調研報告顯示，豌豆、大米蛋白在植物基蛋白市場中優勢明顯，而藜麥蛋白因豐富且均衡的氨基酸配比將更具開發潛力。藜麥被FAO認為是一種能滿足人體基本營養需求的單體植物，有“全營養食品”、“超級谷物”之美譽，蛋白質含量12.9%～16.5%，高于傳統谷物，且富含人體所需全部必需氨基酸。市場上，藜麥新產品不斷涌現，如藜麥麥片、藜麥堅果棒、藜麥谷物牛奶等，同時相關藜麥蛋白功能性飲料、素食肉的開發也具有很大潛力。

隨著市場對藜麥產品需求的不斷增加，對藜麥蛋白營養價值和功能特性的研究也成為了當前研究的熱點。就目前來看，國外對藜麥蛋白質的研究主要集中在提取工藝對其功能性質的影響、蛋白消化或水解多肽生物活性的差異以及在相關食品工業中的應用；國內在藜麥蛋白營養價值和應用方面已有一定研究，但尚有不足。本文結合當前國內外研究，對藜麥蛋白的提取方法、功能性質、營養價值和生物活性作出論述，為藜麥蛋白的加工與應用提供參考。

1 藜麥營養及其蛋白質組成

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld)屬于藜科(Chenopodiaceae)，是一種原產于南美洲的粒狀作物，具有谷類特征，但不屬于禾本科，被認定為一種假谷物。自2013年“國際藜麥年”以來[1]，藜麥的生產在世界范圍內正在不斷擴張。藜麥因其突出的營養特性受到了極大關注(表1)。目前，在全球范圍內藜麥的種植主要分布在南美洲和北美洲(秘魯和玻利維亞等)，亞洲、歐洲種植面積相對較少。我國自上世紀末開始在西北地區試驗種植，并相繼栽培出了適應于不同地區、氣候的藜麥品種(青藜、隴藜等)。截止2017年，我國的藜麥種植面積已經達到13.5萬畝，主要分布在甘肅、青海、山西、云南和內蒙古等地，年產量超過1.76萬噸[2]。

藜麥籽粒呈扁圓形，比小米稍大，不同品種顏色有顯著差異，可分為白、紅、黑三系。其中蛋白質主要儲存在種皮、胚和胚乳當中，質量分數在14.18%左右，高于多數谷類作物，與小麥(13.7%)接近[3]。藜麥蛋白主要由清蛋白和球蛋白組成(分別占35%和37%)，其中球蛋白由一組分子質量為30～40 ku的酸性亞基和一組20～25 ku的堿性亞基通過二硫鍵連接組成，清蛋白在還原條件下分子質量為8～9 ku[4,5]。此外，藜麥醇溶蛋白(0.5%～7%)和谷蛋白含量較低，谷蛋白亞基的表觀分子質量范圍為25～94 ku，且品種間存在一定差異[6]。

表1 藜麥與其他谷物營養素間的比較[7-10]/g/100 g

2 藜麥蛋白質的提取

目前，關于藜麥蛋白分離提取的方法有堿溶酸沉法、酶法、鹽法等，近幾年國內外有關藜麥蛋白干法分級的研究也有少量報道。

2.1 堿溶酸沉法

現階段關于藜麥蛋白展開的研究大都采用堿溶酸沉法，F?ste等[11]研究得出藜麥麩中蛋白的最佳提取工藝為堿提pH為10、時間1 h，且適當減小物料粒徑能夠更利于蛋白的溶出，同時在pH 4下藜麥蛋白質沉淀效果最佳；王棐等[12]發現藜麥粉在pH 11、料水比1∶12、溫度45 ℃、時間為3 h的條件下蛋白提取效果最好，提取率可達67.13%，純度為78.30%。隨著pH值升高，藜麥蛋白可提取性逐漸提高，但是提取酸堿度也是影響蛋白結構與功能性質的重要因素，可以改變蛋白所帶電荷、影響蛋白折疊程度、巰基和疏水基團含量，甚至導致蛋白發生變性[8, 13]。

2.2 酶法及鹽法分離

堿溶酸沉的提取方法雖然簡單易行，但在提取過程中需消耗大量的酸堿試劑，且會對蛋白質品質和功能產生影響，目前也有報道采用其他方法來獲取藜麥蛋白。田格等[14]以藜麥種子為原料, 通過纖維素酶和糖化酶對其蛋白質進行復合酶解提取，結果顯示當酶配比為4∶6(纖維素酶∶糖化酶)、酶解時間為70.59 min、酶解溫度為50.06 ℃、總加酶量為427.18 U/g時，蛋白質提取率可達到76.82%。另外，鹽法分離藜麥蛋白工藝也有報道，Elsohaimy等[8]研究了不同NaCl濃度(0～1 mol/L)對藜麥蛋白提取率的影響，結果發現萃取介質中加入NaCl能夠顯著提升藜麥蛋白的溶出(從353.61至467.58μg/ mL)，在一定范圍內(0～0.5 mol/L)蛋白提取率與鹽濃度呈正相關。MaKinen等[15]在其研究的基礎上，用含有0.5 mol/L NaCl的0.1 mol/L Tris-HCl緩沖液(pH 9)提取藜麥胚芽中蛋白質，所得蛋白純度可高達91.3%。

2.3 其他分離方法

蛋白質的濃縮與分離常通過濕法進行，過程涉及大量水和試劑，且分離期間會對各組分蛋白產生不利影響。目前國內外有研究通過分級技術對蛋白進行濃縮。干法分級能夠更為有效的保留其天然功能和營養特性[16]。Mauricio等[17]利用氣流篩分儀對藜麥粉篩分，得到了不同級分的分離樣品，在0.630～0.315 mm組分中測得了最高的蛋白含量(32.7%)，而富含淀粉的級分中淀粉含量高達86～89%。同樣，與干法分級相似，Mufari等[18]利用不銹鋼輥磨機對藜麥粉進行濕法碾磨(料液比1∶5)，分別得到富含胚芽和淀粉的餾分，在篩分尺寸為420～590 μm的胚芽級分中，蛋白含量為35.18%，淀粉為30.19%。然而單純采用此類分級方法所得蛋白組分純度較低，Ruiz等[19]將經研磨和空氣分級的干燥餾分通過水相進一步分離，結果發現在0.5 mol/L NaCl溶液中藜麥蛋白的提取效果最佳，產率達到62%。F?ste等[11]則先采用干法研磨，隨用通過堿溶酸沉法提取藜麥蛋白，可使提取率達到68%?？偟膩碚f，干法分級和濕法碾磨得到的谷物蛋白營養成分流失較少，可充分挖掘谷物的營養價值和經濟價值，但是獲取組分中蛋白純度較低，還需不斷創新改進。另一方面，在實際生產中采用單一的蛋白提取方法很難達到理想目的，多種方法聯用將是未來的一種趨勢。

3 藜麥蛋白質的功能性質

蛋白質的功能性質與其自身氨基酸組成和序列、分子質量大小、電荷分布、疏水基團等息息相關，在其提取、加工、儲藏過程中環境因素的改變也會使其功能性質發生顯著變化。功能性質(如乳化性、起泡性、凝膠性等)的發揮與其可溶性組分含量密切相關，其中溶解程度與蛋白間相互作用及親水疏水平衡相關聯[20]。由于現如今藜麥蛋白的提取多采用堿溶酸沉法，因此對其功能性質的分析多從pH、溫度等角度來開展。

3.1 溶解性

酸堿度是影響蛋白溶解性的關鍵因素，通常在低pH(3和5)下蛋白質溶解度較低(12.62%～20.52%)，在中性和堿性pH下溶解度顯著升高(58.36%～74.24%)[21]，這與大豆[22]、蕎麥[23]、奇亞籽蛋白[24]性質相似，均高于大米蛋白[25]。王斐等[12]研究發現在較低pH(3、4和6)下藜麥蛋白的溶解性均高于豌豆蛋白，且在pH 6時溶解度高于大豆蛋白。溶液中pH的變化能夠改變蛋白質的電荷分布，進而影響蛋白質與溶劑間的相互作用。Mir等[26]研究發現隨著堿提pH(9～12)的升高，藜麥蛋白溶解性先增強后減弱(60.22%～75.34%～70.78%)，這是因為在堿性條件下羧基的電離和氨基的去質子化使蛋白質中所帶負電荷逐漸增多，進而蛋白之間的靜電斥力也隨之增大，然而堿性的增強也可導致蛋白質發生變性聚集，進而對其溶解產生不利影響。蛋白質的溶解性也依賴于溫度，在20～35 ℃時，藜麥蛋白的溶解性隨著溫度提高而上升，當溫度繼續上升(35～95 ℃)時溶解性反而下降，這可能與蛋白分子的聚集和疏水性基團的暴露有關[20]。大豆蛋白和奇亞籽蛋白在50～60 ℃時具有最好的溶解性，這與水分子和蛋白間運動的增強以及蛋白立體結構的伸展有關，隨后過高的溫度使得蛋白發生變性凝結，同時鹽、多糖的添加也會對蛋白的溶解性產生影響[24]。另外，不同處理條件(如超聲、酶解)均會對藜麥蛋白的溶解性產生一定影響。Vera等[27]研究結果顯示高強度的超聲波處理能夠顯著的提升藜麥蛋白的溶解性(從59.3%增加到86.5%)，并發現這與可溶性多肽的生成有關。蛋白質的酶解作用能夠顯著提升其溶解性，這是由于不溶性蛋白質聚集體解離生成小肽，增加了親水基團的暴露，并促進親水性氨基酸與水環境的相互作用[28]。

3.2 持水性與持油性

蛋白質的持水性和持油性是其在食品加工過程中的重要特性和質量控制指標。一般認為持水性能是蛋白質溶脹、粘度增加、形成凝膠等一系列物理化學反應的綜合效應，其影響因素包括蛋白分子大小、形狀、空間、構象等[29]。研究結果顯示藜麥蛋白(2.8～4.5 g/g蛋白)具有與大豆蛋白(4.3 g/g蛋白)相似的持水能力[30]。持水力與pH相關，較高pH值可以增強蛋白質持水力，這可能也與等電點附近蛋白質的低溶脹性、低粘性有關[21, 29]。持油性的機制主要歸因于對油的物理截留，也歸因于蛋白質的疏水性。不同品種藜麥蛋白的持油性也有較大差異，分布在2.81～4.42 g/g蛋白之間[21]。另外，蛋白質的持油性與其在乳液形成過程中的行為也有一定關系。

3.3 乳化性與乳化穩定性

乳化活性定義為蛋白質通過在油-水界面吸附油而形成乳液的能力。王棐等[12]研究表明藜麥蛋白的乳化活性為5.21 m2/g，高于豌豆蛋白的(3.84m2/g)，但低于大豆蛋白的(7.86 m2/g)且具有良好的乳化穩定性(87.99%)，這可能是蛋白中疏水性氨基酸含量差異所致。Elsohaimy等[8]發現蛋白的乳化能力隨濃度的升高而顯著增強，當溶液中蛋白濃度從0.1%增加到3%時，乳化活性從1.24 m2/g升高到3.38 m2/g。另外，有研究通過測量計算管內乳化層高度占總高度的百分比來表征藜麥蛋白的乳化性，結果顯示乳化活性(55.09%～64.07%)和乳化穩定性(50.15%～55.40%)均隨pH的升高而增強[26]。濕熱處理溫度變化能夠影響藜麥蛋白乳化活性，在20～80 ℃時，乳化能力隨著溫度升高而上升，當溫度繼續上升時，乳化能力逐漸下降，這可能是熱處理導致了蛋白質的表面疏水性增加，進而增強了液滴間的絮凝作用，隨后乳化性的減弱可能是蛋白質高溫變性的緣故[20]。Aluko等[28]研究發現適當的蛋白水解可以有效地提升其乳化活性，高比例的小肽不適合乳液的形成，而當水解產物含有較長肽鏈時，能夠顯著增強蛋白質-蛋白質間的相互作用。

3.4 凝膠性

凝膠特性是近年來備受關注的蛋白質功能性質之一。在一定蛋白濃度下，熱、pH值和酶可通過不同的反應機制參與凝膠的形成，共價鍵(二硫鍵)和非共價(疏水、氫鍵和靜電)相互作用在蛋白質凝膠形成中起著關鍵作用[31]。Kaspchak等[32]研究了不同pH條件下熱處理對藜麥蛋白凝膠性影響，發現在pH 3.5時藜麥蛋白凝膠比pH 7.0時更加致密且具有黏彈性；在pH為8和9時加熱10%藜麥蛋白懸浮液，蛋白發生明顯聚集形成致密結構的網狀半固體凝膠，而當pH升高為10和11時，蛋白顆粒排列松散而不均勻[33]；不同陽離子添加(CaCl2和MgCl2)可以增加其凝膠強度，這可能是在凝膠網絡中形成纖維狀連接的緣故[32]。另外，卡拉膠的存在還會影響酸誘導藜麥蛋白的聚集及凝膠的形成，在酸誘導的聚集過程中似乎是蛋白-蛋白和蛋白-卡拉膠相互作用之間的競爭，在蛋白濃度較高時，兩種生物聚合物都存在，這表明藜麥蛋白本身以及藜麥蛋白和多糖相互作用均具有形成凝膠的能力，但影響因素還需要深入研究[34]。

3.5 熱特性

通過差示掃描量熱(DSC)分析可測定蛋白變性溫度(Td)和變性焓(DH)，反映未變性蛋白的比例或其結構有序度，進而表征其熱穩定性。Abugoch James等[30]研究結果表明藜麥蛋白(提取pH 9)在85.6～103.1 ℃間顯示吸熱，變性溫度(Td)為(98.1±0.1)℃，變性焓為(12.4±1.6)J/g，而當提取pH為11時不顯示吸熱，可能是極端提取pH條件導致蛋白質發生了變性。Ruiz等[33]發現在不同提取pH(8、9、10)下藜麥蛋白的變性溫度均在97 ℃左右，而隨提取pH的升高變性焓逐漸降低(10.2至0 J/g)，這與蛋白在堿化和酸處理過程中發生的不可逆變化的程度有關。另外，蛋白質的熱特性與其二級結構、溶解性、乳化性和凝膠性均有相關聯系，熱特性分析對于蛋白在以熱加工為基礎的食品行業中的功能性應用十分有意義。

4 藜麥蛋白質的營養品質與生物活性

4.1 營養品質

藜麥蛋白質因其必需氨基酸的平衡模式而被認為是優質蛋白，富含甲硫氨酸和賴氨酸，能夠提供與牛奶中酪蛋白相似的生物價，是少數優質植物蛋白源之一[35]。表2給出了藜麥及其蛋白中必需氨基酸的含量及與FAO標準的比較。另外，研究發現藜麥球蛋白中甘氨酸，蛋氨酸，組氨酸(A：酸性亞基)和丙氨酸，亮氨酸，酪氨酸(B：堿性亞基)成分含量較高，而清蛋白在半胱氨酸，精氨酸和組氨酸方面優勢明顯，藜麥蛋白不同組分之間表現出氨基酸互補，營養均衡的特點[4, 5]。在乳糜瀉毒性試驗中藜麥并未表現出明顯的免疫反應，且患者對添加了藜麥的無麩質飲食表現出良好的耐受性，因此藜麥可作為一種安全理想的無麩質谷物替代品[36, 37]。另外，藜麥蛋白體外消化率(在75.95%和78.11%之間)較高，且蛋白消化率和氨基酸生物利用度隨著品種和處理方式不同而變化[38, 39]。

表2 藜麥及其蛋白質中必需氨基酸的含量及與FAO標準的比較/g/100 g蛋白

4.2 生物活性

在一項飼喂藜麥蛋白的小鼠試驗中發現補充藜麥蛋白飲食能夠有效防止血漿和肝臟總膽固醇水平的增加，藜麥蛋白顯示出體外膽汁酸結合活性，在抑制HMG-CoA還原酶表達的同時，能夠促進CYP7A1(膽固醇7-羥化酶)的表達，結果表明藜麥蛋白飲食可通過抑制小腸中膽汁酸的再吸收和控制膽固醇合成和分解代謝來起到降低膽固醇的作用[44]。田格等[14]研究結果表明藜麥蛋白具有良好的抗氧化活性(DPPH 自由基和羥自由基清除能力)。另外，關于藜麥蛋白消化及水解釋放肽的生物活性研究較為廣泛。研究表明堿性蛋白酶的酶解作用能夠有效增強藜麥蛋白的自由基清除能力和抑制ACE(血管緊張素轉化酶)的活性[28]。Vilcacundo等[45]研究了不同超濾級分的藜麥蛋白胃腸消化肽的抑制活性，發現胃消化產物僅對二肽基肽酶IV(DPP-IV)顯示出抑制活性，而經腸消化后其對DPP-IV的抑制作用顯著增強，同時顯示出對α-淀粉酶和α-葡糖苷酶較強的抑制活性，進一步研究發現小分子質量短肽(<5 ku)被認為是抑制碳水化合物水解酶的重要因素。同時，研究還發現具有小分子質量的短肽級分(<5 ku)擁有更高的抗氧化活性(ORAC值為2.72 μmol Trolox當量/ mg蛋白質)，這可能與產物中高疏水性或芳香族氨基酸的含量相關，腸消化產物能夠更加有效地抑制癌細胞的活力，且具有較高分子質量(>5 ku)的蛋白肽抑制效果更為明顯，因此藜麥蛋白消化產物可作為生物活性肽的來源用于預防和控制T2D(二型糖尿病)、減少氧化應激相關疾病，以及癌癥[46]。藜麥蛋白及其消化產物具有有效地生物功能活性，然而特定形式、特定劑量的研究具有一定局限性，更多關于原料蛋白及其加工方式和體內功能活性的研究還需進一步開展。

5 結論

近些年來，人們對基于谷物飲食所可能面臨的營養問題給與了高度關注。作為新興動物蛋白替代源的飲食作物在一定程度上能夠緩解全球食品危機。藜麥具有豐富的營養價值和健康功能作用，在食品行業中具有廣泛的應用前景。與其他常規谷物相比，藜麥具有高品質蛋白質和廣泛的氨基酸組分，特別是富含賴氨酸。同時，低含量的醇溶蛋白和谷蛋白也使其更加適合乳糜瀉患者食用。然而，就當前研究來看，藜麥蛋白的提取方式對其功能性質有著顯著的影響，其中涉及蛋白純度、溶解性、變性程度等關鍵因素，因此尋求溫和且高效的分離方法對今后藜麥蛋白質的工業化生產與應用十分重要；另一方面，蛋白功能性質的變化與其結構的改變密切相關，pH和溫度能夠顯著的影響藜麥蛋白的表面疏水性和二級結構，蛋白的聚集與疏水相互作用和二硫鍵的交聯密切相關，本文在此方面并未作出相關探討，對藜麥蛋白微觀結構變化與其功能品質關系的相關研究還需繼續深入開展。另外，加工處理方式對藜麥蛋白性質影響較大，此方面的研究對藜麥蛋白應用范圍的拓展意義非凡，也將是今后研究的熱點。總之，藜麥蛋白營養價值豐富，生物活性廣泛，在健康食品與營養產業快速發展的背景下，將會受到更多人的青睞。