小麥面筋蛋白糖基化改性研究進展

劉劍穎, 宋宇康, 熊曉輝, 薛 峰, 李 晨

(南京工業大學食品與輕工學院1,南京 211816)

(南京中醫藥大學藥學院2, 南京 210023)

小麥面筋蛋白(谷朊粉)是小麥粉除去淀粉和其他可溶性物質后分離生成的副產物[1],面筋蛋白主要由麥谷蛋白和麥醇溶蛋白組成,約占面筋蛋白質質量的80%[2,3]。根據分子量的不同,麥谷蛋白可分為低分子量、中分子量和高分子量谷蛋白亞基[4],其中高分子量谷蛋白亞基中部重復區的氨基酸易通過β-折疊形成松散的β-螺旋結構[5]。麥醇溶蛋白可分為α/β-、γ-、ω-這3種類型[6],其中α/β-、γ-醇溶蛋白含有較多的 β-轉角和α-螺旋,使麥醇溶蛋白呈現球狀[7]。麥谷蛋白和麥醇溶蛋白與水相互作用通過非共價鍵和麥谷蛋白結合,形成面筋網絡[8]。

由于面筋蛋白中含有較多疏水基團和非極性側鏈,其水溶性較差,故在食品和各非食品領域的應用都受到限制[9,10]。因此,為了提高面筋蛋白的使用價值,滿足工業生產的要求,對其進行一定程度的改性有著重大意義。糖基化改性相較其他改性方法更為溫和、安全[11],可以改善面筋蛋白的溶解性、乳化性等功能性質。本文從面筋蛋白糖基化的機理、糖的種類、糖基化對面筋蛋白的影響、糖基化面筋蛋白的應用4個方面綜述小麥面筋蛋白糖基化改性的研究進展。

圖1 面筋蛋白美拉德反應機理

1 面筋蛋白糖基化的機理

蛋白質糖基化改性是指通過一定的方法在蛋白質分子中引入糖分子,從而改善天然蛋白質的性能。將面筋蛋白糖基化可以改善面筋蛋白的性質,擴大面筋蛋白使用范圍。目前,面筋蛋白糖基化的手段主要有3種,一是利用轉谷氨酰胺酶催化面筋蛋白和多糖共價交聯,二是美拉德反應,三是用物理方法輔助美拉德反應。

1.1 轉谷氨酰胺酶誘導反應

美拉德糖基化運用廣泛、技術成熟,但是存在一些不容忽視的缺陷,比如反應過程難以控制,會形成類黑素等有害化合物。谷氨酰胺轉氨酶(transglutaminase,TGase)誘導的糖基化反應則條件溫和、效率更高且不會產生對人體有害的副產物。TGase可以催化蛋白質分子中的谷氨酰胺殘基與酰基受體相互作用,在含有伯胺基團的糖類存在的情況下,TGase可誘導糖分子的伯氨基與蛋白質分子的谷氨酰胺殘基結合,實現蛋白質和糖的共價交聯[12,14]。目前TGase廣泛應用于食品工業,被用來改善肉制品、水產品、乳制品、植物蛋白制品等食品蛋白質的功能性質和營養價值[15]。Lei等[16]研究了谷氨酰胺轉氨酶催化小麥面筋蛋白與羧甲基殼聚糖之間的糖基化反應,通過傅里葉變換紅外光譜和十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析發現,改性過的面筋蛋白分子中含有糖類部分,證實了羧甲基殼聚糖與小麥面筋蛋白的共價結合。

1.2 美拉德反應

美拉德反應是氨基酸和還原糖之間的復雜化學反應,整個過程包括縮合、降解、裂解、聚合等一系列的反應[17],可以分為3個步驟[18-20]：

形成Amadori化合物(1-氨基-1-脫氧-2-酮糖)。糖分子還原端的羰基與賴氨酸的ε-氨基之間發生縮合反應得到不穩定的Schiff堿,Schiff堿再經過重排而得到Amadori化合物。

Amadori化合物在酸性條件下發生1,2-醇烯化反應生成糠醛,或者在堿條件下發生2,3-醇烯化反應生成醛酮類中間體,中間體發生Strecker 分解反應產生 Strecker 醛類。

上一步的產物與氨基化合物進行醛基-氨基交聯反應,最終形成糖基化蛋白質和一些副產物。

1.3 物理方法輔助美拉德反應

由于傳統美拉德反應存在反應過程難以控制、效率不高等缺陷[21],近年來也有學者研究使用物理方法輔助面筋蛋白美拉德反應,包括超聲波、微波、超高壓等技術。超聲波技術操作簡便、過程易控制、時間短、效率高,因而在食品工業中的應用受到全世界的廣泛關注[22]。超聲波技術的作用機制主要是超聲波在體系中產生的機械作用和空化作用[23,24],超聲波處理破壞了小麥面筋蛋白的空間結構,使小麥面筋蛋白的結構變得松散,從而使糖分子更容易與蛋白質分子結合,改善蛋白質功能性質。微波加熱使物質內部偶極分子發生高頻往復運動,產生“內摩擦熱”,從而使被加熱物質溫度升高,無需熱傳導過程,加熱快速且均勻[25]。微波可以改變蛋白質分子的結構,蛋白質經微波處理后二硫鍵發生斷裂,導致自由巰基的含量降低,疏水作用的基團被暴露出來,同時二級結構也受到影響[26]。Xiang等[27]采用不同的微波功率和時間對面筋蛋白進行處理,發現隨著微波輸入功率200～1 000 W和加熱時間1～5 min,面筋蛋白的內部結構發生了顯著的變化,包括共價鍵和非共價鍵斷裂、α-螺旋和β-轉角的增加、交聯度的增加和異肽鍵的形成。超高壓技術是在一定的溫度下利用不同的壓力條件(100～1 000 MPa)對蛋白質進行改性,它會破壞蛋白質中的非共價鍵(氫鍵、疏水鍵、離子鍵等),使蛋白質降解成小分子,暴露出更多的極性基團,促進糖基化反應的進行,從而改變蛋白質的溶解性、乳化性等功能性質[28]。

2 用于面筋蛋白糖基化的糖的種類

2.1 單糖與二糖

常見的與面筋蛋白發生美拉德反應的單糖和二糖有葡萄糖、果糖、麥芽糖等,從目前的研究可以看出,單糖和二糖對面筋蛋白的糖基化可以改善其溶解度、乳化性和起泡性等功能性質,且相較于多糖,單糖更容易發生糖基化反應,這可能是由于單糖的分子量小,更容易接近面筋蛋白、與面筋蛋白接枝。楊雪飛等[29]研究了微波對面筋蛋白和葡萄糖糖基化的影響,發現微波功率為350 W時,小麥面筋蛋白糖基化改性效果最為顯著,其在等電點處的溶解性較對照組提高了78.48%,且乳化活性及乳化穩定性最高分別達到41.65 m2/g和11.99 min。Fogliano等[30]將小麥面筋蛋白和葡萄糖組成的面食模型體系,在不同條件下進行美拉德反應,以研究促進面條中美拉德化合物形成的條件。研究結果表明,在120 ℃以下,有色化合物的形成非常緩慢,在150 ℃時,有色化合物的生成速度增加了7倍;在潮濕條件下,用極性溶劑可以較好地提取所形成的有色物質,而在干燥條件下,可以提取出更多的疏水有色化合物。Song等[31]利用美拉德反應改善面筋蛋白的乳化性和起泡性,發現與天然對照相比,面筋蛋白-果糖偶聯物具有更強的乳化活性和起泡性,并利用Box-Behnken模型對面筋-果糖偶聯物的美拉德反應條件進行了優化,發現在48 ℃、果糖/面筋質量比為125%的條件下反應72 h的產物具有最佳乳化活性,比天然對照提高2.5倍左右,在 48 ℃、果糖/面筋質量比為110%的條件下反應66 h的產物具有最佳起泡性,是對照的3倍。李江河[32]以果糖、葡萄糖、麥芽糖、葡聚糖為糖基供體,利用干法美拉德反應來改善面筋蛋白的功能特性,結果表明反應時間和溫度可有效促進接枝反應的進行,糖基化改性可以有效提高谷朊粉的溶解度(果糖和葡萄糖效果最好)和乳化性(葡聚糖效果最好),對起泡性的改善不明顯,并且對面筋蛋白美拉德反應條件進行了優化。

2.2 多糖

目前,用于小麥面筋蛋白糖基化的多糖種類較多,常見的有魔芋葡甘露聚糖、葡聚糖、羧甲基纖維素、膳食纖維等。相較于單糖,多糖可以在面筋蛋白周圍形成立體網絡狀結構增加了蛋白的厚度和機械強度,使其乳化性和乳化穩定性得到進一步的提高,并且當面筋蛋白結合的多糖鏈長超過一定的范圍,受熱時多糖的位阻效應就會阻止展開的蛋白質分子聚集,提高面筋蛋白的熱穩定性。Guo等[33]研究了不同濃度的魔芋葡甘聚糖(KGM)對冷凍小麥面筋蛋白、麥谷蛋白和醇溶蛋白熱性質和顯微性質的影響。結果表明,KGM對冷凍面筋蛋白和醇溶蛋白的變性溫度和變性熱有正向影響,而對冷凍醇溶蛋白的變性溫度和變性熱有降低作用;KGM的添加增加了冷凍面筋蛋白和醇溶蛋白的α-螺旋結構,而降低了冷凍麥谷蛋白的α-螺旋結構。Zhao等[34]研究了不同濃度(0.5%和1.0%面筋質量分數)的羧甲基殼聚糖(CMC)對加熱過程中面筋蛋白的結構和流變特性的影響,結果表明,0.5%的CMC可以降低面筋蛋白在加熱過程中的聚集程度,并通過美拉德反應形成面筋蛋白-CMC偶聯物來加強交聯網絡,從而提高面筋蛋白的黏彈性。Qiu等[35]使用葡聚糖與小麥醇溶蛋白進行糖基化反應,結果表明,糖基化增加了小麥醇溶蛋白的溶解度,降低了小麥醇溶蛋白的表面疏水性。

3 糖基化對面筋蛋白的影響

糖基化能提高面筋蛋白溶解性、乳化性、起泡性、抗氧化性、抗菌性以及熱穩定性等功能特性,且使面筋蛋白對于外界環境條件具有較高的適應性[36,37]。

3.1 溶解性

通過糖基化改性,面筋蛋白分子中引入了含有較多羥基、親水性強的糖鏈,從而顯著提高面筋蛋白的溶解性[38]。此外,糖基化還可能使面筋蛋白負電荷增加,導致面筋蛋白的等電點向較低的pH值移動,從而使糖基化產物在較寬的pH范圍內表現出更好的溶解性[39]。Kato等[40]在60 ℃、相對濕度為79%的干熱條件下,將葡聚糖偶聯到面筋蛋白上,研究發現面筋蛋白-葡聚糖偶聯物的溶解度隨反應時間的延長而提高,且保存3周后依舊保有良好的溶解性。章旭等[41]在60 ℃、75%相對濕度的條件下,用葡聚糖與小麥面筋蛋白進行美拉德反應,發現糖基化面筋蛋白表面疏水性和溶解性有小幅度的提高。任先娥等[42]用葡萄糖、乳糖、葡聚糖對小麥面筋蛋白進行糖基化改性,研究發現,3種改性后的面筋蛋白的溶解性均有不同程度的改善,且最大溶解度約為對照組的3倍。臧艷妮等[43]研究了超聲波和糖基化復合改性對小麥面筋蛋白功能特性及其結構的影響,結果表明經40 kHz、300 W超聲波處理40 min的小麥面筋蛋白糖基化改性效果最為顯著,此時面筋蛋白溶解性最好,較對照組提高了82.15%。

3.2 乳化性

糖基化通過改變面筋蛋白表面的電荷密度,提高其對水油的親和力,從而改善面筋蛋白的乳化性能[44]。在乳化的過程中,糖基化改性面筋蛋白的蛋白質部分在油水界面上形成保護層,降低界面張力,而糖鏈部分可以在保護層的周圍形成立體網狀結構,增加保護層的厚度,使乳化液更加穩定[45]。Wong等[46]在60 ℃、75%相對濕度的條件下,將小麥面筋和2種不同分子量的葡聚糖(D10和D65)通過美拉德反應產生偶聯物。研究得出,葡聚糖D10與小麥面筋的糖基化程度比葡聚糖D65高,而葡聚糖D65能夠增加糖基化產物乳狀液在酸性pH下的穩定性。Wang等[47]以小麥面筋蛋白和麥芽糊精為原料,在溫度80 ℃、相對濕度79%的條件下進行干法美拉德反應。結果發現在不同的pH值和氯化鈉濃度下,用美拉德產物制備的乳劑在酸性和氯化鈉條件下表現出比面筋蛋白和麥芽糊精混合乳劑更好的穩定性。王亞平等[48]將乳糖與小麥面筋蛋白在控制條件下進行美拉德反應,以改善面筋蛋白的乳化性,研究發現最佳工藝條件為pH7、面筋蛋白/乳糖質量比為3∶1、面筋蛋白質量分數為12% 、反應時間為10 d。宋永令等[49]以葡萄糖為糖基供體,與面筋蛋白發生美拉德反應,并利用響應面法研究了時間、溫度、葡萄糖/面筋蛋白質量比對接枝產物乳化性的影響。研究結果表明,改性后面筋蛋白的乳化性有很大的提高,最佳反應條件為：時間 3.29 d(約 79 h)、溫度 46 ℃ 、葡萄糖/面筋蛋白質量比35%,此時乳化性為56.57 m2/g。楊雪飛等[29]采用微波預處理小麥面筋蛋白,經葡萄糖糖基化改性后,研究其乳化性的變化,結果表明,適當功率的微波預處理有利于小麥面筋蛋白的糖基化改性,當微波功率為350 W時,糖基化產物的乳化活性及乳化穩定性最高分別達到41.65 m2/g和11.99 min。

3.3 起泡性

面筋蛋白雖然具有一定的起泡能力,但是其起泡性不佳,使用前往往需要對其進行改性和加工,研究表明,糖基化處理在蛋白質分子中引入了多糖鏈,改變了蛋白質的空間結構,使蛋白質泡沫更加不容易破碎,從而改善了面筋蛋白的起泡性能。Song等[31]的研究表明,在反應溫度48 ℃,反應時間為66 h,麥芽糖/面筋質量比為11∶10的條件下讓面筋蛋白和麥芽糖進行美拉德反應,糖基化產物的起泡性能平均為158.57%,是對照組的3倍。張楨玉[50]發現經大麥β-葡聚糖糖基化的小麥面筋蛋白的起泡性和起泡穩定性相較于對照組都有顯著提高。冀世敏等[51]在濕熱條件下通過美拉德反應制備小麥面筋蛋白-果膠復合物,由于果膠的黏性,復合物的起泡性相較對照組有所降低,但是其起泡穩定性相較對照組的60.1%上升至88.2%,有較大提升。

3.4 結構性質

4 糖基化的面筋蛋白的應用

4.1 在食品領域的應用

4.1.1 食品添加劑

小麥面筋可作為天然的食品添加劑添加在烘焙食品、香腸、肉糜等食品中。糖基化的面筋蛋白可用于改善面團品質、乳液穩定性等。Zhang等[57]在pH為10、70 ℃孵育90 min的條件下用大麥β-葡聚糖對面筋蛋白進行糖基化修飾,然后將得到的產物用作脂肪代替物制作微波蛋糕。實驗結果顯示,糖基化降低了面筋蛋白的表面疏水性,提高了面筋蛋白的乳化性,并且當其代替50%(質量分數)的油用于微波蛋糕時,蛋糕的比容、烘烤損失和質構測試結果沒有顯著改變。王怡然[55]在濕熱條件下制備了面筋蛋白-阿拉伯膠偶聯物并將其加入奶粉乳液中,研究偶聯物對乳液性質的影響。研究結果表明,在中性和酸性條件下,加入30%～40%(體積分數)的偶聯物可以減緩脂肪球上浮,降低乳析率,同時減少蛋白沉淀,降低離心沉淀率。

4.1.2 增香作用

近年來,有學者利用面筋蛋白的美拉德反應制備肉香味調料。劉麗婭等[58]以酶解的小麥面筋蛋白和木糖為主要原料,通過糖基化反應得到了46種肉香風味物質, 同時通過正交實驗優化工藝條件,實驗發現添加 15%小麥面筋蛋白酶解物、6%木糖和1.25%半胱氨酸,在 pH 為7、溫度為115 ℃的條件下反應75 min是制備肉香風味物質的最佳工藝。Sun等[59]制備了含有酶解小麥蛋白、還原糖和硫源的模型體系,并在不同的時間和溫度條件下對其進行加熱以產生肉味香氣,然后對加熱的酶解小麥蛋白-糖體系表征了美拉德反應過程和產物輪廓。結果表明,該體系的最大紫外光吸收、最大熒光和最小褐變對應的時間-溫度關系與香精生產的最佳反應條件相關聯。

4.1.3 制備食品包裝

基于面筋蛋白良好的黏彈性和可生物降解的優點,目前有將其加工成薄膜用于活性食品包裝的研究。Fabra等[60]通過在蛋白質膜的兩側施加疏水性較強的聚羥基烷酸鹽層,開發了基于塑化小麥面筋蛋白膜的三層膜包裝,經過糖基化改性后,面筋蛋白的結構更加具有彈性,因而更加適合用于包裝行業。Zhang等[54]通過美拉德反應將面筋蛋白和玉米醇溶蛋白與木糖共價結合,然后利用共混靜電紡絲法制備了面筋/玉米醇溶蛋白納米纖維膜,研究發現糖基化后的纖維膜平均纖維直徑顯著增加到717～521 nm,并且由于分子間的纏結和高分子鏈之間的相互作用增強,纖維膜水蒸氣滲透性降低,水穩定性提高,網絡結構更加堅固和具有彈性,獲得了活性食品包裝應用所需的物理性能。

4.2 在其他領域的應用

4.2.1 抗氧化作用

糖基化的小麥面筋蛋白的抗氧化抗氧化性也有所提升,Gottardi等[61]利用堿性酶或風味酶對面筋蛋白進行酶解,并通過谷氨酰胺轉氨酶酶促糖基化將其與氨基葡萄糖偶聯,將偶聯水解物與天然水解物進行比較發現,雖然抑制血管緊張素轉換酶的活性降低,但糖基化堿性酶水解物和糖基化風味酶水解物對DPPH自由基的清除活性增強。臧艷妮[44]利用超高壓對小麥面筋蛋白進行預處理后再進行糖基化改性發現,經復合改性的面筋蛋白與鐵氰化鉀反應后在700 nm處的吸光值由0.204提高到了0.422,還原力增強,而對DPPH 自由基的清除率也由15.47%提高到了67.57%。

4.2.2 制備纖維

小麥面筋蛋白具有良好的黏彈性,是制備纖維的良好原料,然而,直接由小麥面筋制成的蛋白質纖維的機械性能較差。Lei等[16]利用谷氨酰胺轉氨酶催化小麥面筋蛋白與羧甲基殼聚糖反應,然后將糖基化的面筋蛋白通過濕法紡絲制成纖維,結果發現經糖基化處理后,小麥面筋蛋白纖維的斷裂強力和斷裂伸長率分別提高了43%和127%。

4.2.3 活性物質載體

糖基化面筋蛋白具有較好的溶解性和乳化穩定性[62],目前,有學者用糖基化小麥蛋白作為生物活性化合物載體。Qiu等[35]用葡聚糖對去酰胺化的小麥醇溶蛋白進行糖基化,并進一步與白藜蘆醇結合。醇溶蛋白和糖基化醇溶蛋白均可與白藜蘆醇形成納米絡合物,但是作用機理不同,白藜蘆醇與醇溶蛋白的絡合物主要是通過疏水作用形成的,而與糖基化的醇溶蛋白主要是通過氫鍵作用形成的。Wang等[47]用脫酰胺的面筋蛋白-麥芽糊精偶聯物制備乳液包被β-胡蘿卜素,β-胡蘿卜素乳劑的體外消化圖譜表明,β-胡蘿卜素可以被成功地被包裹在脫酰胺的面筋蛋白-麥芽糊精偶聯物形成的乳劑中,其生物活性超過59.4%。

5 總結與展望

目前,對小麥面筋蛋白的糖基化改性主要利用美拉德反應,或者物理方法輔助美拉德反應,也有部分學者利用谷氨酰胺轉氨酶催化面筋蛋白的糖基化。用于面筋蛋白糖基化的糖主要有葡萄糖、果糖、麥芽糖、葡聚糖、羧甲基纖維素等,其中單糖和二糖更容易發生糖基化反應,多糖能夠給面筋蛋白提供更穩定的結構,對面筋蛋白的改性效果更好。糖基化反應給面筋蛋白引入更多的—OH 和—NH2,改變面筋蛋白的微觀結構,也能一定程度改善小麥面筋蛋白的溶解性、乳化性、發泡性等功能性質,擴大面筋蛋白在工業上的用途。目前,糖基化面筋蛋白已用作食品添加劑、食品包裝、活性物質載體等。

目前對小麥面筋蛋白糖基化的研究多止步于對糖基化面筋機理和性質的研究,對糖基化面筋蛋白的應用的研究較少,接下來可以進一步研究糖基化面筋蛋白的使用場景,研究其使用效果,探究將面筋蛋白投入使用的最佳工藝條件,以期糖基化面筋蛋白在食品工業和非食品工業更好的應用,增加小麥面筋蛋白的商業價值。