蛋白質(zhì)/多糖自組裝及其應(yīng)用

許威，崔繼來，李娟，雍艷艷，周文藝，王遠，張宇凡

（1.信陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南信陽 464000；2.大別山農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用研究院，河南信陽464000）

蛋白質(zhì)/多糖自組裝及其應(yīng)用

許威1，2，崔繼來1，2，李娟1，2，雍艷艷1，周文藝1，王遠1，張宇凡1

（1.信陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南信陽 464000；2.大別山農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用研究院，河南信陽464000）

蛋白質(zhì)和多糖，作為食品體系中最為重要的兩種大分子，其自組裝行為不僅影響食品品質(zhì)，還在營養(yǎng)、藥物遞體系及軟材料構(gòu)建等方面有著廣泛的應(yīng)用。介紹蛋白質(zhì)/多糖主要的自組裝形式，包括復(fù)合物、納米凝膠等，并簡介蛋白質(zhì)/多糖自組裝在食品及其它領(lǐng)域的應(yīng)用。

蛋白質(zhì)；多糖；自組裝；應(yīng)用

Abstract：Protein and polysaccharide，two kinds of important macromolecules in food system，their self-assembly behavior not only affected the food quality，but also played important roles in nutrients and drugs delivery and fabrication of soft materials.We first introduced several common self-assembly forms between protein and polysaccharide，including complx，nanogel，et al.Besides，the application of protein/polysaccharide selfassembly in food and other fields were briefly discussed.

Key words：protein；polysaccharide；self-assembly；application

蛋白質(zhì)和多糖，作為構(gòu)成、維持生命體最基本的兩種物質(zhì)，它們之間自組裝行為的闡釋不僅可以追溯和解釋生命的由來，也可以用來構(gòu)建多種可食性材料形態(tài)并應(yīng)用于營養(yǎng)、醫(yī)學(xué)及環(huán)境等方面。本文選擇兩種常用的食品原料，多糖和蛋白質(zhì)為切入點，系統(tǒng)地介紹其自組裝體系，在其自組裝行為的基礎(chǔ)上，構(gòu)建復(fù)合物、乳液、納米凝膠、微囊等結(jié)構(gòu)，以期拓寬以蛋白質(zhì)和多糖為食品基材的應(yīng)用前景和潛力。

1 蛋白質(zhì)/多糖自組裝

牛乳自組裝，通常是指在非人為介入條件下，由分散的構(gòu)筑單元通過它們之間的特異性和局部相互作用而自發(fā)形成一個有序的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的過程。蛋白質(zhì)和多糖作為天然的功能性食品材料，它們的混合體系常常被運用在食品、醫(yī)學(xué)及化妝品等領(lǐng)域[1-2]。同時，蛋白質(zhì)多糖自組裝有利于提高食品品質(zhì)、降低食品成本、創(chuàng)造新型的納米級、微米級食品結(jié)構(gòu)，食品結(jié)構(gòu)的改變將直接影響著食品的結(jié)構(gòu)與質(zhì)構(gòu)特性。蛋白質(zhì)在水溶狀態(tài)下，作為兩親性物質(zhì)，其與多糖相互作用，一般會出現(xiàn)以下4種情況：共溶、熱力學(xué)不相容狀態(tài)、排斥絮凝和復(fù)合凝聚。這種共存現(xiàn)象主要決定于蛋白質(zhì)和多糖所帶電荷的情況以及影響電荷的因素所決定，如pH值、離子強度、分子大小及生物高聚物的濃度[3]。

共溶，往往是在稀溶液中形成穩(wěn)定均一的體系，在這一體系中兩種復(fù)合物不發(fā)生相互作用或以可溶性復(fù)合物的形式存在。熱力學(xué)不相溶體系也稱為相分離體系，一般發(fā)生在濃度和離子強度較高的條件下，溶液體系就會出現(xiàn)聚集成兩個不相容的體系，一相富含多糖，另一相富含蛋白質(zhì)。排斥絮凝往往發(fā)生在球狀小分子（蛋白質(zhì)、油滴）在大分子溶液體系中發(fā)生的相分離現(xiàn)象。復(fù)合凝聚，又稱熱力學(xué)相容性或聯(lián)合相分離，通常發(fā)生相對較低的濃度（總濃度＜3%～4%），該種情況下，蛋白質(zhì)多糖存在強烈的相互作用而形成復(fù)合物，當(dāng)pH值在蛋白質(zhì)等電點和多糖解離常數(shù)之間最易發(fā)生[4]。

2 自組裝存在的主要形式

蛋白質(zhì)多糖自組裝存在多種形式，包括自然發(fā)生形成的復(fù)合物，也包括在酸、熱、界面誘導(dǎo)下的納米凝膠、乳液體系等。

2.1 復(fù)合物

多糖和蛋白質(zhì)帶相反電荷，通過靜電作用或多糖吸附在蛋白質(zhì)表面，或誘導(dǎo)多糖/蛋白質(zhì)顆粒相互吸引，凝聚成最后形成共存的兩相的聚集體[5]。絡(luò)合物在該過程中仍保持著液態(tài)和完整獨立的空間結(jié)構(gòu)，由于電荷效應(yīng)而形成穩(wěn)定體系。其形成原因一方面來自于多糖和蛋白質(zhì)自身分子結(jié)構(gòu)的特性，另一方面還受pH值、離子強度等因素的影響。

蛋白質(zhì)多糖復(fù)合物多在一定pH值和離子強度條件自發(fā)形成，已廣泛應(yīng)用于食品、化妝品領(lǐng)域。Jamróz研究了紅藻膠與牛血清白蛋白質(zhì)在廣泛的pH值和鹽離子強度條件下可以形成復(fù)合物，并對其形成原理進行分析[6]。應(yīng)用研究卡拉膠與牛血清白蛋白復(fù)合物作為保護和負載姜黃素發(fā)現(xiàn)，此復(fù)合物不僅能夠提高姜黃素對紫外的不穩(wěn)定性，還能保證其生物活性不受損失[7]。大豆蛋白質(zhì)和大豆多糖復(fù)合物也被用來負載、保護及控制釋放葉酸，并具有較好的效果[8]。大量研究表明蛋白質(zhì)多糖復(fù)合物具有較大的疏水腔結(jié)構(gòu)，能夠?qū)κ杷曰钚猿煞志哂休^好的增溶效果，同時也可改善對外界乃至食品加工過程中不良因素的敏感性，如熱、輻照、剪切等，最大層度地提高功能性成分的生物利用率[9-10]。

2.2 納米凝膠

低環(huán)境負荷、低能耗、低成本制造高度功能納米粒是目前研究的熱點，蛋白質(zhì)和多糖作為天然、無毒、可降解的天然高分子，更受研究者的青睞[11]。兩親性高分子衍生物，如殼聚糖、羧甲基纖維素等，既可通過電荷與蛋白質(zhì)質(zhì)肽類藥物相互作用，又可通過其疏水基團與蛋白質(zhì)質(zhì)肽類藥物的脂溶性基團相互作用，雙重作用更有利于納米載體對蛋白質(zhì)質(zhì)肽類藥物的負載[12]。而加熱制備乳鐵蛋白質(zhì)納米粒子，再與果膠、藻酸鹽及卡拉膠靜電結(jié)合，并用動態(tài)光散射（dynamic light scattering，DLS）、圓二色譜（circular dichroism ，CD）、原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）及聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electropheresis，SDS-PAGE）分析結(jié)合納米膠粒的抗消化行為（胃液、胰液）研究表明，與多糖結(jié)合后可以起到抗消化作用，表明通過多糖修飾可以調(diào)控蛋白質(zhì)的消化性，從而起到特殊作用，這種特殊的作用主要是由于靜電作用而形成復(fù)合物[13]。除此之外，溶菌酶、牛血清白、酪蛋白質(zhì)等均在適當(dāng)條件下與多糖在酸或熱誘導(dǎo)下形成納米凝膠，并在營養(yǎng)及藥物輸送體系起到重要作用[14-17]。

2.3 Pickering乳液

Pickering乳液，即固體顆粒穩(wěn)定的乳液，固體顆粒穩(wěn)定劑與傳統(tǒng)表面活性劑穩(wěn)定乳液相比，固體顆粒穩(wěn)定劑用量減少，毒性小于有機類表面活性劑；乳液穩(wěn)定性在不同程度上有所提高，不易受外界因素，如pH值、溫度、鹽濃度等因素；且大多對環(huán)境無污染。利用食品級納米粒子作為固體乳化劑也逐漸受到科研工作者青睞[18-19]。Wei等利用具有pH值響應(yīng)性及反復(fù)性殼聚糖納米粒子制備O/W乳液，油相包括液體石蠟、乙烷、甲苯等[20]。玉米醇溶蛋白作為良好的粒子乳化劑，制備大豆乳液[21]，淀粉納米也被用來制備Pickering乳液應(yīng)用于食品[22]。

2.4 微囊等其它形式

微囊，具有很大的負載能力而備受關(guān)注。蛋白質(zhì)、多糖及其自組裝體系均具有很強的界面性質(zhì)，通過交聯(lián)及加速去除內(nèi)部溶劑，即可獲得微囊結(jié)構(gòu)。通常微囊由合成高分子，如聚乙酸內(nèi)酯、聚苯乙烯[23]，但利用蛋白質(zhì)多糖組裝體系還較少。Wei等利用pH值響應(yīng)性殼聚糖粒子結(jié)合聚乳酸-羥基乙酸共聚物在戊二醛交聯(lián)的情況下制備微囊，并比較有無交聯(lián)情況下的微囊特性[24]。同時，同種磁性微囊也被Liu等合成[25]。結(jié)合納米凝膠和其它線性柔性分子也可制備此類微囊[26]。

蛋白質(zhì)多糖自組裝體系近年來逐漸與無機材料結(jié)合，制備多功能材料應(yīng)用于檢測、催化等方面。Liu等巧用酪蛋白質(zhì)的自組裝行為，用其膠束來穩(wěn)定金納米離子。用紫外-可見光譜（ultraviolet-visible spectroscopy，UV）、透射電鏡（transmission electron microscope，TEM）、傅里葉變換紅外光譜（fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR） 和 X射線衍射 （X ray diffraction，XRD）等手段表征所制備的納米離子，并研究酪蛋白質(zhì)濃度及pH值對金納米離子粒徑的影響。并利用制備的納米離子催化4-硝基酚生成4氨基酚的反應(yīng)（NaBH4存在條件），研究酪蛋白質(zhì)濃度及pH值對催化效率的影響、速率常數(shù)[27]。Lee則利用微波法制備溶菌酶/金納米材料，并利用TEM、電位、UV、X射線光電子能譜分析（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）及紅外進行表征；MTT法探討其與細胞毒性，并與金納米材料進行對比，發(fā)現(xiàn)能較好的降低細胞毒性；通過FITC法及流式細胞法研究細胞攝出該納米復(fù)合物的過程，并討論其機制是受體介導(dǎo)的胞吞[28]。

3 蛋白質(zhì)/多糖自組裝體系在食品中的應(yīng)用

首先，蛋白質(zhì)/多糖自組裝可以改善食品品質(zhì)。蛋白質(zhì)、多糖作為食品體系最主要的成分，其間的相互作用直接影響著食品的品質(zhì)。相互作用適宜時，發(fā)生高分子的絡(luò)合作用或締合作用對蛋白質(zhì)的功能特性有很大的影響，可在一定層度改變食品的起泡性及穩(wěn)定性。同時蛋白質(zhì)/多糖混合體系的相行為及由熱力學(xué)不相容性會導(dǎo)致諸如凝膠等性質(zhì)變化，從而改變食品質(zhì)構(gòu)品質(zhì)。

其次，作為功能性成分負載、保護及遞送系統(tǒng)，如礦物質(zhì)、抗氧化成分、類胡蘿卜素、維生素、脂肪酸、甾醇等[29]。特別是對一些對外界環(huán)境較為敏感的活性成分，不僅起到增溶的效果，還能抵抗保存、加工過程中不良環(huán)境對其活性成分的破壞，研究較多有姜黃素、葉酸等[30-31]。

值得一提的是，由蛋白質(zhì)、多糖復(fù)合物穩(wěn)定的乳液體系，對于改變傳統(tǒng)意義上乳液系統(tǒng)有著重要意義，不僅取材于食品更應(yīng)用于食品，特別是對于疏水性活性成分的增溶作用十分明顯。納米粒子吸附在液滴表面形成的界面微粒層可以有效的阻止液滴的聚集，具有良好的穩(wěn)定作用。食品中蛋白質(zhì)分子在油水界面的吸附動力學(xué)研究也被廣泛研究[32]。德國妮維雅公司和法國歐萊雅公司均對固體顆粒穩(wěn)定劑在化妝品中的運用做了大量的研究。

4 蛋白質(zhì)多糖自組裝體系在其它方面的應(yīng)用

作為載藥體系，蛋白質(zhì)納米粒子具有很多功能基團可以被進一步修飾，通過表面修飾的蛋白質(zhì)納米粒子可以躲避吞噬細胞的捕獲或增加納米粒子的靶向性[32]。Lin等以PEG修飾的人血清白蛋白質(zhì)為原料，通過去溶劑法制備了PEG修飾的白蛋白質(zhì)納米粒子，研究發(fā)現(xiàn)在加入電解質(zhì)Na2SO4或改變pH值時，PEG修飾的白蛋白質(zhì)納米粒子比單獨白蛋白質(zhì)納米粒子有更好的穩(wěn)定性，還能降低血漿蛋白質(zhì)吸附[33]。

納米材料具備優(yōu)異的物理、化學(xué)、電催化等性能，加之其量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，可將傳感器的性能提高到一個新的水平。袁若等基于層層自組裝，把金納米和血紅蛋白組裝于半胱氨酸修飾的金電極表面，用于檢測過氧化氫，實驗結(jié)果表明，該方法與單層帶正電的金納米組裝血紅蛋白質(zhì)，或與帶負電的金納米組裝血紅蛋白相比，其方法不僅提高了血紅蛋白質(zhì)的附載量，還保留了其的生物活性，從而提高了該傳感器的靈敏度，拓寬了檢測響應(yīng)范圍[34]。

Pickering乳液互不相容的液體界面是納米粒子進行自組裝的理想場所。利用Pickering乳液進行聚合可以制備各種復(fù)合材料，同時，通過高內(nèi)相乳液制備多孔及細胞支架材料也是一種簡便、高效的方法[35-36]。

5 結(jié)語

基于蛋白質(zhì)/多糖自組裝的研究，特別是在食品加工條件誘導(dǎo)下的蛋白質(zhì)/多糖自組裝研究，一方面對改善食品結(jié)構(gòu)、新食品的設(shè)計有重要的實際應(yīng)用價值，另一方面由蛋白質(zhì)/多糖制備微/納組裝體的研究也是近年來的研究熱點，這主要體現(xiàn)在營養(yǎng)素的增溶、保護及提高生物利用率等方面。另外基于蛋白質(zhì)/多糖自組裝的響應(yīng)性藥物載體、傳感器、軟材料等均有著很大的潛力。

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Protein/Polysaccharide Self-assembly and Its Applications

XU Wei1，2，CUI Ji-lai1，2，LI Juan1，2，YONG Yan-yan1，ZHOU Wen-yi1，WANG Yuan1，ZHANG Yu-fan1
（1.College of Life Science，Xinyang Normal University，Xinyang 464000，Henan，China；2.Institute for Conservation and Utilization of Agro-bioresources in Dabie Mountains，Xinyang 464000，Henan，China）

2017-01-13

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.20.043

河南省自然科學(xué)基金項目（162300410229）；信陽師范學(xué)院大學(xué)生科研基金項目（2017-DXS-081）；信陽師范學(xué)院青年科學(xué)基金（16050）

許威（1986—），男（漢），講師，博士，研究方向：食品大分子互作及配料穩(wěn)態(tài)化。