蛋白質(zhì)及其水解物對谷物淀粉糊化、回生及消化性的影響研究進(jìn)展

周夢露， 錢曉潔， 孫冰華， 馬 森， 王曉曦

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450001)

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物，廣泛存在于小麥、玉米、大米等谷物籽粒中，是其主要成分[1,2]。淀粉糊化后黏度增加，可用作黏結(jié)劑、增稠劑等，對改善食品的組織結(jié)構(gòu)及風(fēng)味等具有重要作用，在食品工業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[3]。但絕大多數(shù)谷物淀粉如小麥、大米淀粉等，具有較高的消化率，人體長期過量攝入此類食物會使血糖應(yīng)答值偏高，降低葡萄糖耐量，進(jìn)而導(dǎo)致肥胖癥和Ⅱ-型糖尿病等疾病的發(fā)生[4]。蛋白質(zhì)作為人類膳食營養(yǎng)的主要來源，往往和淀粉共存于食品體系中。多數(shù)研究表明蛋白質(zhì)-淀粉重組體系可在一定程度上表現(xiàn)出優(yōu)于其自身的理化特性[5]?；诖?，本文綜述了不同種類蛋白質(zhì)及其水解物對谷物淀粉糊化、回生以及消化性的影響，并對可能的作用機(jī)制進(jìn)行分析，以期為深入研究淀粉-蛋白互作及后續(xù)功能性食品的研究與開發(fā)提供參考。

1 蛋白質(zhì)對淀粉糊化特性的影響

淀粉糊化通常是指在熱作用下淀粉顆粒緩慢吸收水分發(fā)生膨脹，并逐漸破裂分散到溶液中的過程[6]。目前，普遍認(rèn)為蛋白質(zhì)對淀粉糊化特性具有抑制作用，具體表現(xiàn)在淀粉黏度降低、糊化溫度升高、崩解值下降以及糊化焓的改變等方面(表1)。

張敏等[7]將大米蛋白添加到小麥淀粉中發(fā)現(xiàn)，小麥淀粉的黏度、崩解值和回生值降低，糊化溫度升高，且隨蛋白質(zhì)添加量的增大，影響效果更顯著。修琳等[8]在研究綠豆蛋白對蕎麥淀粉糊化特性的影響中也得到了同樣的結(jié)果，并認(rèn)為在糊化過程中蛋白質(zhì)會圍繞在淀粉顆粒周圍，并可能通過非共價(jià)鍵(如靜電引力)結(jié)合在淀粉顆粒表面，阻礙淀粉的吸水膨脹和直鏈淀粉溶出，從而延緩淀粉糊化過程，使峰值時(shí)間和糊化溫度升高。羅舜菁等[9]研究了不同電荷(帶正電、帶負(fù)電和中性)氨基酸對大米淀粉的影響，發(fā)現(xiàn)帶正電和帶負(fù)電的氨基酸可顯著影響大米淀粉的糊化特性，而中性氨基酸對大米淀粉的糊化行為影響甚微。

此外，蛋白質(zhì)還可通過與淀粉競爭可利用水分延緩淀粉的糊化，如陳建省等[10, 11]認(rèn)為面筋蛋白可通過包裹在小麥淀粉顆粒表面抑制淀粉溶脹和與小麥淀粉競爭水分子使進(jìn)入淀粉顆粒的水分變少雙重作用使糊化過程延長。在此基礎(chǔ)上，Jekle等[12]研究了不同水分條件下面筋蛋白對小麥淀粉糊化特性的影響，發(fā)現(xiàn)在起始糊化時(shí)，蛋白質(zhì)作為屏障阻礙淀粉吸水是主要因素，競爭性水合是次要影響因素；而在討論最大糊化度時(shí)水合是主要影響因素，而屏障的作用似乎可以忽略不計(jì)。肖滿鳳等[13]則通過脫蛋白的方式探究了大米蛋白對大米淀粉糊化特性的影響，發(fā)現(xiàn)脫蛋白后淀粉糊化溫度、黏度降低，崩解值升高，并認(rèn)為這是由于大米蛋白在淀粉表面形成一層薄膜，同時(shí)競爭可利用水分，延緩了糊化過程所致。但也有研究者認(rèn)為糊化溫度的升高可能是蛋白質(zhì)變性溫度高于淀粉糊化溫度所致[14]。

表1 蛋白質(zhì)對淀粉糊化特性的影響

蛋白質(zhì)水解后形成分子量更小的肽類、氨基酸等，更容易被人體吸收，且具有良好的生理功能，可改善食品風(fēng)味及營養(yǎng)品質(zhì)[15]。多數(shù)研究表明，水解蛋白同樣可通過非共價(jià)作用結(jié)合在淀粉顆粒表面與和淀粉顆粒競爭可利用水分等方式抑制淀粉糊化。Zhang等[16]發(fā)現(xiàn)，與天然小麥淀粉相比，添加大米水解蛋白后，小麥淀粉峰值黏度、崩解值和回生值顯著降低，糊化溫度有所提高。Yu等[17]將經(jīng)酶解的乳清蛋白加入大米淀粉中后，得到了類似的結(jié)果。崩解值一方面反映了淀粉糊在高溫和高剪切下的耐受性，另一方面反映了淀粉糊的穩(wěn)定性和糊化過程中顆粒的損傷程度[18]。崩解值的降低也側(cè)面說明蛋白質(zhì)阻礙了淀粉糊化過程。

綜上所述，蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)水解物可通過在淀粉周圍形成物理屏障作用和競爭糊化過程中可利用水分子兩方面來延緩淀粉糊化過程，但不同蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)水解物對淀粉糊化特性的影響程度存在差異。這是由于，一方面，分子量及帶電荷數(shù)較高的蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)水解物具有更大的比表面積及結(jié)合力，可以更好的與淀粉結(jié)合或形成包裹，附著在淀粉顆粒表面[9, 19]。另一方面，親水/疏水氨基酸殘基可對淀粉顆粒糊化吸水膨脹產(chǎn)生影響，從而使最終影響程度存在差異[20]。

2 蛋白質(zhì)對淀粉回生特性的影響

淀粉回生也稱淀粉老化、凝沉等，是糊化的逆過程。通常糊化后的淀粉在冷卻或儲藏過程中，由于溫度降低，分子運(yùn)動減弱，直鏈淀粉和支鏈淀粉分子相互靠近并發(fā)生重排，通過氫鍵形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，從無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，此過程稱為淀粉回生[30]。目前多數(shù)研究表明蛋白質(zhì)對谷物淀粉回生具有良好的抑制作用，可顯著降低淀粉凝膠硬度、回生焓、結(jié)晶速率、結(jié)晶度等[14, 31](表2)，且蛋白質(zhì)添加量與抑制程度呈正相關(guān)。

Ribott等[32]研究發(fā)現(xiàn)大豆分離蛋白降低了小麥淀粉凝膠的硬度，這與肖瑜等[33]玉米醇溶蛋白、大豆分離蛋白和乳清分離蛋白對大黃米淀粉老化特性的影響結(jié)果相一致，并認(rèn)為這是由于淀粉-蛋白質(zhì)體系間通過氫鍵作用力相互連接，并構(gòu)成一個(gè)緊密纏繞的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻礙了淀粉分子重結(jié)晶所致。Wang等[14]則認(rèn)為大米蛋白抑制大米蛋白回生是由多方面共同作用的結(jié)果。一方面添加蛋白質(zhì)后可能會造成淀粉糊化不完全，這些未糊化部分的結(jié)構(gòu)相對完整，彼此緊密結(jié)合，限制了糊化部分淀粉分子鏈的運(yùn)動，同時(shí)溶出的直鏈淀粉分子量減少，降低了淀粉成核率。另一方面，蛋白質(zhì)可有效抑制淀粉凝膠中水分的遷移，降低支鏈淀粉重結(jié)晶。在此基礎(chǔ)上，Zhang等[34]研究發(fā)現(xiàn)添加大米蛋白后大米淀粉凝膠持水性顯著提高，并認(rèn)為可能是蛋白質(zhì)對淀粉分子形成了空間阻礙，限制了淀粉分子間交聯(lián)，從而提高了凝膠持水性，延緩了淀粉回生。

此外，蛋白質(zhì)水解物同樣可延緩淀粉回生。且影響機(jī)制與蛋白質(zhì)對淀粉回生特性的影響相同，可分為阻礙分子間氫鍵形成、提高持水能力、糊化不完全幾方面。如，Zhang等[16]發(fā)現(xiàn)大米水解蛋白可使小麥淀粉的回生焓顯著下降，體系再結(jié)晶速率下降，恒定自旋-自旋弛豫時(shí)間T2增大。Xiao等[35]發(fā)現(xiàn)李斯特菌草魚水解蛋白可顯著降低大米淀粉凝膠的儲能模量、回生焓值、硬度、結(jié)晶度，淀粉晶型由A型變成B型，與Niu等[36, 37]研究豬血漿蛋白水解物對玉米淀粉回生特性影響的結(jié)果一致。目前已確認(rèn)B-型結(jié)晶結(jié)構(gòu)中雙螺旋間排列相較A-型更加疏松[38]，這也側(cè)面證實(shí)了蛋白質(zhì)水解物阻礙了淀粉有序結(jié)構(gòu)的形成。

然而水解后的蛋白似乎更能影響淀粉的回生程度。Niu等[39]研究發(fā)現(xiàn)，相比米糠蛋白-淀粉體系，米糠蛋白水解物-淀粉體系的硬度更低，且不同酶及不同酶解時(shí)間下的水解產(chǎn)物對大米淀粉回生的影響程度不同。這與Lian等[40]不同水解度的大豆分離蛋白在延緩玉米淀粉回生方面存在顯著差異相符。這可能是由于相比原蛋白，水解后的蛋白質(zhì)暴露出更多的基團(tuán)，可以更好地與淀粉分子相結(jié)合，同時(shí)水解后的蛋白質(zhì)在肽鏈長度、電荷密度、氨基酸序列組成等方面存在差異所致。

在回生過程中，一方面蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)水解物可能分散在淀粉分子間，且隨著添加量的增加可能出現(xiàn)聚集物，阻礙直鏈淀粉和支鏈淀粉間氫鍵的形成[35]，另一方面由于支鏈淀粉的重結(jié)晶需要水分子進(jìn)入結(jié)晶層，蛋白質(zhì)中的某些親水性基團(tuán)或可與支鏈淀粉競爭可利用水分子，降低淀粉鏈的流動性，延緩支鏈淀粉重結(jié)晶，從而抑制淀粉回生[41-43]。此外，結(jié)合蛋白質(zhì)對淀粉糊化特性的影響可知，添加蛋白質(zhì)后淀粉可能出現(xiàn)糊化不完全的情況，未糊化部分的結(jié)構(gòu)沒有被破壞，彼此之間緊密相連，限制了糊化后的淀粉分子鏈的移動，同時(shí)溶出的直鏈淀粉量減少，也可能延緩淀粉回生[14, 18]。

表2 蛋白質(zhì)對谷物淀粉回生特性的影響

然而，由于蛋白種類、結(jié)構(gòu)等具有多樣性，也有少量研究表明蛋白質(zhì)對淀粉回生具有促進(jìn)作用。王雪青等[44]報(bào)道藻藍(lán)蛋白及藻藍(lán)蛋白水解物均能提高玉米直支鏈淀粉的回生率，但與添加量密切相關(guān)，且推測藻藍(lán)蛋白及藻藍(lán)蛋白水解物可能通過與淀粉還原端醛基形成氫鍵，促進(jìn)直/支鏈淀粉解旋，加快氫鍵形成，從而提高回生率。郭俊杰等[45]研究發(fā)現(xiàn)小麥醇溶蛋白可促進(jìn)小麥淀粉的回生，但這與肖瑜等[33]玉米醇溶蛋白抑制大黃米淀粉回生的結(jié)果相反。推測可能是由于前者糊化過程中所用溶劑為蒸餾水，而后者為乙醇溶液。在以蒸餾水為溶劑的體系中，由于醇溶蛋白含有大量的疏水性殘基，使淀粉凝膠持水性下降，支鏈淀粉可利用水分子增多，從而促進(jìn)支鏈淀粉回生，而以乙醇為溶劑的體系與此相反。

3 蛋白質(zhì)對淀粉消化性的影響

淀粉的消化性能的不同極大地影響了食品的營養(yǎng)功能。Englyst等[50]根據(jù)淀粉在人體消化道中的水解速率快慢，將其分為三類：快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。過量食用高RDS的食品會導(dǎo)致Ⅱ-型糖尿病和心血管疾病發(fā)病率的增加，這導(dǎo)致了許多關(guān)于淀粉的結(jié)構(gòu)和功能特性、淀粉與其他食物成分之間的相互作用以及食物基質(zhì)的特性如何影響淀粉消化性的研究，而蛋白-淀粉之間相互作用對淀粉消化性的影響更是研究熱點(diǎn)[51]。

目前研究表明，蛋白質(zhì)可在一定程度上降低谷物淀粉的消化程度和消化速率，且對淀粉消化性的影響可能是多方面機(jī)制共同作用的結(jié)果。蛋白質(zhì)對淀粉消化性的影響機(jī)理大致可從幾方面進(jìn)行解釋：1)物理阻礙作用；2)降低酶活性；3)與酶結(jié)合，降低酶對淀粉的催化作用。在高蛋白含量的食品中，蛋白質(zhì)分子間通過形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)，對淀粉形成包埋，即通過物理阻礙作用降低淀粉和酶的接觸率，從而限制淀粉的水解[52]。Yang等[53]研究了乳清蛋白對蒸煮后玉米淀粉的消化性后發(fā)現(xiàn)，乳清蛋白可通過非共價(jià)鍵與淀粉結(jié)合，包裹在玉米淀粉顆粒周圍或和玉米淀粉形成包裹物，降低蒸煮后的淀粉消化速率(圖1)。然而López-Barón等[54]在研究天然、變性和經(jīng)酶水解的幾種蛋白(玉米、小麥、大米、豌豆、大豆蛋白)對小麥淀粉消化性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，天然蛋白(除大米蛋白外)對混合物的RDS含量無顯著影響，而變性蛋白和/或酶解蛋白則顯著降低了混合物的RDS含量。天然蛋白和淀粉的結(jié)合力較弱，而酶水解和熱變性可顯著增強(qiáng)蛋白質(zhì)-淀粉的相互作用。經(jīng)變性或酶解后，一方面蛋白質(zhì)變成分子量較小的多肽或氨基酸，之前由于二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)而隱藏的疏水性基團(tuán)暴露出來，這可能會增強(qiáng)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另一方面，暴露出的芳香基殘基可增強(qiáng)淀粉與蛋白質(zhì)的結(jié)合，從而蛋白在淀粉表面形成一層包衣，阻礙酶的可及性。同時(shí)，變性和/或酶解蛋白還可能在淀粉加熱膨脹時(shí)，滲透入淀粉顆粒內(nèi)部，使淀粉消化性降低。除此之外，蛋白質(zhì)與淀粉結(jié)合還可增加淀粉顆粒的大小，粒徑越大，淀粉水解速度越慢[55]。

圖1 不同比例下玉米淀粉(CS)和乳清分離蛋白(WPI)激光掃描共聚焦顯微圖(尺寸=100 μm)[53]

另外，還可結(jié)合前面蛋白質(zhì)對淀粉糊化、回生的影響來解釋蛋白質(zhì)對淀粉消化性的影響。如，Chi等[56]分析了天然大米蛋白及大米蛋白水解物對大米淀粉消化性的影響后發(fā)現(xiàn)，天然大米蛋白、蛋白酶水解蛋白及蛋白酶-胰酶水解蛋白均可降低大米淀粉的消化性。天然蛋白和胃蛋白酶水解蛋白可通過氫鍵、疏水相互作用、靜電引力等吸附淀粉在顆粒表面，提高淀粉熱穩(wěn)定性，同時(shí)在冷卻過程中可誘導(dǎo)淀粉快速進(jìn)行重排，使體系具有較高的雙螺旋含量，有序性增加，提高酶抗性。而經(jīng)胃蛋白酶和胰酶雙重水解的蛋白，延緩了淀粉的回生，使淀粉的整體有序結(jié)構(gòu)降低，但增加了V-型復(fù)合物，并抑制了α-淀粉酶的活性從而使淀粉消化性降低。Zou等[57]研究了面筋蛋白對意大利面消化性的影響，認(rèn)為水合后的面筋蛋白形成面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對淀粉顆粒形成包埋，阻礙酶的可及性，降低反應(yīng)面積。另一方面，面筋蛋白會使意大利面在蒸煮過程中表面完全溶脹，中間部分部分溶脹，中心部分完好無損，使淀粉糊化不完全。同時(shí)面筋蛋白或可與酶形成弱相互作用，降低酶對淀粉的滲透作用，從而降低淀粉消化率。這與Rewati 等[58]研究結(jié)果相符。

4 總結(jié)與展望

從蛋白質(zhì)對谷物淀粉影響的研究中可以發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)水解物一方面可結(jié)合在淀粉顆粒表面阻礙淀粉加工過程中吸水溶脹及直鏈淀粉的溶出，延緩糊化過程，降低糊化度，間接提高淀粉的有序性，使淀粉更難被酶水解。另一方面可增大淀粉顆粒粒徑，降低比表面積，從而降低淀粉水解速率。除醇溶蛋白、藻藍(lán)蛋白等蛋白外，多數(shù)蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)水解物可在淀粉回生期間通過阻礙淀粉鏈間的相互作用或競爭水分子來延緩淀粉的回生。目前已有較多關(guān)于淀粉-蛋白混合體系的研究，但有些問題仍需進(jìn)一步研究。如蛋白質(zhì)和淀粉間主要通過非共價(jià)相互作用，但具體結(jié)合位點(diǎn)尚不明確，形成機(jī)理研究不夠深入[5]；對于已經(jīng)明確影響消化的蛋白質(zhì)，或可考慮運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，開發(fā)新的低消化性功能食品。同時(shí)有研究已將淀粉-蛋白二元體系擴(kuò)展到三元體系，進(jìn)一步豐富了混合體系的研究。此外，由于不同研究所用蛋白質(zhì)在結(jié)構(gòu)組成、添加量、處理方法等方面存在許多差異，目前尚缺乏普適的淀粉和蛋白質(zhì)間相互作用機(jī)制，人們也僅限于選擇不同的蛋白和淀粉體系并盡可能做出合理解釋[59]。因此蛋白和淀粉的相互作用機(jī)制還需深入研究。未來研究可從不同分子量蛋白、不同帶電量蛋白對同種淀粉影響比較等方面入手，完善淀粉和蛋白的相互作用機(jī)制。