何晓叶,邰克东,高彦祥,袁 芳(中国农业大学食品科学与营养工程学院,功能配料与食品添加剂研发中心,教育部功能乳品重点实验室,北京100083)
美拉德反应制备蛋白质-多糖共价复合物的研究进展
何晓叶,邰克东,高彦祥,袁 芳*
(中国农业大学食品科学与营养工程学院,功能配料与食品添加剂研发中心,教育部功能乳品重点实验室,北京100083)
蛋白质和碳水化合物通过美拉德反应形成糖基化产物,也称为共价复合物,可以改善蛋白质的功能特性。本文主要介绍了近年来通过美拉德反应制备蛋白质-多糖共价复合物的方法,共价复合物生成的主要影响因素,共价复合物结构与功能性质的分析方法及其应用。
美拉德反应,蛋白质,多糖,共价复合物,功能性质
蛋白质和多糖是食品原料中两类重要的生物大分子,是影响食品质构的主要因素。蛋白质具有乳化且稳定食品体系的能力,多糖主要有增稠和持水能力,而蛋白质-多糖共价复合物比其前体物质具有更加优越的性能(乳化性、凝胶性、起泡性、热稳定性等),在食品、药品、化妆品等领域具有广阔的应用前景。目前,蛋白质-多糖共价复合物主要通过美拉德反应制备。而本文主要介绍近年来通过美拉德反应研究蛋白质-多糖共价复合物的最新进展,包括制备方法、共价复合物的影响因素与结构和功能性质的关系,以及共价复合物的应用现状。蛋白质-多糖共价复合物的美拉德反应动力学研究进展可参阅邵澜媛等的论文[1]。
蛋白质-多糖共价复合物的形成是基于蛋白质分子中氨基酸侧链的自由氨基(主要是赖氨酸侧链上的ε-氨基)和多糖分子还原末端羟基之间的羟氨反应,也就是美拉德反应。美拉德反应制备的蛋白质-多糖共价复合物可以增强蛋白质的功能特性,包括溶解性、凝胶型、乳化性、起泡性、热稳定性、抗氧化性等,还可以构建传递系统运送活性物质。表1列举了2010~2015年间美拉德反应制备蛋白质-多糖共价复合物的代表性研究成果。使用的蛋白主要包括动物蛋白中的乳蛋白(包括酪蛋白、乳清分离蛋白、β-乳球蛋白、α-乳白蛋白)、牛血清白蛋白以及植物蛋白中的大豆蛋白、大米蛋白、小麦蛋白等,使用的多糖为葡聚糖、阿拉伯胶、卡拉胶、麦芽糊精以及一些单糖和二糖等。
影响蛋白质与多糖发生美拉德反应的主要因素有pH、反应温度和时间、蛋白质与多糖的比例、相对湿度等[16-18]。美拉德反应速率随温度升高而增大,当反应体系的水分活度在0.3~0.7时反应可达到最大速率[19]。随着pH的增大美拉德反应速率也会增大,在pH为弱碱性时速率最大[19]。多糖的种类、结构、分子量、链长也会影响美拉德反应的速率。Niu等[6]研究发现碳水化合物的分子量大小对于共价复合物的功能性质很重要,木糖与蛋白的接枝程度最高,而麦胚蛋白-葡聚糖共价复合物的溶解性和乳化稳定性要显著高于其他几种复合物;Seo等[11]研究发现半乳糖比低聚半乳糖和半乳聚糖更易与溶菌酶发生美拉德反应;Geng等[12]研究发现多糖的分子量与形成的共价复合物的热稳定性呈正相关性。
表1 美拉德反应制备蛋白质-多糖共价复合物及其结构表征和功能特性研究Table1 Structural characteristisc and functional properties of protein-polysaccharide coijugates via the Maillard reaction
目前,通过美拉德反应制备蛋白质-多糖共价复合物的方法主要有干热法和湿热法两种。干热法是制备蛋白质-多糖共价复合物最传统的一种方法,它的一般程序是:将蛋白质与多糖分别溶解在水或缓冲溶液中,二者混合均匀后冷冻干燥,将粉末置于密闭容器中,一定温度和湿度条件下反应一定时间形成共价复合物[20]。一般地,降低温度就可以抑制这种反应的进行。Miralles等[21]在40℃,相对湿度79%下,研究了2周内β-乳球蛋白与壳聚糖(W/W=1∶4)共价复合物的特性,并通过分光光度法和十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)法分析确定了美拉德反应的发生和产物形成。结果发现,在pH4下,反应2 d所得的复合物乳化性最高,同时美拉德反应产物抑制大肠杆菌的活性也最高。干热法反应条件容易实现,但反应时间相对较长。因此最近有学者研究了高温(90,115和140℃)、短时(2 h)干热条件下通过美拉德反应制备大豆分离蛋白(SPI)-麦芽糊精(MD)的共价复合物[22]。通过蛋白质中自由氨基含量测定和SDS-PAGE法确定了美拉德产物的生成,并且得出140℃条件下制备的SPI-MD复合物的乳化稳定性和贮存稳定性均比90℃和115℃要高,这可能是因为140℃时糖基化程度更高,二者的共价结合的比例更大,相同反应产物的溶液中,更多含量的SPIMD共价复合物提供了足够的空间位阻,增强了乳液的稳定性。但是干热法不适用于大规模生产,因为在反应前需要将物料进行干燥,并且在反应时需要控制湿度和温度,在实际应用中具有局限性。
湿热法一般是将一定比例的蛋白质与多糖混合水溶液放入密闭装置中,通过水浴或者油浴进行加热,最后通过冰浴来降低反应温度,从而结束反应。此条件下的共价复合反应速度与温度有关,温度低时(≤90℃)反应速度较慢,温度高时(≥100℃)则较快。此法目前主要应用于蛋白质与单糖或二糖之间的反应[10,23],该法的优点是易于控制并且反应时间较短,但回收产品时需要将水或者缓冲溶液除去[10,23]。
除上述两种方法外,微波、高静水压、超声波、超临界CO2等[24-29]新兴技术也被逐渐应用到蛋白质-多糖复合反应中。如Xu等[25]的研究表明超高压条件下形成的β-伴大豆球蛋白-葡聚糖共价复合物的乳化性显著高于单一蛋白;Dragana等[27]研究表明高强度超声可以有效地促进美拉德反应(湿热法)下未变性β-乳球蛋白的糖基化。而超临界CO2技术在美拉德反应中的应用并不十分理想。Casal等[28]研究发现超临界CO2处理(30 MPa,50℃)下乳糖-酪蛋白缩氨酸及乳糖-β-乳球蛋白的美拉德反应几乎难以进行;且超临界CO2的应用使得不同底物浓度下核糖-半胱氨酸的美拉德反应复杂程度加大,并降低了大多数挥发性物质的生成[29]。这可能是因为在高压及CO2存在的情况下,样品发生了酸化,使溶液的pH降低,从而不利于美拉德反应的继续进行[30]。
分析蛋白质-多糖共价复合物结构特性的方法主要有电泳法、分光光度法、色谱法、光谱法、质谱法、光散射法等(见表1)。其中,应用最广泛的当属电泳法[31-32]。Xu等[33]采用SDS-PAGE技术分析大豆蛋白和葡聚糖(重量比1∶3,1∶6,1∶9)的共价复合物。在用SDS-PAGE之前,复合物和蛋白质样品用含有SDS和β-巯基乙醇的缓冲液进行处理,破坏交联和二硫键桥联,以及复合物和蛋白质的疏水性聚合。比单一大豆蛋白更高分子量新条带的出现,表明大豆蛋白-葡聚糖共价复合物的形成。共轭结合程度可用条带定量分析来计算。结果表明,使用1∶3,1∶6和1∶9质量比,分别可使大约9%、32%和34%的蛋白质和葡聚糖进行共价结合。
美拉德反应产生的棕色物质可通过分光光度法测定褐变程度(通常是420 nm处测定,见表1)。吸光度值的增加可以作为一个指标来衡量美拉德反应高级阶段引起的褐变程度。美拉德反应的程度是由与多糖作用的赖氨酸的平均数量决定。研究美拉德反应程度和蛋白质改性程度的方法包括,邻苯二甲醛法(OPA)、三硝基苯磺酸法(TNBS)、糠氨酸分析法(ε-N-furoylmethyl-L-lysine)等[34-35]。
此外,一些其他的技术方法也广泛用于复合物的结构表征,包括动态光散射(DLS)、基质辅助激光解吸电离-飞行时间-质谱(MALDI-TOF MS)、红外光谱、荧光光谱和圆二色谱(CD)等(见表1)。
蛋白质-多糖共价复合物的功能性质主要指复合物中蛋白质的功能性质,主要包括乳化性、凝胶性、起泡性,以及溶解性和热稳定性,最终决定产品的质量。
4.1 乳化性
在蛋白质-多糖共价复合物的功能或工艺特性的研究报道中,共价复合物的乳化性研究最多。乳化性在食品体系中具有重要作用,而蛋白质和多糖对于乳状液的稳定性又起到关键作用。蛋白质在乳化过程中吸附在水-油界面形成一层粘弹性的膜,而多糖通过增稠和凝胶行为提供体系稳定性。有很多研究表明蛋白质-多糖共价复合物显示出了良好的乳化特性[36-39]。影响复合物乳化性的因素包括多糖的分子量、多糖的含量、多糖的结构、反应时间以及赖氨酸的含量[17]。Zhang等[38]研究了大豆蛋白水解物(HSPI)-麦芽糊精(MD)共价复合物的乳化性,结果表明,80℃反应270 min之后,HSPI-MD共价复合物的乳化活性指数增加到了109.07 m2/g,而单一大豆分离蛋白的乳化活性指数仅为86.13 m2/g。还有研究[39]发现超声波法结合湿法美拉德反应制备β-伴大豆球蛋白(7S)-MD共价复合物(7S-MDUH),可使共价复合物的表面疏水性,乳化性和乳化稳定性显著增高。此外,7S-MDUH制备的乳液在极端pH、离子强度和热处理温度下亦可保持稳定,这主要是因为蛋白质的表面疏水性和二级结构发生了变化,导致蛋白质分子空间位阻减小,柔韧性增加。
4.2 凝胶性
凝胶具有一种三维网状结构,可以容纳其他的成分和物质,对食品的质地等方面具有重要的作用。通过美拉德反应制备糖基化蛋白可以改善其凝胶特性[40-41]。Matsudomi等[40]研究了干热法(3 d,60℃,65% RH,卵清蛋白∶半乳甘露聚糖=1∶4)制备卵清蛋白-半乳甘露聚糖共价复合物。结果表明,在90℃下加热共价复合物溶液(蛋白浓度10%w/v)30 min可改善其凝胶特性。共价复合物所制备凝胶的凝胶强度和持水量都比单一蛋白高。随着加热时间的延长,共价复合物凝胶变得透明,而单一蛋白形成的凝胶变得浑浊。Spotti等[41]用干法(2、5、9 d,60℃,63%RH)制备了乳清分离蛋白(WPI)-葡聚糖(DX)共价复合物。研究表明,反应时间显著影响凝胶特性。WPI/DX混合物凝胶在单轴压缩下断裂,而共价复合物在测试条件下未断裂,在单轴压缩实验下承受了80%的变形。另外,对共价复合物凝胶进行了模量和应力松弛测定,并与混合物凝胶进行了对比,结果表明共价复合物凝胶的硬度和紧度更小一些。
4.3 起泡性
食品泡沫通常是指气体在连续液相或半固相中分散所形成的分散体系。起泡性,一种重要的食品属性,决定许多食品的质量,例如牛奶、肉、蛋黄酱、冰激凌、冰冻甜点、蛋糕、面包、馅料等。研究发现,美拉德反应制备的蛋白-多糖共价复合物比单一蛋白的起泡性要有明显提高[8,42]。Medrano等[42]研究发现通过美拉德反应(50℃,65%RH)制备的β-乳球蛋白-乳糖/葡萄糖复合物的起泡性有所提高,且乳糖复合物的泡沫要比葡萄糖复合物的泡沫更稳定。这可能是因为在β-乳球蛋白中加入乳糖,增加了改性蛋白在气-水界面的吸附,改善了它的起泡性,导致泡沫对于重力排水有了更强的稳定性。产生这些变化都是因为β-乳球蛋白和乳糖形成共价键导致其结构上的变化,这种结合使蛋白质分子展开,增加了蛋白质疏水残基的暴露。Corzo-Martinez等[8]研究了β-乳球蛋白-半乳糖共价复合物的起泡性。在pH7下,与对照组(蛋白经过热处理但并未加半乳糖)相比,糖基化没有显著改变界面特性和起泡性,但在pH5下,共价复合物表现出较好的气-水界面的动力吸附,与对照组相比有了较好的起泡性。作者认为,美拉德反应制备的β-乳球蛋白-半乳糖共价复合物可替代单一蛋白作为起泡剂使用,且β-乳球蛋白可以在酸性食品中用作起泡剂,如富含蛋白质的碳酸饮料中。
4.4 溶解性和热稳定性
溶解性直接影响食品的其他功能性质,例如乳化性、起泡性、凝胶性和粘性。因此溶解性是开发新型乳化剂和食品非常关键的功能性质。研究发现,糖基化蛋白质的溶解性会有所提高。Kasran等[37]制备了大豆乳清分离蛋白(SWPI)和水解及非水解的香豆胶共价复合物。在22℃,pH3~8范围内,SWPI-香豆胶共价复合物的蛋白溶解性比SWPI和SWPI-香豆胶混合物有明显提高,尤其在蛋白质等电点处。但也有一些学者报道美拉德反应会导致蛋白质溶解性的降低[35,43]。这个矛盾现象的发生有可能是因为蛋白质生物化学的复杂性和反应多糖的不同造成的。溶解度的增加是由于糖基化程度的限制,亲水的糖残基对蛋白质的限制攻击会减少蛋白质自组装的趋势。然而二硫键桥联的出现和多肽之间的交联,可能会是导致蛋白质减少的原因[17]。
热稳定性分析在食品工业上被广泛用来检验蛋白质抵抗热处理的能力。热处理会破坏蛋白质,造成蛋白质分子展开而有聚沉现象发生,并导致蛋白质营养价值的流失。研究表明,糖基化蛋白质的热稳定性比单一蛋白要有所提高[35,44]。Álvarez等[35]研究发现,猪血分离蛋白-葡聚糖共价复合物能够更好地抵抗热处理带来的聚结和沉淀。葡聚糖阻止了蛋白质的聚集,避免了蛋白质之间的相互作用,最终保护了蛋白质原本的结构。
美拉德反应制备的蛋白-多糖共价复合物与许多化学方法和酶法制备的产物相比具有很好的安全性,而且具备良好的抗氧化性、抑菌性、乳化性、凝胶性等特性,因此可以作为天然新型功能性的抗氧化剂、抑菌剂、乳化剂等,应用于食品、药品和化妆品中。
5.1 食品
目前,在食品领域,美拉德反应产物主要应用于可食性膜的制备、开发脂肪替代物、一些功能因子的包埋与传递、调味料、烟草工业等方面[45-50]。如Wang等[45]利用ε-聚赖氨酸和壳聚糖的美拉德反应产物制备出了结构紧密的可食性膜,在一定条件下具有较好的抗张强度和伸长率,且抗菌性能比单一前体都有所改善。Yang等[46]研究表明SPI-大豆可溶性多糖共价复合物制备的乳液可作为疏水化合物如柠檬醛等物质的肠道运输载体。张陆霞等[47]以鳕鱼排为原料,添加木糖、葡萄糖,在110℃下加热90 min,制得的美拉德反应产物具有醇厚的海鲜风味,可用于鱼味调味料。壳聚糖-鸡蛋清溶菌酶复合物可被开发成具有优良乳化性和抑菌性的新型功能性添加剂[48]。
5.2 药品
蛋白质和多糖等天然高分子来源广泛,具有良好的生物降解性和生物相容性,和很多药物分子存在较强的相互作用,因此,近些年来蛋白、多糖及其复合物在药物制剂领域己有广泛的应用。研究表明,蛋白-多糖共价复合物具有疫苗作用和抗肿瘤作用,而且还是药物在生物体中的适宜载体,可用于药物的缓释[51]。邓伟等[52]通过动物实验研究表明,阿霉素-白蛋白-葡聚糖纳米粒子能够有效抑制肿瘤的增长以及延长小鼠的存活寿命,因此该纳米粒子具有潜在的临床应用前景。并且白蛋白-葡聚糖纳米凝胶还可作为布洛芬的载体,可使布洛芬的负载效率提高,整个载药纳米粒子的制备过程绿色,安全,操作便捷[53]。
5.3 化妆品及其他材料
一些天然多糖如壳聚糖等具有良好的抗菌特性以及对人体的亲和性,可与蛋白质形成复合物制备出优质的化妆品。目前,已有一些蛋白-多糖复合物应用于护肤品中[54]。另外,随着高分子材料技术的发展,蛋白-多糖共价复合物也可作为良好的纺织材料、生物材料和防污染材料用于织物、药物缓释体系、废水等污染物的处理方面,且是对人体无毒害作用的性能良好的生物高分子载体[55]。
通过美拉德反应对蛋白质进行糖基化,可以改善蛋白质的功能特性。蛋白质-多糖共价复合物对于控制生物活性物质在食品基质中的释放有很大潜力。但仍需大量研究进行完善和充实。这些研究包括:开发和改进制备和评价共价复合物的方法,使共价复合物的工业化成为可能;为共价复合物结构和功能性质之间的关系提供更多的案例支撑,为共价复合物的广泛性应用提供理论基础。
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Progress in protein-polysaccharide conjugates via the Maillard reaction
HE Xiao-ye,TAI Ke-dong,GAO Yan-xiang,YUAN Fang*
(College of Food Science&Nutritional Engineering,Research Center of Functional Ingredients and Food Additives,Key Laboratory of Functional Dairy,China Agricultural University,Beijing 100083,China)
The products formed by glycation of proteins with carbohydrates via the Maillard reaction,also known as conjugates,are agents capable of changing and improving functional characteristics of proteins.This paper mainly reviewed the preparation methods for protein-polysaccharide conjugates via the Maillard reaction,the main influencing factors,the analysis methods of its structures and functional properties as well as its applications over the past several years.
Maillard reaction;proteins;polysaccharides;conjugates;functional properties
TS201.2
A
1002-0306(2016)06-0377-06
10.13386/j.issn1002-0306.2016.06.067
2015-05-22
何晓叶(1988-),女,博士研究生,研究方向:天然产物与功能食品,E-mail:hxy880901@163.com。
袁芳(1967-),女,博士,副教授,研究方向:天然产物与功能食品,E-mail:yuanfang0220@cau.edu.cn。
国家自然科学基金(31371836)。