蛋白质/多糖自组装及其应用

许威，崔继来，李娟，雍艳艳，周文艺，王远，张宇凡

（1.信阳师范学院生命科学学院，河南信阳 464000；2.大别山农业生物资源保护与利用研究院，河南信阳464000）

蛋白质/多糖自组装及其应用

许威1，2，崔继来1，2，李娟1，2，雍艳艳1，周文艺1，王远1，张宇凡1

（1.信阳师范学院生命科学学院，河南信阳 464000；2.大别山农业生物资源保护与利用研究院，河南信阳464000）

蛋白质和多糖，作为食品体系中最为重要的两种大分子，其自组装行为不仅影响食品品质，还在营养、药物递体系及软材料构建等方面有着广泛的应用。介绍蛋白质/多糖主要的自组装形式，包括复合物、纳米凝胶等，并简介蛋白质/多糖自组装在食品及其它领域的应用。

蛋白质；多糖；自组装；应用

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

蛋白质和多糖，作为构成、维持生命体最基本的两种物质，它们之间自组装行为的阐释不仅可以追溯和解释生命的由来，也可以用来构建多种可食性材料形态并应用于营养、医学及环境等方面。本文选择两种常用的食品原料，多糖和蛋白质为切入点，系统地介绍其自组装体系，在其自组装行为的基础上，构建复合物、乳液、纳米凝胶、微囊等结构，以期拓宽以蛋白质和多糖为食品基材的应用前景和潜力。

1 蛋白质/多糖自组装

牛乳自组装，通常是指在非人为介入条件下，由分散的构筑单元通过它们之间的特异性和局部相互作用而自发形成一个有序的系统或结构的过程。蛋白质和多糖作为天然的功能性食品材料，它们的混合体系常常被运用在食品、医学及化妆品等领域[1-2]。同时，蛋白质多糖自组装有利于提高食品品质、降低食品成本、创造新型的纳米级、微米级食品结构，食品结构的改变将直接影响着食品的结构与质构特性。蛋白质在水溶状态下，作为两亲性物质，其与多糖相互作用，一般会出现以下4种情况：共溶、热力学不相容状态、排斥絮凝和复合凝聚。这种共存现象主要决定于蛋白质和多糖所带电荷的情况以及影响电荷的因素所决定，如pH值、离子强度、分子大小及生物高聚物的浓度[3]。

共溶，往往是在稀溶液中形成稳定均一的体系，在这一体系中两种复合物不发生相互作用或以可溶性复合物的形式存在。热力学不相溶体系也称为相分离体系，一般发生在浓度和离子强度较高的条件下，溶液体系就会出现聚集成两个不相容的体系，一相富含多糖，另一相富含蛋白质。排斥絮凝往往发生在球状小分子（蛋白质、油滴）在大分子溶液体系中发生的相分离现象。复合凝聚，又称热力学相容性或联合相分离，通常发生相对较低的浓度（总浓度＜3%～4%），该种情况下，蛋白质多糖存在强烈的相互作用而形成复合物，当pH值在蛋白质等电点和多糖解离常数之间最易发生[4]。

2 自组装存在的主要形式

蛋白质多糖自组装存在多种形式，包括自然发生形成的复合物，也包括在酸、热、界面诱导下的纳米凝胶、乳液体系等。

2.1 复合物

多糖和蛋白质带相反电荷，通过静电作用或多糖吸附在蛋白质表面，或诱导多糖/蛋白质颗粒相互吸引，凝聚成最后形成共存的两相的聚集体[5]。络合物在该过程中仍保持着液态和完整独立的空间结构，由于电荷效应而形成稳定体系。其形成原因一方面来自于多糖和蛋白质自身分子结构的特性，另一方面还受pH值、离子强度等因素的影响。

蛋白质多糖复合物多在一定pH值和离子强度条件自发形成，已广泛应用于食品、化妆品领域。Jamróz研究了红藻胶与牛血清白蛋白质在广泛的pH值和盐离子强度条件下可以形成复合物，并对其形成原理进行分析[6]。应用研究卡拉胶与牛血清白蛋白复合物作为保护和负载姜黄素发现，此复合物不仅能够提高姜黄素对紫外的不稳定性，还能保证其生物活性不受损失[7]。大豆蛋白质和大豆多糖复合物也被用来负载、保护及控制释放叶酸，并具有较好的效果[8]。大量研究表明蛋白质多糖复合物具有较大的疏水腔结构，能够对疏水性活性成分具有较好的增溶效果，同时也可改善对外界乃至食品加工过程中不良因素的敏感性，如热、辐照、剪切等，最大层度地提高功能性成分的生物利用率[9-10]。

2.2 纳米凝胶

低环境负荷、低能耗、低成本制造高度功能纳米粒是目前研究的热点，蛋白质和多糖作为天然、无毒、可降解的天然高分子，更受研究者的青睐[11]。两亲性高分子衍生物，如壳聚糖、羧甲基纤维素等，既可通过电荷与蛋白质质肽类药物相互作用，又可通过其疏水基团与蛋白质质肽类药物的脂溶性基团相互作用，双重作用更有利于纳米载体对蛋白质质肽类药物的负载[12]。而加热制备乳铁蛋白质纳米粒子，再与果胶、藻酸盐及卡拉胶静电结合，并用动态光散射（dynamic light scattering，DLS）、圆二色谱（circular dichroism ，CD）、原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）及聚丙烯酰胺凝胶电泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electropheresis，SDS-PAGE）分析结合纳米胶粒的抗消化行为（胃液、胰液）研究表明，与多糖结合后可以起到抗消化作用，表明通过多糖修饰可以调控蛋白质的消化性，从而起到特殊作用，这种特殊的作用主要是由于静电作用而形成复合物[13]。除此之外，溶菌酶、牛血清白、酪蛋白质等均在适当条件下与多糖在酸或热诱导下形成纳米凝胶，并在营养及药物输送体系起到重要作用[14-17]。

2.3 Pickering乳液

Pickering乳液，即固体颗粒稳定的乳液，固体颗粒稳定剂与传统表面活性剂稳定乳液相比，固体颗粒稳定剂用量减少，毒性小于有机类表面活性剂；乳液稳定性在不同程度上有所提高，不易受外界因素，如pH值、温度、盐浓度等因素；且大多对环境无污染。利用食品级纳米粒子作为固体乳化剂也逐渐受到科研工作者青睐[18-19]。Wei等利用具有pH值响应性及反复性壳聚糖纳米粒子制备O/W乳液，油相包括液体石蜡、乙烷、甲苯等[20]。玉米醇溶蛋白作为良好的粒子乳化剂，制备大豆乳液[21]，淀粉纳米也被用来制备Pickering乳液应用于食品[22]。

2.4 微囊等其它形式

微囊，具有很大的负载能力而备受关注。蛋白质、多糖及其自组装体系均具有很强的界面性质，通过交联及加速去除内部溶剂，即可获得微囊结构。通常微囊由合成高分子，如聚乙酸内酯、聚苯乙烯[23]，但利用蛋白质多糖组装体系还较少。Wei等利用pH值响应性壳聚糖粒子结合聚乳酸-羟基乙酸共聚物在戊二醛交联的情况下制备微囊，并比较有无交联情况下的微囊特性[24]。同时，同种磁性微囊也被Liu等合成[25]。结合纳米凝胶和其它线性柔性分子也可制备此类微囊[26]。

蛋白质多糖自组装体系近年来逐渐与无机材料结合，制备多功能材料应用于检测、催化等方面。Liu等巧用酪蛋白质的自组装行为，用其胶束来稳定金纳米离子。用紫外-可见光谱（ultraviolet-visible spectroscopy，UV）、透射电镜（transmission electron microscope，TEM）、傅里叶变换红外光谱（fourier transform infrared spectrometer，FTIR） 和 X射线衍射 （X ray diffraction，XRD）等手段表征所制备的纳米离子，并研究酪蛋白质浓度及pH值对金纳米离子粒径的影响。并利用制备的纳米离子催化4-硝基酚生成4氨基酚的反应（NaBH4存在条件），研究酪蛋白质浓度及pH值对催化效率的影响、速率常数[27]。Lee则利用微波法制备溶菌酶/金纳米材料，并利用TEM、电位、UV、X射线光电子能谱分析（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）及红外进行表征；MTT法探讨其与细胞毒性，并与金纳米材料进行对比，发现能较好的降低细胞毒性；通过FITC法及流式细胞法研究细胞摄出该纳米复合物的过程，并讨论其机制是受体介导的胞吞[28]。

3 蛋白质/多糖自组装体系在食品中的应用

首先，蛋白质/多糖自组装可以改善食品品质。蛋白质、多糖作为食品体系最主要的成分，其间的相互作用直接影响着食品的品质。相互作用适宜时，发生高分子的络合作用或缔合作用对蛋白质的功能特性有很大的影响，可在一定层度改变食品的起泡性及稳定性。同时蛋白质/多糖混合体系的相行为及由热力学不相容性会导致诸如凝胶等性质变化，从而改变食品质构品质。

其次，作为功能性成分负载、保护及递送系统，如矿物质、抗氧化成分、类胡萝卜素、维生素、脂肪酸、甾醇等[29]。特别是对一些对外界环境较为敏感的活性成分，不仅起到增溶的效果，还能抵抗保存、加工过程中不良环境对其活性成分的破坏，研究较多有姜黄素、叶酸等[30-31]。

值得一提的是，由蛋白质、多糖复合物稳定的乳液体系，对于改变传统意义上乳液系统有着重要意义，不仅取材于食品更应用于食品，特别是对于疏水性活性成分的增溶作用十分明显。纳米粒子吸附在液滴表面形成的界面微粒层可以有效的阻止液滴的聚集，具有良好的稳定作用。食品中蛋白质分子在油水界面的吸附动力学研究也被广泛研究[32]。德国妮维雅公司和法国欧莱雅公司均对固体颗粒稳定剂在化妆品中的运用做了大量的研究。

4 蛋白质多糖自组装体系在其它方面的应用

作为载药体系，蛋白质纳米粒子具有很多功能基团可以被进一步修饰，通过表面修饰的蛋白质纳米粒子可以躲避吞噬细胞的捕获或增加纳米粒子的靶向性[32]。Lin等以PEG修饰的人血清白蛋白质为原料，通过去溶剂法制备了PEG修饰的白蛋白质纳米粒子，研究发现在加入电解质Na2SO4或改变pH值时，PEG修饰的白蛋白质纳米粒子比单独白蛋白质纳米粒子有更好的稳定性，还能降低血浆蛋白质吸附[33]。

纳米材料具备优异的物理、化学、电催化等性能，加之其量子尺寸效应和表面效应，可将传感器的性能提高到一个新的水平。袁若等基于层层自组装，把金纳米和血红蛋白组装于半胱氨酸修饰的金电极表面，用于检测过氧化氢，实验结果表明，该方法与单层带正电的金纳米组装血红蛋白质，或与带负电的金纳米组装血红蛋白相比，其方法不仅提高了血红蛋白质的附载量，还保留了其的生物活性，从而提高了该传感器的灵敏度，拓宽了检测响应范围[34]。

Pickering乳液互不相容的液体界面是纳米粒子进行自组装的理想场所。利用Pickering乳液进行聚合可以制备各种复合材料，同时，通过高内相乳液制备多孔及细胞支架材料也是一种简便、高效的方法[35-36]。

5 结语

基于蛋白质/多糖自组装的研究，特别是在食品加工条件诱导下的蛋白质/多糖自组装研究，一方面对改善食品结构、新食品的设计有重要的实际应用价值，另一方面由蛋白质/多糖制备微/纳组装体的研究也是近年来的研究热点，这主要体现在营养素的增溶、保护及提高生物利用率等方面。另外基于蛋白质/多糖自组装的响应性药物载体、传感器、软材料等均有着很大的潜力。

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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

河南省自然科学基金项目（162300410229）；信阳师范学院大学生科研基金项目（2017-DXS-081）；信阳师范学院青年科学基金（16050）

许威（1986—），男（汉），讲师，博士，研究方向：食品大分子互作及配料稳态化。