植物蛋白及其酶水解产物对淀粉消化性的影响研究进展

唐 倩 肖华西 孙术国 林亲录 唐玮泽

(中南林业科技大学特医食品加工湖南省重点实验室; 中南林业科技大学食品科学与工程学院，长沙 410004)

淀粉是由20%左右的直链淀粉分子和常规支链淀粉分子形成的葡萄糖聚合物[1]，同时也以半结晶颗粒态的结构存在于植物的各个器官中，不同植物来源的淀粉呈现不同的颗粒形状和大小，在食物的质构和血糖应答方面起着非常重要的角色。

目前糖尿病和肥胖在人群中的患病率持续增高[2]。在饮食中含有一定成分的易消化淀粉和不易消化的膳食纤维，长期大量食用含快消化淀粉的食物易引起胰岛素应答障碍和代谢慢性综合征而出现身体上的疾病反应，但抗性淀粉及慢消化淀粉有利于缓解这些症状。淀粉还含有蛋白质、脂质、灰分和磷等部分微量成分，在某情况下这些成分会显著影响淀粉的理化性质[3]。淀粉在加工及食用过程中的功能特性与其结构紧密关联[4]，为使其在加工工序中满足各种特定需求，就必须寻找其改性的办法来改善或克服天然淀粉的缺陷[5]。研究发现淀粉可通过非共价作用(氢键、疏水和静电相互作用及范德华力等)与蛋白、脂质、多酚等结合形成复合物，在一定程度上改变淀粉的流变学、热力学及凝胶特性和消化性能等理化性质，有利于改善并调控淀粉类食品的加工品质和营养品质[6]。

在淀粉食品基质中添加了植物内源和外源蛋白、蛋白质酶水解产物以及其他成分后可减轻淀粉消化行为，即会更快地产生胰岛素和胰高血糖素，从而降低血糖浓度的反应[7]。但至今为止，对阐明淀粉与植物蛋白之间的分子相互作用的性质、结构以及蛋白的酶水解产物与淀粉形成混合体系的研究还鲜有报道，其影响程度和机理也尚不明确。因此，本综述将概述对改善淀粉有序结构以及与蛋白质成分的二元复合物对调控淀粉消化行为的研究结果和现状，基于已有的降低谷淀粉消化率的加工处理方式对增强人体饮食中血糖摄取的抑制程度，重点阐述淀粉与植物蛋白、淀粉与蛋白酶水解产物间的相互作用机制对淀粉理化性质、结构及消化性的影响。了解这些植物源蛋白质抑制淀粉分解的方式，对于开发和更好地控制淀粉消化率的食品体系来说可能至关重要，由此，掌握淀粉与其他组分的相互作用以及对淀粉结构与消化性能的影响规律也是构建淀粉类功能食品的关键。

1 淀粉-植物蛋白复合物的交互作用及制备方法

在淀粉和蛋白两相共存体系中，会在较多客观条件下(如适宜的温度、时间、pH、添加量及离子强度等)使得两者发生相互作用形成复合物，而淀粉与蛋白质之间的复合却不是由单一作用完成的，而是由共价键、氢键、离子键、静电力、范德华力、疏水作用、容积排阻作用等综合作用的结果，两者交互作用形式能使这类复合物具有独特加工特性及抗消化特性等功能性质，且可应用于食品及功能性食品等领域[8]，淀粉-蛋白质交互作用如表1和图1所示。

表1 淀粉-蛋白质复合物的交互作用

图1 淀粉与蛋白质作用[9]

淀粉和蛋白质都是高分子物质，由于立体效应，淀粉化学反应具有强烈的取向性，而蛋白质因具有高级结构且分子内作用力及疏水作用很复杂，基团包埋于分子结构内部从而不易发生反应，导致了淀粉-蛋白质复合物制备过程也较为复杂。目前，淀粉-植物蛋白复合物制备方法及优缺点如表2所示。由表2可见，与湿热法相比，其余4种方法因成本能耗、反应程度等问题均不利于复合物的制备，故湿热法被普遍采用。

表2 淀粉-蛋白质复合物的制备方法

2 植物蛋白及其酶水解产物的功能特性

蛋白质能经酸法、碱法或酶法水解得到水解产物(多为多肽、氨基酸等小分子混合物)，使其获得良好的功能特性(如表3)，目的是改善和提高食品的营养价值等作用。蛋白质在决定许多食品的质地和结构中扮演着至关重要的角色，蛋白质的结构、大小、形状、氨基酸组成等能决定植物蛋白的功能性质，但由于在水性介质中，蛋白质的溶解度低，植物蛋白的功能常常存在不足，与水解方法相比，部分酶促水解极大地增加了蛋白质的溶解度，并可改变且诱导新的功能特性。因此，需对植物蛋白及其酶水解产物的功能特性有更深入的了解。

表3 植物蛋白在食品体系中的功能特性及应用[10]

2.1 溶解性

植物蛋白的溶解度随pH的变化呈U型，其最低溶解度接近天然蛋白的等电点[11]。酶促水解极大地降低了蛋白质的平均分子质量(MM)并释放出可电离的基团。在酶促水解条件下，植物蛋白在一定pH范围内的溶解度会大大提高。然而，大豆蛋白水解尤其在酸性pH3下会降低溶解度，这归因于蛋白水解时疏水残基暴露出来与蛋白质发生相互作用，且因此导致了沉淀。在接近等电点的pH下，水解产物的蛋白质溶解度比天然大豆蛋白质更好。

2.2 持水(WHC)和保脂(FHC)能力

在一定条件下，植物蛋白水解物具有良好的WHC和FHC。对植物蛋白来源的不同研究，酶促水解均增加了其持水能力，这表明肽的固有WHC高于未修饰的蛋白的固有WHC。这可能是由于水解过程中释放出高利用率的极性可电离基团。相反地，也有研究表明水解后的大麻蛋白的WHC显著降低，这归因于亲水性蛋白质基团的溶解[12]。同样，Tang等[13]描述了花生蛋白水解后WHC下降，但没有深入分析其原因。总之，许多研究表明蛋白质水解可能对WHC产生有益的影响，但是，水解后平均MM的降低会损害蛋白质物理持水力。此外，疏水基团的较高可用性会对WHC产生负面影响，这些作用之间的平衡决定了蛋白质水解产物的总持水力。

水解不同的植物蛋白也大大增加了FHC，这归因于水解疏水基团的可用性更高。然而，Yin等[12]和Tang等[13]都发现水解会降低花生、芝麻、大麻和燕麦麸蛋白的FHC含量。减少的原因是由于油的较低的物理残留和水解引起的可电离极性基团的释放。因此，蛋白水解产物的FHC在很大程度上取决于疏水基团的释放与平衡，而MM的降低和可电离基团的释放，这对FHC会产生负面影响。

2.3 凝胶化

大豆蛋白是具有胶凝特性的植物蛋白，许多有关植物蛋白水解产物凝胶化的研究都集中于大豆。大豆粉和大豆浓缩蛋白通常在加热时形成较软或易碎的凝胶，而大豆蛋白则与大豆粉表现出来的特性相反，会形成更硬的凝胶。Lamsal等[14]表明，使用大豆粉、大豆浓缩蛋白和大豆蛋白水解产物加热至95 ℃之后冷却后形成的凝胶的强度显著低于使用未水解的起始原料。在对大豆蛋白和水解大豆蛋白混合物的热诱导凝胶进行的另一项研究中，随着凝胶强度的增加，大豆蛋白水解产物的浓度比天然大豆蛋白的降低的更多[15]。Tsumura等[16]表明，与用木瓜蛋白酶处理的大豆蛋白相比，其水解产物产生的凝胶强度也要低得多。

酶水解可通过降低平均MM来降低凝胶性能，从而限制了形成牢固网络的能力(图2)[17]。但是，胶凝作用并不总是受到酶促水解的负面影响。向日葵蛋白在加热至98 ℃时不会形成凝胶，但经过胰蛋白酶水解后，所得的水解产物确实会形成凝胶。尽管有报道称燕麦蛋白和胰蛋白酶处理的燕麦蛋白水解产物形成了低硬度的凝胶，但Nieto-Nieto等[18]发现，热诱导的燕麦蛋白的凝胶被胰蛋白酶部分水解后具有更高的硬度。最后，也有研究发现米糠蛋白的部分酶水解改善了其胶凝特性[19]，这些结果可能是由于疏水区的可用性更高以及可电离基团的释放，有益于蛋白质之间的相互作用，因此有利于胶凝特性。总而言之，酶促水解可直接改变其胶凝性能。

图2 蛋白质凝胶化原理图概述及酶解效应[17]

2.4 起泡能力和泡沫稳定性

通常基于起泡能力(FC)和泡沫稳定性(FS)来评估蛋白质的泡沫潜力。一些球形植物蛋白(如豌豆蛋白)在FC和FS方面都是极好的起泡剂。但是，大多数植物蛋白由于其紧凑的结构或低溶解度而具有有限的起泡特性[20]。

关于植物蛋白起泡潜力，植物蛋白的水解对起泡有多种影响。在许多情况下，对于不溶性蛋白质，酶促水解可显著增加起泡能力。有研究表明水解增加了油菜籽和芝麻中蛋白质的FC并降低了FS，但豆类蛋白质中玉米谷蛋白的FC和FS却提高[21]，结果可归因于水解对平均MM、三级结构和疏水区域可及性的影响。水解处理破坏了天然蛋白质致密的三级结构并降低了其平均分子质量，从而促进了它们在界面上的扩散和吸附，蛋白质内部疏水基团的暴露也增强了界面处蛋白质之间的相互作用，导致更高的FC值。FS可能受不同机制的影响，较低的FS可能与MM的减少有关，而较高的FS可以归因于肽之间更疏水的相互作用，使气泡周围的蛋白质膜更稳定。

3 淀粉的消化

淀粉的消化是在人体消化道中被各类淀粉酶水解的过程(图3)[22]。血糖生成指数(GI)可反映淀粉的消化，它是评价淀粉及其衍生产品功能特性的主要指标，反映了淀粉消化过程中对血糖水平以及人体肠道微生物菌群的影响。一般而言，GI值高的食品更易被消化吸收，引起血糖应答水平较大的波动，

图3 淀粉的酶水解过程

这更易导致高血糖和糖尿病等疾病。反之，长期食用GI<70的低血糖生成指数食物(例如各种全麦、豆类、粗粮和根茎类蔬菜)能有效减缓血糖波动水平，减少Ⅱ型糖尿病(非胰岛素依赖型)和心血管疾病的患病风险，并有利于调节肠道菌群和控制能量摄入，其在预防癌症或龋齿方面也可能有所益处[23]。

淀粉的消化率在很大程度上取决于食品的成分和在食品加工过程中形成的微结构。根据淀粉在人体消化速率与消化程度的差异分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗消化淀粉(RS)。RDS是指在20 min内被α-淀粉酶和葡萄糖苷酶迅速消化的淀粉片段；SDS是指20～120 min内被α-淀粉酶和葡萄糖苷酶缓慢消化的淀粉；RS是指在120 min内不被α-淀粉酶和葡萄糖苷酶消化且只能被结肠的微生物发酵利用的淀粉。由于每种淀粉片段的餐后血糖应答水平存在差异，RDS、SDS和RS分别与人体的特定生理功能密切相关。有研究表明，长期食用SDS或RS高的食品对人类健康有益[24]，在小肠中缓慢消化的SDS可提供持续的葡萄糖释放，且初始血糖水平较低，随后释放缓慢且延长，RS逃避了小肠的消化，并产生短链脂肪酸以改善结肠健康[25]。

淀粉的消化不仅为人体提供能量，其消化的速率与程度同时影响人体的健康水平。淀粉食品的消化与其酶水解作用以及与餐后血糖水平迅速升高有关，淀粉的消化性也受到较多的内外因素影响，例如淀粉结晶的类型和程度、直链淀粉/支链淀粉的比例以及淀粉颗粒中的通道等。消化较快的淀粉在短时间内引起血糖的升高并为人体提供能量，但同时也促进胰岛素分泌增加，长时间食用该类淀粉容易引发Ⅱ型糖尿病，损害健康；消化速率较为缓慢的淀粉在人体消化道内停留时间长，被持续缓慢消化并释放葡萄糖，可为机体长时间供能且不引起胰岛素的大幅波动。淀粉消化特性显著影响着淀粉食品的血糖生成指数，而慢消化淀粉和抗性淀粉在减少能量摄入、控制血糖波动、降低胆固醇水平、维系肠道益生菌等有益作用与人体健康紧密联系[23]。

4 植物蛋白及其酶水解产物对淀粉消化性的影响

外源可食性成分的添加及其诱导的淀粉-非淀粉组分复合物已经成为米制品功能特性的调控因子之一[26]。将淀粉与其他食物来源成分(如蛋白质)以复合的方式来改变淀粉的消化行为，这被认为是一种安全、环保且具有成本效益的技术，这些食品成分之间的相互作用对食品质量起着重要作用。研究表明非淀粉组分如蛋白质、蛋白酶水解产物等复合方式或形成淀粉-非淀粉组分复合物的有序结构可抑制淀粉的消化[27]。由此，为了控制淀粉的消化和血糖反应，将深入概述且明晰植物蛋白作用下的淀粉复合体系的结构、性质及消化性的影响。

4.1 淀粉-植物蛋白二元体系下的影响

淀粉和蛋白质之间的结合其实是淀粉分子和蛋白质分子的不同片段与侧链间引起大量不同分子间相互作用的结果，其中两者间的结合存在着许多分子结构、大小、浓度等相互作用的理化性质影响。

叶晓汀等[28]阐释了淀粉颗粒通道蛋白对淀粉理化性质的影响比淀粉颗粒表面蛋白更为显著。当淀粉颗粒结合蛋白并与淀粉分子间结合时，其促进了淀粉体系的结构稳定性，而对淀粉颗粒表面蛋白的剥离过程可能削弱了对淀粉颗粒的保护作用，从而导致消化性RDS含量、结晶度、黏度及糊化温度等理化性质的下降。屈展平等[29]研究表明，在马铃薯淀粉—小麦蛋白共混体系的相互作用中，小麦蛋白对淀粉糊化起抑制作用，同时对该体系的黏度起到削弱作用，抑制淀粉凝沉。余世峰等[8]研究了在玉米淀粉和大豆蛋白两相共存体系中，蛋白和淀粉发生相互作用而具有独特加工特性及功能性质，结果表明，玉米淀粉-大豆蛋白复合凝胶微观结构致密且孔隙增多，热稳定性更高。卢薇等[30]研究表明，以不同添加量的大米谷蛋白与大米淀粉之间混合，其会逐渐降低大米淀粉的持水能力，延迟其水化过程。此外，复合物热特性其实不仅与蛋白分子大小有关，也与其结构相关。刘成梅等[31]研究发现随着淀粉的添加，谷蛋白的溶解性和起泡性由原来降低的程度呈现上升趋势。这种现象是由于淀粉的添加影响了老化过程中谷蛋白的三级结构，色氨酸和酪氨酸残基周围的微环境发生了变化引起的。除此，也有研究证实随着蛋白质的添加量，对减轻淀粉的消化性程度越好，大米淀粉和谷蛋白的作用就表明了谷蛋白比例的增加会引起淀粉消化率的下降。刘成龙等[32]也指出大豆蛋白添加量为5%时使得淀粉凝胶硬度、咀嚼性及抗剪切应力均提高，当添加量达到15%时的大豆蛋白使糊化温度由85.3 ℃降至76.6 ℃，而15%的豌豆蛋白使峰值黏度由 168 BU 降至 91 BU，由此可知，影响淀粉糊化、质构和流变特性不仅与蛋白质结构特点及其与淀粉间的相互作用密切相关，还与蛋白质含量有关。Xu等[33]对稻谷蛋白(RG)与直链淀粉的相互作用通过光谱和分子对接研究进行了表征。实验结果证明了RG可以自发地与直链淀粉结合，RG的固有荧光随直链淀粉的添加而增加，RG的表面疏水性随直链淀粉含量的增加而降低。Ye等[34]研究发现，去除淀粉颗粒表面蛋白质的淀粉消化性能显著高于不处理组的淀粉，证实了淀粉与蛋白的相互作用对淀粉消化性能的影响。López-Barón等[35]研究了小麦、玉米、大豆、豌豆和大米中蛋白质分离物对小麦淀粉体外淀粉消化率的影响。结果发现与天然豌豆蛋白和小麦粉相比，添加天然豌豆蛋白不影响可溶性淀粉和葡萄糖的释放。Jenkins等[36]研究了淀粉-蛋白质相互作用在小麦中的作用及其对淀粉消化率的影响，结果表明小麦粉中淀粉与蛋白相互作用是导致血糖反应降低和消化速率降低的原因。

由此，对淀粉-蛋白质形成的二元体系中，蛋白质的存在对淀粉的结构、性质、消化率均有影响。这是因为蛋白质对淀粉具有包埋作用，黏附在淀粉颗粒表面而增大分子结构，也使得淀粉酶与糊化淀粉难以接触，淀粉难以消化吸收，从而使淀粉水解率降低。蛋白质组分也可能会黏附在淀粉颗粒的周围基质成为消化率的阻碍，而淀粉和蛋白质的消化率也就受到两者相互作用的显著影响。

4.2 淀粉-蛋白酶水解产物二元体系下的影响

根据有关植物蛋白在淀粉食品中的研究，酶水解植物蛋白所获得水解产物本身的结构和功能对改善食品品质有一定的影响，在与淀粉相互作用后也存在一定的性质变化。

大米蛋白的胃蛋白酶和胰蛋白酶水解物可促进V型结晶的形成，抑制大米淀粉的消化。麦谷蛋白和麦醇溶蛋白经谷氨酰胺酶的改性后通过氢键与静电相互作用力促进了马铃薯淀粉在冷藏期间的重排作用，提高了短程有序结构及结晶结构的比例，进而抑制淀粉酶对淀粉的酶解，提高RS含量。Chi等[37]实验结果表明，所有蛋白质及其水解产物均显著减轻了大米淀粉的消化。天然和胃蛋白酶水解的蛋白在水热条件下提高了淀粉的热稳定性，胃蛋白酶-胰酶水解蛋白可延缓淀粉的回生，从而降低淀粉的整体有序结构，大米蛋白及其酶解产物诱导的淀粉消化减少的机制应归因于有序的结构变化和酶活性抑制，即天然和胃蛋白酶水解的蛋白通过增加淀粉分子的数量而降低了淀粉的消化率，而胃蛋白酶-胰酶原水解蛋白通过协同增加V型结构并抑制α-淀粉酶的活性来减轻淀粉的消化。López-Barón等[35]还研究通过压力蒸煮或煮沸确定在天然，变性或酶水解形式的小麦、玉米、大豆、豌豆和大米蛋白存在下小麦淀粉的体外淀粉消化。表明变性和/或水解的植物蛋白会显著降低RDS含量，蛋白质变性或蛋白酶水解促进淀粉-蛋白质相互作用，从而限制淀粉的水合作用和酶促裂解。

植物蛋白比例的增加更能减轻淀粉消化性，也有研究证明植物蛋白酶水解产物随着添加量的增多也能对淀粉性质和消化性有不同程度的影响和改善。付田田等[38]研究在大米淀粉中分别以不同程度添加量的大豆肽和豌豆肽进行共糊化的相互作用及对其理化性质的影响。结果表明，两者的加入对体系RVA值和RSD均有不同程度的降低，对于消化性而言，大豆肽的效果显著大于豌豆肽。与原淀粉和大豆肽相比，碗豆肽的加入使大米淀粉糊的透明度显著增加。大豆肽和碗豆肽的加入均能显著改善原淀粉的冻融稳定性、溶解度和膨胀度，且大豆肽的影响比豌豆肽更加明显。孙小红等[39]研究结果表明随着大豆蛋白酶水解产物添加量的增加，面粉糊化特性的峰值黏度、最终黏度、最低黏度、衰减值和回生值均显著降低。

蛋白质酶水解产物在抑制淀粉消化方面可能比完整蛋白质更有效，因为豌豆，小麦，大米和大豆等谷制品的蛋白质酶水解产物在健康参与者中产生的胰岛素和胰高血糖素的激素反应比单独使用完整蛋白质更快[40]。

5 结论

淀粉类食品的快速消化特性对人体健康产生了负面影响，这也是糖尿病、肥胖症和其他代谢并发症的主要原因。在淀粉的特性和与外在成分加工之间相互作用的研究中，淀粉结构的性质以及淀粉-蛋白质形成二元复合体系的相互作用，在消化率中起着重要的作用。

以淀粉复合物体系去控制淀粉结构和性质的改变，以及调节淀粉消化性是目前开发新型淀粉类食品的有效方法。本综述主要概述淀粉-植物蛋白、淀粉-蛋白酶水解产物形成二元体系下相互作用所呈现的不同影响特征及研究结果。在研究结果中各项表明，淀粉结合蛋白质及其酶水解产物在减轻淀粉消化行为方面呈现出较好的效果，此外，在蛋白质的存在形式下，更能进一步增强对淀粉性质的改善。本文以探究蛋白质对淀粉性质结构及消化率的影响为主线，探索它们共同参与相互作用的规律，了解淀粉与植物蛋白成分之间的相互作用才能充分理解并增进我们对淀粉-蛋白质复合物影响其结构、功能和理化性质的认识，从而进一步加深对淀粉消化率的调控方式，以调节现有淀粉食品的淀粉消化率，将为后续研究开发新型淀粉功能性食品提供参考。