蛋白质及其水解物对谷物淀粉糊化、回生及消化性的影响研究进展

周梦露， 钱晓洁， 孙冰华， 马 森， 王晓曦

(河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001)

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物，广泛存在于小麦、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，可用作黏结剂、增稠剂等，对改善食品的组织结构及风味等具有重要作用，在食品工业有着广泛的应用[3]。但绝大多数谷物淀粉如小麦、大米淀粉等，具有较高的消化率，人体长期过量摄入此类食物会使血糖应答值偏高，降低葡萄糖耐量，进而导致肥胖症和Ⅱ-型糖尿病等疾病的发生[4]。蛋白质作为人类膳食营养的主要来源，往往和淀粉共存于食品体系中。多数研究表明蛋白质-淀粉重组体系可在一定程度上表现出优于其自身的理化特性[5]。基于此，本文综述了不同种类蛋白质及其水解物对谷物淀粉糊化、回生以及消化性的影响，并对可能的作用机制进行分析，以期为深入研究淀粉-蛋白互作及后续功能性食品的研究与开发提供参考。

1 蛋白质对淀粉糊化特性的影响

淀粉糊化通常是指在热作用下淀粉颗粒缓慢吸收水分发生膨胀，并逐渐破裂分散到溶液中的过程[6]。目前，普遍认为蛋白质对淀粉糊化特性具有抑制作用，具体表现在淀粉黏度降低、糊化温度升高、崩解值下降以及糊化焓的改变等方面(表1)。

张敏等[7]将大米蛋白添加到小麦淀粉中发现，小麦淀粉的黏度、崩解值和回生值降低，糊化温度升高，且随蛋白质添加量的增大，影响效果更显著。修琳等[8]在研究绿豆蛋白对荞麦淀粉糊化特性的影响中也得到了同样的结果，并认为在糊化过程中蛋白质会围绕在淀粉颗粒周围，并可能通过非共价键(如静电引力)结合在淀粉颗粒表面，阻碍淀粉的吸水膨胀和直链淀粉溶出，从而延缓淀粉糊化过程，使峰值时间和糊化温度升高。罗舜菁等[9]研究了不同电荷(带正电、带负电和中性)氨基酸对大米淀粉的影响，发现带正电和带负电的氨基酸可显著影响大米淀粉的糊化特性，而中性氨基酸对大米淀粉的糊化行为影响甚微。

此外，蛋白质还可通过与淀粉竞争可利用水分延缓淀粉的糊化，如陈建省等[10, 11]认为面筋蛋白可通过包裹在小麦淀粉颗粒表面抑制淀粉溶胀和与小麦淀粉竞争水分子使进入淀粉颗粒的水分变少双重作用使糊化过程延长。在此基础上，Jekle等[12]研究了不同水分条件下面筋蛋白对小麦淀粉糊化特性的影响，发现在起始糊化时，蛋白质作为屏障阻碍淀粉吸水是主要因素，竞争性水合是次要影响因素；而在讨论最大糊化度时水合是主要影响因素，而屏障的作用似乎可以忽略不计。肖满凤等[13]则通过脱蛋白的方式探究了大米蛋白对大米淀粉糊化特性的影响，发现脱蛋白后淀粉糊化温度、黏度降低，崩解值升高，并认为这是由于大米蛋白在淀粉表面形成一层薄膜，同时竞争可利用水分，延缓了糊化过程所致。但也有研究者认为糊化温度的升高可能是蛋白质变性温度高于淀粉糊化温度所致[14]。

表1 蛋白质对淀粉糊化特性的影响

蛋白质水解后形成分子量更小的肽类、氨基酸等，更容易被人体吸收，且具有良好的生理功能，可改善食品风味及营养品质[15]。多数研究表明，水解蛋白同样可通过非共价作用结合在淀粉颗粒表面与和淀粉颗粒竞争可利用水分等方式抑制淀粉糊化。Zhang等[16]发现，与天然小麦淀粉相比，添加大米水解蛋白后，小麦淀粉峰值黏度、崩解值和回生值显著降低，糊化温度有所提高。Yu等[17]将经酶解的乳清蛋白加入大米淀粉中后，得到了类似的结果。崩解值一方面反映了淀粉糊在高温和高剪切下的耐受性，另一方面反映了淀粉糊的稳定性和糊化过程中颗粒的损伤程度[18]。崩解值的降低也侧面说明蛋白质阻碍了淀粉糊化过程。

综上所述，蛋白质/蛋白质水解物可通过在淀粉周围形成物理屏障作用和竞争糊化过程中可利用水分子两方面来延缓淀粉糊化过程，但不同蛋白质/蛋白质水解物对淀粉糊化特性的影响程度存在差异。这是由于，一方面，分子量及带电荷数较高的蛋白质/蛋白质水解物具有更大的比表面积及结合力，可以更好的与淀粉结合或形成包裹，附着在淀粉颗粒表面[9, 19]。另一方面，亲水/疏水氨基酸残基可对淀粉颗粒糊化吸水膨胀产生影响，从而使最终影响程度存在差异[20]。

2 蛋白质对淀粉回生特性的影响

淀粉回生也称淀粉老化、凝沉等，是糊化的逆过程。通常糊化后的淀粉在冷却或储藏过程中，由于温度降低，分子运动减弱，直链淀粉和支链淀粉分子相互靠近并发生重排，通过氢键形成双螺旋结构，从无序状态变为有序状态，此过程称为淀粉回生[30]。目前多数研究表明蛋白质对谷物淀粉回生具有良好的抑制作用，可显著降低淀粉凝胶硬度、回生焓、结晶速率、结晶度等[14, 31](表2)，且蛋白质添加量与抑制程度呈正相关。

Ribott等[32]研究发现大豆分离蛋白降低了小麦淀粉凝胶的硬度，这与肖瑜等[33]玉米醇溶蛋白、大豆分离蛋白和乳清分离蛋白对大黄米淀粉老化特性的影响结果相一致，并认为这是由于淀粉-蛋白质体系间通过氢键作用力相互连接，并构成一个紧密缠绕的三维凝胶网络结构，阻碍了淀粉分子重结晶所致。Wang等[14]则认为大米蛋白抑制大米蛋白回生是由多方面共同作用的结果。一方面添加蛋白质后可能会造成淀粉糊化不完全，这些未糊化部分的结构相对完整，彼此紧密结合，限制了糊化部分淀粉分子链的运动，同时溶出的直链淀粉分子量减少，降低了淀粉成核率。另一方面，蛋白质可有效抑制淀粉凝胶中水分的迁移，降低支链淀粉重结晶。在此基础上，Zhang等[34]研究发现添加大米蛋白后大米淀粉凝胶持水性显著提高，并认为可能是蛋白质对淀粉分子形成了空间阻碍，限制了淀粉分子间交联，从而提高了凝胶持水性，延缓了淀粉回生。

此外，蛋白质水解物同样可延缓淀粉回生。且影响机制与蛋白质对淀粉回生特性的影响相同，可分为阻碍分子间氢键形成、提高持水能力、糊化不完全几方面。如，Zhang等[16]发现大米水解蛋白可使小麦淀粉的回生焓显著下降，体系再结晶速率下降，恒定自旋-自旋弛豫时间T2增大。Xiao等[35]发现李斯特菌草鱼水解蛋白可显著降低大米淀粉凝胶的储能模量、回生焓值、硬度、结晶度，淀粉晶型由A型变成B型，与Niu等[36, 37]研究猪血浆蛋白水解物对玉米淀粉回生特性影响的结果一致。目前已确认B-型结晶结构中双螺旋间排列相较A-型更加疏松[38]，这也侧面证实了蛋白质水解物阻碍了淀粉有序结构的形成。

然而水解后的蛋白似乎更能影响淀粉的回生程度。Niu等[39]研究发现，相比米糠蛋白-淀粉体系，米糠蛋白水解物-淀粉体系的硬度更低，且不同酶及不同酶解时间下的水解产物对大米淀粉回生的影响程度不同。这与Lian等[40]不同水解度的大豆分离蛋白在延缓玉米淀粉回生方面存在显著差异相符。这可能是由于相比原蛋白，水解后的蛋白质暴露出更多的基团，可以更好地与淀粉分子相结合，同时水解后的蛋白质在肽链长度、电荷密度、氨基酸序列组成等方面存在差异所致。

在回生过程中，一方面蛋白质/蛋白质水解物可能分散在淀粉分子间，且随着添加量的增加可能出现聚集物，阻碍直链淀粉和支链淀粉间氢键的形成[35]，另一方面由于支链淀粉的重结晶需要水分子进入结晶层，蛋白质中的某些亲水性基团或可与支链淀粉竞争可利用水分子，降低淀粉链的流动性，延缓支链淀粉重结晶，从而抑制淀粉回生[41-43]。此外，结合蛋白质对淀粉糊化特性的影响可知，添加蛋白质后淀粉可能出现糊化不完全的情况，未糊化部分的结构没有被破坏，彼此之间紧密相连，限制了糊化后的淀粉分子链的移动，同时溶出的直链淀粉量减少，也可能延缓淀粉回生[14, 18]。

表2 蛋白质对谷物淀粉回生特性的影响

然而，由于蛋白种类、结构等具有多样性，也有少量研究表明蛋白质对淀粉回生具有促进作用。王雪青等[44]报道藻蓝蛋白及藻蓝蛋白水解物均能提高玉米直支链淀粉的回生率，但与添加量密切相关，且推测藻蓝蛋白及藻蓝蛋白水解物可能通过与淀粉还原端醛基形成氢键，促进直/支链淀粉解旋，加快氢键形成，从而提高回生率。郭俊杰等[45]研究发现小麦醇溶蛋白可促进小麦淀粉的回生，但这与肖瑜等[33]玉米醇溶蛋白抑制大黄米淀粉回生的结果相反。推测可能是由于前者糊化过程中所用溶剂为蒸馏水，而后者为乙醇溶液。在以蒸馏水为溶剂的体系中，由于醇溶蛋白含有大量的疏水性残基，使淀粉凝胶持水性下降，支链淀粉可利用水分子增多，从而促进支链淀粉回生，而以乙醇为溶剂的体系与此相反。

3 蛋白质对淀粉消化性的影响

淀粉的消化性能的不同极大地影响了食品的营养功能。Englyst等[50]根据淀粉在人体消化道中的水解速率快慢，将其分为三类：快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。过量食用高RDS的食品会导致Ⅱ-型糖尿病和心血管疾病发病率的增加，这导致了许多关于淀粉的结构和功能特性、淀粉与其他食物成分之间的相互作用以及食物基质的特性如何影响淀粉消化性的研究，而蛋白-淀粉之间相互作用对淀粉消化性的影响更是研究热点[51]。

目前研究表明，蛋白质可在一定程度上降低谷物淀粉的消化程度和消化速率，且对淀粉消化性的影响可能是多方面机制共同作用的结果。蛋白质对淀粉消化性的影响机理大致可从几方面进行解释：1)物理阻碍作用；2)降低酶活性；3)与酶结合，降低酶对淀粉的催化作用。在高蛋白含量的食品中，蛋白质分子间通过形成致密的三维网络，对淀粉形成包埋，即通过物理阻碍作用降低淀粉和酶的接触率，从而限制淀粉的水解[52]。Yang等[53]研究了乳清蛋白对蒸煮后玉米淀粉的消化性后发现，乳清蛋白可通过非共价键与淀粉结合，包裹在玉米淀粉颗粒周围或和玉米淀粉形成包裹物，降低蒸煮后的淀粉消化速率(图1)。然而López-Barón等[54]在研究天然、变性和经酶水解的几种蛋白(玉米、小麦、大米、豌豆、大豆蛋白)对小麦淀粉消化性的影响时发现，天然蛋白(除大米蛋白外)对混合物的RDS含量无显著影响，而变性蛋白和/或酶解蛋白则显著降低了混合物的RDS含量。天然蛋白和淀粉的结合力较弱，而酶水解和热变性可显著增强蛋白质-淀粉的相互作用。经变性或酶解后，一方面蛋白质变成分子量较小的多肽或氨基酸，之前由于二级结构或三级结构而隐藏的疏水性基团暴露出来，这可能会增强蛋白质网络结构。另一方面，暴露出的芳香基残基可增强淀粉与蛋白质的结合，从而蛋白在淀粉表面形成一层包衣，阻碍酶的可及性。同时，变性和/或酶解蛋白还可能在淀粉加热膨胀时，渗透入淀粉颗粒内部，使淀粉消化性降低。除此之外，蛋白质与淀粉结合还可增加淀粉颗粒的大小，粒径越大，淀粉水解速度越慢[55]。

图1 不同比例下玉米淀粉(CS)和乳清分离蛋白(WPI)激光扫描共聚焦显微图(尺寸=100 μm)[53]

另外，还可结合前面蛋白质对淀粉糊化、回生的影响来解释蛋白质对淀粉消化性的影响。如，Chi等[56]分析了天然大米蛋白及大米蛋白水解物对大米淀粉消化性的影响后发现，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过氢键、疏水相互作用、静电引力等吸附淀粉在颗粒表面，提高淀粉热稳定性，同时在冷却过程中可诱导淀粉快速进行重排，使体系具有较高的双螺旋含量，有序性增加，提高酶抗性。而经胃蛋白酶和胰酶双重水解的蛋白，延缓了淀粉的回生，使淀粉的整体有序结构降低，但增加了V-型复合物，并抑制了α-淀粉酶的活性从而使淀粉消化性降低。Zou等[57]研究了面筋蛋白对意大利面消化性的影响，认为水合后的面筋蛋白形成面筋网络结构，对淀粉颗粒形成包埋，阻碍酶的可及性，降低反应面积。另一方面，面筋蛋白会使意大利面在蒸煮过程中表面完全溶胀，中间部分部分溶胀，中心部分完好无损，使淀粉糊化不完全。同时面筋蛋白或可与酶形成弱相互作用，降低酶对淀粉的渗透作用，从而降低淀粉消化率。这与Rewati 等[58]研究结果相符。

4 总结与展望

从蛋白质对谷物淀粉影响的研究中可以发现，蛋白质及蛋白质水解物一方面可结合在淀粉颗粒表面阻碍淀粉加工过程中吸水溶胀及直链淀粉的溶出，延缓糊化过程，降低糊化度，间接提高淀粉的有序性，使淀粉更难被酶水解。另一方面可增大淀粉颗粒粒径，降低比表面积，从而降低淀粉水解速率。除醇溶蛋白、藻蓝蛋白等蛋白外，多数蛋白质/蛋白质水解物可在淀粉回生期间通过阻碍淀粉链间的相互作用或竞争水分子来延缓淀粉的回生。目前已有较多关于淀粉-蛋白混合体系的研究，但有些问题仍需进一步研究。如蛋白质和淀粉间主要通过非共价相互作用，但具体结合位点尚不明确，形成机理研究不够深入[5]；对于已经明确影响消化的蛋白质，或可考虑运用到实际生产中，开发新的低消化性功能食品。同时有研究已将淀粉-蛋白二元体系扩展到三元体系，进一步丰富了混合体系的研究。此外，由于不同研究所用蛋白质在结构组成、添加量、处理方法等方面存在许多差异，目前尚缺乏普适的淀粉和蛋白质间相互作用机制，人们也仅限于选择不同的蛋白和淀粉体系并尽可能做出合理解释[59]。因此蛋白和淀粉的相互作用机制还需深入研究。未来研究可从不同分子量蛋白、不同带电量蛋白对同种淀粉影响比较等方面入手，完善淀粉和蛋白的相互作用机制。