粮食源蛋白体外模拟消化研究进展

姚 猛，鞠兴荣，厉 珺，生凯凯

（南京财经大学 食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210023）

粮食富含优质蛋白，而蛋白质是维持人体机能的营养素之一，对人体生理功能十分重要。通常来讲，人体摄入的蛋白质绝大多数来源于动物源蛋白，因其氨基酸成分与人类所需氨基酸类似，但过多地摄入动物源蛋白会增加骨质疏松症、高血压、心脏病与肾结石等疾病的患病风险[1-4]。而大量详实的研究[5-8]发现，植物源蛋白可以有效预防与缓解心脏病、糖尿病、高血压以及肾脏疾病的症状。由此，优先食用粮食源蛋白的话题引起了关注，也对当代健康饮食的理念产生了一定的影响。但是值得注意的是，粮食源蛋白的生物活性成分在被人体吸收与代谢利用之前，必须经过胃肠消化。然而，由于体内消化的研究成本过高，而不适用于蛋白生物活性前期的探索，基于此，体外胃肠消化方式应运而生。

对此，国内外粮油工作者乐此不疲地进行体外模拟消化的研究，采用理化方式对其进行预处理之后，再模拟体外消化对其进行最终分解来获得研究生物活性的成分。其中体外模拟消化方式是通过模拟人与动物消化生理特点，采用与其体内相近的消化环境和消化酶系，在体外评定蛋白消化吸收的一种方法。其优点是试验条件可控制，干扰因素较少，结果的重现性较好，成本低且试验时间较短。目前常用的体外消化模型主要可以分为单室、多室模型，静态、动态模型，单酶作用、多酶体系等6种模型[9]，其方法主要分为单酶一步消化法、胃蛋白酶-肠液一步消化法、胃肠两步消化法、单酶作用和多酶体系等5种[10]，见图1，模型与方法相互交叉联系，每种模型对应多种方法，而每个方法又对应着多个模型。另外它们优缺点各异，针对应用场景选用合适的模型方法是值得思考的问题。另外，单酶作用和多酶体系是模型与方法中最醒目的重复内容，因其简单操作且接近实际情况而广泛被粮食科研者应用在蛋白体外消化中。但是，除了在消化液的成分上有改善之外，目前所用装置的内部环境与人或动物胃肠腔环境的差距仍然存在。并且由于模拟消化环境程度不一，其结果的准确性与体内试验仍存在一定的异同。国际上针对这些模型与方法，已研制了人体肠道微生物生态模拟系统（SHIME）、TNO肠道模型（TIM）及动态胃肠道模拟器（SIMGI）等较为成熟、贴近人/动物胃肠内部环境的装置[11-13]，但是成本高、操作复杂等缺点阻碍了其广泛应用。综上所述，目前的任何一种模型或方法都不能够适应所有应用场景，而针对不同蛋白，选取合适的模型方法，且再加以改进内部环境，成了研究者们的研究重点与难点。

图1 体外模拟消化模型与方法

因此，为了解决此难点，文章聚焦于稻谷、小麦与大豆等具有代表性的粮食，从它们蛋白的理化性质入手，重点分析与评价其蛋白体外模拟消化方式的优缺点，指明其研究重心与改进之处，并希望为该方向科研工作者提供借鉴性的帮助，同时为实现蛋白高值化利用作出贡献。

1 稻米蛋白体外模拟消化的研究现状

1.1 稻米蛋白理化性质

稻米蛋白一种优质的粮食源蛋白，其氨基酸组成模式与WHO/FAO推荐模式相接近，易于被人体消化吸收。稻米蛋白主要是由清蛋白、球蛋白、醇溶性蛋白和谷蛋白4种蛋白组成。而其中75%～90%的成分为碱溶性谷蛋白，它是由许多大分子片段通过二硫键形成，彼此交联聚集。Agboola[14]发现，在pH 4～7时，大米蛋白谷蛋白溶解性增长缓慢，而接近pH 9时，蛋白溶解性迅速增加。又因其第一限制性氨基酸赖氨酸含量高、蛋白生物价（BV）与蛋白质利用率（PER）皆高于其他谷类蛋白，被公认为谷类蛋白中的佼佼者。值得注意的是，针对其主要成分的碱溶性谷蛋白，为研究者在选择哪种体外模拟胃肠消化方式时提供了一定的帮助。

1.2 稻米蛋白体外模拟消化方式

Lang等[15]通过模拟胃液（SGF）和模拟肠液（SIF）对稻米蛋白进行体外消化，发现了在合适pH、温度以及充分时间条件下，消化效果更好。因此稻米蛋白消化方式普遍采用的是将1 g蛋白质样品放入含有10 mg胃蛋白酶、pH 2的50 mL模拟胃液中，将混合物在37 ℃下搅拌（120 r/min）孵育2 h，然后使用6 mol/L NaOH中和。再用50 mL人工肠液（100 mg 胰酶，50 mmol/L、pH 8.0 的Tris-HCl缓冲液调至pH为7.0）将混合物孵育3 h。最后将消化物在沸水中加热 5 min，使酶灭活然后冻干[16]。Li 等[17]在此消化方式上做出了一些修改，在模拟胃消化之后，用NaHCO3将胃消化液的pH值调至8.5，孵育时间增加到4 h，然后把消化液置于30%的三氯乙酸（TCA）中，最后以 12 000×g离心 5 min，取上清液。Uraipong等[18]研究发现，在37 ℃下用此体外模拟胃肠消化方法处理稻米蛋白，再经分离纯化获得的消化物并与阿卡波糖药效对照，其具有显著的α-葡萄糖苷酶和ACE 抑制活性。另外，Cho[19]通过试验发现，体外模拟胃肠消化是一种适用于稻米蛋白生产出具有更高抗氧化潜力的生物活性成分的方法。

尽管这些针对稻米蛋白的体外消化方式操作简单、成本低且具有很好的结果重现性，但是与实际环境相差甚远。目前研究稻米蛋白的体外消化方式为单室、静态与单酶作用模型，忽略了胃、肠室分开的结构、胃肠蠕动与多酶复合作用的人体内部环境。因此，除了消化液与时间改进外，科研者针对稻米蛋白的体外模拟消化方式的研究仍在继续。尤其是更加贴近人与动物胃肠环境的消化装置的设计也应当提上日程。

2 小麦蛋白体外模拟消化的研究现状

2.1 小麦蛋白理化性质

小麦中蛋白含量略高于稻米，大概是8%～10%。小麦蛋白主要是由清蛋白（3%～5%）、球蛋白（6%～10%）、醇溶蛋白（40%～50%）和麦谷蛋白（30%～40%）组成。其中非水溶性的麦醇溶蛋白和麦谷蛋白是面筋蛋白的主要成分，也是评价小麦粉优劣的主要指标。麦谷蛋白分子为纤维状，相对分子质量为100 kDa以上，具有弹性，但延伸性小。众所周知，谷物蛋白质含量大于12%，是确保良好面食质量的重要因素。小麦醇溶蛋白分子呈球状，其相对分子质量为27～28 kDa，是一种多聚物，等电点为6.41～7.10，具有延伸性，但弹性小。其中ω5-醇溶蛋白是小麦依赖运动诱发的严重过敏反应的主要致敏蛋白，也是小麦蛋白不能广为应用的原因[20]。而通过消化分解的小麦蛋白，可以生产出具有致敏性低的生物活性小分子蛋白肽，从而实现小麦蛋白的高值化利用[21]。

2.2 小麦蛋白体外模拟消化方式

除了小麦蛋白致敏性而导致其消化代谢数据的缺乏外，有研究[22]发现，小麦蛋白体外消化率随着单宁添加量的增加而降低。因此，在小麦蛋白提取纯化过程中，去除与规避单宁是必不可少的一步。基于此，Chen等[23]设计了体外胃肠消化（SGID）方案来评价小麦胚蛋白在消化过程中的蛋白质水解度和生物活性。具体消化方式：pH 1.20的模拟胃液（SGF）是由1 g/100 mL胃蛋白酶和0.02 g/100 mL NaCl组成，加入小麦胚蛋白之前，在37 ℃水浴中保持5 min，然后将小麦胚蛋白最终浓度保持在2 g/100 mL，在37 ℃恒温下迅速搅拌2 h。随后，将小麦蛋白的胃消化物添加到pH 7.50的模拟肠液1 g/100 mL胰蛋白酶和0.7 g/100 mL KH2PO4中，孵育2 h。据报道[24-25]，将小麦蛋白通过体外模拟消化方式消化后，获得了能有效抑制血管紧张素 I 转换酶（ACE）活性与提高免疫力的生物活性成分。

目前研究针对小麦蛋白的体外消化方式是采用单室、单酶与动态结合模型，而忽略了胃肠室分开的结构与胃肠环境多酶体系的内部环境。当然，这也为相关科研者接下来的研究提供了方向。

3 大豆蛋白体外模拟消化的研究现状

3.1 大豆蛋白理化性质

大豆是中国主要的粮食物之一，其蛋白含量约为38%，是谷类食物的4～5倍。大豆蛋白的氨基酸组成与人体必需氨基酸组成相似，属于“优质蛋白质”。它是由一系列氨基酸通过肽键结合而成的高分子有机聚合物，主要由清蛋白和球蛋白组成，其中清蛋白约占5%，球蛋白约占90%。从沉降系数上分，大豆蛋白是由2S、7S、11S与15S 4种组分构成。其组分80%是100 kDa蛋白，另外7S与11S蛋白占到总体的70%以上。7S蛋白质是一个具有9个亚基的四级结构，且其多肽是通过硫键紧密地折叠起来的。因此，在体外消化与分解前，常常需要理化方式辅助来更有效地消化大豆蛋白。

3.2 大豆蛋白体外模拟消化方式

Li等[26]通过在37 ℃与pH 1.2环境下模拟胃消化大豆蛋白时发现，2 h内，大豆蛋白的水解度随着时间延长而增大，而2 h后，增幅很小。 另外，江连洲等[27]研究发现：大豆分离蛋白在连续5 h的体外模拟消化试验中，水解度（DH）随着消化时间的延长而增加，5 h后，增加幅度很小。董毓玭等[28]运用体外模拟消化方式处理大豆蛋白，获取了具有降血脂功能的生物活性肽。而Lin 等[29]通过对大豆蛋白体外消化获取了具有抑制ACE活性与抗炎作用的生物活性成分。这不仅增加了大豆蛋白生物活性的多样性，而且为其高值利用提供了有效的途径。

相比于稻米蛋白与小麦蛋白，大豆蛋白的体外消化方式具有很好的结果重现性，但是与人和动物实际环境还有些许的距离。现有研究在胃肠室内壁的黏膜环境以及胃—幽门—肠一体式的结构上还需进行改进。

4 蛋白体外模拟消化技术的发展趋势

随着信息技术的发展，如何利用信息技术去自主研发一套实用新型的体外消化装备与方法，实现粮食源蛋白的高值化利用提上了日程。“十四五”规划中，2025年粮食加工转化率的目标为75%，与发达国家的差距进一步缩小。为了达到这个目标，除了粮食加工产品的多元化创意外，粮食科研工作者的主要工作突破点仍是加工方法上的创新以及技术设备的升级。这样既可以一定程度上拓展粮食加工产品品类，也可以避免了粮食副产物资源的浪费，从而促使粮食高值利用的深入。因此，基于目前体外消化方式在粮油上的应用，展望其发展趋势，必定也是立足于科技创新。

近些年SCI、EI与CSSCI等高水平杂志报道，创新性地结合模型方法去体外消化粮食蛋白（见图2）。其中，多室动态消化、多室多酶消化、多酶动态消化和多室多酶动态消化等4种整合模型深受科研者青睐。基于仿生效果，这4种整合模型中多室多酶动态消化最佳。更有甚者，基于此模型，通过对模拟胃肠内壁环境与对蛋白消化过程的实时监控等方面一定程度的改进，实现了体外消化的集成模型的建立。然而，最佳模拟人/动物胃肠环境的集成模型成本往往也是最高的，不适于所有蛋白体外消化的场景。而多室动态消化、多室多酶消化、多酶动态消化和多室多酶动态消化的模型因其成本低、结果重现好、操作简单而广泛被应用在蛋白生活性肽的提取上。这些模型方法的应用大大提高了蛋白生物活性利用及开发的水平。

图2 消化模型交叉