可持续蛋白纳米纤维及其功能因子递送研究进展

郑为君,张玲莺,陈星

(食品科学与资源挖掘全国重点实验室(江南大学),江苏 无锡, 214122)

随着全球人口的不断增长,人类对自然资源的需求量也不断提高,日益加剧的资源紧张问题已引起全球关注[1]。蛋白质作为食物中重要的营养成分之一,不仅可以为机体提供营养,同时其良好的起泡性、乳化性和凝胶特性等功能特性使之可以作为食品配方成分来改善食品质构,这使得食品研究人员和生产制造商们一方面需要使现有的蛋白质最大限度得到可持续利用,另一方面需要更大程度的开发蛋白质的潜在功能来应对这场资源风暴。

淀粉样蛋白是蛋白质经过一系列结构变化后形成的一种富含交叉β-折叠结构的蛋白聚集体。德国内科科学家 VIRCHOW于1854年提出了淀粉样蛋白这一术语[2],基于阳性的碘染色反应,起初将其识别为淀粉。病理学家在患病的大脑和其他组织中观察到了淀粉样纤维[3],这一现象本质上与蛋白质发生的错误折叠有关,这种变化导致纤维结构的产生。科学家发现许多功能蛋白或类似蛋白质都能形成这种纤维结构,它通常可以通过X射线衍射显示出典型的交叉β-折叠结构衍射图案[4]。

随着研究的进展,科学家们发现淀粉样蛋白除了在医学研究方面有所贡献,还可以在其他方面得到应用,如可作为新型生物材料应用于各种纳米生物技术,作为生物支架[5-6],参与可持续水净化[7],其对蛋白自身特性如机械特性、起泡性、稳定性、乳化特性等也具有增强效应[8],此外,因其较高的比表面积和良好的物理化学性能,也可以做包埋负载材料[9]。

JIANG等[10]研究了乳清分离蛋白(whey protein isolate, WPI)自组装纤维的结构和乳化特性,为乳剂给药系统的开发提供了理论依据。此外,淀粉样纤维与其他生物大分子组分(如多糖)的结合以增强材料性能[11]方面的研究也有很大的进展。目前对于各种食源性蛋白淀粉样纤维的形成条件,功能特性及其在材料方面的功能应用等综述已有所报道。本文将重点阐述可持续蛋白的纤维化和其包埋递送功能因子的原理及途径,旨在推动蛋白淀粉样纤维在食品领域的应用研究进展。

1 淀粉样蛋白原纤维的结构

1.1 结构特征与形成机制

淀粉样蛋白的名称来自医学领域,但已被生物化学家和生物物理学家采用,现在普遍用于定义所有交叉β-折叠纤维结构的蛋白[12]。尽管来自不同蛋白的淀粉样蛋白的大小、天然结构有很大的差异,但纤维在结构上是相似的。淀粉样蛋白纤维是细长的、坚硬的、未分枝的扭曲结构,直径约为1～10 nm[13],它具有特殊的交叉β结构,这种结构中多肽在β链构象中的重复排列,多肽链平行于纤维轴排列形成β-折叠结构,其组成的β-折叠层垂直于纤维轴[14](图1)。淀粉样蛋白可以定义为蛋白质分子的有序重复[15],同时淀粉样纤维中的β-片状结构伴随着整个纤维扭曲[16]。原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)分析表明,纤维具有多股螺旋形状和扭曲的带状结构[17]。尽管不同的淀粉样纤维在大小上看起来相似,但蛋白质序列会影响片状堆积成原细丝,例如,二硫键的限制。原丝在组装过程中存在一系列链间相互作用,这些相互作用可以在纤维生长过程中传递。

图1 淀粉样蛋白交叉β-片状结构

目前研究认为,淀粉样纤维形成机制可分为3种:成核聚合、成核构象转化、自上而下聚合[18]。第一种机制认为,蛋白质聚集是通过成核聚合发生的,其中形成了高能、稀少的低聚物或单体,一旦形成核,单体就会迅速组装到不断增长的非共价聚合物中,以产生热力学上更稳定的聚合体。酸性条件下淀粉样蛋白的形成通常被认为是通过成核聚合形成的;第二种聚集机制-成核构象转化中,单体和结构上不均匀的低聚物之间存在平衡,这些低聚物一般比单体更稳定。低聚物随后逐渐成核,最终转化为淀粉样纤维。纤维可以从构象上将近端的单体转化为淀粉样纤维,但这种机制并不适用于所有的淀粉样纤维蛋白;第三种机制假设蛋白质通过一种自上而下聚合作用,从天然折叠的蛋白质形成易于聚集的折叠单体。错误折叠的单体装配到不断生长的聚合物中,形成热力学上更稳定的高阶聚集体,进而形成淀粉样纤维(图2)。

图2 纤维演变过程

1.2 主要表征方法

目前学界已应用多种手段对淀粉样蛋白的结构进行表征。表征手法主要包括X-射线衍射[19]、X-射线衍射晶体分析法[20]、固态核磁共振[21]、透射电镜[22]、冷冻电镜[23]、原子力显微镜[17]、红外光谱[24]、拉曼光谱。这些表征技术中,目前只有X-射线衍射晶体分析、固态核磁共振和冷冻电镜技术能够给出非常精细的达到氨基酸残基分辨率以上的结构模型[25]。一个更方便的方法是硫黄素T(thioflavin T, ThT)荧光法,1959年染料ThT首次被描述为淀粉样蛋白的荧光指示剂,其对淀粉样蛋白的高度选择性结合作用,使其成为体内和体外淀粉样蛋白纤维染色和鉴定最广泛使用的“黄金标准”之一[26]。

2 形成淀粉样纤维的可持续蛋白质

近期科学研究表明,淀粉样纤维或类淀粉样纤维可以由各种食源蛋白质形成。食源性蛋白具有无毒[27],营养丰富,且价格低廉等优点,是形成淀粉样纤维的良好蛋白质来源。如图3所示,食源性蛋白可分为4类,包括动物蛋白,植物蛋白、真菌蛋白和牛奶蛋白。截至目前,已经有20多种食源性蛋白在一定条件下成功组装成了淀粉样纤维,如乳清蛋白[28]、玉米醇溶蛋白[29]、谷蛋白[30]、各种豆类蛋白[31]和可食用种子蛋白等[32]。各类食源性淀粉样纤维的形成也很大程度上证实了所有蛋白都能形成淀粉样纤维这一说法,为淀粉样纤维数据库的拓展贡献了巨大力量。许多研究表明,淀粉样纤维的形成能够使原蛋白的功能特性得到显著提高,从而更好地满足工业需求,如制成良好的增稠剂,胶凝剂[11]和乳化剂等。

淀粉样纤维可以在特定条件下形成,实际中最常应用的蛋白质成纤维条件是在强酸环境下适当加热[40]。大豆蛋白是纤维化最常用的植物蛋白之一,WANG等[24]证实和表征了大豆分离蛋白(soybean protein isolate, SPI)淀粉样纤维的形成,将质量分数为1%的SPI溶液用6 mol/L盐酸将pH值调整到2.0,用NaCl溶液将体系离子强度调整到100 mmol/L,然后将蛋白质悬浮液在85 ℃油浴中加热不同的时间,随后在室温下培养长达7 d,使纤维成熟。通过AFM和ThT荧光分析发现,当加热时间在6～10 h时,水解物出现小颗粒(直径约100 nm);随着加热时间达到12和24 h,水解物开始聚集,并在24 h时形成线状聚集。这些现象表明,适度的培养时间有利于纤维的形成。在酸性加热的条件下,大豆蛋白的一些肽键被水解,产生的肽单体聚集成核状低聚物,并在孵化过程中进一步成长为纤维。

卵清蛋白(ovalbumin, OVA)是一种糖蛋白,其等电点为4.5。研究发现OVA在远低于等电点时的自组装与pH值超过等电点时的自组装结构显著不同[41]。在酸性条件下加热卵清蛋白,可减少α-螺旋和无规则卷曲的含量,增加β-片层的含量。加热后,ThT和8-苯胺基-1-萘磺酸(8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid,ANS)的荧光都明显增强,表明聚集体显示的淀粉样结构比OVA本身更疏水[42-43]。当OVA溶液(pH 2.5)连续摇床培育多天时,在室温下也会形成有荧光增强现象的聚集体。在90 ℃和pH 2.0下进行1～265 h的热处理过程中,无论溶液中是否含有盐,都会同时形成不同类型的卵清蛋白原纤维。

3 淀粉样纤维在营养物质转运中的应用

3.1 输送功能因子的卓越性能

物理结构上,淀粉样纤维凭借它突出的长径比,可以形成物理缠结网络,使得比其他蛋白质聚集体更有效地提高黏度,高效的凝胶和增稠性能使其可作为凝胶剂或增稠剂,甚至具有应用到微胶囊方面的可能性[44];化学特点上,淀粉样纤维特殊的交叉β-片层结构以及氢键和疏水相互作用使其稳定性更强。此外,纤维化后表面丰富的表面活性基团也有利于结合更多的小分子功能物质,从而与多种营养物质或药物相互作用,淀粉样纤维在热和酸性条件下的高度稳定性和耐受能力也使其可以突破胃肠消化屏障,实现对功能物质的靶向输送[45];在生物特性层面,淀粉样纤维的形成过程中破坏了原蛋白的结构,因此有利于降低食品蛋白的致敏性。此外,纤维中的多肽也存在抗氧化或抗菌性能的潜力。上述淀粉样纤维的特性使其在作为纳米载体负载和输送生物活性化合物等方面的应用具有巨大的潜力。

3.2 目前的应用

3.2.1 矿物质营养素

铁是人体必需的微量营养素,铁缺乏是全球三大“隐性饥饿”(微量营养元素缺乏)之首,是全世界尤其是发展中国家面临的最主要的营养问题之一。缺铁性贫血是比较常见的营养缺乏性疾病之一,是体内铁的储存不能满足正常红细胞生成的需要而发生的贫血[46]。针对人群缺铁的干预措施一般有食物搭配、食物强化和口服铁补充剂[47]。随着各种铁强化剂的研发和营养强化技术的发展,铁强化食品的铁吸收率以及感官性状的可接受度都得到了较大提升。

2017年,SHEN等[9]通过制备β-乳球蛋白的淀粉样纤维,进而得到铁纳米颗粒与淀粉样纤维的复合体,展示了蛋白质原纤维作为铁强化的有效载体的原始应用。β-乳球蛋白(β-lactoglobulin, BLG)纤维是铁强化的理想载体,因为它们可以使铁保持在更可利用的Fe(II)状态,同时可以保护铁免受植酸、多酚和钙等因素的影响。将天然BLG在pH 2和90 ℃的条件下孵育5 h,形成淀粉样纤维。通过将淀粉样蛋白与氯化铁和硼氢化钠还原剂混合,铁纳米颗粒成核到纤维上。通过化学反应可以制备出稳定的铁-BLG纤维复合材料,并且可以加工成液体、凝胶或粉末。铁-淀粉样蛋白纤维复合物具有还原抗氧化作用,既在水中具有良好的稳定性,也可以改善感官性能和生物利用度,此外,其较低的经济成本等优势,使得铁-淀粉样纤维复合材料作为新型铁强化剂在食品工业中应用具有光明前途。

目前,在医学领域,食品蛋白与其他蛋白复合而成的淀粉样纤维也可结合其他金属如金、银、钯等探究与细胞毒性之间的关系,如β-乳球蛋白淀粉样纤维与金、银、钯纳米粒子的复合体被用来研究对树突状细胞和乳腺癌细胞活化状态的影响[48]。

3.2.2 酚类营养素

3.2.2.1 姜黄素

许多脂溶性营养物质由于存在水溶性差、稳定性差和生物利用率低等缺陷,在食品中的应用受到限制。姜黄素是从植物姜黄的根茎中提取的一种天然多酚类物质[49]。姜黄素具有广泛的生物活性,长期以来一直被用于治疗多种疾病。在癌症治疗中,姜黄素能够抑制氧化应激反应,减少脂质过氧化和DNA单链断裂,抑制环氧合酶(COX-1、COX-2)活化,具有抗增殖作用。尽管具有广泛的应用前景,姜黄素同样具有脂溶性营养物质的缺陷,使得其应用受阻。在MOHAMMADIAN等[50]的研究中,乳清蛋白纳米纤维(whey protein nanofibers, WPN)被用作载体来改善姜黄素在酸性条件下的水溶性,以扩大其在功能性饮料中的应用。pH值为2.0的WPI溶液在85 ℃下加热5 h产生了纤维,与原蛋白相比,WPN显示出更高的表面疏水性,使其与姜黄素形成可溶性复合物成为可能。姜黄素与WPN的复合物和与WPI的复合物相比,姜黄素与WPN的复合物的水溶性增加了约1 000倍。乳清蛋白纳米纤维与姜黄素的复合物不仅改善了表观黏度和表面活性。还使姜黄素的抗氧化能力得到了大幅提高。综上,该研究表明,乳清蛋白纳米纤维可以作为一种负载材料来拓宽姜黄素这种水不溶性生物活性化合物在食品中的应用。

3.2.2.2 白藜芦醇

白藜芦醇,又称为芪三酚,从毛叶藜芦的根部提取得到,是一种含有芪类结构的多酚化合物,具有抗肿瘤,抗自由基以及保护心血管系统等作用[51]。然而,白藜芦醇水溶性差,对紫外线和pH变化的化学稳定性低,代谢速度快等特点导致其生物利用度和生物活性低,这极大地限制了其在食品和制药领域的应用。2022年,YI等[52]制备出豌豆分离蛋白(pea protein isolate, PPI)纳米纤维后,与白藜芦醇络合,得到Res-PPI纳米纤维复合体,进行自由基清除活性测试和溶解度测试,发现复合体的功能特性较游离态白藜芦醇显著提高,证实PPI纳米纤维可以作为新型纳米载体用于改善疏水性营养物质的水溶性、化学稳定性和体外生物活性。

3.2.2.3 茶多酚

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是克罗恩病(Crohn’s disease, CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)的最常见形式,已成为全球公共卫生面临的一个新的挑战。临床观察表明,亚洲人喝茶或喝咖啡可以降低UC和CD的风险,主要归因于其中的天然多酚[53]。绿茶中含有主要多酚是儿茶素,包括最丰富和最具生物活性的表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG),以及其他表儿茶素,例如(-)表没食子儿茶素(EGC)、(-)表没食子儿茶素(ECG)和(-)表儿茶素(EC)。然而,茶多酚不稳定,口服利用度较差。一种可以考虑的解决方案是与纳米材料载体的结合,以促进EGCG的稳定性和生物活性。HU等[54]证明了蛋白淀粉样纳米纤维可以负载儿茶素等多酚类物质制成功能性宏观水凝胶。与其他给药系统相比,这种方式的多酚的载药量显著增加,稳定性得到改善。口服后,水凝胶可从胃转运到小肠,最后到达肠道(盲肠、结肠、直肠),并在结肠内滞留较长时间。口服该水凝胶可明显改善小鼠结肠炎模型,促进肠屏障功能,抑制促炎基因的表达,并能显著性(P<0.01)调节肠道微生物的代谢紊乱。

4 结论及展望

动植物蛋白在合适的条件下都可形成淀粉样纤维,这一现象说明形成淀粉样纤维的倾向是所有蛋白质的通用属性。蛋白质纤维化是一种改进和扩大蛋白质功能的策略,特别是在功能因子载体设计的应用中,优势明显。淀粉样纤维具有的优良有序结构,使其可以用作生物活性成分和有效的载体来提高药物等功能因子的生物利用度等其他功能特性。但目前沿着这些路线进行的研究还处于起步阶段,对围绕纤维-纤维、纤维-营养物质和纤维-人体互作机制还尚未揭示,纤维作为载体是否能运送多种营养因子以及对人体的利害影响还不得而知,相关研究有待进一步开展。