莫西亞 全 珂 易翠平

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)與食品工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114)

谷物是世界農(nóng)業(yè)的主要作物和全球膳食能量的主要來(lái)源，其加工產(chǎn)品是人類(lèi)碳水化合物、蛋白質(zhì)和膳食纖維等的重要來(lái)源[1]。淀粉和蛋白質(zhì)，作為稻谷、小麥、玉米等谷物中含量最豐富的2種物質(zhì)，經(jīng)共價(jià)鍵、非共價(jià)鍵(靜電相互作用、氫鍵、疏水相互作用、范德華力)、容積排阻作用及分子纏繞等介導(dǎo)發(fā)生相互作用[2]，決定生物大分子及其復(fù)合物的高級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響谷物制品的營(yíng)養(yǎng)、質(zhì)地等。如米粒隨陳化時(shí)間延長(zhǎng)蒸煮米飯的硬度、咀嚼性等提高，與陳化過(guò)程中分子間二硫鍵共價(jià)交聯(lián)使蛋白質(zhì)可溶性降低，不易與其他成分如淀粉結(jié)合有關(guān)[3]。就營(yíng)養(yǎng)功能而言，淀粉與蛋白質(zhì)之間有強(qiáng)烈相互作用的谷物制品，與分離蛋白后的谷物制品相比，其血糖反應(yīng)和消化率可能較低，更具營(yíng)養(yǎng)優(yōu)勢(shì)[4]。研究表明，與無(wú)麩質(zhì)面包以及回填面筋的無(wú)麩質(zhì)面包相比，白面包中的淀粉-蛋白質(zhì)相互作用可降低血糖率和消化率[5]。

本文綜述了谷物中淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用類(lèi)型及影響因素、兩者相互作用的表征方法及相互作用對(duì)淀粉性質(zhì)的影響，旨在為谷物深加工、如鮮濕米粉品質(zhì)改善等提供參考，擴(kuò)大谷物深加工領(lǐng)域的發(fā)展空間，促進(jìn)可食用薄膜、脂肪替代物等新型谷物制品的研發(fā)。

1 淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用類(lèi)型及影響因素

淀粉與蛋白質(zhì)間的相互作用存在于2種大分子的不同片段與側(cè)鏈間，是不同分子間相互作用的結(jié)果，占主導(dǎo)作用的作用力由2種大分子的組成和結(jié)構(gòu)決定[6]。離析、締合和共溶是二者主要的相互作用方式。離析，溶劑與淀粉(或蛋白質(zhì))間的作用破壞淀粉-蛋白質(zhì)間的作用力，使淀粉、蛋白質(zhì)在水中各成體系，形成淀粉、蛋白質(zhì)富集相。締合是指帶相反電荷的淀粉和蛋白質(zhì)，通過(guò)靜電作用或范德華力等相互吸引，形成凝聚層和溶劑相共存的電中性聚集體。因淀粉與蛋白均為多聚體，兩者幾乎不發(fā)生共溶[6-7](圖1)。而添加脂肪酸可連接熱力學(xué)不相容的淀粉與蛋白質(zhì)，形成三元復(fù)合物[8]。

圖1 淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用[6]

谷物中淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用受pH、溫度、淀粉與蛋白質(zhì)濃度、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成及加工處理?xiàng)l件等因素的影響[9-11]。Liao等[12]認(rèn)為蛋白質(zhì)濃度顯著影響小麥面筋聚合物網(wǎng)絡(luò)中酰胺的聚集和暴露程度，因而影響小麥面筋不溶性部分中蛋白與淀粉的相互作用。Wang等[13]的研究表明，面團(tuán)加工過(guò)程中蛋白質(zhì)的行為如溶解度等受直鏈淀粉與支鏈淀粉比例影響，淀粉糊化后，代謝蛋白等更易于與直鏈淀粉含量高的面團(tuán)基質(zhì)相互作用。Chen等[14]發(fā)現(xiàn)，濕熱處理影響淀粉-大豆多肽復(fù)合物的理化性質(zhì)和消化性能，如玉米/馬鈴薯淀粉-大豆多肽混合物的相對(duì)結(jié)晶度高于對(duì)照組，與濕熱處理過(guò)程中淀粉鏈和大豆多肽側(cè)鏈基團(tuán)的相互作用有關(guān)。研究表明，添加變性豌豆蛋白降低淀粉糊化的效果稍高于天然豌豆蛋白，可能是由于變性蛋白具有未折疊的三級(jí)結(jié)構(gòu)，可通過(guò)暴露疏水氨基酸基團(tuán)或二硫鍵與淀粉顆粒發(fā)生更大程度的相互作用[15]。

2 淀粉-蛋白質(zhì)相互作用對(duì)淀粉性質(zhì)的影響

谷物中淀粉含量一般遠(yuǎn)高于蛋白質(zhì)，兩者相互作用主要影響復(fù)合物中淀粉的性質(zhì)。淀粉原有的糊化、消化及流變學(xué)性質(zhì)等(表1)的改變，主要是由于蛋白質(zhì)對(duì)淀粉分子的覆蓋或包裹[20]、淀粉與蛋白質(zhì)分子相互作用形成的空間位阻效應(yīng)[21]、蛋白質(zhì)與酶結(jié)合等[22]。

表1 淀粉-蛋白質(zhì)相互作用對(duì)淀粉消化、糊化、流變等的影響

2.1 糊化性質(zhì)

淀粉顆粒在高溫下溶脹、分裂，最終形成均勻糊狀溶液的過(guò)程稱之為糊化，其本質(zhì)是氫鍵的斷裂和重排，與淀粉類(lèi)型、溫度等因素有關(guān)[23]。研究表明向淀粉-蛋白質(zhì)共混物中加入0～10%的蛋白質(zhì)，可延緩淀粉顆粒糊化，增強(qiáng)直鏈淀粉和支鏈淀粉的回生過(guò)程[24]。Zhang等[25]認(rèn)為大米蛋白對(duì)淀粉回生的抑制作用主要是由于大米蛋白的加入引入了空間限制，降低淀粉分子的交聯(lián)，限制淀粉有序結(jié)構(gòu)的形成，抑制淀粉的重結(jié)晶，且抑制效果取決于大米蛋白的濃度。蛋白質(zhì)可以覆蓋在淀粉表面或包裹淀粉，在淀粉顆粒周?chē)纬杀∧?，阻隔淀粉與水接觸，調(diào)節(jié)淀粉顆粒的膨脹和溶解，從而延緩淀粉的糊化[26，27]。此外，Saleh[28]的研究表明，淀粉-蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)能保護(hù)淀粉顆粒的完整性，從而增強(qiáng)大米粉的抗剪切能力和糊化黏度。研究者進(jìn)一步將米糠蛋白提取分離，結(jié)果顯示大米粉的峰值黏度、低谷黏度、崩解值等糊化特性指標(biāo)顯著降低。

2.2 消化特性

作為生物大分子，蛋白質(zhì)在減緩淀粉消化性上發(fā)揮著重要作用。研究表明，去除米粉中的內(nèi)源蛋白質(zhì)，淀粉消化率顯著提高。主要是由于蛋白質(zhì)附著在淀粉顆粒表面，在其周?chē)纬梢粚幽?。這層膜可抑制淀粉顆粒膨脹，并限制消化酶進(jìn)入淀粉分子，從而減緩淀粉消化[29]。Bhattarai等[30]以小麥粉為模擬體系，研究大量營(yíng)養(yǎng)素(蛋白質(zhì)、甘油三酯和淀粉)之間的相互作用對(duì)酶敏感性的影響。結(jié)果表明，小麥淀粉-面筋基質(zhì)的降解使α-淀粉酶更容易到達(dá)淀粉基質(zhì)并對(duì)其進(jìn)行水解。面筋除作為物理屏障外，還可通過(guò)結(jié)合淀粉酶使其不能用于淀粉水解。此外，部分研究表明，淀粉與蛋白質(zhì)相互作用影響蛋白質(zhì)消化。Oate等[31]認(rèn)為蛋白質(zhì)的消化率受直鏈淀粉含量影響。在糊化過(guò)程中低直鏈淀粉(如糯米淀粉)浸出后形成的直鏈淀粉網(wǎng)絡(luò)較小，其基質(zhì)中被困的蛋白質(zhì)更易被消化。

2.3 流變學(xué)特性

淀粉與蛋白質(zhì)相互作用影響淀粉的黏彈性[32]。去除淀粉顆粒通道蛋白，直鏈淀粉含量不同的稻米，彈性模量與黏性模量降低。以顆粒結(jié)合淀粉合成酶為代表的淀粉顆粒通道蛋白和其他顆粒表面蛋白通過(guò)增強(qiáng)淀粉硬度，穩(wěn)定淀粉結(jié)構(gòu)，影響彈性模量和黏性模量[33]?；磴y強(qiáng)等[34]向秈米淀粉中加入大米谷蛋白，發(fā)現(xiàn)體系的彈性模量和黏性模量峰值均升高，認(rèn)為蛋白質(zhì)等成分作為連續(xù)基質(zhì)包裹淀粉顆粒，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而影響淀粉懸浮液的流變特性。Li等[35]證實(shí)：共價(jià)鍵(二硫鍵)和非共價(jià)鍵(氫鍵和疏水相互作用)結(jié)合作用加劇了糯米粉體系淀粉與蛋白質(zhì)的分子間纏繞，顯著影響面糊的剪切敏感性。添加尿素破壞氫鍵有利于淀粉和蛋白質(zhì)浸出，使糯米粉變?yōu)槿跄z。使用L-半胱氨酸和十二烷基硫酸鈉破壞糯米粉的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，會(huì)降低糯米粉的黏彈性。

2.4 凝膠特性

淀粉分子糊化后，可形成具有一定黏彈性和硬度的凝膠；凝膠的品質(zhì)決定了谷物深加工產(chǎn)品如鮮濕米粉等的加工性能和品質(zhì)[36]。去除大米中的蛋白質(zhì)，凝膠的起始溫度降低，淀粉顆粒更容易凝膠化[29]。向小麥淀粉中添加大米蛋白會(huì)使其凝膠強(qiáng)度降低,凝膠結(jié)構(gòu)致密性、有序性降低?？赡芘c大米蛋白加入使小麥淀粉溶液電負(fù)性減弱，淀粉鏈間排斥作用減弱有關(guān)[27]?；磴y強(qiáng)等[34]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉凝膠硬度與米谷蛋白添加量存在正相關(guān)，可能是由于谷蛋白優(yōu)先淀粉凝膠并包裹淀粉。且大米淀粉凝膠的黏聚性隨大米谷蛋白添加量的增加而升高，回彈性則先增加后趨于平穩(wěn)。此外，米谷蛋白的添加使淀粉凝膠出現(xiàn)較深的大孔洞，凝膠結(jié)構(gòu)松散。Jekle等[37]的研究表明，凝膠化開(kāi)始時(shí)，小麥面筋在淀粉顆粒周?chē)纬梢粚幽?，阻礙水在淀粉顆粒中的擴(kuò)散，延緩凝膠化。Yu等[38]則認(rèn)為，天然淀粉(區(qū)別于變性淀粉)的加入降低淀粉-大豆分離蛋白混合凝膠結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要是由于水和淀粉的間隔效應(yīng)和競(jìng)爭(zhēng)吸附。天然淀粉的加入限制了大豆分離蛋白/淀粉凝膠化過(guò)程中水分的流動(dòng)性，進(jìn)而影響大豆分離蛋白/淀粉的結(jié)構(gòu)性能。

3 淀粉-蛋白質(zhì)相互作用的研究方法

淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用可導(dǎo)致蛋白質(zhì)、淀粉結(jié)構(gòu)變化，如直鏈淀粉與大米谷蛋白結(jié)合改變大米谷蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)，增加其α-螺旋穩(wěn)定性[39]。常用的兩者研究方法可分為光譜學(xué)方法、結(jié)構(gòu)解析方法及其它。而為進(jìn)一步了解淀粉與蛋白質(zhì)相互作用時(shí)其微觀結(jié)構(gòu)的變化及作用力等，常采用多種技術(shù)結(jié)合對(duì)其進(jìn)行表征。

3.1 光譜學(xué)方法

3.1.1 傅里葉變換紅外(Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR)光譜法

紅外光譜常用于研究大分子的結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵。蛋白質(zhì)分子的紅外光譜有三條主要特征吸收帶：酰胺Ⅰ帶(1 700～1 600 cm-1)、酰胺Ⅱ帶(1 600～1 500 cm-1)、酰胺Ⅲ帶(1 300～1 200 cm-1)，提供其二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息，酰胺Ⅰ帶因信號(hào)強(qiáng)而被廣泛使用[40，41]。淀粉分子的紅外光譜區(qū)域則主要通過(guò)3種模式描述：結(jié)晶區(qū)(1 047 cm-1)、非結(jié)晶區(qū)(1 022 cm-1)、C—O鍵的彎曲振動(dòng)(995 cm-1)[42]。

Zhu等[26]研究發(fā)現(xiàn)，米粒的α-螺旋結(jié)構(gòu)隨米飯蒸煮溫度的升高而略微減少，表征淀粉結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)的條帶的強(qiáng)度比逐漸降低，淀粉結(jié)晶區(qū)的雙螺旋展開(kāi)，淀粉與蛋白質(zhì)之間可能通過(guò)氫鍵結(jié)合。Chen等[43]發(fā)現(xiàn)，可溶性谷蛋白或醇溶蛋白與馬鈴薯淀粉相互作用導(dǎo)致馬鈴薯淀粉在3400 cm-1(淀粉分子內(nèi)和分子間O-H 的伸縮振動(dòng))左右的峰向更高波數(shù)移動(dòng)，氫鍵密度和強(qiáng)度顯著增加。Lian等[44]利用紅外光譜對(duì)小麥蛋白和小麥淀粉回生關(guān)系的研究表明，小麥淀粉-蛋白混合物回生過(guò)程中未形成二硫鍵，其紅外光譜缺少511-544 cm-1的條帶，在回生過(guò)程中，小麥淀粉和蛋白質(zhì)之間可能形成其他鍵(如氫鍵)而不是二硫鍵減緩淀粉鏈的運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)淀粉的回生。

3.1.2 紫外吸收光譜

蛋白質(zhì)的紫外光譜通常分為近紫外區(qū)(250～300 nm)和遠(yuǎn)紫外區(qū)(<250 nm)。蛋白質(zhì)紫外吸收光譜280 nm附近的特征吸收峰基于肽鏈中色氨酸和酪氨酸的存在，二硫鍵(胱氨酸)的躍遷亦有助于增強(qiáng)該區(qū)域的總吸收強(qiáng)度。而遠(yuǎn)紫外主要受蛋白質(zhì)肽鏈的躍遷控制[45]。

蛋白質(zhì)與其它分子相互作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致紫外吸收波長(zhǎng)的移動(dòng)或吸光度的變化[46]。劉成梅等[21]的研究表明，陳化60天的大米樣品蛋白紫外特征吸收峰未發(fā)生位移，但加入淀粉后，由于谷蛋白與淀粉分子潛在的相互締合，酪氨酸和色氨酸殘基所處的微環(huán)境改變，谷蛋白在280 nm處的紫外吸收值降低。而Xu等[39]發(fā)現(xiàn)，在一定濃度范圍內(nèi)(0～10.53×10-7mol/L)，隨著直鏈淀粉含量的增加，其與大米谷蛋白結(jié)合后在200-240 nm處的紫外吸收強(qiáng)度增大。

3.1.3 熒光光譜法

蛋白質(zhì)的熒光光譜主要基于其內(nèi)部色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸殘基產(chǎn)生的內(nèi)源熒光。當(dāng)其所處微環(huán)境改變時(shí)，熒光光譜變化[47]。研究表明，大米谷蛋白在陳化過(guò)程中，熒光最大吸收波長(zhǎng)不變，但熒光強(qiáng)度下降；而淀粉的加入使其熒光強(qiáng)度降低，熒光最大吸收波長(zhǎng)紅移，表明谷蛋白與淀粉在陳化過(guò)程中相互結(jié)合[21]。Liao等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，脫酰胺的小麥面筋經(jīng)α-淀粉酶處理去除長(zhǎng)鏈淀粉后，最大吸收波長(zhǎng)藍(lán)移，色氨酸殘基處于更疏水的環(huán)境中。

3.2 結(jié)構(gòu)解析技術(shù)

3.2.1 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)

SEM通過(guò)一束加速電子聚焦在待觀察的固體樣品上，創(chuàng)建樣品的三維圖像，提供樣品構(gòu)相、形態(tài)和組成的信息，從而可用于研究谷物的微觀結(jié)構(gòu)[48]。Nair等[49]對(duì)硬粒大麥和軟粒大麥的SEM結(jié)果顯示，軟粒大麥A型和B型淀粉顆粒間蛋白質(zhì)基質(zhì)少，而硬粒大麥具有連續(xù)的蛋白質(zhì)基質(zhì)，A型淀粉似乎嵌入蛋白質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，B型淀粉顆粒則被蛋白質(zhì)覆蓋，比軟質(zhì)大麥具有更大的淀粉-蛋白粘附力(圖2)。Gull等[50]通過(guò)SEM觀察發(fā)現(xiàn)珍珠小米粉和龍爪稷的淀粉顆粒清晰可見(jiàn)，表面無(wú)孔隙，呈有棱角的多邊形，但珍珠小米粉比龍爪稷的顆粒更團(tuán)聚，表明其淀粉和蛋白質(zhì)的相互作用更強(qiáng)。

注： S為淀粉顆粒；P為蛋白基質(zhì)[49]。圖2 3種軟粒(S1-S3)和硬粒(H1-H3)春大麥胚乳 中心區(qū)域的掃描電鏡圖(2 000×)

3.2.2 激光共聚焦掃描顯微鏡(confocal laser scanning microscope，CLSM)

CLSM是任意厚度樣品中單個(gè)焦平面的成像，可在微米尺度上顯示(相分離的)生物聚合物混合物的二維、三維結(jié)構(gòu)。在CLSM中，對(duì)比度通過(guò)熒光差異獲得，熒光來(lái)源于材料自身或添加的特定熒光染料[51]。常用異硫氰酸熒光素標(biāo)記淀粉，羅丹明B標(biāo)記蛋白。Gao等[52]通過(guò)CLSM觀察到：小麥面筋形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與嵌入的淀粉顆粒交疊。不規(guī)則的淀粉顆粒容易在蛋白網(wǎng)絡(luò)和淀粉顆粒之間形成空隙。且相比大的淀粉顆粒，小型淀粉顆粒與蛋白結(jié)合更緊密。Yang等[24]的CLSM結(jié)果顯示，純玉米淀粉(corn starch，CS)形成致密均勻的相。當(dāng)乳清分離蛋白(whey protein isolate，WPI)加入時(shí)， 玉米淀粉基質(zhì)中觀察到更復(fù)雜和碎片化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且隨著WPI的增加，蛋白質(zhì)和淀粉之間的交聯(lián)顯著增強(qiáng)，蛋白質(zhì)可能通過(guò)嵌入淀粉基質(zhì)與淀粉發(fā)生相互作用。

3.2.3 核磁共振光譜法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR)

核磁共振現(xiàn)象與某些原子(如C、P等)的凈“核”自旋有關(guān)，常用的有1H NMR、13C NMR、31P NMR 和17O NMR幾種類(lèi)型，可用于研究蛋白質(zhì)、淀粉等生物大分子的結(jié)構(gòu)，其不破壞樣品，且較傳統(tǒng)方法而言，樣品前處理和制備工作量小[53]。NMR可采用多種方式測(cè)定糖與蛋白質(zhì)的相互作用，如NOE技術(shù)、化學(xué)位移變化、線寬變化等[54-55]。淀粉的碳化學(xué)位移C-1為101 ppm，C-4為79 ppm，C-3、C-2和C-5為74、73、71 ppm，C-6為61 ppm[44,56]。Lian等[44]通過(guò)13C NMR對(duì)有無(wú)蛋白的小麥淀粉的研究表明，小麥淀粉和蛋白質(zhì)在回生過(guò)程中通過(guò)鏈末端的糖苷鍵相互作用，且淀粉和蛋白質(zhì)之間的C-6糖苷鍵可能抑制α-淀粉酶活性。

結(jié)合CLSM、SEM、FTIR等多種表征手段，Zhu等[26]發(fā)現(xiàn)，在100 ℃蒸煮米飯20 min，米粒中的淀粉與蛋白質(zhì)之間存在物理相互作用，即淀粉對(duì)蛋白質(zhì)的覆蓋和壓縮；以及弱的氫鍵相互作用。Yang等[24]的研究表明，玉米淀粉-乳清蛋白混合物蒸煮后在FTIR光譜中僅檢測(cè)到CS和WPI的峰，在蒸煮過(guò)程中CS和WPI之間沒(méi)有共價(jià)相互作用；混合物的CLSM圖像表明，淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用導(dǎo)致淀粉被蛋白包裹，阻礙淀粉消化。

4 小結(jié)

作為谷物中的兩大主要生物大分子，淀粉和蛋白質(zhì)間的相互作用主要包括氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用等，與pH、蛋白質(zhì)、淀粉濃度等因素相關(guān)，影響淀粉的糊化、消化等性質(zhì)。雖然目前淀粉-蛋白質(zhì)相互作用的研究取得了一定進(jìn)展，但仍存在問(wèn)題：關(guān)于淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用研究主要集中在小麥面團(tuán)及小麥制品中，稻谷等谷物及其制品中淀粉與蛋白質(zhì)相互作用的研究尚未得到深入研究；外源淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用研究多，而谷物中內(nèi)源淀粉和蛋白質(zhì)相互作用研究少；淀粉-蛋白質(zhì)相互作用的表征還不夠深入，關(guān)于淀粉與蛋白質(zhì)相互作用對(duì)兩者精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響及機(jī)理、兩者相互作用的蛋白和淀粉類(lèi)型(直鏈淀粉、支鏈淀粉亦或兩者中的特殊鏈)等還不甚了解。因此需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)內(nèi)源淀粉與蛋白質(zhì)相互作用、復(fù)合物復(fù)合機(jī)制、精細(xì)結(jié)構(gòu)等的研究，為谷物制品的儲(chǔ)藏、加工等提供借鑒。