龐鑫慧，蘇丹，楊楊，王冰，李笑梅，邊鑫，石彥國，王雷，張娜*

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020）

漢麻（hemp）是我國的原產(chǎn)作物之一，根據(jù)四氫大麻酚的含量將漢麻分為兩種：工業(yè)漢麻和毒品漢麻[1]，目前工業(yè)漢麻的種植比較廣泛。在我國工業(yè)漢麻的種植主要集中在東北的黑龍江省、吉林省、遼寧省，西北的山西省、甘肅省和寧夏回族自治區(qū)，西南的云南省、貴州省和四川省，中部的安徽省、山東省和河南省等地區(qū)[2]。

漢麻最早的應(yīng)用是漢麻纖維，常被用來生產(chǎn)耐用織物，漢麻籽可食，其含有30%以上的油脂和25%的蛋白質(zhì)[3]，因此，常被用來提取食用油[4]，但對于漢麻蛋白（hemp protein isolate，HPI）的研究利用還比較少。隨著人們對高質(zhì)量食品需求的不斷增加，漢麻蛋白開始進(jìn)入人們的視野。漢麻蛋白中含有8種人體必需氨基酸[5]，其中組氨酸和精氨酸的含量比較高。組氨酸是8月以下嬰兒的必需氨基酸，同時對于兒童的生長發(fā)育和中老年人心血管疾病的預(yù)防都起著至關(guān)重要的作用[6]，因此被認(rèn)為是一種適合老年人和嬰兒的優(yōu)質(zhì)蛋白。目前，國內(nèi)外研究主要集中在漢麻蛋白質(zhì)的提取和食品應(yīng)用方面，如漢麻蛋白粉和漢麻蛋白乳飲料[7]，而關(guān)于漢麻蛋白改性及其結(jié)構(gòu)表征的研究比較少。

因此，本文主要闡述漢麻蛋白改性方法及其營養(yǎng)特性，揭示漢麻蛋白結(jié)構(gòu)及表征等方面變化，以期為漢麻蛋白更好地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中提供理論依據(jù)。

1 漢麻蛋白的營養(yǎng)價值

1.1 氨基酸組成

漢麻蛋白含有20種氨基酸，包括人體所需的8種必需氨基酸。由于大豆分離蛋白（soy protein isolated，SPI）是良好的蛋白質(zhì)來源[8]，與 SPI相比，HPI所含的必需氨基酸含量與SPI相似，有些氨基酸還優(yōu)于SPI，如表1[8]所示。

表1 HPI與SPI必需氨基酸含量對比Table 1 Comparison of essential amino acid content of HPI and SPI

除賴氨酸和含硫氨基酸外，HPI的必需氨基酸足以滿足聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織（Food&Agriculture Organization/World Health Organization，F(xiàn)AO/WHO）對2歲～5歲兒童的建議要求。而對于10歲～12歲的兒童，除含硫氨基酸含量略低外，HPI所含必需氨基酸也都滿足FAO/WHO建議的要求。HPI中精氨酸含量也比較高，精氨酸是增強血液流動，維持血壓正常的一種重要的氨基酸[9-10]，精氨酸和賴氨酸比值是衡量抗動脈粥樣硬化的重要指標(biāo)，HPI中精氨酸與賴氨酸比值為4.37，相對較高，因而HPI可以應(yīng)用到促進(jìn)心血管健康的食品配方中。

1.2 消化特性

食品蛋白質(zhì)的消化率取決于其與被消化道中酶分解和吸收的程度。Mamone等[11]使用胃腸消化靜態(tài)模型（gastrointestinal digestion，GID）對 HPI的體外消化率進(jìn)行測定，在十二指腸酶（brush border membrane，BBM）的作用下只有少數(shù)肽存在，完整的蛋白質(zhì)和大的多肽段沒有被檢出，這證明了HPI有很高的消化率。也有研究者研究了脫皮大麻籽的體外蛋白質(zhì)消化率和蛋白質(zhì)消化率校正氨基酸評分（protein digestibility-corrected amino acid score，PDCAAS），這兩個值分別高達(dá)92%和66%，優(yōu)于許多豆類蛋白和谷物蛋白[12]。

1.3 致敏性

HPI是目前被發(fā)現(xiàn)的一種低過敏性的植物蛋白。有學(xué)者對漢麻的種子、根、纖維、葉和花進(jìn)行致敏性研究，在漢麻的這些部分發(fā)現(xiàn)了非特異性脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白（cannabis sativa3/ns-LTP）、抑制蛋白、產(chǎn)氧增強蛋白、索馬甜樣蛋白和核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCo）這5種致敏性蛋白，經(jīng)蛋白質(zhì)組學(xué)分析在漢麻籽中只發(fā)現(xiàn)了RuBisCo[13-14]。Mamone等[11]對HPI進(jìn)行了系統(tǒng)的檢測，發(fā)現(xiàn)在HPI中未檢測到致敏性蛋白，經(jīng)腸胃消化后的蛋白質(zhì)中也不存在致敏性，由此可以推測，致敏性蛋白在HPI提取過程中已經(jīng)被去除。

2 漢麻蛋白改性方法

蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)在食品加工中起著非常重要的作用，但不同食品體系中所需要的蛋白質(zhì)功能特性不同。目前對于HPI改性的研究較少，但可以根據(jù)蛋白質(zhì)相似結(jié)構(gòu)推測HPI改性后功能性質(zhì)的變化。目前，常用的蛋白質(zhì)改性技術(shù)有物理改性、化學(xué)改性、酶法改性等。通過適當(dāng)?shù)母男约夹g(shù)，可以獲得功能特性和營養(yǎng)特性較好的HPI，使HPI在食品工業(yè)中的應(yīng)用更廣泛。表2為常見蛋白質(zhì)改性技術(shù)的優(yōu)缺點。

表2 常見蛋白質(zhì)改性技術(shù)的優(yōu)缺點Table 2 Advantages and disadvantages of common protein modification technologies

2.1 物理改性

物理改性主要利用加熱和高壓等技術(shù)改變蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)及分子間的聚集方式，改善蛋白的功能特性，具有安全性高、成本較低、作用時間短等優(yōu)點，但改性效果不顯著，且很多物理改性技術(shù)難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2.1.1 熱改性技術(shù)

加熱是食品加工中常用的方式，在加熱過程中蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)展開，疏水基團暴露。熱變性分子之間的疏水相互作用或二硫鍵橋接可能使蛋白質(zhì)發(fā)生熱聚集，從而影響蛋白質(zhì)的功能特性[15，27]。Raikos等[28]發(fā)現(xiàn)，在高于80℃的溫度下加熱HPI會導(dǎo)致不可溶性大分子聚集體的形成，其中大約60%～80%的天然蛋白轉(zhuǎn)化成這種聚合狀態(tài)，造成蛋白溶解度大幅度降低，同時也導(dǎo)致蛋白質(zhì)的消化程度下降。同樣地，Yin等[29]也指出熱處理（95℃，10 min）HPI的溶解度明顯低于未處理蛋白。但是同時發(fā)現(xiàn)熱處理可以提高HPI的乳化活性，這可能與深埋在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部疏水基團的暴露有關(guān)。因此，在熱處理過程中需要嚴(yán)格控制加熱條件以允許適當(dāng)?shù)臉?gòu)象或結(jié)構(gòu)變化，這對于改善蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)至關(guān)重要。

2.1.2 高壓改性技術(shù)

高壓處理是一項具有廣闊發(fā)展前景的高新技術(shù)。在高壓條件下，蛋白質(zhì)的離子鍵、氫鍵、疏水作用等非共價鍵發(fā)生變化，使得蛋白質(zhì)部分去折疊，三級和四級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變致使蛋白質(zhì)功能性質(zhì)發(fā)生變化[30]。高壓處理有助于在沒有任何加熱過程的情況下保持食物的狀態(tài)，這避免了食物成分熱降解[31]。近年來高壓均質(zhì)被應(yīng)用于穩(wěn)定性乳液的制備，它將油滴分散成小液滴，增加了液滴的表面積，從而提高乳液的穩(wěn)定性[32]。趙國華[33]發(fā)現(xiàn)漢麻乳穩(wěn)定性差的主要原因是HPI有較差的乳化性，而乳化性與漢麻蛋白的結(jié)構(gòu)和溶解性有關(guān)，利用pH偏移結(jié)合高壓均質(zhì)對HPI進(jìn)行處理，處理乳液的穩(wěn)定性動力學(xué)指數(shù)（turbiscan stability index，TSI）變小，說明乳液變得更加穩(wěn)定，這樣的處理方式可能會增強界面蛋白之間以及界面蛋白和連續(xù)相之間的相互作用，從而提高乳液的物理穩(wěn)定性。

2.2 化學(xué)改性技術(shù)

蛋白質(zhì)化學(xué)改性主要是針對蛋白質(zhì)主鏈或者側(cè)鏈上的基團，如氨基（-NH2）、羧基（-COOH）、羥基（-OH）、巰基（-SH）進(jìn)行修飾，從而改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)或理化性質(zhì)，包括溶解性、乳化性、凝膠性、熱穩(wěn)定性等[34-36]。其實質(zhì)是改變蛋白質(zhì)的極性、帶電荷數(shù)、疏水基團來改變蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)?；瘜W(xué)改性法成本較低、操作簡單，并且改性效果良好，但化學(xué)試劑會有些許殘留，改性后蛋白質(zhì)的安全性有待檢測?；瘜W(xué)改性一般在中性或堿性條件下進(jìn)行，目前市面上銷售的蛋白飲料部分顯示是酸性，但酸性條件下改性的蛋白質(zhì)是否能穩(wěn)定存在還需要進(jìn)一步探究?；瘜W(xué)改性包括酸堿化、糖基化（即美拉德反應(yīng)）、磷酸化、酰化、脫酰化等方法。糖基化作用實質(zhì)是多糖分子上的羰基與蛋白質(zhì)分子上的氨基發(fā)生美拉德反應(yīng)形成席夫堿，磷酸化作用是一個磷酸基團與蛋白質(zhì)上特定原子結(jié)合的過程，?；饔弥饕怯H和取代反應(yīng)，如表3所示。

表3 反應(yīng)機制和基團相互作用Table 3 Reaction mechanism and group interaction

酸堿處理是一種常見的蛋白質(zhì)改性的方法，pH偏移處理是一種比較溫和的化學(xué)改性方法，因為處理時pH值遠(yuǎn)離等電點，使得蛋白質(zhì)分子表面攜帶電荷。將pH值調(diào)回中性時，分子內(nèi)電荷排斥力降低，蛋白發(fā)生部分分解折疊，蛋白分解折疊導(dǎo)致蛋白構(gòu)象和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并影響重折疊蛋白的功能特性，此外，經(jīng)修飾的蛋白質(zhì)也可以進(jìn)一步通過二硫鍵作用形成聚集體，也可在后續(xù)試驗中充當(dāng)乳化劑吸附在油-水界面上，如圖1所示[7]。處理后的蛋白質(zhì)間的疏水相互作用發(fā)生改變，二硫鍵可能斷裂或與巰基發(fā)生互換，形成熔球態(tài)，顯著增強表面疏水性，因而，蛋白質(zhì)的表面性能得到改善[41]，而經(jīng)過改性的蛋白質(zhì)可以通過二硫鍵形成聚集體提高乳液的穩(wěn)定性。Wang等[42]將pH偏移和熱結(jié)合對HPI進(jìn)行處理，在80℃下蛋白質(zhì)的溶解度可達(dá)到82.1%，同時蛋白質(zhì)的界面活性增強，形成的多層膜結(jié)構(gòu)顯著提高了乳化活性和乳化穩(wěn)定性。

圖1 pH偏移處理及其對蛋白質(zhì)表面性質(zhì)影響Fig.1 pH shift treatment and its influence on protein surface properties

2.3 酶法改性

酶改性通常是通過限制性酶水解，提高蛋白質(zhì)的乳化、起泡、成膠等功能性質(zhì)。經(jīng)蛋白酶處理的蛋白質(zhì)生成大量的氨基和羰基，通過改變條件，控制蛋白水解程度，使蛋白分子降解成不同鏈長的肽段，通過肽段分離得到不同功能性質(zhì)的產(chǎn)品。但酶制劑昂貴的價格和產(chǎn)品品質(zhì)重現(xiàn)性的控制無疑增加企業(yè)生產(chǎn)成本，限制了它在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。一些研究人員已經(jīng)應(yīng)用了這種結(jié)構(gòu)修改技術(shù)來嘗試改善HPI的功能性質(zhì)。Wang等[43]和Teh等[44]指出酶解可以改善HPI的表面疏水性，但是過度水解也會導(dǎo)致蛋白疏水性降低，通過肽的疏水締合作用形成可溶性聚集體。Yin等[29]采用了胰蛋白酶對HPI進(jìn)行酶解，發(fā)現(xiàn)酶解使HPI的溶解性得到了顯著提高，但是酶解后蛋白質(zhì)（pH7.0）乳化活性和乳液穩(wěn)定性、起泡性和泡沫穩(wěn)定性、持水性和脂肪吸收能力都有所下降。Isinguzo等[45]研究發(fā)現(xiàn)，酶解形成的小分子肽鏈不僅導(dǎo)致HPI的起泡性和泡沫穩(wěn)定性顯著降低，而且也不利于蛋白質(zhì)形成凝膠。但是，酶解獲得的小分子肽段卻能顯著改善漢麻蛋白的抗氧化性能[46]。

3 漢麻蛋白表征方法

Malomo等[47]利用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate，SDS-PAGE）和圓二色譜法（circular dichroism，CD）對漢麻的白蛋白（albumin，ALB）和球蛋白（globulin，GLB）進(jìn)行研究。SDSPAGE是以聚丙烯酰胺凝膠作為支持介質(zhì)的一種常用電泳技術(shù)，用于電泳技術(shù)測定蛋白質(zhì)的分子量、分離蛋白質(zhì)和寡核苷酸。CD是一種應(yīng)用最廣泛測定蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的方法。在HPI中麻仁球蛋白為主要組分，GLB的分子質(zhì)量在6 kDa～50 kDa，ALB分子量在10 kDa～42 kDa，GLB中存在3個強條帶分別為21、34 kDa和45 kDa，與ALB相比，GLB中含有更多的二硫鍵鏈接多肽而ALB中則較少；在pH值為3.0和7.0時ALB比GLB的二級結(jié)構(gòu)含量多在pH值為9.0時兩種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)相似，隨著pH值的升高GLB的橢圓率增加，這表明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的緊湊性增加。而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異也影響著其理化及功能特性。

4 討論

最新研究表明，與其他植物相比，漢麻食品類產(chǎn)品具有較高的利用價值。目前在食品行業(yè)中，漢麻擁有著十分廣闊的應(yīng)用前景。HPI目前的研究僅限于提取、結(jié)構(gòu)組成以及功能特性的基礎(chǔ)研究，對HPI改性的研究較其他蛋白還很缺乏。通過改性不但能改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而且對蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)也有改善。而HPI的某些功能特性不利于工業(yè)生產(chǎn)，通過對其進(jìn)行改性來改善某些功能特性，對未來HPI作為食用原料應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中具有重要意義。