蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值與加工修飾研究進展

摘要蛋白質(zhì)在日常飲食中不可或缺。由于人們食物安全意識的提高及人口老化的需要，食物研究人員探討了蛋白質(zhì)替代品及蛋白質(zhì)優(yōu)化利用，以增加它們的生物利用率和消化率。由于蛋白質(zhì)受pH、離子強度、溫度、壓力影響，可相應(yīng)地采取手段改進其結(jié)構(gòu)和功能。修飾的蛋白質(zhì)被認(rèn)為是有附加值的食品原料，即特種蛋白采用酶反應(yīng)、水解、熱處理、酸化、超濾制備。綜述了以前的研究，展示蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值與修飾方法。

關(guān)鍵詞生物活性；消化率；配方；營養(yǎng)價值；加工修飾

中圖分類號S188；O629.73文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10313-03

基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目（21376129）。

作者簡介劉慧（1990- ），女，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向：藥物合成。

全球人口增長和老齡化給糧食供應(yīng)帶來挑戰(zhàn)。到2050年，世界人口預(yù)計會增長到100億，糧食產(chǎn)量需增加至少70%。消費者健康意識的提高，促進了對可持續(xù)、高品質(zhì)食品的需求。蛋白質(zhì)在身體生長和修復(fù)方面是基本的結(jié)構(gòu)單位，因此，蛋白質(zhì)供給必須可持續(xù)、有營養(yǎng)和環(huán)境友好。

不能完全通過提高動物產(chǎn)量實現(xiàn)蛋白質(zhì)的供給，因為這會導(dǎo)致生物多樣性的喪失、淡水枯竭、氣候問題并影響人類健康[1]。最好的解決辦法有5種：①提高植物和動物蛋白質(zhì)的表達生產(chǎn)效率。②提高蛋白質(zhì)原材料（包括農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢物）分離和利用率。③通過修飾改善蛋白質(zhì)成分功能。④提高植物蛋白在人類飲食的比例。⑤提高蛋白質(zhì)消化率和生物利用度[2]。保證膳食提供充足蛋白質(zhì)或氨基酸是確保蛋白質(zhì)高利用率的前提。需研發(fā)新蛋白質(zhì)和富含蛋白質(zhì)的食物，要考慮不同食物加工過程中蛋白質(zhì)的功能特性和代謝途徑。

除了傳統(tǒng)的動植物蛋白，例如肉、魚、牛奶、雞蛋、小麥和大豆，有必要開發(fā)新的蛋白質(zhì)。從環(huán)境可持續(xù)性、經(jīng)濟性和營養(yǎng)價值考慮，動植物蛋白混合食用前景可觀[3-4]。植物蛋白是一種經(jīng)濟的動物蛋白替代品，全球飲食有以植物蛋白為主的趨勢。

如今，飲食不僅因身體需要，也是為了享受。食品的營養(yǎng)評價已擴大到包括抑制脂質(zhì)酸敗、微生物生長、毒素產(chǎn)生以及增強抗氧化活性、生物活性和穩(wěn)定性等。蛋白質(zhì)是必不可少的食物，且在食品加工、口感、營養(yǎng)中發(fā)揮重要作用[5]。蛋白質(zhì)有多種功能特性，包括抗氧化、抗菌、保水、起泡或乳化能力[6-7]。蛋白質(zhì)性質(zhì)由氨基酸組成、序列以及構(gòu)象決定，未折疊的或水解的蛋白質(zhì)在功能上與折疊的蛋白質(zhì)存在差異。因此，為了改善蛋白質(zhì)性質(zhì)，可從蛋白質(zhì)分離純化過程及物理、化學(xué)或酶改性著手。通過改變氨基酸組成或分子大小或取出某些必需氨基酸，可以獲得新型蛋白質(zhì)[8-9]。

1蛋白質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和功能

蛋白質(zhì)是氨基酸通過酰胺鍵連接而成的，大多有伯胺（-NH2）、羧基（-COOH）、巰基（-C-SH或R-SH）、硫醚（-C-S-C-）和羰基（-CHO）。官能團也有助于蛋白質(zhì)構(gòu)象形成[10]。蛋白質(zhì)的工藝學(xué)和生物特性是由一級結(jié)構(gòu)（氨基酸序列），二級結(jié)構(gòu)（有氫鍵作用的α螺旋和β折疊），三級結(jié)構(gòu)（二級結(jié)構(gòu)在三維空間的排列）和四級結(jié)構(gòu)（不同肽鏈的相互作用）決定的。氨基酸側(cè)鏈性質(zhì)，如電荷、極性和大小決定蛋白質(zhì)折疊特性。蛋氨酸、谷氨酸、亮氨酸和丙氨酸促進螺旋形成，而甘氨酸和脯氨酸使螺旋斷裂。纈氨酸、異亮氨酸和亮氨酸往往誘導(dǎo)片層折疊結(jié)構(gòu)形成，而天冬氨酸、谷氨酸和脯氨酸起相反作用[11]。即使肽鍵骨架不斷裂，改變蛋白質(zhì)二級、三級或四級結(jié)構(gòu)也可引起變性[12]。若溫度、pH變化，有機溶劑、清潔劑、鹽類、尿素或鹽酸胍存在，蛋白質(zhì)會水解或活性損失。

蛋白質(zhì)在水中溶解度是蛋白質(zhì)食品加工的關(guān)鍵，溶解度受離子強度、pH、食品基質(zhì)和溫度影響。除了大豆、豌豆、羽扇豆和油菜籽蛋白質(zhì)，多數(shù)植物蛋白質(zhì)在中性pH溶解度極低[13]。蛋白質(zhì)是表面活性劑，特別是牛奶和雞蛋。因此，作為乳化劑，蛋白質(zhì)可用來促進乳液及泡沫的形成和穩(wěn)定。蛋白質(zhì)的乳化性會影響食物的消化率以及生物活性[14]。由于通過二硫鍵交聯(lián)形成了更緊湊的結(jié)構(gòu)、更大的分子量，植物蛋白質(zhì)與動物蛋白乳化性能存在差異[15]。容易變性、低分子量、高表面疏水性、溶解度大的蛋白質(zhì)發(fā)泡性能較好，一些植物蛋白，如豌豆、羽扇豆、大豆和油菜籽蛋白質(zhì)，發(fā)泡性能與雞蛋蛋白相近[16]。與天然折疊的蛋白質(zhì)相比，水解或未折疊蛋白可使食物有不同特性[17]。植物蛋白加工修飾可提高其表面活性，例如脫酰胺小麥蛋白[18]。蛋白質(zhì)聚集會產(chǎn)生不同大小和形態(tài)的聚集體，這對于食品和醫(yī)藥加工十分重要[19]。

2蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值和消化率

人類為維持蛋白質(zhì)含量，必須合成新蛋白質(zhì)，以取代降解的蛋白質(zhì)。不同個體對胃酸、腸消化酶和多肽酶反應(yīng)不同，因此造成了個體蛋白質(zhì)含量差異。亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、谷氨酸和精氨酸在運動表現(xiàn)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[20]。谷氨酸和精氨酸促進生長激素釋放，且是抗氧化劑谷胱甘肽的前體，可保護細(xì)胞免受自由基傷害并調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的限速步驟[21]。氨基酸組成決定膳食蛋白營養(yǎng)，特別是必需氨基酸濃度、蛋白質(zhì)消化率和生物利用率[22]。

蛋白利用率由消化率決定。人類的消化系統(tǒng)與血液、淋巴和神經(jīng)系統(tǒng)直接相關(guān)，而食物攝取、消化、運輸也與其有關(guān)[23]。食物經(jīng)過口腔咀嚼與唾液混合后，吞咽通過食道傳送到胃[24]。胃處理食物通常需要幾分鐘到幾個小時，胃的蠕動、消化液、胃酸，膽汁和內(nèi)切酶的分泌可促進消化[25]。胃消化動力學(xué)和效果將影響在小腸的消化動力學(xué)[26]。食糜到達小腸后，在小腸蠕動、胰腺酶、膽酸鹽、粘液素作用下消化仍在進行，直到經(jīng)小腸細(xì)胞吸收進入身體循環(huán)系統(tǒng)[27]。

蛋白質(zhì)消化從胃開始，事實上它們存在于消化吸收的各個階段。蛋白質(zhì)經(jīng)過胃、胰腺、小腸中一系列水解酶降解成可被小腸選擇性吸收的氨基酸、二肽或三肽[28]。胃蛋白酶需酸性環(huán)境，最佳pH為1.8～3.2[29]。胃消化后，食糜中剩余的蛋白質(zhì)和多肽將進入小腸，由胰蛋白酶以及腸道粘膜肽酶進一步分解[30]。研究表明，按照傳統(tǒng)加工技術(shù)、分析和營養(yǎng)評價方法，動物蛋白比植物蛋白消化率更高[31]。乳清蛋白比酪蛋白和分離的大豆蛋白亮氨酸和支鏈氨基酸含量更高[32]。分離的大豆蛋白中含有豐富的谷氨酸、精氨酸和生物活性劑，包括抗氧化劑，如異黃酮[33]。大豆分離蛋白和乳清蛋白促進肌肉生長、增加體重作用相似，都優(yōu)于酪蛋白。一般情況下，食用多種植物可提供足夠的必需氨基酸，以滿足成人正常需要。對于特殊人群，如嬰幼兒、兒童、孕婦或產(chǎn)婦，尤其需要攝入氨基酸和易消化蛋白質(zhì)。相比單一蛋白攝入，食用不同蛋白質(zhì)，如大豆，酪蛋白和乳清蛋白對健康益處更大[34]。

3蛋白質(zhì)的加工修飾

3.1化學(xué)修飾利用側(cè)鏈氨基酸的反應(yīng)活性，可通過乙?；?、琥珀?；?、糖基化、酰胺化、烷基化、共價鍵、磷酸化和脫酰胺化對蛋白質(zhì)進行化學(xué)改性。雖然化學(xué)修飾能改變蛋白質(zhì)的消化率，但在大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)中，由于成本、化學(xué)試劑、消費者觀念而受到限制。

3.2水解生物活性肽在蛋白質(zhì)中通常無生物活性，但從前體蛋白釋放后會有生物功效。蛋白質(zhì)可被酸、堿或內(nèi)切酶水解產(chǎn)生短鏈肽和氨基酸，以替代完整蛋白質(zhì)作食品配方。這些水解物或多肽有理想的營養(yǎng)特性和生物活性，包括抗高血壓、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗癌、抗血栓、抗真菌、抗微生物活性。大量研究討論了食物蛋白質(zhì)水解對其功能的作用，包括動物蛋白，如酪蛋白植物蛋白，如大豆蛋白和小麥谷膠蛋白[8]。

蛋白質(zhì)酶解通常會降低分子量、暴露疏水性基團。蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的肽可賦予食物不同的風(fēng)味，如不當(dāng)?shù)拇呤炜墒鼓汤易兛?，L天冬氨酸會增加甜味。因此，食品研發(fā)中苦味肽釋放后需進行苦味掩蓋。

由于營養(yǎng)價值降低，酸、堿蛋白質(zhì)水解物商業(yè)價值有限，例如，L氨基酸的損壞、D氨基酸和毒性賴丙氨酸的產(chǎn)生。相比之下，由于產(chǎn)品質(zhì)量高（酶專一性催化結(jié)果），高生產(chǎn)速度（比相應(yīng)的非酶促反應(yīng)快108～1011倍），適中的生產(chǎn)成本及反應(yīng)條件（pH 6～8，40～60 ℃），蛋白質(zhì)的酶水解市場潛力巨大。

3.3加熱蛋白質(zhì)對溫度變化敏感，因此可用加熱修飾蛋白質(zhì)?？刂萍訜峥尚揎椀鞍踪|(zhì)產(chǎn)生特殊功能并改善消化率。為了獲得營養(yǎng)價值高、加工性能好、吸收率高的蛋白質(zhì)，利用富含蛋白質(zhì)且廉價的原料進行蛋白質(zhì)修飾是很好的途徑。熱處理和蛋白水解產(chǎn)物超濾處理結(jié)合使用，可篩選出分子量大于5 000 D的水解殘基。值得注意的是，過度修飾會降低利用率，化學(xué)修飾可能會導(dǎo)致過敏反應(yīng)、毒性、營養(yǎng)價值的改變。因此，持續(xù)關(guān)注并定量評估修飾蛋白的使用安全是十分必要的。

4結(jié)論

過去的幾十年中，修飾蛋白來獲得對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能更深入的了解已被廣泛研究，但大多從化學(xué)角度并在實驗室進行，對于食品加工、處理、攝取、吸收過程中蛋白質(zhì)修飾的研究仍然有限。因此，修飾蛋白來生產(chǎn)高營養(yǎng)價值的蛋白質(zhì)成分和富含蛋白質(zhì)且有多種生物活性的食品仍然還沒有在商業(yè)上得到推廣。

參考文獻

[1] TOWNSEND A R，HOWARTH R W.Fixing the global nitrogen problem[J].Sci Am，2010，302：64-71.

[2] BOER J，AIKING H.On the merits of plantbased proteins for global food security：marrying macro and micro perspectives[J].Ecol Eco，2011，70：1259-1265.

[3] AIKING H.Future protein supply[J].Trends Food Sci Tech，2011，22：112-120.

[4] HAUB M D，WELLS A M，TARNOPOLSKY M A，et al.Effect of protein source on resistivetraininginduced changes in body composition and muscle size in older men[J].Am J Clin Nutr，2002，76：511-517.

[5] PARADA J，AGUILERA J M Food microstructure affects the bioavailability of several nutrients[J].J Food Sci，2007，72（2）：21-32.

[6] MENDIS E，RAJAPAKSE N，KIM S.Antioxidant properties of a radicalscavenging peptide purified from enzymatically prepared fish skin gelatin hydrolysate[J].J Agr Food Chem，2005，53：581-587.

[7] DEL ROSARIO，MOREIRA M，PEREDA M，et al.Antimicrobial effectiveness of bioactive packaging materials from edible chitosan and casein polymers：assessment on carrot，cheese，and salami[J].J Food Sci，2011，76：54-63.

[8] WANG J S，ZHAO M M，YANG X Q，et al.Improvement of emulsifying properties of wheat gluten hydrolysate λcarrageenan conjugates[J].Food Tech and Bio，2006，44（1）：25-32.

[9] CHOBERT J M.Milk protein tailoring to improve functional and biological properties[J].J Bio Sci and Bio，2012，1（3）：171-197.

[10] TRONCOSO E，AGUILERA J M.Food microstructure and digestion[J].Food Sci and Tech，2009，23（4）：30-33.