高靜壓處理對(duì)植物蛋白消化性的影響

王晨笑，尹 浩，王丹鳳,2,3，鄧 云,2,3，岳 進(jìn),2,3,*

（1.上海交通大學(xué)食品科學(xué)與工程系，上海 200240；2.上海交通大學(xué)陸伯勛食品安全研究中心，上海 200240；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

蛋白質(zhì)是食品的重要組成部分，也是人體重要的常量營(yíng)養(yǎng)素，在體內(nèi)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于畜牧業(yè)成本高且對(duì)環(huán)境有較大的壓力，而種植業(yè)對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)低于動(dòng)物農(nóng)業(yè)，因此，植物蛋白是一種更具可持續(xù)性的蛋白來(lái)源，以植物蛋白替代動(dòng)物蛋白成為食品工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。為了提高植物蛋白的功能特性與利用效率，常采用物理、化學(xué)和酶法對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行性能改善。高靜壓（High Hydrostatic Pressure,HHP）技術(shù)是一種新型的非熱加工技術(shù)，通常采用100 MPa以上（100～1 000 MPa）的壓力對(duì)物料進(jìn)行處理，用于食品殺菌、滅酶等工藝中，同時(shí)也可以為食品提供獨(dú)特的質(zhì)構(gòu)。研究表明，HHP 技術(shù)也能夠改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)[2-4]。近些年利用HHP 技術(shù)改善蛋白質(zhì)的消化性引起廣泛的研究興趣。一方面，蛋白質(zhì)的消化性增加意味著其能更好地被人體吸收利用，具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；另一方面，一些植物來(lái)源的蛋白質(zhì)，如大豆蛋白，是生物活性肽的良好來(lái)源[5]，而蛋白質(zhì)消化性的提高增大了其被用于生產(chǎn)生物活性肽的可能性，拓寬了蛋白質(zhì)的應(yīng)用范圍。本文對(duì)近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)表的HHP 處理對(duì)植物蛋白消化性的改善相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，以期拓展高靜壓技術(shù)在植物蛋白改性領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 蛋白質(zhì)的消化性及其主要影響因素

蛋白質(zhì)的消化從胃腔開始，最后在小腸內(nèi)被上皮細(xì)胞分解為游離氨基酸或短寡肽，從而被人體吸收利用。氨基酸是構(gòu)成人體的最基本的物質(zhì)之一，被吸收后主要作為生命體內(nèi)合成蛋白質(zhì)的原料。近幾年短肽的消化和吸收利用的研究取得了顯著進(jìn)展，許多研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物或植物蛋白釋放的肽在體外或體內(nèi)具有生物活性，包括抗菌、抗氧化、降血壓、降膽固醇、抗血栓以及細(xì)胞免疫或免疫調(diào)節(jié)等活性[6]。因而，蛋白質(zhì)在體內(nèi)的分解和消化就尤為重要。

蛋白質(zhì)的消化性主要由蛋白質(zhì)消化率（Protein digestibility）來(lái)表征，即消化的蛋白質(zhì)量占攝入體內(nèi)的蛋白質(zhì)量的比例，它表征了蛋白質(zhì)氨基酸的利用度[7]。Boye 等[8]總結(jié)了一些植物蛋白和來(lái)自牛乳的酪蛋白的消化率，如表1 所示。與雞蛋、牛奶、肉類和魚類等動(dòng)物蛋白相比，植物蛋白的消化率一般較低。一方面是由于攝入整個(gè)植物體時(shí)，植物中天然存在的纖維素等大分子在空間上阻礙了蛋白質(zhì)與酶的接觸，蛋白酶抑制劑的存在則會(huì)降低蛋白酶的活性，使消化能力下降。另一方面，植物蛋白結(jié)構(gòu)更為緊湊，具有抗蛋白酶活性的肽會(huì)降低酶的活性，進(jìn)一步降低蛋白質(zhì)消化率[9]。因此，通過一些加工手段改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，尤其是促進(jìn)蛋白質(zhì)的變性和結(jié)構(gòu)舒展，可以增加酶的接觸位點(diǎn)和可接近性，使消化率提升[8]。Jood 等[10]研究了浸泡、蒸煮、高壓滅菌和發(fā)芽處理對(duì)豆類蛋白消化率的影響，發(fā)現(xiàn)高壓處理最為有效。在HHP 處理時(shí)，通常隨著壓力的增加，蛋白質(zhì)的鏈更為舒展，同時(shí)觀察到無(wú)序結(jié)構(gòu)的增加，這有助于消化性的提升[11-12]。根據(jù)蛋白來(lái)源和處理?xiàng)l件的不同，蛋白質(zhì)完全展開所需要的壓力也各不相同。然而，過高的壓力處理可能會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)間發(fā)生更多團(tuán)聚，酶的可接近性降低，消化性降低[13]。此外，當(dāng)在HHP 條件下進(jìn)行酶水解時(shí)，一些疏水部位會(huì)在壓力的作用下解折疊，暴露出新的切割位點(diǎn)。蛋白質(zhì)水解通常優(yōu)先于通過二硫鍵形成的蛋白質(zhì)聚集，使得在HHP 作用下水解程度增加，蛋白質(zhì)的消化性提升[14-15]。如果蛋白質(zhì)聚集占主要影響時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蛋白的可接近性下降，水解程度下降。

表1 一些植物蛋白與酪蛋白的消化率[7-8,16]Table 1 Digestibility of some vegetable proteins and casein

2 高靜壓技術(shù)對(duì)蛋白的改性作用

高靜壓技術(shù)是指將食品密封在容器內(nèi)，以液體（水或油）為壓力介質(zhì)，在溫度為25～60 ℃下進(jìn)行100～1 000 MPa 加壓處理。根據(jù)帕斯卡原理，液體壓力可以瞬間均勻地傳遞到整個(gè)樣品，因而不存在壓力梯度，樣品的尺寸和體積與處理效果無(wú)關(guān)[17]。HHP 處理遵循的另一個(gè)原理是勒夏特列（Le Chatelier）原理，即壓力使得平衡向體積減小的方向移動(dòng)，并加速由基態(tài)轉(zhuǎn)化到體積較小的過渡態(tài)的過程[18]，導(dǎo)致體積較小的構(gòu)象異構(gòu)體的形成。這兩個(gè)基本原理也決定了HHP 技術(shù)有以下特點(diǎn)[17,19-20]：①HHP 處理是液體介質(zhì)短時(shí)間內(nèi)的等同壓縮過程，其處理的均一性好，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低；②其設(shè)備初期投入較大，生產(chǎn)效率低于熱加工處理，但在生產(chǎn)過程中不污染環(huán)境，且不需要額外能量維持高壓，可以節(jié)約能源；③HHP 處理后可以得到與熱處理完全不同的蛋白質(zhì)變性狀態(tài)和淀粉的糊化狀態(tài)等，因而可以生產(chǎn)一些特殊的新型食品素材。HHP 技術(shù)在食品工業(yè)中應(yīng)用最多的是作為冷殺菌工藝，滅活病原體和營(yíng)養(yǎng)腐敗微生物的同時(shí)，能夠最大限度地保留食品的色澤、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)組分以及生物活性物質(zhì)。除此之外，HHP 技術(shù)也常被用于蛋白質(zhì)的改性中。

通常來(lái)說，蛋白質(zhì)的體積由以下3 部分組成：組成蛋白質(zhì)的原子的體積、由原子堆疊形成的空腔的體積及蛋白質(zhì)表面結(jié)合的水所引起的體積變化[21]。如前所述，HHP 處理會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)向體積更小的過渡態(tài)轉(zhuǎn)變，根據(jù)壓力的大小，能對(duì)蛋白質(zhì)產(chǎn)生3 種主要影響，并且這一過程所產(chǎn)生的變化可以是可逆或不可逆的[18]。當(dāng)壓力值較小時(shí)，首先發(fā)生彈性效應(yīng)引起的蛋白質(zhì)一級(jí)及二級(jí)結(jié)構(gòu)的可逆扭曲。由于一級(jí)結(jié)構(gòu)的可壓縮性非常小，它們對(duì)體積變化的貢獻(xiàn)可以忽略，即可以認(rèn)為壓力對(duì)蛋白質(zhì)的共價(jià)鍵沒有影響。氫鍵的壓縮導(dǎo)致構(gòu)象扭曲，蛋白質(zhì)體積減小[22]。一般地，當(dāng)壓力值達(dá)到200 MPa 時(shí)，分子間相互作用和蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，而在更高的壓力下，蛋白質(zhì)會(huì)展開[23]，展開的原因可能是蛋白質(zhì)中所包含的空腔的損失與減少[24]。不同蛋白質(zhì)所需的展開壓力不同，其范圍在100～1 000 MPa 之間，甚至更高。在HHP 處理中溶液環(huán)境對(duì)蛋白質(zhì)的影響也不可忽視，與水的相互作用同樣會(huì)影響蛋白質(zhì)的總體積，進(jìn)而影響HHP 處理后的蛋白質(zhì)變化[25-26]。綜合來(lái)說，通過HHP 處理，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與展開程度會(huì)發(fā)生不同程度的變化，進(jìn)而改變蛋白質(zhì)的一些理化性質(zhì)和功能特性。

3 高靜壓對(duì)蛋白質(zhì)消化性的影響

在高靜壓作用下，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及分子間的聚集程度會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其消化性。大豆蛋白是研究最為廣泛的一類植物蛋白，研究結(jié)果也普遍表明HHP 處理能提升大豆蛋白的體外消化率。在2004年，Penas 等[27]首先研究了 100～200 MPa、37 ℃下處理15 min 對(duì)大豆蛋白酶解能力的影響，發(fā)現(xiàn)HHP 處理增加了大豆蛋白被胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶水解的程度，其中100 MPa 處理效果最好。后續(xù)研究也發(fā)現(xiàn)，較高的處理壓力（300 MPa、400～600 MPa）也可以改善大豆蛋白的體外消化率，產(chǎn)生更多的分子量較低的肽[28-29]。其他一些植物蛋白在HHP 作用下，其消化性的變化各不相同。表2 總結(jié)了不同植物蛋白在HHP 作用下的消化性變化?？傮w上，HHP 處理能夠增加蛋白質(zhì)的消化性，主要表現(xiàn)在體外酶水解能力的增強(qiáng)。也有研究發(fā)現(xiàn)消化速率的提升[30]，其原因可能是HHP 作用下蛋白質(zhì)展開，暴露出更多的切割位點(diǎn)，這與蛋白質(zhì)種類和所施加的壓力條件有關(guān)[30-31]。另外，蛋白質(zhì)的展開也使得酶類更容易與切割位點(diǎn)接觸。然而，在一些情況下，特別是在較高的壓力條件下，也發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)消化性的下降，如在豌豆蛋白中，400～600 MPa 處理降低了堿性蛋白酶的體外消化率[12]。這是由于壓力導(dǎo)致的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用與聚集的發(fā)生率提升，因而導(dǎo)致酶的可接近性下降[32]?？偟膩?lái)說，HHP 處理對(duì)蛋白質(zhì)的消化性的影響與蛋白質(zhì)種類、處理?xiàng)l件以及蛋白酶種類等因素相關(guān)，需要更多深入研究探明這一過程的機(jī)理與普遍規(guī)律[33]。

表2 高靜壓處理對(duì)植物蛋白消化性的影響Table 2 Effects of HPP on the digestibility of plant proteins

此外，在一些研究中，研究人員使用植物組織作為HHP 處理的原材料，同樣發(fā)現(xiàn)了HHP 處理可以提升植物蛋白的消化性。除蛋白結(jié)構(gòu)變化外，HHP 處理對(duì)原料中抗?fàn)I養(yǎng)因子的破壞也是導(dǎo)致蛋白質(zhì)消化性提高的原因之一。Han 等[34]將扁豆、鷹嘴豆、豌豆和大豆在浸泡過程中用 HHP（621 MPa，30 或 60 min）處理，然后在98 ℃加熱30 min，考察胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和肽酶對(duì)蛋白體外消化率的影響，發(fā)現(xiàn)HHP下浸泡60 min 的處理組表現(xiàn)出蛋白體外消化率顯著提高。Linsberger-Martin 等[35]則發(fā)現(xiàn) 600 MPa，60 ℃下處理30～60 min 可以導(dǎo)致豌豆的蛋白質(zhì)消化率提高4.3%，而60 min 處理可導(dǎo)致白豆的蛋白質(zhì)消化率提高 8.7%。Deng 等[36]同樣發(fā)現(xiàn) 600 MPa，60 ℃下處理30 min 可以使蕎麥的蛋白質(zhì)消化率提高0.8%。

4 高靜壓對(duì)蛋白質(zhì)酶解及其產(chǎn)物活性的影響

高靜壓下酶與蛋白對(duì)壓力的應(yīng)變共同影響蛋白的水解，一些學(xué)者研究了HHP 輔助蛋白質(zhì)酶解對(duì)酶解效率和酶解產(chǎn)物的影響。Penas 等[41]以大豆乳清蛋白為研究對(duì)象，考察了100～300 MPa 壓力下，堿性蛋白酶、中性蛋白酶、Corolase 7089 和Corolase PNL 四種蛋白酶對(duì)大豆乳清蛋白的水解效果。發(fā)現(xiàn)壓力下所有酶的蛋白水解活性均有增加，其中200 MPa 和300 MPa 下最為顯著。在他們的另外一個(gè)研究中同樣發(fā)現(xiàn)100 MPa 的HHP 輔助下，胰蛋白酶、胃蛋白酶或胰凝乳蛋白酶對(duì)大豆乳清蛋白的水解增強(qiáng)[27]。Meinlschmidt 等[42]研究了 300～600 MPa 的壓力輔助下商業(yè)蛋白酶Flavourzyme 對(duì)大豆分離蛋白的水解，發(fā)現(xiàn)提高了大豆分離蛋白中的主要過敏原Gly m5 的降解，并降低了豆腥味，同時(shí)水解產(chǎn)物具有更好的蛋白質(zhì)溶解度、起泡性和持油力。Zhang 等[30]在100～300 MPa 下，使用堿性蛋白酶對(duì)鷹嘴豆蛋白分離物進(jìn)行 10～30 min 的水解，發(fā)現(xiàn) 100～200 MPa 處理可以增加堿性蛋白酶的活性，但在300 MPa 處理下其活性降低，原因可能是200 MPa 及以下的高壓增加了蛋白的展開程度，或使更多的切割位點(diǎn)暴露，促進(jìn)了酶水解的活性。值得一提的是，在200 MPa 下水解20 min產(chǎn)生的肽具有更高的抗氧化活性。崔珊珊[38]發(fā)現(xiàn)300 MPa 下處理6 min 可以顯著提升木瓜蛋白酶水解甘薯蛋白產(chǎn)物的乳化性。與直接處理蛋白原料相似，較低的處理壓力（200～300 MPa）可以增強(qiáng)HHP 條件下的酶促水解，一方面是因?yàn)樵贖HP 下底物（蛋白質(zhì)）的部分展開和更高的可接近性，另一方面則是壓力導(dǎo)致了酶的蛋白水解活性增強(qiáng)[41]。而較高的處理壓力則抑制蛋白酶的活性，同時(shí)使底物聚集，降低了切割位點(diǎn)的可及性，因而導(dǎo)致水解程度降低[30,41,43]。

還有一些研究發(fā)現(xiàn)HHP 輔助蛋白酶解的產(chǎn)物具有更高的生物活性。趙貴川[44]研究發(fā)現(xiàn)，HHP 處理能增加米渣蛋白中小分子肽的數(shù)量，并降低蛋白的平均粒徑，導(dǎo)致中性蛋白酶水解米渣蛋白的水解度，且在400 MPa 下處理10 min 后水解產(chǎn)物的抗氧化活性最強(qiáng)。Garcia-Mora 等[43]在 100～500 MPa 下使用 4 種蛋白酶（堿性蛋白酶、Savinase、Protamex 和 Corolase 7089）對(duì)扁豆蛋白進(jìn)行15 min 的酶促水解，并評(píng)估兩種有預(yù)防或治療高血壓功能的生物活性肽（血管緊張素I 轉(zhuǎn)換酶（ACE）抑制劑和抗氧化肽）的釋放，研究發(fā)現(xiàn) 100 ～300 MPa 壓力提高了 Protamex、Savinase 和Corolase 7089 蛋白酶的水解效率。在300 MPa 壓力輔助下，酶促水解均完全，且生成更多小于3 kDa 的肽。同樣壓力下Savinase 對(duì)扁豆蛋白的酶解，產(chǎn)物的ACE 抑制活性和抗氧化活性最高。Guan 等[45]發(fā)現(xiàn)，在80～300 MPa 的 HHP 輔助下，Corolase PP 水解大豆分離蛋白的效率提高，水解產(chǎn)物的分子量降低；200 MPa下水解4 h 獲得的水解產(chǎn)物具有更高的還原能力、ABTS 自由基清除能力和ACE 抑制活性。Zhang 等[30]發(fā)現(xiàn)，在200 MPa 下使用堿性蛋白酶對(duì)鷹嘴豆蛋白分離物進(jìn)行20 min 水解產(chǎn)生的肽具有更高的抗氧化活性。

5 總結(jié)與展望

作為傳統(tǒng)動(dòng)物蛋白的一種替代品，植物蛋白越來(lái)越受到消費(fèi)者青睞。然而由于植物體中的抗?fàn)I養(yǎng)因子和一些植物蛋白結(jié)構(gòu)中可能存在構(gòu)象限制，導(dǎo)致植物蛋白水解效率低、消化性差、利用率低。研究發(fā)現(xiàn)，適宜的HHP 處理?xiàng)l件可以改變植物蛋白的構(gòu)象，使其展開，暴露更多的酶接觸位點(diǎn)，提高其消化率和消化速率。壓力過高則導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集，降低其消化性。另外，在HHP 輔助下進(jìn)行植物蛋白的酶解，也發(fā)現(xiàn)酶解程度的增加，并且產(chǎn)生具有更高抗氧化活性、治療高血壓功能等生物活性的小分子肽。因此HHP 在植物蛋白質(zhì)的改性方面，特別是消化性的改進(jìn)方面有巨大的應(yīng)用前景。今后可從以下方面進(jìn)行更為深入和系統(tǒng)的研究：①探究HHP 對(duì)植物蛋白改性的機(jī)理，特別是對(duì)不同處理?xiàng)l件與不同溶劑環(huán)境對(duì)植物蛋白的結(jié)構(gòu)和包括消化性在內(nèi)的功能性變化的規(guī)律的研究；②除了體外水解模擬消化過程外，進(jìn)一步通過體內(nèi)消化特性的研究充分衡量HHP 處理對(duì)植物蛋白消化性的影響；③通過HHP 輔助植物蛋白酶解，對(duì)產(chǎn)生的產(chǎn)物的生物活性進(jìn)行深入和系統(tǒng)的研究，尋求高效的生物活性肽的產(chǎn)生方法。另一方面，也可以對(duì)產(chǎn)物的體內(nèi)生物活性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。