高粱醇溶蛋白結(jié)構(gòu)與功能活性的研究進展

蔡 曉 李 忍 姜 鵬 阮長青張東杰,3 王長遠 李志江,3,4

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院1，大慶 163319)(黑龍江省雜糧加工及質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心2，大慶 163319)(國家雜糧工程技術(shù)研究中心3，大慶 163319)(北大荒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)省級培育協(xié)同創(chuàng)新中心4，大慶 163319)

高粱是人類種植的五大谷物作物之一，其產(chǎn)量僅為全世界谷物總產(chǎn)量的3%，與玉米(40%)、小麥(28%)和水稻(29%)相比差距較大[1]。由于膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整和人們對谷物的營養(yǎng)需求不斷增加，對高粱食品的開發(fā)和利用顯得尤為重要。與其他主要谷物相比，高粱在種植條件上更具有優(yōu)勢，在嚴重缺水的種植環(huán)境中，高粱在產(chǎn)量上可以超越玉米[2]。在美國和澳大利亞等地區(qū)，高粱一般作為豬和家禽的飼料；高粱在中國主要以釀造白酒和生產(chǎn)工業(yè)乙醇最為常見。在食品加工過程中，由于高粱富含的醇溶蛋白消化性較差，限制了高粱食品的開發(fā)和應(yīng)用。

醇溶蛋白是谷物種子胚乳中氮源的主要貯藏形式，決定了成熟種子的籽粒結(jié)構(gòu)[3]。高粱醇溶蛋白在其全蛋白中占比為70%～90%[4]，在氨基酸組成上，人體所必須的色氨酸和賴氨酸不足，并且蛋氨酸的含量極低[5]，導(dǎo)致高粱谷物較少被烹飪食用。但高粱醇溶蛋白具有強疏水性和較好的成膜性，直接將高粱醇溶蛋白制備食品級薄膜，涂抹于食物表面，可以延長其貨架期，應(yīng)用于食品包裝材料領(lǐng)域。高粱醇溶蛋白顆粒還可附著在水油界面，發(fā)揮表面活性劑的作用，提升乳液穩(wěn)定性，可作為含有乳液體系的牛奶、奶油等食品的乳化劑。高粱醇溶蛋白可以制作醇溶蛋白面團，應(yīng)用在面包等焙烤食品加工中?？赏ㄟ^體外酶解制備具有降血壓功效的血管緊張素抑制肽和抗氧化肽。本文利用高粱醇溶蛋白的強疏水性的特點，綜述制備應(yīng)用于食品包裝材料的生物膜、與化合物交聯(lián)作為活性成分的包埋載體、調(diào)控基因提高蛋白消化率和體外酶解制備高粱醇溶蛋白活性肽等內(nèi)容，為其在食品加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 高粱醇溶蛋白的組成及類型

高粱醇溶蛋白富含脯氨酸、丙氨酸、亮氨酸等非極性的中性氨基酸，占總氨基酸的60.1%，是醇溶蛋白呈現(xiàn)較強疏水性的主要原因[6]。呈現(xiàn)較強疏水性的谷物醇溶蛋白還包括玉米醇溶蛋白、小麥醇溶蛋白、大麥醇溶蛋白等，因氨基酸組成不平衡，具有耐受消化的特點[7]。根據(jù)分子量的差異，高粱醇溶蛋白可分為α-、β-、γ-、δ-四種類型，其中α-醇溶蛋白(22～27 ku)占70～80%，β-醇溶蛋白(18 ku)占7～8%，γ-醇溶蛋白(50 ku)占9～12%，δ-醇溶蛋白(15 ku)占比小于1%[8]。高粱醇溶蛋白主要以α-醇溶蛋白沉積在蛋白體內(nèi)部，β-和γ-醇溶蛋白包裹在外部的[9]。這種存在形式導(dǎo)致蛋白體內(nèi)部的蛋白質(zhì)不易受人體的消化酶，進而阻礙了醇溶蛋白在人體內(nèi)的消化吸收。由于鏈間二硫鍵的穩(wěn)定性較強，γ-醇溶蛋白以單體形式存在并易溶于水[10]，但β-醇溶蛋白富含胱氨酸，導(dǎo)致β-和γ-醇溶蛋白通過二硫鍵的作用緊密聯(lián)結(jié)在一起，造成高粱醇溶蛋白的消化率低，是高粱食品難以被烹飪食用的主要原因[11]。

2 高粱醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)及自組裝特性

高粱醇溶蛋白與玉米醇溶蛋白結(jié)構(gòu)相似。玉米醇溶蛋白分子會隨著乙醇溶液極性的加強，從α-螺旋向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變，持續(xù)蒸發(fā)溶液，β-折疊構(gòu)象在疏水作用下呈現(xiàn)反向排列，產(chǎn)生首尾相連的條帶，條帶繼續(xù)卷曲最終形成納米顆粒，完成自組裝過程[12]。通過改變?nèi)軇O性和醇溶蛋白質(zhì)量濃度，同樣可以調(diào)節(jié)高粱醇溶蛋白發(fā)生自組裝過程。Xiao等[6]利用傅里葉變換紅外光譜圖分析技術(shù)，確定了高粱醇溶蛋白的二級結(jié)構(gòu)組成。其中包括49%的α-螺旋結(jié)構(gòu)，27%的β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和24%的β-折疊結(jié)構(gòu)，并且在原子力顯微鏡下，觀察了高粱醇溶蛋白的構(gòu)象和自組裝行為。在不同的蛋白質(zhì)量濃度下，高粱醇溶蛋白先是以橢球形或圓盤狀顆粒的形式均勻分散存在，隨著濃度的增加，除個別的球形顆粒存在，大的盤狀和棒狀顆粒也開始出現(xiàn)。在三維空間中，測得典型的盤狀顆粒三軸的長度分別為115 nm(x軸)、106 nm(y軸)和13 nm(z軸)，典型的棒狀顆粒三軸的長度分別為246 nm(x軸)、86 nm(y軸)和12 nm(z軸)。隨著蛋白顆粒的繼續(xù)聚集，最終形成了更大的盤狀或棒狀結(jié)構(gòu)。與之結(jié)構(gòu)不同的谷物醇溶蛋白也具有一定的自組裝特性，如麥醇溶蛋白(小麥和大麥)。小麥醇溶蛋白由于亮氨酸、色氨酸等疏水性氨基酸的存在，使其具有兩親特性，該特性決定了發(fā)生自組裝的能力[7]。大麥醇溶蛋白在乙醇溶液(60%)中，呈現(xiàn)為修長的棒狀構(gòu)造，并且隨著濃度的增加，蛋白微粒發(fā)生輕微聚集現(xiàn)象，形成比高粱醇溶蛋白粒徑更小的醇溶蛋白微粒。在掃描電子顯微鏡下，可以觀察到粒徑范圍在8～15 μm的光滑、扁平的球狀微粒[13]。

自組裝是分子從無序的狀態(tài)自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的過程，蛋白質(zhì)分子的自組裝是通過疏水作用、范德華力、氫鍵等一些非共價相互作用發(fā)生的[13]。高粱醇溶蛋白的自組裝特性在生物活性成分運輸中具有重大意義。高粱醇溶蛋白具備獨特的強疏水性，因此能夠應(yīng)用反溶劑法使其自組裝構(gòu)成納米顆粒[14]，與疏水性藥物共同沉淀，作為傳遞系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在封裝和運輸各種藥物或營養(yǎng)保健品中。

3 高粱醇溶蛋白的功能及活性

高粱醇溶蛋白富含疏水性氨基酸，具有豐富的活性蛋白肽序列，在開發(fā)和應(yīng)用中具有運輸生物活性成分、制備包裝薄膜、改善高粱蛋白消化率、生產(chǎn)無麩質(zhì)面團、制備生物活性肽等多方面的功能及活性(如圖1所示)。

圖1 高粱醇溶蛋白主要功能活性樹形圖

3.1 運輸生物活性成分

由于高粱醇溶蛋白疏水性氨基酸含量較高，能與疏水性的生物活性物質(zhì)產(chǎn)生較好的親和力。高粱醇溶蛋白結(jié)構(gòu)具有獨特的自組裝能力和不易被消化的特點，使其具備穩(wěn)定的包埋能力，在食品工業(yè)應(yīng)用中具備較好的開發(fā)前景。疏水性活性物質(zhì)由于低水溶性和低生物利用度、在食品加工中易氧化變性和在人類消化系統(tǒng)中的不穩(wěn)定性等劣勢，如多酚類化合物、糖皮質(zhì)激素類、功能性蛋白、功能性脂類等，使得其無法直接添加到食品中。因此以高粱醇溶蛋白為載體，對活性物質(zhì)進行包埋來提高其體內(nèi)利用率和功能活性的穩(wěn)定尤為重要。

生物活性物質(zhì)的輸送系統(tǒng)類型較多，其中納米顆粒、乳液、纖維、微膠、微球應(yīng)用廣泛。利用高粱醇溶蛋白進行荷載運輸?shù)纳锘钚猿煞州^少，目前的研究主要集中在單寧、姜黃素、白藜蘆醇的荷載運輸?shù)阮I(lǐng)域。

單寧是一類多酚類化合物的總稱，具有抗氧化、抗菌等多種生物活性[15]。Taylor等[16]通過乙醇法制備高粱醇溶蛋白顆粒，發(fā)現(xiàn)其具有的多孔結(jié)構(gòu)，這些內(nèi)表面積較大的顆粒可能具有良好的包埋能力。通過對高粱單寧的包埋，并進行體外消化實驗，發(fā)現(xiàn)被包埋的單寧抗氧化活性釋放量達到了50%，證明了醇溶蛋白顆粒對抗氧化物質(zhì)的包埋效果較好。但醇溶蛋白顆粒的內(nèi)部空間并未得到充分的利用，這也導(dǎo)致了包埋率下降，可能會影響單寧抗氧化活性的持續(xù)作用效果。同時，Links等[17]也利用高粱醇溶蛋白對高粱單寧進行了包埋處理，包埋率達到48%。在體外消化實驗中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過包埋的單寧對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制活性良好，未經(jīng)包埋的單寧抑制活性則會大量喪失，證明了高粱醇溶蛋白-單寧復(fù)合顆粒具有良好的降血糖潛力。為了使高粱醇溶蛋白-單寧復(fù)合顆粒的降血糖功效更具備說服力，Links等[18]又通過大鼠口服淀粉耐受實驗，確定高粱醇溶蛋白-單寧復(fù)合顆粒的體內(nèi)降血糖功效。實驗發(fā)現(xiàn)，復(fù)合顆粒可以抑制大鼠小腸碳水化合物的分解，阻止血糖峰值，使最高血糖水平降了11.8%，達到降血糖的目的。同時經(jīng)過包埋的單寧，苦澀味被掩蓋，大鼠會自愿服用。通過以上研究可以推測，高粱醇溶蛋白-單寧復(fù)合顆粒具有良好的抗氧化性和降血糖功能，同時醇溶蛋白對單寧的活性保護較好，但包埋率和活性成分釋放情況還需要進一步提高，這也是未來研究的熱點方向。

姜黃素是一種天然酚類化合物，具備抗氧化抗菌等生物活性，但由于其水溶性差，導(dǎo)致生物利用率較低。近年來研究人員通過納米絡(luò)合、微膠囊等方式提高姜黃素的生物利用度[19]。李曉暉等[20]通過應(yīng)用反溶劑法將高粱醇溶蛋白與姜黃素制備成復(fù)合顆粒(姜黃素-高粱醇溶蛋白復(fù)合顆粒)，包埋率和負載率分別達到62.61%和6.51%。在30 d貯藏期內(nèi)，復(fù)合顆粒的粒徑和多分散性系數(shù)均無明顯變化，但在pH 5～pH 8環(huán)境中，顆粒易出現(xiàn)聚集現(xiàn)象。李興飛等[14]通過反溶劑法和靜電吸附作用制備兩種類型的負載姜黃素的高粱醇溶蛋白-卡拉膠復(fù)合納米顆粒，包埋率分別為89.6%和84.1%，負載率為8.01%和7.49%。通過30 d貯藏實驗，發(fā)現(xiàn)復(fù)合納米顆粒平均粒徑和PDI(多分散性系數(shù))均無明顯變化，說明復(fù)合納米顆粒穩(wěn)定性較好。通過體外消化模擬實驗發(fā)現(xiàn)，兩種類型復(fù)合顆粒均顯著增加了姜黃素的釋放率。與李曉暉等[20]制備的復(fù)合顆粒相比，加入卡拉膠可以使姜黃素的包埋率和負載率有所提高，且在貯藏過程中復(fù)合顆粒表現(xiàn)的更加穩(wěn)定。Xiao等[21]通過酸誘導(dǎo)制備出高粱醇溶蛋白-羧甲基殼聚糖納米顆粒，發(fā)現(xiàn)加入羧甲基殼聚糖后，姜黃素的包封率和負載率分別由(55.0±1.1)%和(5.0±0.1)%，提升為(86.1±2.1)%和(6.1±0.2)%，并且光穩(wěn)定性、胃腸道溶出度和細胞攝取率均有所提高。因此，高粱醇溶蛋白與親水性化合物制備的復(fù)合顆粒，在提高姜黃素包封率和負載率方面有積極作用。Li等[22]使用高粱醇溶蛋白以殼聚糖和硫酸葡聚糖為載體，以碳酸鈉為犧牲模板，制備包埋姜黃素的中空納米顆粒，通過靜電層析沉積硫酸葡聚糖-殼聚糖來增強化合物的包埋度、穩(wěn)定性和釋放活性。實驗發(fā)現(xiàn)，中空類型納米粒子包封效率高，在胃腸道溶出情況中也表現(xiàn)出較慢的姜黃素動力學(xué)釋放速率，此研究為制備中空納米顆粒負載姜黃素提供了參考依據(jù)。

白藜蘆醇是非酮類多酚化合物，主要存在于葡萄中，具有抗氧化、抗炎和抗腫瘤等多種藥理活性[23]。Khan等[24]利用β-乳球蛋白或酪蛋白與高粱醇溶蛋白復(fù)合包埋白藜蘆醇，發(fā)現(xiàn)2% β-乳球蛋白或0.2%酪蛋白形成的顆粒粒徑最小，白藜蘆醇的負載率為67%～76%，酪蛋白-醇溶蛋白復(fù)合顆粒的負載率最高，同時白藜蘆醇更加穩(wěn)定。β-乳球蛋白-醇溶蛋白復(fù)合顆粒則使白藜蘆醇的DPPH自由基清除能力有所提高。Pu等[25]以碳酸鈉為犧牲模板，將沒食子酸與高粱醇溶蛋白復(fù)合制備納米顆粒包埋白藜蘆醇，發(fā)現(xiàn)空心納米顆粒比固體顆粒負載率更高，凍干后的再分散性更好。當(dāng)荷載量小于20%，納米顆粒的平均直徑小于100 nm時，凍干后的顆粒仍能獲得穩(wěn)定的膠體分散體系。同時顆粒具有抗胰酶的穩(wěn)定性，促進消化的延遲釋放。由此可知，高粱醇溶蛋白作為白藜蘆醇的運輸載體，對其功能性保護較好，并且復(fù)合顆粒具有高負載率、較好的分散性和穩(wěn)定的釋放效果。

除常見的生物活性成分，高粱醇溶蛋白也可以荷載激素類、蛋白類和油脂類成分。Anyango等[26]分別通過濕熱處理和戊二醛試劑對高粱醇溶蛋白進行改性，得到兩種類型顆粒，將BMP-2(骨形成蛋白-2)與改性的醇溶蛋白制備成復(fù)合顆粒。改性處理的醇溶蛋白的BMP-2包封率較未改性組分別提高了10%和14%，說明改性增強了高粱醇溶蛋白對BMP-2的包埋能力。但復(fù)合顆粒的BMP-2的釋放情況和安全性還未得到驗證，暫時無法確定復(fù)合顆粒對骨形成的發(fā)生是否有效。Esther等[27]將高粱醇溶蛋白與潑尼松龍(一種糖皮質(zhì)激素)混合，制備高粱醇溶蛋白-潑尼松龍顆粒，在模擬胃腸道條件下，測得潑尼松龍的釋放量為15%～27%，在30 min時可達到最大釋放量，由此可知高粱醇溶蛋白具有輸送口服藥的潛在能力。Bai等[28]利用高粱醇溶蛋白和酪蛋白酸鈉為壁材，通過噴霧干燥法制備了大豆油微膠囊。微膠囊的包封率為40.15%，包封后的不飽和脂肪酸損失率不到3%，并且該微膠囊粉體具有水分含量低，粒徑小，溶解性好的優(yōu)點。研究表明，高粱醇溶蛋白對油脂具有保護作用，并可提高植物油和油溶性營養(yǎng)成分在食品中的利用率。

Pickering乳液具有良好的穩(wěn)定性、長期的抗聚并性和生物活性成分運輸功能。天然可食用蛋白質(zhì)能夠作為Pickering乳液顆粒穩(wěn)定劑，其安全性和抗聚并性一直備受食品行業(yè)的青睞[29]。高粱醇溶蛋白可以通過自組裝行為形成納米顆粒，作為顆粒穩(wěn)定劑在穩(wěn)定乳液中發(fā)揮作用。Xiao等[30]采用反溶劑法制備高粱醇溶蛋白納米顆粒，與植物油進行均質(zhì)制備Pickering乳液。形成的水包油型乳狀液內(nèi)部油相分數(shù)為58.8%～78.6%，具有較好的抗聚并性。通過對粒子濃度、水相含油量和離子強度的參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)隨著水相中顆粒濃度的增加，乳化相體積增大，油滴尺寸減小，黏彈性增加；而隨著油相含量的增加，乳化相體積分數(shù)和液滴尺寸增大，流變性質(zhì)由流體向彈性轉(zhuǎn)變。在水相中加鹽，可以促進乳液的遷移，提高了乳液的硬度。實驗發(fā)現(xiàn)，這些特性使高粱醇溶蛋白Pickering乳液在貯藏濃縮型水包油產(chǎn)品方面具有優(yōu)勢，同時利用醇溶蛋白替代表面活性劑作為乳化劑，使醇溶蛋白Pickering乳液成為一種新型的可調(diào)特性的“無表面活性劑”乳液。在未來，隨著消費者對綠色健康需求期望的增長，醇溶蛋白Pickering乳液會成為安全天然乳化劑的研究熱點。Xiao等[31]繼續(xù)以高粱醇溶蛋白為外層穩(wěn)定劑，制備了水包油包水(W/O/W)的雙層Pickering乳液，以花青素作為標(biāo)記物，發(fā)現(xiàn)封裝穩(wěn)定性(ES)達到(85.1±2.0)%，在室溫條件下貯藏15 d后，ES值下降為(75.9±5.9)%，證明雙層Pickering乳液能維持良好的穩(wěn)定性。通過胃腸道消化研究發(fā)現(xiàn)，雙層Pickering乳液具備良好的釋放效果，在消化過程中逐漸分解，釋放出油或水溶性物質(zhì)，最后在腸液中被消化吸收。

高粱醇溶蛋白的荷載功能在提高生物活性成分的穩(wěn)定性和利用率上有很好的輔助作用，可以廣泛應(yīng)用在食品荷載，疏水性活性物質(zhì)保護以及維持其穩(wěn)定性等方面。但在使用過程中不僅要考慮功能性成分的穩(wěn)定性和利用度，還要保證不會影響食物的外觀、質(zhì)地和味道等。雖然在實驗室規(guī)模上，高粱醇溶蛋白的荷載功能得到初步驗證，但要在工業(yè)化生產(chǎn)中實施，還存在一定困難和局限性。與高粱醇溶蛋白相比，玉米醇溶蛋白作為納米運載體材料，在包埋率、穩(wěn)定性和藥物釋放等方面的性能更加理想，并且玉米醇溶蛋白通過各種改性技術(shù)，在提高包埋率等性能的同時使其具備新的特性[32]，在提高Pickering乳液的抗氧化能力的同時增加乳業(yè)體系的穩(wěn)定性[29]。未來對高粱醇溶蛋白荷載功能的研究可以通過添加多種穩(wěn)定劑與其復(fù)合，制備具有多種功能的復(fù)合顆粒，比如在傳遞活性成分的同時可以作為乳化劑維持牛乳等乳制品的分散體系穩(wěn)定。嘗試通過修飾和改性，改變高粱醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，拓寬其應(yīng)用范圍，以適應(yīng)不同的實際需求。最后多進行體內(nèi)評估，確保應(yīng)用在人體時可以安全有效。

3.2 制備包裝薄膜

由于高粱醇溶蛋白特殊的氨基酸組成，使其制備成可降解食用薄膜成為可能。高粱醇溶蛋白薄膜在添加特殊活性成分或化合物的情況下，可以具備良好的阻水性、抗菌性和抗氧化等特性。在添加增塑劑后，還能使其機械性能明顯改善，使其具備良好的延展性。高粱醇溶蛋白膜具有的保濕、防潮、阻氧、抗菌等特性，能在一定程度上延長果蔬等食品的貨架期。并且在自然條件下，高粱醇溶蛋白膜可以被自然界生物降解，具備綠色環(huán)保的天然優(yōu)勢。因此，高粱醇溶蛋白可以作為一種優(yōu)質(zhì)的可食用蛋白膜材料。在食品、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域中，高粱醇溶蛋白能成為一種取代塑料的綠色環(huán)保包裝材料，應(yīng)用前景將會十分可觀。

通過對高粱醇溶蛋白與化合物的復(fù)合，包括官能團改性、增塑劑互作和活性成分結(jié)合等方式，可以在一定程度上改善其功能特性。Wang等[33]利用高粱醇溶蛋白和凝膠復(fù)合制備出具有良好單向阻水性能的高粱醇溶蛋白膜，其特點是同時具有防潮和保濕的雙重功能。在涂膜時，醇溶蛋白在外層，凝膠物質(zhì)在內(nèi)層。當(dāng)水分從高粱醇溶蛋白層轉(zhuǎn)移到凝膠層時，吸濕導(dǎo)致醇溶蛋白層的緊密排列限制了水分的進一步滲透和遷移，水蒸氣滲透能力顯著降低，能起到防潮效果。凝膠層的吸水性有利于水分的滲透，當(dāng)凝膠層吸水后，發(fā)生膨脹，水蒸氣通過凝膠層獲得流動性，使醇溶蛋白聚集，限制水分蒸發(fā)，達到保濕效果。通過結(jié)構(gòu)的改變，制備的復(fù)合膜具有單向阻水的特性，在果蔬包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用具有優(yōu)勢。并且多層膜設(shè)計，使復(fù)合膜具有良好的紫外光防護性能，凝膠層的存在還可提高膜的透明度。Mahajan等[34]對高粱醇溶蛋白側(cè)鏈官能團進行了改性，制備了酰胺類和酯類衍生物。通過壓膜法制備成薄膜，并進行了力學(xué)和熱力學(xué)分析。改性的酯基薄膜比改性的酰胺基薄膜吸水性能更好，說明改性的酯基薄膜有更好的耐水性。與未改性膜比較，改性的酰胺基薄膜具有更高的力學(xué)性能，說明改性后膜的機械性能得到了提高。同時酰胺基薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性，與酯基薄膜相比機械性能表現(xiàn)更好，因此酰胺基薄膜性能更優(yōu)良。

由于高粱醇溶蛋白的剛性較強，導(dǎo)致其脆性大，容易破碎。增塑劑則有改善這一性能的特點，使其機械性能得到提高。Patil等[35]通過三種增塑劑與高粱醇溶蛋白的相互作用，制備出聚乙二醇400、甘油醋酸酯和檸檬酸三乙酯，三種類型的薄膜。添加10%甘油醋酸酯制備的高粱醇溶蛋白薄膜具有最佳熱性能和機械性能，最低水蒸氣滲透值，可應(yīng)用在食品領(lǐng)域中。Olivera等[36]通過添加LAPONITE?改變膜的韌性和硬度，由于α-螺旋和β-折疊含量與相對親水性相關(guān)，α-螺旋減少，膜親水性會發(fā)生變化，使薄膜韌性降低。Lal等[37]在超聲水浴條件下，通過催化劑(2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物)對纖維素納米纖維進行氧化。將制備的溫氧化纖維素納米纖維與高粱醇溶蛋白結(jié)合制備薄膜，研究了加入0%～1%溫氧化纖維素納米纖維對高粱醇溶蛋白結(jié)構(gòu)和復(fù)合膜的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫氧化纖維素納米纖維濃度為0.5%時，納米纖維與蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)度增加，結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性同時提高，并且復(fù)合膜在pH 3和pH 7.3條件下可保存24 h以上，穩(wěn)定性良好。以上研究表明，通過添加化合物對高粱醇溶蛋白進行改性，可以使其成膜性更加優(yōu)異，在一定程度上擴展了高粱醇溶蛋白膜的應(yīng)用范圍。

高粱醇溶蛋白最初作為涂膜劑對果蔬進行涂膜處理，目的是給果蔬保鮮，作為貯藏、運輸和貨架期等環(huán)節(jié)的一種保護手段。Buchner等[38]將高粱醇溶蛋白制備成涂膜液，均勻涂膜在梨的表面。經(jīng)過涂膜處理的果實出現(xiàn)呼吸速率下降，衰老進程延緩的現(xiàn)象，對果實的品質(zhì)具有一定保護作用。但在20℃條件下，貨架期結(jié)束時，梨的水分損失較大，品質(zhì)變差。因此，后期通過加入蠟或甘油三酯的方法進行改善，減緩了因果實水分喪失對品質(zhì)產(chǎn)生的影響。

隨著對高粱醇溶蛋白成膜研究的不斷深入，目前已經(jīng)出現(xiàn)較多對肉類食品包裝的相關(guān)研究，包括對豬肉、雞肉、魚肉的包裝保鮮。高粱醇溶蛋白膜在一定程度上起到抗菌、抗氧化的作用，使肉類食品的質(zhì)量和安全得到提高。在提取的高粱醇溶蛋白中添加乳酸鏈球菌素，將混合物涂抹在鮮豬肉表面，放置在無菌保鮮盒中，在4 ℃條件下進行貯藏。通過測定抑菌效果和豬肉中脂肪的氧化程度可以發(fā)現(xiàn)，制備的高粱醇溶蛋白膜可以有效抑制豬肉中細菌等微生物的繁殖和脂肪的氧化，并且在冷鮮豬肉的貯藏保鮮過程中，明顯延長了豬肉的保鮮期[39]。但實驗未對膜的相關(guān)性能如透光率、透氣率及水溶性進行研究，無法確定其實際利用價值。Giteru等[40]以高粱醇溶蛋白為原料，結(jié)合檸檬醛和槲皮素等物質(zhì)研制出生物活性膜。其中檸檬醛復(fù)合膜對空腸彎曲菌、單增李斯特菌和熒光假單胞菌均表現(xiàn)出較強的抗菌活性。利用1.25%檸檬醛和1%槲皮素與高粱醇溶蛋白制備復(fù)合膜，對雞肉的包裝貯藏進行研究[41]。研究發(fā)現(xiàn)檸檬醛使薄膜延展性更好，并且對雞肉中微生物的抑菌活性明顯。同時槲皮素抑制脂質(zhì)氧化的能力也發(fā)揮了作用，使貯藏過程中雞肉的質(zhì)量和安全得到提高。但添加檸檬醛和槲皮素也使薄膜呈現(xiàn)淡黃色，導(dǎo)致復(fù)合膜的透明度變差。Huang等[42]通過輻照制備高粱醇溶蛋白-槲皮素復(fù)合膜，在4 ℃冷藏條件下包裝鱈魚。輻照顯著提高了復(fù)合膜力學(xué)性能和熱性能，降低了水蒸氣滲透性、水溶性和透明度。同時輻照在聚合物間形成新的交聯(lián)體，使薄膜結(jié)構(gòu)更加致密。使用復(fù)合膜對鱈魚進行包裝，發(fā)現(xiàn)薄膜可減緩冷藏過程中微生物的生長和總揮發(fā)性堿性氮和TBAR的生成。其中槲皮素抑制鱈魚中不飽和脂肪酸的部分氧化，保持較低的TBAR值。TBAR是評價魚制品脂質(zhì)氧化程度的一個重要指標(biāo)，它與魚腥味、色澤、異味的變化以及質(zhì)構(gòu)的惡化密切相關(guān)。因此，高粱醇溶蛋白薄膜作為肉類食品的包裝材料，通過其抗氧化、抗菌等特性，在延長鮮肉食品貨架期方面具有一定優(yōu)勢。

目前，有關(guān)高粱醇溶蛋白制膜僅局限在對食品包裝的研究，并且包裝不具備安全的可食用性，距離商業(yè)應(yīng)用和工業(yè)化生產(chǎn)還很遙遠。其中主要原因是蛋白膜的性能還無法實現(xiàn)對市面上現(xiàn)有包裝膜的替代，對其膜性能的改善還需進行更深入的探索。玉米醇溶蛋白包裝膜也面臨同樣的問題，近年來有研究通過菊粉糖基化對玉米醇溶蛋白進行改性后，解決了玉米醇溶蛋白膜質(zhì)地較脆的不足，同時改善了透光率、阻氧性等性能。并且糖基化改性與化學(xué)改性相比，不會有化學(xué)試劑殘留的問題，提高了包裝膜的安全性[43]。因此，同樣可以通過糖基化改性等方法增強高粱醇溶蛋白膜的機械性能和可食用安全性的優(yōu)勢，使其在未來的食品包裝領(lǐng)域中，展現(xiàn)出更大的潛能。

3.3 改善高粱蛋白消化率

各類醇溶蛋白的占比及分布決定了高粱蛋白的消化性。目前相關(guān)的研究主要通過蒸煮、發(fā)芽和調(diào)控相關(guān)基因的表達等手段提高醇溶蛋白消化率。α-醇溶蛋白未經(jīng)處理就具有較高的消化率，影響醇溶蛋白消化性的主要原因是具有抗消化能力較強的γ-醇溶蛋白的存在。較高的半胱氨酸含量，是γ-醇溶蛋白難以被消化的可能原因[44]。

研究表明，蒸煮會使高粱蛋白質(zhì)的消化率降低。主要原因是加熱過程中二硫鍵的形成導(dǎo)致醇溶蛋白聚合改變了醇溶蛋白的二級結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)從α-螺旋向β-折疊轉(zhuǎn)變，胃蛋白酶對β-折疊結(jié)構(gòu)的醇溶蛋白消化性差[45]。Silva等[46]蒸煮處理具有抑制醇溶蛋白合成能力的轉(zhuǎn)基因高粱，發(fā)現(xiàn)熟化的蛋白消化率提升。因為轉(zhuǎn)基因高粱中γ-醇溶蛋白含量低，并且以二硫鍵交聯(lián)的醇溶蛋白含量也低。因此蒸煮處理提高蛋白質(zhì)消化率只對γ-醇溶蛋白含量低的轉(zhuǎn)基因型高粱有效。但將蒸煮與其他加工方法一起使用，也有提高蛋白消化率的效果。Cabrera等[47]利用堿化濕磨法對蒸煮處理的高粱進行處理，經(jīng)過體外消化分析發(fā)現(xiàn)堿化濕磨法處理可以增加α-醇溶蛋白的釋放量，并且降低了單寧和蛋白質(zhì)的相互作用，可以使高粱醇溶蛋白的消化率提高。

高粱在萌發(fā)過程中醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，這可能會導(dǎo)致醇溶蛋白消化性質(zhì)的改變。研究發(fā)現(xiàn)，在0～72 h發(fā)芽過程中，β-醇溶蛋白明顯減少，α-醇溶蛋白含量變化不大，醇溶蛋白二級結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，α-螺旋結(jié)構(gòu)增加，β-折疊結(jié)構(gòu)保持不變[48]。Afify等[49]將高粱籽粒浸泡20 h后進行72 h發(fā)芽處理，發(fā)現(xiàn)發(fā)芽后的高粱中蛋白質(zhì)溶解度顯著提高，交聯(lián)醇溶蛋白的含量減少。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，醇溶蛋白結(jié)構(gòu)的改變，可能會影響交聯(lián)醇溶蛋白的含量的變化。高粱蛋白的低消化率由醇溶蛋白交聯(lián)所致，因此進行發(fā)芽處理可以提高高粱蛋白的消化率。

轉(zhuǎn)基因型高粱一直是研究人員關(guān)注的重點，通過調(diào)控醇溶蛋白相關(guān)基因的表達，可以對高粱籽粒中醇溶蛋白含量產(chǎn)生影響。因此通過生物技術(shù)手段培育轉(zhuǎn)基因型高粱，成為提高高粱蛋白消化率的主要研究方向。Chiquito-Almanza等[50]發(fā)現(xiàn)了高粱中編碼γ-醇溶蛋白的等位基因，基因的錯義突變可能改變γ-醇溶蛋白的二級結(jié)構(gòu)，從而影響與其他分子的相互作用。并且基因的錯義突變與賴氨酸含量的增加可能存在聯(lián)系。Benmoussa等[51]培育出突變體P721Q高粱品種，發(fā)現(xiàn)基因的差異表達可能導(dǎo)致γ-和α-醇溶蛋白亞基之間蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，改變醇溶蛋白的堆積方式，形成了多折疊形態(tài)的蛋白體，從而提高了消化率。Kumar等[52]等通過比較下調(diào)了γ-和29 ku α-醇溶蛋白的轉(zhuǎn)基因高粱品種，發(fā)現(xiàn)單獨下調(diào)γ-醇溶蛋白不會改變蛋白質(zhì)的形成或影響蛋白質(zhì)的消化率。但下調(diào)29 ku α-醇溶蛋白會導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生改變，并且提高蛋白質(zhì)的消化率。由此發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控醇溶蛋白相關(guān)基因的表達確實可以達到提高蛋白消化率的目的，這與α-和γ-醇溶蛋白結(jié)構(gòu)的改變存在一定聯(lián)系。

醇溶蛋白占總蛋白比重較大，這也導(dǎo)致了將高粱作為主食的人和動物消化不良。長期食用高粱會引起營養(yǎng)不良，甚至?xí)霈F(xiàn)必須氨基酸缺乏導(dǎo)致的代謝類疾病，因此提高高粱蛋白資源的消化率顯得尤為重要。從目前的相關(guān)研究中可以發(fā)現(xiàn)，從改變醇溶蛋白入手改善高粱蛋白消化率是一個不錯的選擇。在今后的研究中，一方面可以選擇更多的食品加工方式對高粱進行處理，去改善醇溶蛋白難消化的特性。另一方面也要多利用生物技術(shù)手段，從醇溶蛋白的基因表達調(diào)控入手，通過培育新型基因品種，達到去除或大量減少醇溶蛋白生成的目的。

3.4 生產(chǎn)無麩質(zhì)面團

高粱作為主要食用谷物，在面食領(lǐng)域的研究卻還處于起步階段。Oom等[53]最先發(fā)現(xiàn)高粱醇溶蛋白具有制備黏彈性面團的可能，通過收縮流動法證明了高粱醇溶蛋白具有烘焙面包所需的拉伸流變特性。并且醇溶蛋白面團的拉伸黏度和應(yīng)變硬化率與小麥面團相似，因此具有制作無麩質(zhì)面團的潛能。Goodall等[54]選用高消化率、高賴氨酸(HDHL)品種的高粱，將HDHL高粱醇溶蛋白作為黏彈性蛋白加入小麥面團中制作面包，面包彈性較好，具有較低的硬度和壓縮性。將HDHL高粱面粉與18%的小麥面筋蛋白混合后，可以產(chǎn)生黏彈性面團，說明醇溶蛋白對黏彈性的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的形成有促進作用。Oguntoyinbo等[55]將高粱醇溶蛋白溶解在冰醋酸中，加水使其凝聚，制備出穩(wěn)定的黏彈性面團，并表現(xiàn)出與面筋蛋白相似的高彈性。這項研究證實，高粱醇溶蛋白在未來可用于制備不含小麥的發(fā)酵面團產(chǎn)品，適用于麩質(zhì)過敏的人群食用。通過對高粱醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)變化進行分析，Taylor等[56]發(fā)現(xiàn)高粱醇溶蛋白中γ-醇溶蛋白起到了保持面團彈性的作用。Elhassan等[57]將高粱醇溶蛋白溶解在冰醋酸中，形成的黏彈性物質(zhì)表現(xiàn)出與面筋相似的彈性和黏性，發(fā)現(xiàn)在10 ℃下儲存后，面團仍能保持功能，并且彈性增加。通過傅里葉紅外光譜觀察發(fā)現(xiàn)醇溶蛋白的α-螺旋構(gòu)象顯著增加，這可能是導(dǎo)致醇溶蛋白與水的結(jié)合增強，最終形成黏彈特性的原因。高粱醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)特性是決定其具備制備面團功能性的主要因素。Elhassan等[58]還對抑制醇溶蛋白的幾種亞基類型表達的轉(zhuǎn)基因高粱進行了研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因高粱面粉具有更好的水溶性和糊化黏度，可以更好應(yīng)用在無麩質(zhì)面包制作領(lǐng)域。

我國無麩質(zhì)食品的研究發(fā)展還處于起步階段，高粱、玉米、大米等谷物都可以作為開發(fā)無麩質(zhì)食品的原料[59]。由于小麥醇溶蛋白具有致敏性[60]，因此研究的主要方向是如何降低或去除其致敏性。與小麥醇溶蛋白相比，對高粱醇溶蛋白的研究更集中在其形成面團的硬度、黏彈性等物理特性的測定和分析。通過開發(fā)高粱制作無麩質(zhì)面包，在增加麩質(zhì)過敏人群的選擇的同時，也可以豐富高粱蛋白資源的利用途徑。高粱醇溶蛋白良好的面團特性在未來無麩質(zhì)食物加工領(lǐng)域可能發(fā)揮巨大潛能。

3.5 制備生物活性肽

多數(shù)可食用谷物都具有治療疾病或維持機體健康的作用，主要原因就是谷物經(jīng)過機體多種活性酶的分解，最終產(chǎn)生具有特殊功能的谷物多肽。例如大豆活性肽，經(jīng)小腸吸收后，可以發(fā)揮降血脂、降血壓、緩解疲勞等作用，玉米多肽具有解酒、保肝等作用，小麥多肽能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)并修復(fù)損傷腸黏膜，在降血糖、止痛等方面也具備良好的效果[61]。高粱作為主要谷物，在活性多肽的開發(fā)研究方面一直較少。Kamath等[62]通過糜蛋白酶處理高粱醇溶蛋白，經(jīng)過分離得到具有血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)抑制活性的組分，IC50值在1.30～24.31 g/mL之間，這是較早以高粱醇溶蛋白作為來源制備生物活性肽的研究。近幾年，對高粱醇溶蛋白生物活性肽的開發(fā)逐漸增多。Xu等[63]利用多種蛋白酶對高粱醇溶蛋白進行酶解，對多種蛋白酶的水解產(chǎn)物進行了分析比較。選定中性蛋白酶對醇溶蛋白進行酶解，通過化學(xué)分析和食品模型對酶解產(chǎn)物和組分進行抗氧化性分析，并鑒定出23個具備抗氧化活性醇溶蛋白多肽序列。在前期實驗的基礎(chǔ)上，Xu等[64]利用堿性蛋白酶對高粱醇溶蛋白進行酶解，通過與之前相同的化學(xué)分析和食品模型對酶解產(chǎn)物和組分進行抗氧化性分析，并鑒定出26個具備抗氧化活性醇溶蛋白多肽序列。通過木瓜蛋白酶對高粱醇溶蛋白進行酶解，發(fā)現(xiàn)醇溶蛋白水解物對HepG2細胞具有抑制作用，顯示出潛在的抗癌作用[65]。并通過抗氧化性分析，鑒定出13個具備抗氧化活性的醇溶蛋白多肽序列。以上研究通過不同的蛋白酶水解高粱醇溶蛋白制備的抗氧化肽為4～12肽不等。其中中性蛋白酶水解制備的抗氧化肽均為6～12肽。而木瓜蛋白酶和堿性蛋白酶制備的抗氧化肽則多為4肽和5肽。以上研究為以高粱醇溶蛋白為原料生產(chǎn)多肽抗氧化劑提供了一條可行的途徑，證明高粱醇溶蛋白可作為新型天然抗氧化劑原料的來源。

生物活性肽具備抗氧化、抗菌、抗腫瘤、降血壓、等多種功能活性，同時復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較多的種類，是研究者對生物活性肽不斷探索的動力。生物活性肽高度的安全性和不同的生物活性功能，使活性肽制劑成為未來不可缺少的食品添加劑，在保健食品的生產(chǎn)和開發(fā)中具備廣闊的應(yīng)用前景。有研究發(fā)現(xiàn)，主要蛋白質(zhì)為醇溶蛋白的玉米黃粉是制備醒酒肽的優(yōu)勢來源，多數(shù)研究中醒酒玉米肽的氨基酸序列雖然不完全相同，但它們的共性是都具有亮氨酸[66]。和玉米醇溶蛋白相比，高粱醇溶蛋白中亮氨酸的含量也占比較高，因此可以將高粱醇溶蛋白作為制備醒酒肽的潛在蛋白來源。作為谷物加工生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，高粱醇溶蛋白浪費情況較為嚴重，若能將高粱醇溶蛋白開發(fā)為制備生物活性肽的新型能源，在對副產(chǎn)物再利用方面具有重要經(jīng)濟意義。

4 總結(jié)與展望

高粱的主要成分為淀粉和蛋白質(zhì)，近年來，高粱淀粉作為研究熱點一直備受關(guān)注，但對高粱蛋白質(zhì)的研究卻一直較少。高粱醇溶蛋白在高粱總蛋白中占比最高，并且是高粱食品加工中的主要產(chǎn)物。在白酒釀造等食品工業(yè)領(lǐng)域中，高粱醇溶蛋白的利用率極低，資源浪費嚴重。因此對高粱醇溶蛋白進行合理的開發(fā)利用，將會對發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)具有極大的推動作用，同時解決了資源浪費嚴重的問題，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

現(xiàn)階段，高粱醇溶蛋白的應(yīng)用已經(jīng)不再局限于改善蛋白消化性和制備包裝材料，更多研究開始向其良好的荷載能力和制備功能活性肽的潛力方面進行開發(fā)。高粱醇溶蛋白作為載體材料，目前對其負載率、穩(wěn)定性、活性釋放、復(fù)溶性等問題還未進行深入研究。因此，高粱醇溶蛋白應(yīng)用的難點在于制備的納米顆粒載體的功能特性單一，并且存在包封率低、穩(wěn)定性差、藥物突釋等問題，導(dǎo)致應(yīng)用范圍具有一定的局限性。同時，高粱醇溶蛋白與復(fù)合物結(jié)合類型較少，還未發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢突出的復(fù)合納米粒子類型。并且作為一種新型的運載系統(tǒng)，對其進行生物評價的研究較少，應(yīng)用于人體的安全性尚且無法確定。高粱醇溶蛋白獨特的疏水性，可以作為蛋白改性的發(fā)展方向，通過適當(dāng)?shù)男揎椇透男?，如物理、化學(xué)等手段對醇溶蛋白進行改性修飾，使其獲得一些額外的特性，如維持在胃腸道中的穩(wěn)定性、靶向釋放等功能，實現(xiàn)增強高粱醇溶蛋白功能性的可能；此外，作為制備生物活性肽的新型來源，相關(guān)研究還處于起步階段，除了制備ACE抑制肽和抗氧化肽，還有更多可能的功能活性需要去開發(fā)。在功能肽制備方法上，不僅是通過蛋白酶酶解，還可以利用微生物發(fā)酵等方式對高粱醇溶蛋白進行處理，制備具有更多功能的活性肽產(chǎn)品。未來將高粱醇溶蛋白應(yīng)用在食品加工和醫(yī)療保健等領(lǐng)域，會具有十分廣闊的前景。